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        LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制比較與分析

        2016-05-28 05:18:10謝鯤
        廣東通信技術 2016年1期
        關鍵詞:比較分析

        [謝鯤]

        LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制比較與分析

        [謝鯤]

        摘要先介紹LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS參數(shù),再對LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)承載建立的信令流程進行了詳細介紹,分析LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)的QoS是如何實現(xiàn)的,最后比較了兩者的差異。

        關鍵詞:LTE WCDMA QoS 比較 分析

        謝鯤

        男,工程師,大學本科,畢業(yè)于重慶大學,現(xiàn)任職中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司陜西省分公司運維部網(wǎng)優(yōu)中心,主要從事移動核心網(wǎng)優(yōu)化工作。

        1 前言

        隨著LTE網(wǎng)絡的大規(guī)模建設和完善,移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對網(wǎng)絡資源的需求越來越大,盡管可以通過網(wǎng)絡擴容的方式解決,但是在業(yè)務需求越來越大時,網(wǎng)絡負荷承受不住,就不能保證滿足業(yè)務質(zhì)量要求。QoS(Quality of Service,服務質(zhì)量)在移動網(wǎng)絡的使用,使得在網(wǎng)絡資源有限的情況下,可以區(qū)分不同的業(yè)務和用戶,優(yōu)化網(wǎng)絡資源,最大限度提升了網(wǎng)絡資源的利用率。當網(wǎng)絡過載或擁塞時,QoS 能確保重要業(yè)務不受延遲或丟棄,同時保證網(wǎng)絡的高效運行。LTE網(wǎng)絡的QoS相對WCDMA網(wǎng)絡無論參數(shù)數(shù)量還是實現(xiàn)機制都有了很大變化。

        2 WCDMA網(wǎng)QoS相關參數(shù)

        WCDMA網(wǎng)絡承載了不同QoS要求的數(shù)據(jù)業(yè)務,各種數(shù)據(jù)業(yè)務都可以由一組QoS參數(shù)來保證,它決定了用戶可以在WCDMA網(wǎng)絡上使用那些業(yè)務,它描述了這些在WCDMA網(wǎng)使用業(yè)務的屬性,包括了業(yè)務處理類別、最大比特速率、交付次序、最大業(yè)務數(shù)據(jù)單元尺寸、SDU格式信息、差錯SDU交付決定、殘留比特差錯率、SDU差錯率、傳輸時延、有保證的比特速率、業(yè)務處理優(yōu)先級、分配和保留優(yōu)先級、信令指示、源統(tǒng)計描述符等14 個QoS參數(shù),見表1。

        WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)過程中有業(yè)務處理類別、業(yè)務處理優(yōu)先級、分配與保留優(yōu)先級等參數(shù)起到了關鍵作用,下面簡要介紹3GPP協(xié)議對它們的定義。

        (1)業(yè)務處理類別包括了四種類型:會話類型、流類型、交互類型和背景類型,在HLR中進行了配置。

        (2)業(yè)務處理優(yōu)先級定義了處理SDU的優(yōu)先級別,是指相對于其他SDU處理級別的,僅對交互類業(yè)務有效,對其他類型的業(yè)務.THP可忽略,在HLR中進行了配置。

        (3)分配與保留優(yōu)先級確定UMTS承載的分配/保留相對于其他UMTS承載的重要性。ARP屬性是一個簽約屬性而不通過移動終端來協(xié)商,但參數(shù)取值可被SGSN 或GGSN網(wǎng)元進行更改。在執(zhí)行對一個承載的分配/保留功能時,優(yōu)先級用于區(qū)別不同的承載。在資源匱乏時,相關網(wǎng)元可以在執(zhí)行接納控制時給有高ARP的承載以接納控制的優(yōu)先權。在HLR中進行了配置。

        表 1 UMTs承載業(yè)務分類及參數(shù)

        3 LTE網(wǎng)QoS相關?參數(shù)

        LTE網(wǎng)的QoS參數(shù)具體包括QoS等級標志(QCI),分配與保留優(yōu)先級(ARP),保證比特率(GBR),最大比特率(MBR),聚合最大比特率(AMBR),其中QCI、AMBR是LTE網(wǎng)新增的,下面簡要的介紹QCI,AMBR的定義:

