林煦峰, 楊輝

（1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東分公司深圳分部, 深圳 518048; 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100080）

1 引言

目前，各種無(wú)線寬帶接入技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)3GPP系統(tǒng)形成了很大挑戰(zhàn)。3GPP發(fā)現(xiàn)有必要通過(guò)從無(wú)線接口到核心網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)和增強(qiáng)，以在未來(lái)十年內(nèi)保持自己在移動(dòng)通信領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力, 為運(yùn)營(yíng)商和用戶不斷增長(zhǎng)的需求提供滿意的支持[1]。由此提出了系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)（System Architecture Evolvement，SAE）的概念，以期“制定一個(gè)具有高數(shù)據(jù)率、低延遲、數(shù)據(jù)分組化、支持多種無(wú)線接入技術(shù)（包括3GPP和非3GPP網(wǎng)絡(luò)）為特征的具有可移植性的3GPP系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)”。SAE從系統(tǒng)整體角度考慮未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)和特征，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面確定將來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展方向。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化、同質(zhì)化特征的條件下, 滿足未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將使運(yùn)營(yíng)商在未來(lái)更有競(jìng)爭(zhēng)力, 用戶不斷變化的業(yè)務(wù)需求也將得到較好的滿足。

支持端到端的QoS保證，是SAE的主要特征之一。目前，對(duì)于各種接入網(wǎng)技術(shù)，都規(guī)定了不同的QoS技術(shù)，包括UMTS[2～6]、WLAN等，跨網(wǎng)絡(luò)的QoS實(shí)現(xiàn)在文獻(xiàn)[1～3]中都提出了不同的支持方案。本文概述了SAE中的端到端QoS機(jī)制。首先，簡(jiǎn)要闡述了SAE引入的增強(qiáng)型QoS的概念。在此基礎(chǔ)上，著重對(duì)SAE中的QoS機(jī)制進(jìn)行了分析，包括QoS的參數(shù)設(shè)置、區(qū)分控制、協(xié)商過(guò)程。最后對(duì)SAE中QoS面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。

2 SAE對(duì)QoS的要求

SAE需要支持端到端的QoS，為此，引入增強(qiáng)型QoS的概念[1]，包括：

（1）跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，保證端到端的QoS。SAE需要支持多種接入系統(tǒng)，包括3GPP和非3GPP網(wǎng)絡(luò)。由于不同網(wǎng)絡(luò)能提供的帶寬等資源情況不同，需要對(duì)不同接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體的資源管理。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)，減少對(duì)終端的依賴?；诰W(wǎng)絡(luò)的管理方法由路由器、交換機(jī)處理QoS機(jī)制，減少對(duì)終端的負(fù)荷，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對(duì)QoS的控制權(quán)和主導(dǎo)權(quán)，并可以有效縮短等待終端發(fā)起的時(shí)延。

（3）達(dá)到高速數(shù)據(jù)分組傳輸。

（4）簡(jiǎn)化現(xiàn)有的UMTS中QoS參數(shù)，包括QoS參數(shù)及相關(guān)信令交互等。業(yè)務(wù)的屬性直接決定QoS等級(jí)，反映在業(yè)務(wù)時(shí)延，誤碼等參數(shù)上。SAE中引入了Label和AMBR（Aggregate MBR，匯聚最大比特率）的概念，簡(jiǎn)化了UMTS中的QoS參數(shù)（從13個(gè)參數(shù)減少到4個(gè)）。

（5）根據(jù)區(qū)分控制的原理，對(duì)相同的QoS數(shù)據(jù)流進(jìn)行匯聚。CN對(duì)于相同QoS class等級(jí)業(yè)務(wù)流，可以聚合在同一個(gè)SAE承載上，從而有效減少eNB上的用戶上下文。

（6）降低業(yè)務(wù)連接的時(shí)延，連接建立的時(shí)間要求小于200 ms。SAE的體系架構(gòu)中減少了網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，簡(jiǎn)化了用戶接入網(wǎng)絡(luò)建立業(yè)務(wù)連接的信令交互。這與SAE中網(wǎng)絡(luò)層次扁平化要求息息相關(guān)。

