LTE的QoS机制学习总结

1、精品文档 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In ternet，企业 专用数据网等。APN （接入点名称）的值作为 PDN网络的标识， PDN GW位于EPC和 PDN 的边界。EPS Bearer存在于 UE和PDN GW之间。通常情况下（GTP Based S5S8），EPS承载 可以看作是UE与分组数据网网关（

2、PDN-GW）之间的逻辑电路，（对于基于PMIP的S3S8接口， 一般认为EPS Bearer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（PDP Con text）。 根据QoS的不同，EPS Bear可以划分为两大类： GBR（Guranteed Bit Rate）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（Maximum Bit Rate）参数定义了 GBR Bear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，N

3、on 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（Default Bearer）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 Default Bearer和一个IP Address,只有在 UE和PDN 都支持IPV4, IPV6

4、双协议栈，一个PDN连接才有可能对应两个Default Bearer和IP Address, UE在此PDN连接的有效期内将会一直保持此Default Bearer （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 Default EPS Bear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 Dedicated EPS Bea。连接到相同 PDN的其

5、他EPS承载 称为专有承载，运营商可以根据PCRF（ Policy And Charging Resource Function）定义的策略， 将不同的数据流映射到相应的Dedicated EPS Bear上,并且对不同的 EPS Bea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S5S8 接口，SGW到eNodeB之间的S1接口 和eNodeB到UE之间的Uu接口。EPS Bearer

6、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。 From 3GPP 23.401 4.722 The EPS bearer with GTP-based SS8 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S5S8承载之间的绑定， 实现S1承载与S5S8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S5S8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EPS Beare,以获得相应的 QoS保障

7、。这样的映射关系 是通过TFT(Traffic Flow Template)和其中的 Packet Filters来实现的。TFT是映射到相应 EPS Bearer的所有PacketFilter的集合，Packet Filter表示将用户的一种业务数据流(SDF，Service DataFlow)映射到相应的 EPS Bearer上, Packet Filter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EPS Bearer必须有与之相应的 TFT。相反的，缺省的EPS Bear 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EPS Be

8、arer 的IP数据包会被映射到缺省的EPS Bearer上。在专有的EPS Bearer被释放的情况下，原来映 射到专有EPS Bearer上的数据包也会被重新路由到相应的缺省EPS Bearer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 (QoS Class Identifier)和 ARP ( Allocation And Retention Priority ) QCI同时应用于 GBR

9、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。 Table 6.1.7: Sta

10、ndardized QCI characteristics QCIResource TypePriorityPacket Delay Budget (NOTE 1) Packet Error Loss (NOTE 3) GBR4 (NOTE 3) (NOTE 3) 2 1 100 ms 10-2 Con versati onal Voice 150 ms 2 (NOTE 3) 10-3 Con versati onal Video (Live Stream ing) 3 3 50 ms 10-3 Real Time Gami ng 5 4 300 ms 10-6 Non-Con versati

11、 onal Rate (NOTE 2) Example Services Video (Buffered Streami ng) 5 (NOTE 3) 1100 ms10-6IMS Sig nalli ng 6 (NOTE 4) 6 300 ms 10-6Video (Buffered Streami ng) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.) 7 (NOTE 3)No n-GBR 7 100 ms 10-3Voice, Video (Live Streami n

12、g) In teractive Gami ng 8 (NOTE 5) 8 300 ms 10-6 Video (Buffered Streami ng) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file 9 (NOTE 6)9shari ng, progressive video, etc.) ARP是分配和保留优先级 (Allocation and Retention Priority) 。 ARP同时应用于 GBR和 No n-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，eNode B

13、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( Aggregated Maximum Bit Rate )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

14、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3GPP R8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，

15、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（UMT S）的无线网络控制器（RNC）和基站（Node B）两个节点，简 化到只有演进型基

16、站（eNode B）个节点，从而演进系统的 QoS结构相比UMT S 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 1、LTE/SAE勺 QoS机制 1.1 SAE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

17、框架一一分层次、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 UMT S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

18、QoS, 在AGW和eNodeB之间传输承载业务数据,向eNode B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

19、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PDN GW关联一个 DL（下行）T FT, T FT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eNode B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

20、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。 1.2 SAE QoS数与属性 1.2. 1 QoS 参数 一个SAE的承载关联到下列承载级 QoS

21、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 eNode B）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

22、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,eNode B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QCk 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

23、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

24、个QCI关 联，如果多个SDF具有相同的QCI和ARP值，贝尼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。 承栽 类型 优先 级 迟预算 分组丢 先率 业务举仗 1 10- 2 会话语音 2 4 J 50 ms 会话观频旨逵流:期廿 3 It nil 10) 实时游戏 4 5 3U)nu 非会话视频（缓冲流媒体） 5 1 1 (Hins 10 一右 IMS信令 1 Ncn- 1 1(1血 io- * 语音撷频（百插潭昨）. 交互类游戏 6 6 视频（缰冲ifi媒体），基于TCP 哲

25、8 J io- 的业务如w w w E- moil. 9 9 珈天、F 丁队卩2P文件共亭等） （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Q

26、CI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寸于上行和 下行的取值是相同的。 2、2G、 3G 和 LTE/ SAE勺 QoS 比较 LTE/ SAE承载等价于2G- GPRS和3G- UMT S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 98 PDP属性和3G对 应

27、的 R99 PDP属性。其中R97 98 PDP属性是指3GPP标准Release 1997和 1998 的2G- GPRS部分的分组数据协议（PDP服务质量属性；R99 PDP属性是指3G- UMT S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。 R97/9S R99PDP冨性 1 TE/SAE PDP属性 承载乌性 时絃尊级 业务等饭 业舍处绘优先怨 承载类犁 可霏等翅 错误唧川传谨 分亀丢耒皇1 PLHt 蛛值吞吐量等级 上行链普MBR 卜方链胡MBR 最大出特速率（MBR） 过科勞级 分配和保印忧先级 分配和保西优先级 (Ann (ARP) 平均召吐量 未便用 耒使用 未便串 帛大SPU 未便用 质斋的重摊序 传递時 怙連戴序 未使弔 传输时延 分抵延近反算屮“ 保证比特速宰（G册 未便用 未使用 琨合嚴大比芍邇至 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