        (1)QCI(QoS Class Identifier):表征了不同業(yè)務的QoS要求,如包流失率、時延等要求,主要用于承載建立后的資源調(diào)度控制,用于端到端的保證各種業(yè)務的QoS需求。QCI參數(shù)可以由運營商預先配置。使用QCI參數(shù)可以有效減小QoS參數(shù)傳輸時的數(shù)據(jù)量,也便于不同廠商間產(chǎn)品的互連互通;

        QCI是一個數(shù)量等級,其具體含義見表2。

        (2)AMBR(Aggregate Maximum Bit Rate)

        AMBR僅應用于 Non- GBR 承載, 同一個LTE UE 的多個SAE 承載可以共享同一個AMBR, 即一組SAE承載中的每個承載可以使用全部的 AMBR 資源, 例如當其他SAE 承載沒有任何業(yè)務流時, 有業(yè)務流的那個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)絡可能在上行鏈路和下行鏈路使用業(yè)務流量調(diào)節(jié)算法,就像 MBR的調(diào)節(jié)算法一樣。根據(jù)場景,AMBR又可分為用戶聚合最大比特率(UE-AMBR)和接入點聚合最大比特率(APN-AMBR)。

        表2 標準QCI屬性表

        4 LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)核心EPC側QoS管理實現(xiàn)機制

        在移動用戶使用移動上網(wǎng)業(yè)務時,QoS管理必須保證端到端的延時和最大延時抖動在可接受的范圍內(nèi)。在大多數(shù)情況下,QoS需要保證三方面的因素:帶寬、延時和準確度。

        4.1WCDMA網(wǎng)絡中QoS控制實現(xiàn)機制

        圖1 WCDMA網(wǎng)QoS管理流程

        步驟1:手機向SGSN發(fā)送PDP激活上下文請求,其中PDP上下文中包括QoS參數(shù)。

        步驟2:SGSN將手機請求的業(yè)務屬性與該用戶簽約的QoS參數(shù)(這些參數(shù)都是用戶在位置更新時,SGSN 從HLR獲得了,如業(yè)務類別、上下行最大速率、保證速率、優(yōu)先級等)進行比較(UE請求的QoS是應用需要的業(yè)務能力;簽約QoS是針對用戶所能提供的業(yè)務能力的上限),結合系統(tǒng)資源情況,得到協(xié)商QoS(如果終端在發(fā)送激活PDP上下文請求時沒帶QoS參數(shù),SGSN會使用用戶簽約的QoS參數(shù));

        步驟3:SGSN向GGSN發(fā)建立PDP上下文請求,其中PDP上下文包括了SGSN協(xié)商確認的QoS參數(shù);

        步驟4:GGSN根據(jù)設備的資源情況及處理能力對該QoS參數(shù)進行判斷,接受或降級。隨后向SGSN回建立PDP上下文響應,其中PDP上下文包括了GGSN確認的QoS參數(shù);

        步驟5:SGSN收到GGSN的建立PDP請求響應,向RNC發(fā)RAB ASSIGNMENT REQUEST消息,消息中帶有SGSN和GGSN協(xié)商確認的QoS參數(shù);

        步驟6:RNC根據(jù)資源情況和QoS參數(shù)執(zhí)行調(diào)度策略,執(zhí)行接納控制算法,建立RL/RB,然后返回RNC從“RAB ASSIGNMENT REQUEST”消息中提取QoS參數(shù),并按照預先定義的業(yè)務和用戶優(yōu)先級映射表進行映射,RNC根據(jù)映射表中的參數(shù)進行相應的資源調(diào)度。之后將結果反饋給SGSN;

        步驟7/8:如果SGSN見到返回的RAB建立消息里QoS屬性降級了,就會向GGSN發(fā)PDP上下文更新請求,GGSN收到進行處理返回結果;

        步驟9:SGSN給UE返回PDP上下文激活響應,整條承載也就建立,這時用戶可以進行上網(wǎng)看視頻打游戲等業(yè)務。

        WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制以協(xié)商為主,任何協(xié)商PDP上下文的QoS都不能超過HLR簽約建立的QoS,HLR簽約的QoS是承載級QoS,簽約規(guī)定了與之采用相同APN的PDP上下文的最大的QoS。

