LTE的QoS机制学习总结

LTE/SAE的QoS机制EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略，缓冲队列管理，链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。在EPS系统中，PDN指的是外部的数据网络（相对于LTE运营商而言），例如Internet，企业专用数据网等。APN（接入点名称）的值作为PDN网络的标识，PDNGW位于EPC和PDN的边界。EPSBearer存在于UE和PDNGW之间。通常情况下（GTPBasedS5/S8），EPS承载可以看作是UE与分组数据网网关(PDN-GW)之间的逻辑电路，（对于基于PMIP的S5/S8接口，一般认为EPSBearer存在与UE与SGW之间）。EPS承载取代了UMTS网络中的分组数据协议上下文（PDPContext）。根据QoS的不同，EPSBear可以划分为两大类：GBR(GuranteedBitRate)和Non－GBR。所谓GBR，是指承载要求的比特速率被网络“永久”恒定的分配，即使在网络资源紧张的情况下，相应的比特速率也能够保持。MBR(MaximumBitRate)参数定义了GBRBear在资源充足的条件下，能够达到的速率上限。MBR的值有可能大于或等于GBR的值。相反的，Non－GBR指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者承载）需要承受降低速率的要求，由于Non－GBR承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立。而GBR承载一般只是在需要时才建立。EPS系统中，为了提高用户体验，减小业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，引入了默认承载（DefaultBearer）的概念，即在用户开机，进行网络附着的同时，为该用户建立一个固定数据速率的默认承载，保证其基本的业务需求，默认承载是一种Non－GBR承载。一般来说，每个PDN连接都对应着一个DefaultBearer和一个IPAddress，只有在UE和PDN都支持IPV4，IPV6双协议栈，一个PDN连接才有可能对应两个DefaultBearer和IPAddress，UE在此PDN连接的有效期内将会一直保持此DefaultBearer（IP地址有可能变化吗？）。如果UE存在与多个PDN的连接，那么UE可以有多个DefaultEPSBear和IP地址。默认承载的QoS参数可以来自于从归属用户服务器(HSS)中获取的签约数据，也可以通过PCRF交互或者基于本地配置来改变这些值。为了给相同IP地址的UE提供具有不同QoS保障的业务，如视频通话，移动电视等，需要在UE和PDN之间建立一个或多个DedicatedEPSBear。连接到相同PDN的其他EPS承载称为专有承载，运营商可以根据PCRF（PolicyAndChargingResourceFunction）定义的策略，将不同的数据流映射到相应的DedicatedEPSBear上，并且对不同的EPSBear采用不同的QoS机制。专有承载可以是GBR承载，也可以是Non－GBR承载。专有承载的创建或修改只能由网络侧来发起，并且承载QoS参数值总是由分组核心网来分配。一个EPSBearer要经过不同的网元和接口，如下图所示。包括：PGW到SGW之间的S5/S8接口，SGW到eNodeB之间的S1接口和eNodeB到UE之间的Uu接口。EPSBearer在每个接口上会映射到不同的底层承载，每个网络节点负责维护底层承载的标识以及相互之间的绑定关系。From3GPP23.4014.7.2.2TheEPSbearerwithGTP-basedS5/S8如上图所示，eNodeB通过创建无线承载与S1承载之间的绑定，实现无线承载与S1承载之间的一一映射；S-GW通过创建S1承载与S5/S8承载之间的绑定，实现S1承载与S5/S8承载之间的一一映射。最终，EPS承载数据通过无线承载、S1承载以及S5/S8承载的级联，实现了UE与PDN之间连接业务的支持。用户的IP数据包需要映射到不同的EPSBearer，以获得相应的QoS保障。这样的映射关系是通过TFT（TrafficFlowTemplate）和其中的PacketFilters来实现的。TFT是映射到相应EPSBearer的所有PacketFilter的集合，PacketFilter表示将用户的一种业务数据流（SDF，ServiceDataFlow）映射到相应的EPSBearer上，PacketFilter通常包括源/目的IP地址，源/目的IP端口号，协议号等内容。专有的EPSBearer必须有与之相应的TFT。相反的，缺省的EPSBear通常并不配置特定的TFT，或者说，配置的是通配TFT，这样所有不能映射到专有EPSBearer的IP数据包会被映射到缺省的EPSBearer上。在专有的EPSBearer被释放的情况下，原来映射到专有EPSBearer上的数据包也会被重新路由到相应的缺省EPSBearer上。TFT分为上行和下行两个方向，其中，上行的TFT在UE侧对上行的数据包进行过滤和映射。下行的TFT在PDN侧对下行的数据包进行过滤和映射。在接入网中，空口上承载的QoS是由eNodeB来控制的，每个承载都有相应的QoS参数QCI（QoSClassIdentifier）和ARP（AllocationAndRetentionPriority）。QCI同时应用于GBR和Non-GBR承载。一个QCI是一个值，包含优先级，包延迟，以及可接受的误包率等指标，每个QCI都与一个优先级相关联，优先级1是最高的优先级别。承载QCI的值决定了其在eNodeB的处理策略。例如，对于误包率要求比较严格的Bearer，ENodeB一般通过配置RLC成AM模式来提高空口传输的准确率。