LTE的QoS機(jī)制

1、LTE的QoS機(jī)制具備更高的數(shù)據(jù)傳輸率、 更靈活的頻譜帶寬配置、更小的系統(tǒng)時(shí)延、 更低的運(yùn)營成本、 更多樣化的業(yè)務(wù)、以及無縫移動(dòng)性是運(yùn)營商對(duì)下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的必然要求。根據(jù) 3GPP R8 版本確定的長期演進(jìn)( LTE)與系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)( SAE) 兩大標(biāo)準(zhǔn)所構(gòu)建的LTE/ SAE 系統(tǒng),通過基于全 IP的分組核心網(wǎng), 扁平化的網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu), 并支持多種接入技術(shù)靈活接入的特點(diǎn)滿足了以上的要求。同時(shí), 提供具有嚴(yán)格服務(wù)質(zhì)量( QoS)保證的數(shù)據(jù)、語音、 圖像、 視頻等多媒體業(yè)務(wù), 和支持跨不同接入網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS 保證, 成為 LTE/ SAE 系統(tǒng)的研究重點(diǎn)之一。保證服務(wù)質(zhì)量的目的是向用戶提供滿

2、意的服務(wù),不同類型的業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求有所不同, 傳統(tǒng)的衡量服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)包括端到端延遲、 抖動(dòng)、 分組丟失率、 網(wǎng)絡(luò)吞吐率和數(shù)據(jù)傳輸可靠性等。由于LTE/ SAE 系統(tǒng)在接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化,接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加扁平化, 即把通用移動(dòng)通信系統(tǒng)( UMT S)的無線網(wǎng)絡(luò)控制器( RNC) 和基站( Node B)兩個(gè)節(jié)點(diǎn), 簡化到只有演進(jìn)型基站( eNode B)一個(gè)節(jié)點(diǎn),從而演進(jìn)系統(tǒng)的 QoS 結(jié)構(gòu)相比 UMT S 的QoS 進(jìn)行了簡化, 但也做了不少增強(qiáng)和改進(jìn)。比如由于希望更好地實(shí)現(xiàn)用戶的“永遠(yuǎn)在線”體驗(yàn), 故引入了默認(rèn)承載概念; 為了取消 UMTS 系統(tǒng)復(fù)雜的QoS 協(xié)商機(jī)制, 放棄了專用信

3、道概念, 采用共享信道和配備靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制。下面將通過介紹 LTE/ SAE 的承載業(yè)務(wù)架構(gòu), 分析承載級(jí)QoS的參數(shù)和屬性, 然后將其與 2G和3G 的QoS 比較, 進(jìn)一步說明 LTE/ SAE 給用戶帶來的體驗(yàn)的提高。1、 LTE/SAE的QoS機(jī)制1.1 SAE承載業(yè)務(wù)架構(gòu)，由于 LTE/ SAE 系統(tǒng)需要提供的是端到端 QoS,所以沿用了 UMTS 系統(tǒng)相似的QoS框架分層次、分區(qū)域的QoS體系結(jié)構(gòu)，即上層的QoS要求分解為下層的QoS要求，分解為下層的QoS屬性, 下層為上層提供承載業(yè)務(wù)。SAE 的QoS 承載業(yè)務(wù)架構(gòu)如下圖所示。 圖中端到端的承載業(yè)務(wù)可以沿著端到端的路徑劃分成

4、不同的網(wǎng)絡(luò)段業(yè)務(wù)。端到端承載業(yè)務(wù)可以分解成兩部分: SAE 承載業(yè)務(wù)與外部承載業(yè)務(wù)。其中, 外部承載業(yè)務(wù)用于連接 UMT S 核心網(wǎng)和位于外部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)承載。SAE 承載業(yè)務(wù)則可以分為 SAE無線承載業(yè)務(wù)與 SAE 接入承載業(yè)務(wù)兩部分。SAE 無線承載業(yè)務(wù)根據(jù)必需的QoS, 在eNodeB與 UE 之間傳輸承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù), 將無線承載鏈接到對(duì)應(yīng)的承載業(yè)務(wù);SAE 接入承載業(yè)務(wù)根據(jù)必需的QoS, 在AGW 和 eNodeB 之間傳輸承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù), 向 eNode B 提供端到端承載的聚合 QoS描述, 同時(shí)將接入承載鏈接到對(duì)應(yīng)的承載業(yè)務(wù)。SAE 的QoS 控制的基本粒度是承載, 即相同承載

