LTE的QoS机制

LTE的QoS机制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。下面将通过介绍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)中获取的签约数据,也可以通过策略计费规则功能(PCRF)交互或者基于本地配置。2)专用承载:对某些特定业务所使用的SAE承载。一般情况下专用SAE承载的QoS比默认QoS的要求高。专用承载在UE关联上行(UL)业务流模板(TFT),在PDNGW关联一个DL(下行)TFT,TFT中包含业务数据流的过滤器,而这些过滤器只能匹配某些准则的分组,专用承载的QoS参数总是由分组核心网分配。3)GBR承载:与保证比特速率(GBR)承载相关的专用网络资源,在承载建立或修改过程中通过例如eNodeB的接纳控制等功能永久分配给某个承载,这个承载在比特速率上要求能够保证不变。4)Non-GBR承载:与GBR承载相反,网络资源不能永久分配给某个承载,即不能保证该承载的比特速率不变,就是Non-GBR承载。专用承载可以是GBR承载或Non-GBR承载,而默认承载应该是Non-GBR承载。一个承载维护的是一个服务数据流(SDF)的集合体,对应相同承载级别QoS的多个SDF的集合,每个SDF是由IP的5元组(源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、IP层以上协议ID)描述,以此来识别终端和应用或服务。所以SDF可以用来连接到Web、流媒体服务器或邮箱服务器。1.2SAEQoS参数与属性1.2.1QoS参数一个SAE的承载关联到下列承载级QoS参数。(1)QoS分类标识(QCI)。QCI可同时应用于GBR和Non-GBR承载。一个QCI是一个值,用于指定访问节点内定义的控制承载级分组转发方式(如调度权重、接纳门限、队列管理门限、链路层协议配置等),这些都可以有运营商预先设置到接入网节点(比如eNodeB)中。在接口上使用QCI而不是传输一组QoS参数主要是为了减少接口上的控制信令数据传输量,并且在多厂商互联和漫游环境下使用不同设备或系统间的互连互通更加容易。(2)分配和保留优先级(ARP)。ARP可同时应用于GBR和Non-GBR承载。ARP的主要目的是能够决定是否接受请求的承载建立/修改(尤其对于GBR承载的无线容量是否有效),或者在资源受限时拒绝上述请求。另外,eNodeB可以使用ARP决定资源受限时,哪个承载可以丢弃。一个承载的ARP仅在承载建立成功之前对承载的建立产生影响。承载建立之后再需要对承载的特性进行改变时,应该由QCI、GBR、MBR和AMBR等参数决定。(3)保证比特速率(GBR)。GBR仅应用于GBR承载,提供给GBR承载保证的比特速率,GBR承载的业务包括语音、流媒体、实时游戏等。(4)最大比特速率(MBR)。MBR仅应用于GBR承载,它为业务设置数据传输速率的限制。如果发现业务的数据传输速率超过MBR时,网络将通过业务量整形算法来限制速率。MBR的值一般大于或等于GBR的值。(5)聚合最大比特速率(AMBR)。AMBR仅应用于Non-GBR承载,同一个UE的多个SAE承载可以共享同一个AMBR,即一组SAE承载中的每个承载可以使用全部的AMBR资源,例如当其他SAE承载没有任何业务流时,有业务流的那个承载可以使用全部的AMBR定义的全部带宽。如果超出了AMBR限制,网络可能在上行链路和下行链路使用业务流量调节算法,就像MBR的调节算法一样。1.2.2标准QCI属性一个QCI特性可由承载类型、优先级、分组延迟预算、分组丢失率等组成,它代表了SAE系统为某个SDF提供的QoS特性。每个SDF仅与一个QCI关联,如果多个SDF具有相同的QCI和ARP值,则它们可以作为单独的业务集合来处理,这就是SDF集合。