［謝鯤］

LTE網和WCDMA網QoS實現機制比較與分析

［謝鯤］

摘要先介紹LTE網和WCDMA網QoS參數，再對LTE網和WCDMA網承載建立的信令流程進行了詳細介紹，分析LTE網和WCDMA網的QoS是如何實現的，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，現任職中國聯(lián)合網絡通信有限公司陜西省分公司運維部網優(yōu)中心，主要從事移動核心網優(yōu)化工作。

1　前言

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

2　WCDMA網QoS相關參數

WCDMA網絡承載了不同QoS要求的數據業(yè)務,各種數據業(yè)務都可以由一組QoS參數來保證，它決定了用戶可以在WCDMA網絡上使用那些業(yè)務，它描述了這些在WCDMA網使用業(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)務數據單元尺寸、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，見表1。

WCDMA網QoS實現過程中有業(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，但參數取值可被SGSN 或GGSN網元進行更改。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

3　LTE網QoS相關?參數

LTE網的QoS參數具體包括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度控制，用于端到端的保證各種業(yè)務的QoS需求。QCI參數可以由運營商預先配置。使用QCI參數可以有效減小QoS參數傳輸時的數據量，也便于不同廠商間產品的互連互通；

QCI是一個數量等級，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,網絡可能在上行鏈路和下行鏈路使用業(yè)務流量調節(jié)算法,就像 MBR的調節(jié)算法一樣。根據場景，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網和WCDMA網核心EPC側QoS管理實現機制

在移動用戶使用移動上網業(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。在大多數情況下，QoS需要保證三方面的因素：帶寬、延時和準確度。

4.1WCDMA網絡中QoS控制實現機制

圖1　WCDMA網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。

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（這些參數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，SGSN會使用用戶簽約的QoS參數）；

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；

步驟4：GGSN根據設備的資源情況及處理能力對該QoS參數進行判斷，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；

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；

步驟6：RNC根據資源情況和QoS參數執(zhí)行調度策略，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，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根據映射表中的參數進行相應的資源調度。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看視頻打游戲等業(yè)務。

WCDMA網QoS實現機制以協(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網靜態(tài)QoS管理實現機制：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，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參數返回給MME；

步驟5：MME根據從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QoS參數執(zhí)行基于承載的無線資源調度，將APNAMBR、QCI發(fā)給LTE UE。LTE UE根據收到的QoS向網絡發(fā)起建立承載請求，網絡就根據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，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，PCRF可根據策略修改該參數；

步驟5：EPC GW回復建立承載請求，并將QoS參數返回給MME；

步驟6：MME根據從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QoS參數執(zhí)行基于承載的無線資源調度，將APNAMBR、QCI發(fā)給UE。LTE UE根據收到的QoS向網絡發(fā)起建立承載請求，網絡就根據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，從而實現差異化QoS管理。LTE網絡增加了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網絡能夠區(qū)分業(yè)務等級，根據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網和WCDMA網QoS實現機制比較

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

（1）LTE網絡QoS參數相對于WCDMA網主要是新增了QCI和AMBE兩個參數；

（2）LTE網絡中QoS控制的基本粒度是EPS承載，即相同承載上的所有數據流獲得相同的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網的分組數據協(xié)議上下文（PDP Context）；

（3）WCDMA用戶在使用上網業(yè)務時才建立承載，其QoS也是根據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，真正實現用戶的“永遠在線”，保證其基本業(yè)務需求，其QoS參數由MME/SGSN根據HSS的簽約參數分配，P-GW可以根據PCRF信息修改該參數；

（4）WCDMA網中UE、RNC、SGSN、GGSN共同完成了QoS參數的傳遞和協(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網絡的QoS控制，由LTE終端、eNodeB、EPC設備共同實現，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網絡受終端及網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網絡在引入控制層網元PCRF后，增加了業(yè)務級QoS控制，根據業(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網絡和WCDMA網絡使用了兩種不同的QoS機制，LTE網絡只有5個QoS參數，而WCDMA網有14個QoS參數，那么就存在了在兩網之間發(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。在這些參數里除了ARP、GBR、MBR可以對應外，其余參數無法一一對應。因此LTE網QoS就要考慮QCI 與WCDMA網QoS參數的TC、THP、傳輸時延、信令指示等11個參數如何映射。目前3GPP已經對QCI=2-4定義了相關映射關系，其余的映射關系需要根據業(yè)務類型和現網網絡情況考慮配置。

6　總結

LTE網絡是移動通信網絡向全IP網絡發(fā)展的重要一步，為了滿足其需求，LTE網絡的QoS做了諸多改進，數量也比WCDMA網絡減少，同時也減少了可能組合數量，實現機制也更加簡單，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，網絡規(guī)模遠遠小于WCDMA網，兩網的QoS機制也不同，這樣就帶來兩網之間QoS映射問題，如果解決不好就會影響用戶感知。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.012

收稿日期：（2015-12-07）