5、上的所有流量將獲得相同的 QoS 保障, 不同類型的承載提供不同的 QoS 保障。SAE 還提出了一些新的承載類型概念, 比如默認(rèn)承載、 專用承載、GBR 承載和Non- GBR承載等。1)默認(rèn)承載: 一種滿足默認(rèn) QoS 的數(shù)據(jù)和信令的用戶承載。默認(rèn)承載可以簡單理解為一種提供盡力而為 IP 連接的承載, 給用戶設(shè)備( UE) 提供 永遠(yuǎn)在線!的 IP連接。默認(rèn)承載的 QoS參數(shù)可以來自于從歸屬用戶服務(wù)器( HSS)中獲取的簽約數(shù)據(jù), 也可以通過策略計(jì)費(fèi)規(guī)則功能( PCRF)交互或者基于本地配置。2)專用承載: 對(duì)某些特定業(yè)務(wù)所使用的 SAE 承載。一般情況下專用SAE 承載的 QoS 比默認(rèn)

6、 QoS 的要求高。專用承載在 UE 關(guān)聯(lián)上行( UL )業(yè)務(wù)流模板( TFT ) , 在PDN GW關(guān)聯(lián)一個(gè) DL( 下行) T FT, T FT 中包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的過濾器, 而這些過濾器只能匹配某些準(zhǔn)則的分組, 專用承載的QoS 參數(shù)總是由分組核心網(wǎng)分配。3) GBR承載: 與保證比特速率( GBR)承載相關(guān)的專用網(wǎng)絡(luò)資源, 在承載建立或修改過程中通過例如eNode B 的接納控制等功能永久分配給某個(gè)承載, 這個(gè)承載在比特速率上要求能夠保證不變。4) Non- GBR承載: 與 GBR 承載相反, 網(wǎng)絡(luò)資源不能永久分配給某個(gè)承載, 即不能保證該承載的比特速率不變, 就是 Non- GBR承

7、載。專用承載可以是GBR承載或Non- GBR 承載, 而默認(rèn)承載應(yīng)該是 Non- GBR 承載。一個(gè)承載維護(hù)的是一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)流( SDF )的集合體, 對(duì)應(yīng)相同承載級(jí)別 QoS 的多個(gè) SDF的集合, 每個(gè)SDF是由 IP的5元組(源 IP地址、 目的 IP 地址、 源端口號(hào)、 目的端口號(hào)、IP 層以上協(xié)議 ID)描述, 以此來識(shí)別終端和應(yīng)用或服務(wù)。所以 SDF 可以用來連接到Web、 流媒體服務(wù)器或郵箱服務(wù)器。1.2 SAE QoS參數(shù)與屬性1. 2. 1 QoS 參數(shù)一個(gè) SAE 的承載關(guān)聯(lián)到下列承載級(jí) QoS 參數(shù)。( 1) QoS 分類標(biāo)識(shí)( QCI)。QCI 可同時(shí)應(yīng)用于 GBR和

8、 Non- GBR 承載。一個(gè) QCI是一個(gè)值, 用于指定訪問節(jié)點(diǎn)內(nèi)定義的控制承載級(jí)分組轉(zhuǎn)發(fā)方式(如調(diào)度權(quán)重、 接納門限、 隊(duì)列管理門限、 鏈路層協(xié)議配置等) , 這些都可以有運(yùn)營商預(yù)先設(shè)置到接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(比如eNode B) 中。在接口上使用QCI 而不是傳輸一組 QoS 參數(shù)主要是為了減少接口上的控制信令數(shù)據(jù)傳輸量, 并且在多廠商互聯(lián)和漫游環(huán)境下使用不同設(shè)備或系統(tǒng)間的互連互通更加容易。( 2)分配和保留優(yōu)先級(jí)( ARP)。ARP 可同時(shí)應(yīng)用于 GBR 和 Non - GBR 承載。ARP的主要目的是能夠決定是否接受請(qǐng)求的承載建立/修改(尤其對(duì)于 GBR承載的無線容量是否有效) ,或者在資源受