标准中（23。203）定义了九种不同的QCI的值，在接口上传输的是QCI的值而不是其对应的QoS属性。通过对QCI的标准化，可以规范不同的厂家对于相应的QoS业务的理解和处理，方便在多厂商互连环境和漫游环境中不同设备／系统间的互连互通。Table6.1.7:StandardizedQCIcharacteristicsQCIResourceTypePriorityPacketDelayBudget(NOTE1)PacketErrorLossRate(NOTE2)ExampleServices1(NOTE3)2100ms10-2ConversationalVoice2(NOTE3)GBR4150ms10-3ConversationalVideo(LiveStreaming)3(NOTE3)350ms10-3RealTimeGaming4(NOTE3)5300ms10-6Non-ConversationalVideo(BufferedStreaming)5(NOTE3)1100ms10-6IMSSignalling6(NOTE4)6300ms10-6Video(BufferedStreaming)TCP-based(e.g.,)7(NOTE3)Non-GBR7100ms10-3Voice,Video(LiveStreaming)InteractiveGaming8(NOTE5)8300ms10-6Video(BufferedStreaming)TCP-based(e.g.,(NOTE6)9sharing,progressivevideo,etc.)ARP是分配和保留优先级(AllocationandRetentionPriority)。ARP同时应用于GBR和Non-GBR承载，主要应用于接入控制，在资源受限的条件下，决定是否接受相应的Bearer建立请求。另外，eNodeB可以使用ARP决定在新的承载建立时，已经已经存在承载的抢占优先级。一个承载的ARP仅在承载建立之前对承载的建立产生影响。承载建立之后QoS特性，应由QCI、GBR、MBR等参数来决定。为了尽可能提高系统的带宽利用率，EPS系统引入了汇聚的概念，并定义了AMBR（AggregatedMaximumBitRate）参数。AMBR可以被运营商用来限制签约用户的总速率，它不是针对某一个Bearer，而是针对一组Non－GBR的Bearer。当其他EPS承载不传送任何业务时，这些Non-GBR承载中的每一个承载都能够潜在地利用整个AMBR。AMBR参数限制了共享这一AMBR的所有承载能所能提供的总速率。3GPP定义了两种不同的AMBR参数：UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE－AMBR定义了每个签约用户的AMBR。APN-AMBR是针对APN的参数，它定义了同一个APN中的所有EPSBearer提供的累计比特速率上限。AMBR对于上行和下行承载可以定义不同的数值。具备更高的数据传输率、更灵活的频谱带宽配置、更小的系统时延、更低的运营成本、更多样化的业务、以及无缝移动性是运营商对下一代移动网络的必然要求。根据3GPPR8版本确定的长期演进(LTE)与系统架构演进(SAE)两大标准所构建的LTE/SAE系统,通过基于全IP的分组核心网,扁平化的网络层次架构,并支持多种接入技术灵活接入的特点满足了以上的要求。同时,提供具有严格服务质量(QoS)保证的数据、语音、图像、视频等多媒体业务,和支持跨不同接入网络的端到端QoS保证,成为LTE/SAE系统的研究重点之一。保证服务质量的目的是向用户提供满意的服务,不同类型的业务对服务质量的要求有所不同,传统的衡量服务质量的参数包括端到端延迟、抖动、分组丢失率、网络吞吐率和数据传输可靠性等。由于LTE/SAE系统在接入网络结构上的优化,接入网结构更加扁平化,即把通用移动通信系统(UMTS)的无线网络控制器(RNC)和基站(NodeB)两个节点,简化到只有演进型基站(eNodeB)一个节点,从而演进系统的QoS结构相比UMTS的QoS进行了简化,但也做了不少增强和改进。比如由于希望更好地实现用户的“永远在线”体验,故引入了默认承载概念;为了取消UMTS系统复杂的QoS协商机制,放弃了专用信道概念,采用共享信道和配备灵活的动态调度机制。下文将通过介绍LTE/SAE的承载业务架构,分析承载级QoS的参数和属性,然后将其与2G和3G的QoS比较,进一步说明LTE/SAE给用户带来的体验的提高。1、LTE/SAE的QoS机制1.1SAE承载业务架构，由于LTE/SAE系统需要提供的是端到端QoS,所以沿用了UMTS系统相似的QoS框架——分层次、分区域的QoS体系结构，即上层的QoS要求分解为下层的QoS要求分解为下层的QoS属性,下层为上层提供承载业务。SAE的QoS承载业务架构如下图所示。图中端到端的承载业务可以沿着端到端的路径划分成不同的网络段业务。端到端承载业务可以分解成两部分:SAE承载业务与外部承载业务。其中,外部承载业务用于连接UMTS核心网和位于外部网络节点之间的业务承载。SAE承载业务则可以分为SAE无线承载业务与SAE接入承载业务两部分。SAE无线承载业务根据必需的QoS,在eNodeB与UE之间传输承载业务数据,将无线承载链接到对应的承载业务;SAE接入承载业务根据必需的QoS,在AGW和eNodeB之间传输承载业务数据,向eNodeB提供端到端承载的聚合QoS描述,同时将接入承载链接到对应的承载业务。SAE的QoS控制的基本粒度是承载,即相同承载上的所有流量将获得相同的QoS保障,不同类型的承载提供不同的QoS保障。SAE还提出了一些新的承载类型概念,比如默认承载、专用承载、GBR承载和Non-GBR承载等。1)默认承载:一种满足默认QoS的数据和信令的用户承载。默认承载可以简单理解为一种提供尽力而为IP连接的承载,给用户设备(UE)提供永远在线!的IP连接。默认承载的QoS参数可以来自于从归属用户服务器(HSS)中