3 SAE中QoS的實(shí)現(xiàn)

3.1 SAE中的QoS參數(shù)設(shè)置

在UMTS中，根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，將業(yè)務(wù)分為：會(huì)話類、流類、交互類、背景類；并且定義了13個(gè)與服務(wù)質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)：業(yè)務(wù)類型、最大比特速率、保證比特速率、傳輸次序、最大SDU尺寸、 SDU格式信息、SDU差錯(cuò)率、殘留誤碼率、傳輸時(shí)延、傳送處理優(yōu)先權(quán)、分配/預(yù)留優(yōu)先權(quán)、源統(tǒng)計(jì)描述器、信令指示[2]。

在SAE中卻只定義了4個(gè)參數(shù)：Label（標(biāo)簽）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特率）、GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特率）、ARP（Allocation and Retention Priority，分配預(yù)留優(yōu)先權(quán)）。這4個(gè)參數(shù)在MME和eNB之間通過(guò)控制平面進(jìn)行交互。大大簡(jiǎn)化了QoS機(jī)制。

Label：在eNB中，用來(lái)描述業(yè)務(wù)的處理行為。Label屬性和GBR、MBR一起實(shí)現(xiàn)了eNB中SAE無(wú)線承載。Label同PCRF中的QCI（QoS Class Identifier，QoS分類標(biāo)識(shí)）一樣，標(biāo)識(shí)服務(wù)質(zhì)量類型，它包含的屬性有SAE承載類型、時(shí)延估計(jì)、丟包容限等。運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)Label值配置eNB中如調(diào)度權(quán)值、排隊(duì)管理策略等功能。Label具體的映射關(guān)系正在研究中。

ARP：可用于保證比特率和非保證比特率SAE承載。在資源受限情況下用于決定是否為用戶請(qǐng)求建立或更新承載。一旦承載建立，ARP將不再作用于傳輸控制（調(diào)度和速率控制等）。

GBR、MBR：針對(duì)每一個(gè)SAE承載。GBR僅用于保證比特率的承載，即專用承載。MBR用于保證比特率的承載時(shí)要大于等于GBR。使用GBR和MBR的比特流中包含：應(yīng)用層數(shù)據(jù)、傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分組頭、PDCP分組頭。一個(gè)用戶的所有SAE承載的平均MBR應(yīng)該小于等于簽約的MBR上限[1]。

在SAE中還引入了AMBR的概念。針對(duì)一個(gè)用戶的所有承載，多個(gè)非保證比特率承載可共享相同的AMBR，且這些非保證比特率承載中的任意一條都潛在的可以使用整個(gè)AMBR資源，即在其他承載不使用AMBR資源的時(shí)候，某條非保證比特率承載可以完完全全地占用整個(gè)AMBR資源。在HSS中AMBR表現(xiàn)為用戶簽約的MBR。簽約用戶允許使用的每個(gè)APN（Access Point Name，接入點(diǎn)名）分別定義簽約QoS數(shù)據(jù)，包括該APN的默認(rèn)承載的QCI、ARP和該APN對(duì)應(yīng)的AMBR等承載層的QoS參數(shù)值。

3.2 SAE中QoS的區(qū)分控制

要實(shí)現(xiàn)端到端的QoS，首先要建立端到端的SAE承載服務(wù)。圖1所示為SAE承載服務(wù)架構(gòu)。SAE承載服務(wù)包含實(shí)現(xiàn)簽約QoS的各個(gè)方面：控制信令、用戶平面?zhèn)鬏敽蚎oS管理功能等。SAE承載服務(wù)分層結(jié)構(gòu)類似于TS 23.107中UMTS承載服務(wù)的分層結(jié)構(gòu)。每個(gè)SAE承載服務(wù)由SAE無(wú)線承載服務(wù)和SAE訪問(wèn)承載服務(wù)構(gòu)成[2]。他們與物理層承載相連，各司其職。

圖1 SAE承載服務(wù)架構(gòu)

SAE承載服務(wù)功能有[1]：

（1）IP端到端服務(wù)流的QoS合理匯總，即對(duì)來(lái)自同一用戶的具有相同QoS要求的服務(wù)流進(jìn)行匯聚，使他們?cè)谕怀休d服務(wù)上傳送；