        4.2LTE網(wǎng)靜態(tài)QoS管理實現(xiàn)機制:基于HSS簽約信息進行用戶QoS管理:

        步驟1:LTE UE附著LTE網(wǎng)絡時,向eNodeB發(fā)Attach Request消息,eNodeB再將此消息傳給MME;

        步驟2:MEE收到LTE用戶Attach Request消息后,判斷用戶歸宿HSS后,MME發(fā)送Update Location request消息給HSS,HSS收到消息后,回MEE消息update Location answer,其中就有簽約QoS參數(shù),包括默認承載QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR;

        步驟3:MME請求SAE GW建立默認承載,并攜帶簽約QCI、ARP、APN-AMBR;

        圖2 基于靜態(tài)QoS管理流程

        步驟4:EPC GW回復建立承載請求,并將QoS參數(shù)返回給MME;

        步驟5:MME根據(jù)從EPC GW處獲取的APNAMBR和簽約UE-AMBR,計算用戶的UE-AMBR,將UE-AMBR、QCI、ARP發(fā)給eNodeB建立無線承載,根據(jù)QoS參數(shù)執(zhí)行基于承載的無線資源調(diào)度,將APNAMBR、QCI發(fā)給LTE UE。LTE UE根據(jù)收到的QoS向網(wǎng)絡發(fā)起建立承載請求,網(wǎng)絡就根據(jù)請求里消息建立一條承載。

        圖3 基于動態(tài)QoS管理流程

        步驟1:LTE用戶附著網(wǎng)絡,發(fā)Attach Request消息給eNodeB,eNodeB再傳給MEE;

        步驟2:MEE收到LTE用戶Attach Request消息后,判斷用戶歸宿HSS,MME發(fā)送Update Location request消息給HSS,HSS收到消息后,回MEE消息update Location answer,其中就有簽約QoS參數(shù),包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR;

        步驟3:MME請求SAE GW建立默認承載,并攜帶簽約QCI、ARP、APN-AMBR;

        步驟4:EPC GW與PCRF交互,并攜帶獲取的QoS參數(shù),PCRF可根據(jù)策略修改該參數(shù);

        步驟5:EPC GW回復建立承載請求,并將QoS參數(shù)返回給MME;

        步驟6:MME根據(jù)從EPC GW處獲取的APNAMBR和簽約UE-AMBR,計算用戶的UE-AMBR,將UE-AMBR、QCI、ARP發(fā)給eNodeB建立無線承載,根據(jù)QoS參數(shù)執(zhí)行基于承載的無線資源調(diào)度,將APNAMBR、QCI發(fā)給UE。LTE UE根據(jù)收到的QoS向網(wǎng)絡發(fā)起建立承載請求,網(wǎng)絡就根據(jù)請求里消息建立一條承載。

        從以上兩種LTE的QoS處理機制看,靜態(tài)QoS處理機制策略比較單一,只能基于用戶在HSS中的默認簽約進行QoS管理,無法針對不同的用戶、不同的業(yè)務動態(tài)配置差異化QoS管理策略。而引入PCRF的QoS處理機制可以針對單個用戶、單個業(yè)務,結合不同應用場景,配置差異化的QoS和計費策略,在原有靜態(tài)QoS機制的基礎上增加了業(yè)務級QoS控制,從而實現(xiàn)差異化QoS管理。LTE網(wǎng)絡增加了UE-AMBR、APN-AMBR,形成了基于承載級、APN級、用戶級三種粒度的 QoS控制機制。LTE網(wǎng)絡能夠區(qū)分業(yè)務等級,根據(jù)等級不同建立不同承載,為運營商制定更靈活的業(yè)務策略提供QoS保證。

        5 LTE網(wǎng)和WCDMA網(wǎng)QoS實現(xiàn)機制比較

        LTE網(wǎng)相比WCDMA網(wǎng),網(wǎng)絡架構上發(fā)生了簡化,采用eNB單層結構,省去RNC,從而簡化網(wǎng)絡結構和減少網(wǎng)絡時延,實現(xiàn)了低時延,低復雜度和低成本的要求。

        (1)LTE網(wǎng)絡QoS參數(shù)相對于WCDMA網(wǎng)主要是新增了QCI和AMBE兩個參數(shù);

