EPS系統的QoS機制QoS Mechanism in Evolved Packet System2008-12-17作者:黃韜 張智江 劉韻潔摘要:為了適應未來10年移動通信技術的發展，給用戶不斷增強的資料業務需求提供更好支援，3GPP組織啟動了長期演進計畫(LTE)與系統框架演進(SAE)研究專案。針對未來資料業務具有高速、突發性的特徵，演進的分組系統(EPS)對服務品質(QoS)機制進行了諸多改進與增強，通過引入默認承載、聚合資源調度等概念，真正實現了用戶的“永遠線上”，提高了業務的資料速率，進而最終提升了用戶體驗。同時，針對未來UTRAN與E-UTRAN網路之間的互操作場景，設計了EPS的QoS等級標識(QCI)參數與通用移動通信系統(UMTS)QoS參數之間的合理映射。關鍵字:系統框架演進(SAE)；EPS承載；聚合最大比特速率(AMBR)；QoS等級標識(QCI)英文摘要:For adapting the development of mobile communication technology in the next 10 years, and providing support for the enhancing data services continually, 3GPP organization began to the Long Time Evolution (LTE)/System Architecture Evolution (SAE) research project. Considering the character of high-speed and bursting data services, the Evolved Packet System (EPS) makes many improvements in the Quality of Service (QoS) scheme. With application of the default bearer, aggregate resources scheduling technologies, the EPS actually realizes the users always-online, improves the operational data rate and enhances the user experience ultimately. At the same time, for the inter-operation scene between E-UTRAN and UTRAN, this system designs the mapping of EPS QoS Class Identifier (QCI) and Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) QoS parameters.英文關鍵字:System Architecture Evolution (SAE); EPS bearer; AMBR; QoS Class Identifier (QCI) 具有嚴格服務品質(QoS)保證的資料、語音、圖像、視頻等多種多媒體業務是目前移動通信系統面臨的主要挑戰之一1。為了保證各種多媒體業務的服務品質，3GPP在通用移動通信系統(UMTS)中清晰地定義了端到端的QoS結構，並引入了多種承載及處理機制，以保證UMTS可以充分發揮自身的技術優勢，為用戶提供各種差異化的服務。 為了保證在未來10年內的技術先發優勢，為運營商和用戶不斷增強的需求提供更好的支持，3GPP於2004年又提出了長期演進(LTE)與系統架構演進(SAE)兩大研究計畫2，其中SAE課題則主要是從網路架構的角度對系統性能進行優化與提高，與之相應的演進網路被稱為演進的分組系統(EPS)。 EPS系統的QoS機制在UMTS系統基礎上進行了諸多增強與改進。 首先，考慮到未來資料業務具有高速、突發的特徵，為有效提高用戶體驗，減小業務建立的時延，真正實現用戶的“永遠線上”，EPS系統引入了默認承載的概念，即在用戶進行網路附著的同時，為該用戶建立一個固定資料速率的默認承載，保證其基本的業務需求。 其次，由於LTE系統在無線接入網中取消了專用通道的概念，轉而採用了共用通道的機制，並採用更靈活的動態調度機制，EPS取消了UMTS系統中複雜的QoS協商機制。 另外，鑒於LTE/SAE網路增加了對GSM、WCDMA、LTE、CDMA2000及WiMAX等多種無線技術接入統一分組域核心網的需求，與之對應，EPS系統也要求能夠支援跨不同接入技術的端到端QoS保證，即用戶設備(UE)在跨越不同接入網時，能夠有效地實現QoS參數之間的映射，保證無縫的用戶體驗3。1 無線通信網路QoS的演進 隨著無線通信技術與IP技術的緊密結合，移動通信網路從GSM系統的電路交換網發展到通用分組無線業務(GPRS)的分組交換網，再到能提供高速率即時資料業務的UMTS網路。在整個移動網路演進過程中，為了根據不同業務特點為用戶提供滿意的服務，移動網路的QoS機制也在不斷發展成熟。 GSM基於電路交換方式，電路連接建立後即可保證業務的服務品質，QoS保證比較簡單，且QoS參數基本不在網路中傳遞。GPRS基於分組交換方式，IP承載方式的引入，使得GPRS網路的QoS保證比GSM要複雜很多。GPRS定義的QoS參數有：時延級別、可靠級、最大資料流程量、優先順序、平均資料流程量、重發需求等等，這些QoS參數要求能夠在用戶終端(UE)與網路側實體服務GPRS支援節點(SGSN)、閘道GPRS支援節點(GGSN)之間傳遞。 