（2）IP包頭壓縮（并向UE提供相關(guān)信息）；

（3）上行加密（并向UE提供有關(guān)信息）；

（4）若端到端的信令數(shù)據(jù)包需要優(yōu)先處理，則在默認(rèn)的IP服務(wù)中添加一個(gè)額外的SAE承載服務(wù)；

（5）向UE提供映射/復(fù)用信息。

SAE無(wú)線承載服務(wù)功能有：

（1）根據(jù)用戶QoS需求，在eNB和UE之間傳輸SAE承載服務(wù)數(shù)據(jù)單元；

（2）將SAE無(wú)線承載服務(wù)與每個(gè)具體的SAE承載服務(wù)相聯(lián)。

SAE訪問(wèn)承載服務(wù)功能有：

（1）根據(jù)用戶QoS需求，在eNB和aGW之間傳輸SAE承載服務(wù)數(shù)據(jù)單元；

（2）向eNB提供SAE承載服務(wù)的總QoS需求描述；

（3）將SAE訪問(wèn)承載服務(wù)與每個(gè)具體SAE承載服務(wù)相關(guān)聯(lián)。

SAE承載服務(wù)中的QoS管理功能是在SAE承載服務(wù)接入點(diǎn)之間為用戶提供可協(xié)商、有質(zhì)量保證的服務(wù)，它又分為控制層面QoS管理和用戶層面QoS管理：在控制層面，實(shí)現(xiàn)服務(wù)管理、映射功能、管理/容量控制、簽約控制功能；在用戶層面，實(shí)現(xiàn)映射功能、業(yè)務(wù)分類、資源管理、傳輸條件檢測(cè)功能。

在UE和PCEF中都有每種業(yè)務(wù)的服務(wù)數(shù)據(jù)流過(guò)濾器（由端口號(hào)等組成），它們?cè)贅?gòu)成一個(gè)業(yè)務(wù)流模板，對(duì)來(lái)自UE的上行數(shù)據(jù)和來(lái)自PCEF中的下行數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。用戶分組數(shù)據(jù)流匯聚成一個(gè)服務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF），多個(gè)需要相同處理方式的服務(wù)數(shù)據(jù)流則構(gòu)成一個(gè)業(yè)務(wù)承載[4]，上述過(guò)程可用圖2描述。

圖2 數(shù)據(jù)流過(guò)濾過(guò)程

SAE中，承載分為兩類：默認(rèn)承載和專用承載。默認(rèn)承載在UE接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)即建立，它是在這個(gè)連接的整個(gè)生命周期中始終保持的IP連接承載，它不能保證數(shù)據(jù)傳輸速率。專用SAE承載同UE中的上行鏈路數(shù)據(jù)流過(guò)濾器以及PCEF中的下行鏈路數(shù)據(jù)流過(guò)濾器相關(guān)聯(lián)，只傳輸那些和過(guò)濾器相匹配的數(shù)據(jù)流。若用戶請(qǐng)求業(yè)務(wù)無(wú)法由默認(rèn)承載提供，則由網(wǎng)絡(luò)為用戶分配專用承載。專用承載可以是非保證速率，也可以是保證比特率的。在專用承載建立和修改的過(guò)程中，不支持QoS協(xié)商。

圖3 雙向SAE承載模型

在SAE/LTE系統(tǒng)中，QoS控制的粒度是劃分到SAE承載上的。也就是說(shuō)，映射到同一SAE承載等級(jí)的所有SDF，享受相同的服務(wù)和待遇（比如，排隊(duì)、分組調(diào)度等）。每一個(gè)SAE承載分配一個(gè)標(biāo)簽以標(biāo)識(shí)該承載，每個(gè)承載是針對(duì)一個(gè)用戶而言的。SAE無(wú)線承載和SAE訪問(wèn)承載一對(duì)一。在無(wú)線承載和訪問(wèn)承載中過(guò)濾器都為用戶數(shù)據(jù)分配了相應(yīng)的承載ID（RB-ID、AB-ID）標(biāo)識(shí)不同承載服務(wù)，這些在業(yè)務(wù)建立過(guò)程中定義。圖3為一個(gè)雙向SAE承載模型[1]。

3.3 SAE中QoS協(xié)商過(guò)程

網(wǎng)絡(luò)中控制無(wú)線/網(wǎng)絡(luò)資源的實(shí)體通過(guò)QoS信令交互和資源預(yù)留過(guò)程獲取用戶QoS簽約信息、用戶和網(wǎng)絡(luò)容納能力、網(wǎng)絡(luò)資源的可用性、用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息等等。若網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足用戶請(qǐng)求的QoS，可以通過(guò)一定程度地降低通信質(zhì)量來(lái)保持業(yè)務(wù)連接。QoS建立過(guò)程通常使用應(yīng)用層信令（如IMS）或IP承載信令。

SAE中的QoS協(xié)商過(guò)程涉及以下網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體：