9、限時(shí)拒絕上述請(qǐng)求。另外, eNode B 可以使用 ARP 決定資源受限時(shí),哪個(gè)承載可以丟棄。一個(gè)承載的 ARP僅在承載建立成功之前對(duì)承載的建立產(chǎn)生影響。承載建立之后再需要對(duì)承載的特性進(jìn)行改變時(shí), 應(yīng)該由QCI、 GBR、 MBR和AMBR等參數(shù)決定。( 3)保證比特速率( GBR)。GBR僅應(yīng)用于 GBR承載, 提供給 GBR承載保證的比特速率, GBR承載的業(yè)務(wù)包括語音、 流媒體、 實(shí)時(shí)游戲等。( 4)最大比特速率( MBR)。MBR僅應(yīng)用于 GBR 承載, 它為業(yè)務(wù)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速率的限制。如果發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率超過MBR時(shí), 網(wǎng)絡(luò)將通過業(yè)務(wù)量整形算法來限制速率。MBR的值一般大于或等

10、于 GBR 的值。( 5)聚合最大比特速率( AMBR)。AMBR僅應(yīng)用于 Non- GBR 承載, 同一個(gè) UE 的多個(gè)SAE 承載可以共享同一個(gè)AMBR, 即一組SAE承載中的每個(gè)承載可以使用全部的 AMBR 資源, 例如當(dāng)其他SAE 承載沒有任何業(yè)務(wù)流時(shí), 有業(yè)務(wù)流的那個(gè)承載可以使用全部的 AMBR定義的全部帶寬。如果超出了 AMBR限制, 網(wǎng)絡(luò)可能在上行鏈路和下行鏈路使用業(yè)務(wù)流量調(diào)節(jié)算法,就像 MBR的調(diào)節(jié)算法一樣。1. 2. 2 標(biāo)準(zhǔn) QCI 屬性一個(gè) QCI 特性可由承載類型、 優(yōu)先級(jí)、 分組延遲預(yù)算、 分組丟失率等組成, 它代表了 SAE 系統(tǒng)為某個(gè)SDF 提供的QoS 特性。每

11、個(gè)SDF僅與一個(gè)QCI 關(guān)聯(lián),如果多個(gè) SDF 具有相同的 QCI 和 ARP 值, 則它們可以作為單獨(dú)的業(yè)務(wù)集合來處理, 這就是 SDF 集合。QCI 特性一般由運(yùn)營商根據(jù)實(shí)際需求預(yù)配置在 eNodeB 上,下表給出了SAE 系統(tǒng)定義的標(biāo)準(zhǔn)QCI 屬性。( 1)承載類型: 決定是否需要在整個(gè)承載生存時(shí)間內(nèi)固定分配與承載相關(guān)的資源,也就是決定是GBR承載還是 Non- GBR承載。對(duì)于一個(gè)業(yè)務(wù)的承載類型是由運(yùn)營商的策略決定, 當(dāng)有足夠的容量時(shí), 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)都可由 Non- GBR承載進(jìn)行傳輸。( 2)優(yōu)先級(jí): 用來區(qū)分相同或不同 UE 的 SDF 集合。每個(gè) QCI 都與一個(gè)優(yōu)先級(jí)相

12、關(guān)聯(lián), 優(yōu)先級(jí)數(shù)越小表示優(yōu)先級(jí)別越高。( 3)分組延遲預(yù)算( PDB) : 定義了鏈路層 SDU 在接入節(jié)點(diǎn)和 UE 之間的鏈路中的逗留時(shí)間。鏈路層中可包括排隊(duì)管理功能, 對(duì)于某一特定的 QCI 特性, PDB對(duì)于上行和下行的取值是相同的。采用 PDB 的目的是為了支持對(duì)調(diào)度和鏈路層功能進(jìn)行配置。( 4) 分組丟失率( PLR) : 定義了由發(fā)送方鏈路層ARQ 協(xié)議處理的SDU 沒有成功到達(dá)相應(yīng)的接收方的比率。因此, PLR是一個(gè)非擁塞情況下的分組丟失情況。這個(gè)參數(shù)允許適當(dāng)?shù)逆溌穼訁f(xié)議配置。對(duì)于某一特定的 QCI 特性, PLR對(duì)于上行和下行的取值是相同的。2 、2G、 3G和 LTE/ SA