R99版本引入了端到端的QoS分層體系結構，這種架構涉及所有網元，包括用戶終端、接入網實體、核心網實體，而且不同介面的QoS參數處理必須保持一致。可以說，UMTS系統引入的QoS分層體系結構是移動通信網在QoS技術演進方面的大飛躍4。同時，R99版本的核心網IP承載還採用了互聯網工程任務組(IETF)定義的QoS技術，包括有：綜合服務/資源預留(Int-Serv/RSVP)、多協定標記交換(MPLS)、差分服務(Diff-Serv)、流量工程和基於約束的尋路等技術，並首次明確定義了4種不同QoS的業務類型：會話類、流類、交互類以及背景類。 R5/R6階段中，為了實現端到端的QoS保證，以滿足IMS移動多媒體業務的服務品質要求，3GPP組織又提出基於IP連接的策略控制機制5。隨後，R7版本將R6版本中的策略控制功能(PDF)與流計費功能(FBC)相合併，在業務控制層和接入/承載層之間增加了策略控制和計費(PCC)子系統，完成資源接納控制功能。 R8版本針對未來資料業務具有突發性的特點，引入EPS專用承載及默認承載的概念，有效地減小了業務承載的建立時延，真正實現了用戶的“永遠線上”6。同時，針對LTE網路無線接入網共用通道機制的特徵，在EPS網路的承載處理(承載創建/修改/刪除)過程中，取消了網路實體間複雜的QoS協商機制。2 EPS系統的QoS機制 在R8的EPS系統中，QoS控制的基本粒度是承載(Bearer)，即相同承載上的所有資料流程量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。與UMTS系統相比，EPS系統的承載機制不同之處在於： 採用EPS承載代替分組資料協定(PDP)上下文，一個EPS承載能夠看作UE與分組資料網閘道(PDN-GW)之間的邏輯電路。 在初始附著的過程中按照用戶簽約的默認QoS等級建立一個默認承載，即每個UE總是至少有一個啟動的承載存在，從而保證用戶在開始業務時具有更短的時延。 將由終端發起PDP上下文建立流程改為通過網路側觸發方式的資料承載建立流程，其觸發條件可以是IP多媒體子系統(IMS)會話中的策略與計費規則功能實體(PCRF)交互、初始附著時移動性管理實體(MME)指示，或是由UE請求，從而方便未來很多由網路端發起的業務的QoS及策略控制。 EPS的QoS基於QoS等級標識(QCI)參數，其中QCI可用來代替UMTS系統中一套10多個參數，即演進型基站(eNodeB)可以從QCI推導出全部參數特徵。2.1 EPS承載業務架構 為了實現端到端QoS，EPS系統從業務的起點到業務的終點都建立和使用了具有明確定義屬性與功能的承載業務，EPS承載業務的分層架構如圖1所示。 從圖1可以看出，EPS承載業務架構繼續沿用了UMTS網路相似的QoS框架結構分層次、分區域的QoS體系結構，也就是說每一層的承載業務都是通過其下一層的承載業務來提供的7-8。 端到端的QoS業務可以分解為兩部分：EPS承載業務與外部承載業務。其中，外部承載業務用於連接UMTS核心網和位於外部網路節點之間的業務承載。EPS承載業務則可以分為EPS無線承載業務與EPS接入承載業務兩部分。EPS無線承載業務可根據請求的QoS，實現eNodeB與UE之間的EPS承載業務資料單元的傳送，同時提供IP頭壓縮、用戶平面加密功能，並可以為UE提供映射及複用資訊；EPS接入承載業務則可以根據請求的QoS，實現MME與eNodeB之間的EPS承載業務資料單元的傳送，同時提供端到端IP業務流彙聚的QoS保證9。2.2 EPS承載概念 EPS系統中定義了分組資料網路(PDN)連接業務的概念，PDN連接業務是指EPS網路在UE與一個PLMN的外部PDN之間提供的IP連接，PDN連接業務可支援一個或者多個業務資料流程(SDF)的傳輸。 當服務閘道(S-GW)和PDN-GW之間的S5/S8介面基於GPRS隧道協定(GTP)時，EPS網路中PDN連接業務由EPS承載提供；而當S5/S8介面基於代理移動IP(PMIP)協議時，PDN連接業務將由EPS承載和S-GW與PDN-GW之間的IP承載連接而成。一個EPS承載唯一標識SDF的一個集合體，對應相同承載級別QoS的多個SDF的集合，每個SDF對應傳輸流範本(TFT)中的一個資料包篩檢程式，也就是說每個EPS承載關聯著UE的上行TFT和PDN-GW的下行TFT。 下面基於GTP協議的上行EPS承載為例，分析其建立過程與實現原理，如圖2所示。首先，UE通過UL-TFT將一個上行SDF綁定成一個EPS承載，若在UL-TFT中包含多個上行分組資料包篩檢程式，則多個SDF將可以複用相同的EPS承載。隨後依順序，UE通過創建SDF與無線承載之間的綁定，實現UL-TFT與無線承載之間的一一映射；eNodeB通過創建無線承載與S1承載之間的綁定，實現無線承載與S1承載之間的一一映射；S-GW通過創建S1承載與S5/S8承載之間的綁定，實現S1承載與S5/S8承載之間的一一映射。最終，EPS承載資料通過無線承載、S1承載以及S5/S8承載的級聯，實現了UE對外部PDN網路之間PDN連接業務的支援。 EPS系統中，在PDN連接業務存在期間會始終保持建立一個承載，來給UE提供“永遠線上”的IP連接，這個承載叫做默認承載。默認承載的QoS參數可以來自於從歸屬用戶伺服器(HSS)中獲取的簽約資料，也可以通過PCRF交互或者基於本地配置來改變這些值。連接到相同PDN的其他EPS承載稱為專有承載，專有承載的創建或修改只能由網路側來發起，並且承載級QoS參數值總是由分組核心網來分配。若在承載建立或修改過程中，與EPS承載相關聯的保證比特率(GBR)對應的專有網路資源被恒定地分配，這個EPS承載就屬於GBR承載；否則，這個承載就屬於Non-GBR承載。專有承載可以是GBR承