AF（Application Function，應(yīng)用功能）：從接口SGi接收來(lái)自用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，并根據(jù)該請(qǐng)求，通過(guò)Rx接口向PCRF提供用戶要求的相關(guān)業(yè)務(wù)信息，可基于IMS。

PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能）：控制用戶面QoS，如接收來(lái)自PCRF的策略、進(jìn)行基于策略的接納控制等，位于網(wǎng)關(guān)中。

PCRF（Policy and Charging Rule Function，策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能）：管理策略信息，如接收來(lái)自AF的業(yè)務(wù)信息，并將其轉(zhuǎn)換為用戶授權(quán)的策略通過(guò)S7接口傳送給PCEF。

圖4為SAE中非漫游情況下QoS協(xié)商并進(jìn)行資源預(yù)留的過(guò)程。

（1）用戶發(fā)出業(yè)務(wù)請(qǐng)求，通過(guò)會(huì)話信令與AF建立連接（該會(huì)話信令由網(wǎng)絡(luò)使用的具體業(yè)務(wù)控制體系決定，如：在IMS中的SIP信令）。

（2）AF根據(jù)用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)生成相應(yīng)的業(yè)務(wù)信息，并傳送給PCRF。

（3）PCRF制定一個(gè)PPC規(guī)則，包括業(yè)務(wù)信息映射為授權(quán)IP QoS（該QoS參數(shù)包括QCI、MBR、GBR等）。

（4）PCRF將PCC規(guī)則傳送給PCEF。值得注意的是，在這個(gè)PCC規(guī)則中的授權(quán)QoS是對(duì)應(yīng)于每一個(gè)IP流的。如果默認(rèn)的IP承載服務(wù)不能滿足這一QoS請(qǐng)求，此時(shí)就轉(zhuǎn)入其他SAE承載服務(wù)流程。

（5）網(wǎng)關(guān)（GW）收到關(guān)于端到端服務(wù)的詳細(xì)資料，這份來(lái)自PCRF的資料包括：IP流的描述信息，與QoS有關(guān)的比特速率、業(yè)務(wù)等級(jí)（延遲/優(yōu)先級(jí)需求）等信息。GW為每一個(gè)業(yè)務(wù)等級(jí)生成一個(gè)匯總項(xiàng)，該匯總項(xiàng)包括所有映射到同一業(yè)務(wù)等級(jí)的端到端服務(wù)，以及這些端到端服務(wù)的總QoS需求描述，同時(shí)，GW將來(lái)自PCRF的信息映射為用戶所在具體無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)。

（6）～（8）GW將QoS信息匯總傳送給用戶所在無(wú)線接入網(wǎng)，進(jìn)行用戶授權(quán)無(wú)線資源分配。

（9）用戶發(fā)送資源分配確認(rèn)信息給PCRF及外部網(wǎng)絡(luò)，并開始數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 QoS協(xié)商過(guò)程

以上是一個(gè)端到端服務(wù)QoS建立過(guò)程。當(dāng)用戶在通信過(guò)程中，需要中斷或修改服務(wù)時(shí)，PCRF和GW將根據(jù)收到的相應(yīng)信息，隨時(shí)更新QoS設(shè)置，其過(guò)程和建立QoS的過(guò)程大同小異，在這里就不詳細(xì)介紹了。

4 SAE中實(shí)現(xiàn)QoS待解決的問(wèn)題

在SAE QoS未來(lái)的研究中，還面臨著眾多需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，主要有：

（1）QoS的實(shí)現(xiàn)模型。IETF定義了綜合服務(wù)（IntServ）和區(qū)分服務(wù)（DiffServ）兩種經(jīng)典的互聯(lián)網(wǎng)QoS體系模型。IntServ是一種基于流的、與狀態(tài)相關(guān)的模型，可以通過(guò)RSVP為用戶提供端到端的質(zhì)量保證型服務(wù)或負(fù)載受控服務(wù)，但控制機(jī)制復(fù)雜度高，可擴(kuò)展性差。DiffServ是一種基于類的、與狀態(tài)無(wú)關(guān)的模型，針對(duì)業(yè)務(wù)類型可為用戶提供3種服務(wù)（EF、AF、BE），通過(guò)DSCP域進(jìn)行區(qū)分，并通過(guò)PHB進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但并未實(shí)現(xiàn)真正意義上端到端的QoS。目前QoS體系模型已較為成熟，IntServ 和DiffServ 相結(jié)合的體系模型、MPLS、OverQoS體系模型等都可以為用戶提供較好的QoS保證。SAE QoS參數(shù)中引入Label機(jī)制，和UMTS比較，Label中包含了除其他3個(gè)參數(shù)以外QoS涉及的所有內(nèi)容，同時(shí)Label用于服務(wù)承載的標(biāo)識(shí)。這和DiffServ中的DSCP有相似之處。為每一種Label分配一種服務(wù)流調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)方式，可以考慮在SAE中使用IntServ 和DiffServ 相結(jié)合的體系模型實(shí)現(xiàn)端到端QoS。