        (2)LTE網(wǎng)絡中QoS控制的基本粒度是EPS承載,即相同承載上的所有數(shù)據(jù)流獲得相同的QoS保障,不同的QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供。EPS承載取代了WCDMA網(wǎng)的分組數(shù)據(jù)協(xié)議上下文(PDP Context);

        (3)WCDMA用戶在使用上網(wǎng)業(yè)務時才建立承載,其QoS也是根據(jù)HLR的簽約信息決定的。而LTE用戶在開機附著時,就為用戶建立固定速率的默認承載,提高用戶體驗,減少業(yè)務建立的時延,真正實現(xiàn)用戶的“永遠在線”,保證其基本業(yè)務需求,其QoS參數(shù)由MME/SGSN根據(jù)HSS的簽約參數(shù)分配,P-GW可以根據(jù)PCRF信息修改該參數(shù);

        (4)WCDMA網(wǎng)中UE、RNC、SGSN、GGSN共同完成了QoS參數(shù)的傳遞和協(xié)商過程,將用戶簽約的權限,業(yè)務需求和系統(tǒng)資源結合,得到各方都接受的QoS。LTE網(wǎng)絡的QoS控制,由LTE終端、eNodeB、EPC設備共同實現(xiàn),不再進行QoS協(xié)商,不同設備之間,不允許進行承載級QoS協(xié)商,QoS需求不同時,創(chuàng)建新的承載;

        (5)WCDMA網(wǎng)絡受終端及網(wǎng)絡設備支持情況限制,雖然標準支持一個會話中多個PDP上下文,但同一用戶所有業(yè)務只能使用一個PDP,也就是QoS都是一樣,無法區(qū)分業(yè)務等級。LTE網(wǎng)絡在引入控制層網(wǎng)元PCRF后,增加了業(yè)務級QoS控制,根據(jù)業(yè)務等級不同建立不同承載,從而為制定更靈活的業(yè)務策略提供QoS保證。

        總的來說,LTE網(wǎng)絡和WCDMA網(wǎng)絡使用了兩種不同的QoS機制,LTE網(wǎng)絡只有5個QoS參數(shù),而WCDMA網(wǎng)有14個QoS參數(shù),那么就存在了在兩網(wǎng)之間發(fā)生業(yè)務時,這些QoS如何映射,才能保證業(yè)務的連續(xù)使用。在這些參數(shù)里除了ARP、GBR、MBR可以對應外,其余參數(shù)無法一一對應。因此LTE網(wǎng)QoS就要考慮QCI 與WCDMA網(wǎng)QoS參數(shù)的TC、THP、傳輸時延、信令指示等11個參數(shù)如何映射。目前3GPP已經(jīng)對QCI=2-4定義了相關映射關系,其余的映射關系需要根據(jù)業(yè)務類型和現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡情況考慮配置。

        6 總結

        LTE網(wǎng)絡是移動通信網(wǎng)絡向全IP網(wǎng)絡發(fā)展的重要一步,為了滿足其需求,LTE網(wǎng)絡的QoS做了諸多改進,數(shù)量也比WCDMA網(wǎng)絡減少,同時也減少了可能組合數(shù)量,實現(xiàn)機制也更加簡單,特別是減少了QoS協(xié)商,為用戶提供了速度更快且畫面更加流暢的體驗,提高了用戶使用感知度。目前是LTE建設初期,網(wǎng)絡規(guī)模遠遠小于WCDMA網(wǎng),兩網(wǎng)的QoS機制也不同,這樣就帶來兩網(wǎng)之間QoS映射問題,如果解決不好就會影響用戶感知。

        參考文獻

        1韓志剛.LTE FDD技術原理與網(wǎng)絡規(guī)劃[M].人民郵電出版社. 2012

        2楊穎. WCDMA核心網(wǎng)QoS參數(shù)的研究[J]. 郵電設計技術, 2010,(11):67-71

        3徐怡.WCDMA QoS機制解析[J]. 郵電設計技術, 2005,(7):27-30

        43GPP TS 23.401. General packet radio service (GPRS) enhancements for evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN) access

        53GPP TS23.203 6.1.7.2 . Standerdized QCI characteristics

        63GPP TS23.107. Quality of service(QoS)concept and architecture(Release 6)[S/OL]. f2010—08-11

        DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.012

        收稿日期:(2015-12-07)

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