QCI特性一般由运营商根据实际需求预配置在eNodeB上,下表给出了SAE系统定义的标准QCI属性。(1)承载类型:决定是否需要在整个承载生存时间内固定分配与承载相关的资源,也就是决定是GBR承载还是Non-GBR承载。对于一个业务的承载类型是由运营商的策略决定,当有足够的容量时,实时业务和非实时业务都可由Non-GBR承载进行传输。(2)优先级:用来区分相同或不同UE的SDF集合。每个QCI都与一个优先级相关联,优先级数越小表示优先级别越高。(3)分组延迟预算(PDB):定义了链路层SDU在接入节点和UE之间的链路中的逗留时间。链路层中可包括排队管理功能,对于某一特定的QCI特性,PDB对于上行和下行的取值是相同的。采用PDB的目的是为了支持对调度和链路层功能进行配置。(4)分组丢失率(PLR):定义了由发送方链路层ARQ协议处理的SDU没有成功到达相应的接收方的比率。因此,PLR是一个非拥塞情况下的分组丢失情况。这个参数允许适当的链路层协议配置。对于某一特定的QCI特性,PLR对于上行和下行的取值是相同的。2、2G、3G和LTE/SAE的QoS比较LTE/SAE承载等价于2G-GPRS和3G-UMTS标准中使用的“PDP上下文”，所以在与2G和3G的比较中,重点比较2G对应的R97/98PDP属性和3G对应的R99PDP属性。其中R97/98PDP属性是指3GPP标准Release1997和1998的2G-GPRS部分的分组数据协议(PDP)服务质量属性;R99PDP属性是指3G-UMTS和2G-GPRS在3GPP标准Release99的PDP服务质量属性。下表描述了不同版本标准的服务质量属性。从上表可以看出,3GPP的服务质量(QoS)是如何从2G发展到3G最后演进到LTE/SAE的过程。在2G-GPRS的R97/98版本中,语音是基于电路交换的,电路连接建立后即可保证业务的服务质量,所以语音的QoS保证比较简单;而GPRS采用的是分组交换方式,由于GSM无线接口技术的限制,GPRS只能提供尽力而为的服务质量,这种业务对传输时延和传输速率是没有任何保证的。3G-UMTS的R99版本,在对R97/R98版本的QoS参数进一步细化的同时,也增加了一些新参数,比如前面提到的传输时延和传输速率,其目的是:对已有的和将要出现的所有电路和分组交换服务类型来说,网络的资源分配机制和调度算法要尽可能灵活。这一层面的灵活性和在UTRAN中专用传输信道定义的所有可能选项是一致的。同时R99版本按业务流对时延的敏感程度不同定义了4种QoS的业务类型:会话类、流类、交互类和后台类,每种类型都有相对应的QoS具体属性和应用举例。发展到R8版本的LTE/SAE,舍弃了电路交换,支持全IP网络,服务质量(QoS)的表示相比R99版本更加简单。由于包括更少的属性域和预定义的标签,所以减少了可能的组合数量;通过保持不同制造商对相同类型服务的网络应用的一致性,实现用户跨网络的无缝移动的体验;通过预定义的默认承载,缩短了业务建立的时延,实现用户的永远在线!的体验;通过采用QCI和预定义的承载类型(GBR或Non-GBR),确定了不同类型的业务的QoS具体需求,提供给用户高速且流畅的体验。总结LTE/SAE系统是移动网络向全IP网络发展的重要一步,为了满足其需求,LTE/SAE的QoS做了诸多的改进,引入了许多新的概念:比如简化了UMTS的承载架构,发展成LTE/SAE的承载业务架构,提出了默认承载、专用承载、GBR承载和Non-GBR承载等概念;在描述QoS参数和属性时,提出了QCI和AMBR等新概念。文章最后将LTE/SAE的QoS与2G和3G的QoS比较,表明LTE/SAE给用户带来的体验的提高。随着LTE于2009年底在瑞典和挪威开始商用,移动通信网络进入了无线高速分组交换时代,这将给LTE/SAE的QoS管理带来有益的探索,比如LTE与3GPP的2G或3G网络切换导致的QoS映射问题,LTE与Non-3GPP网络切换导致的QoS映射问题等。