（2）不同接入網(wǎng)間QoS參數(shù)的映射。SAE面臨著不同網(wǎng)絡(luò)的接入，不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同的基于QoS等級(jí)的業(yè)務(wù)分類，如IP網(wǎng)絡(luò)定義了6種業(yè)務(wù)等級(jí)、UMTS中定義了4種業(yè)務(wù)類型，WLAN定義了8種優(yōu)先級(jí)等。如何根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的可用資源情況，建立不同網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在這個(gè)基礎(chǔ)上具體實(shí)現(xiàn)QoS參數(shù)的轉(zhuǎn)換是需要解決的問(wèn)題。參數(shù)映射有兩種方式：一是設(shè)計(jì)一種參數(shù)模板，每種網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)都以該模板為中介進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，如文獻(xiàn)[15]中提出了一種ASM坐標(biāo)模板作為各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)映射的橋梁；二是設(shè)計(jì)不同網(wǎng)絡(luò)之間QoS參數(shù)的相互映射，如WLAN和UMTS網(wǎng)絡(luò)間[12]、WLAN和IP網(wǎng)絡(luò)間[14]，但這種方式需要終端識(shí)別各種網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，并具有各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)轉(zhuǎn)換的功能，擴(kuò)展性較低。在SAE中，針對(duì)不同接入網(wǎng)絡(luò)資源可用情況，可以考慮引入一種劃分粒度較為細(xì)致的QoS等級(jí)、參數(shù)映射模板，達(dá)成不同網(wǎng)絡(luò)間參數(shù)的映射。

（3）各鏈路實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留分配的具體方法。目前，無(wú)線資源管理方式、排隊(duì)算法和分組調(diào)度算法發(fā)展較為成熟：文獻(xiàn)[11]在傳統(tǒng)的DGC算法上提出了CSR算法，實(shí)現(xiàn)WLAN/3G蜂窩網(wǎng)間的聯(lián)合資源管理，文獻(xiàn)[16]在基于RR和多用戶分集思想的調(diào)度策略上介紹了一種部分多用戶分集調(diào)度策略；文獻(xiàn)[17]中提出了一種新的快速響應(yīng)AQM算法優(yōu)化現(xiàn)有隊(duì)列管理機(jī)制；分組調(diào)度算法包括DDS、基于MWM的算法等等。針對(duì)SAE低時(shí)延、高速率的特性，在（1）中提到的模型基礎(chǔ)上，需要選用或提出更為合理的資源管理、快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式達(dá)到目標(biāo)。

（4）SAE中AMBR參數(shù)的具體使用場(chǎng)景。AMBR的使用有4種方案：（1）僅使用于所有非保證比特率SAE承載，不包括保證比特承載；（2）僅使用于某些非保證比特率SAE承載；（3）使用于所有SAE承載；（4）僅使用于某些SAE承載[1]。在保證比特率SAE承載中設(shè)置了MBR，既然每一個(gè)業(yè)務(wù)都有MBR，那么它們和在一起也不可能超過(guò)AMBR，所以在保證比特率SAE承載中AMBR似乎就沒(méi)有了存在的意義，比較之下，方案2較為理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)的3G系統(tǒng)需要在支持多種接入技術(shù)的基礎(chǔ)上，向用戶提供高數(shù)據(jù)率、低延遲、全I(xiàn)P的綜合業(yè)務(wù)。目前，SAE已成為3G移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的主要研究工作之一，保證端到端的QoS是SAE的重要目標(biāo)。本文介紹了增強(qiáng)性的端到端QoS，并在此基礎(chǔ)上分析了SAE中用戶業(yè)務(wù)的區(qū)分控制方式和QoS參數(shù)設(shè)置，簡(jiǎn)要介紹了SAE中QoS的協(xié)商過(guò)程，最后分析了SAE的QoS面臨的關(guān)鍵性問(wèn)題。

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