13、E的 QoS比較LTE/ SAE 承載等價(jià)于2G- GPRS 和 3G- UMT S標(biāo)準(zhǔn)中使用的“PDP上下文”，所以在與 2G和 3G的比較中, 重點(diǎn)比較 2G 對(duì)應(yīng)的 R97/ 98 PDP 屬性和 3G 對(duì)應(yīng)的 R99 PDP 屬性。其中 R97/ 98 PDP 屬性是指3GPP標(biāo)準(zhǔn)Release 1997和 1998的 2G- GPRS 部分的分組數(shù)據(jù)協(xié)議( PDP)服務(wù)質(zhì)量屬性; R99 PDP 屬性是指 3G- UMT S 和 2G- GPRS 在 3GPP 標(biāo)準(zhǔn) Release99 的PDP服務(wù)質(zhì)量屬性。下表描述了不同版本標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)質(zhì)量屬性。從上表可以看出, 3GPP的服務(wù)質(zhì)量(

14、 QoS)是如何從2G發(fā)展到 3G最后演進(jìn)到LTE/ SAE 的過程。在2G- GPRS 的 R97/ 98 版本中, 語音是基于電路交換的, 電路連接建立后即可保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量,所以語音的QoS保證比較簡單; 而 GPRS 采用的是分組交換方式, 由于 GSM 無線接口技術(shù)的限制, GPRS只能提供盡力而為的服務(wù)質(zhì)量, 這種業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延和傳輸速率是沒有任何保證的。3G- UMT S 的 R99 版本, 在對(duì) R97/ R98 版本的QoS 參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化的同時(shí), 也增加了一些新參數(shù), 比如前面提到的傳輸時(shí)延和傳輸速率, 其目的是: 對(duì)已有的和將要出現(xiàn)的所有電路和分組交換服務(wù)類型來說,網(wǎng)絡(luò)

15、的資源分配機(jī)制和調(diào)度算法要盡可能靈活。這一層面的靈活性和在UTRAN 中專用傳輸信道定義的所有可能選項(xiàng)是一致的。同時(shí) R99 版本按業(yè)務(wù)流對(duì)時(shí)延的敏感程度不同定義了 4種 QoS 的業(yè)務(wù)類型: 會(huì)話類、 流類、 交互類和后臺(tái)類, 每種類型都有相對(duì)應(yīng)的QoS 具體屬性和應(yīng)用舉例。發(fā)展到R8 版本的LTE/SAE, 舍棄了電路交換,支持全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò), 服務(wù)質(zhì)量( QoS)的表示相比 R99 版本更加簡單。由于包括更少的屬性域和預(yù)定義的標(biāo)簽, 所以減少了可能的組合數(shù)量; 通過保持不同制造商對(duì)相同類型服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一致性, 實(shí)現(xiàn)用戶跨網(wǎng)絡(luò)的無縫移動(dòng)的體驗(yàn); 通過預(yù)定義的默認(rèn)承載, 縮短了業(yè)務(wù)建立的時(shí)延, 實(shí)現(xiàn)用戶的 永遠(yuǎn)在線!的體驗(yàn); 通過采用QCI 和預(yù)定義的承載類型( GBR或 Non- GBR) , 確定了不同類型的業(yè)務(wù)的 QoS 具體需求, 提供給用戶高速且流暢的體驗(yàn)。 總結(jié)LTE/SAE 系統(tǒng)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向全 IP 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步, 為了滿足其需求, LTE/ SAE 的 QoS 做了諸多的改進(jìn), 引入了許多新的概念: 比如簡化了 UMTS 的承載架構(gòu), 發(fā)展成LTE/ SAE 的承載業(yè)務(wù)架構(gòu), 提出了默認(rèn)承載、 專用承載、 GBR 承載和 Non