吳育輝　朱書濤

摘 要：目前，移動網(wǎng)絡(luò)運營商具備提供多樣化移動通信服務(wù)的能力。在此背景下，要改進LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量決策機制，提高移動通信的服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化用戶體驗。本文概述了服務(wù)驅(qū)動下的PCC決策運行機制，通過研究EPS服務(wù)質(zhì)量控制模塊間的交互機制，重點分析PCRF和DPI的交互能力。同時，研究PCRF與無線資源調(diào)度器的交互，分析出PCRF與無線資源調(diào)度器的間接交互機制是影響QoS控制時延的重要原因。

關(guān)鍵詞：LTE;服務(wù)質(zhì)量;PCC規(guī)則;EPS承載

中圖分類號：TN929.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）23-0031-05

Study on Service Quality Decision Mechanism in LTE/EPC Networks

WU Yuhui ZHU Shutao

（Anshun University，Anshun Guizhou 561000）

Abstract： Currently， mobile network operators have the ability to provide diverse mobile communication services. In this context， it is necessary to improve the LTE network service quality decision mechanism， improve the service quality of mobile communication， and optimize the user experience. This paper outlined the service-driven PCC decision-making mechanism， and focused on the analysis of the interaction capabilities of PCRF and DPI by studying the interaction mechanism between EPS service quality control modules. At the same time， the interaction between PCRF and radio resource scheduler was studied， and the indirect interaction mechanism between PCRF and radio resource scheduler was analyzed， which was an important reason for the delay of QoS control.

Keywords： LTE;QoS;PCC rule;EPS Bear

近年來，LTE（Long Term Evolution）憑借高吞吐率、低延時、高服務(wù)質(zhì)量等優(yōu)點，得到多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)運營商的青睞。為保障移動數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)使用策略與計費子系統(tǒng)（Policy and Charging Control，PCC）感知應(yīng)用層業(yè)務(wù)。PCC使用PCRF（The Policy and Charging Rules Function）作為執(zhí)行引擎，負(fù)責(zé)QoS（Quality of Service）策略控制。目前，多數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)運營商都在網(wǎng)絡(luò)中部署了對用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、收集和分析的工具，如深度包檢測工具（Deep Packet Inspector，DPI）。然而，這些工具與PCC的關(guān)系以及它們之間的協(xié)同關(guān)系有待更深入的研究[1]。

在移動通信技術(shù)的演進中，LTE無線接入由EUTRAN實現(xiàn)，非接入方面由EPC（Evolved Packet Core）實現(xiàn)。EPS（Evolved Packet System）由Evolved-UTRAN和EPC構(gòu)成，使用EPS承載將IP數(shù)據(jù)包從PDN網(wǎng)關(guān)（P-GW）傳輸?shù)経E[2]。PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）、EUTRAN根據(jù)PCRF QoS參數(shù)對EPS承載實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量控制。因此，創(chuàng)建、釋放EPS承載，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，需要EUTRAN和EPC協(xié)同工作。

過去，相關(guān)研究主要集中于研究PCC體系結(jié)構(gòu)以及如何演進PCC以支持LTE。黃韜等人描述了EPS承載控制[3];Loureiro P等描述了如何使用PCC管理IP流的移動性[4];Gómez G等人描述了基于會話的端到端策略控制[5];Jpastor J描述了LTE網(wǎng)絡(luò)中PCC的業(yè)務(wù)保障能力和機制[6]。本文將研究通過加強策略控制來提高LTE的服務(wù)質(zhì)量，詳細(xì)分析PCRF與DPI、無線資源調(diào)度器的交互，并通過PCC的一個應(yīng)用場景來研究應(yīng)用級數(shù)據(jù)流QoS參數(shù)要求如何轉(zhuǎn)換成傳輸網(wǎng)絡(luò)級承載的QoS參數(shù)要求。

1 PCC及其體系結(jié)構(gòu)

PCC模塊完成網(wǎng)關(guān)控制和QoS控制。PCRF做出網(wǎng)關(guān)控制決策，由PCEF執(zhí)行該決策，完成網(wǎng)關(guān)控制;PCEF根據(jù)PCRF為PCEF提供授權(quán)的QoS參數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)的EPS承載，執(zhí)行PCRF的QoS決策，完成QoS控制。PCC的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。

SPR用于存儲簽約用戶使用網(wǎng)絡(luò)資源的策略。SPR能給出授權(quán)用戶、授權(quán)用戶的類別、授權(quán)用戶各種授權(quán)業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)等。PCRF可將SPR提供的信息作為生成策略控制和計費決策的基礎(chǔ)。

AF代表了通過Rx接口與PCRF通信的網(wǎng)絡(luò)模塊。AF模塊將從業(yè)務(wù)信令中提取到的業(yè)務(wù)相關(guān)的動態(tài)信息提供給PCRF。在IMS網(wǎng)絡(luò)中，AF可以是P-CSCF平臺的AF模塊;在非IMS網(wǎng)絡(luò)中，AF可以是視頻流服務(wù)器。

2 服務(wù)質(zhì)量控制模塊間的交互

2.1 PCRF與DPI的交互

深度包檢測模塊（Deep Packet Inspector，DPI）部署在P-GW和S-GW之間，支持檢測、收集和分析同時在線的上百萬用戶的數(shù)據(jù)連接。移動網(wǎng)絡(luò)運營商可通過DPI識別用戶的不同業(yè)務(wù)。DPI實時檢測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，為PCC執(zhí)行QoS策略實現(xiàn)如下功能提供了基礎(chǔ)。

一是流量高峰時期，為了提供更好的QoS管理，控制消耗寬帶過高的用戶數(shù)量，聚合傳輸流量。例如，為了始終保障VoIP業(yè)務(wù)的QoS，當(dāng)檢測到擁塞時，限制每個用戶的P2P或者非實時性業(yè)務(wù)。二是提供差異化服務(wù)，為不同的業(yè)務(wù)流提供不同的服務(wù)優(yōu)先級。當(dāng)發(fā)生擁塞時，為優(yōu)先級更高的業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)。

部署DPI可以為QoS控制帶來便利，人們應(yīng)考慮如下幾點：網(wǎng)絡(luò)擁堵時，被少數(shù)用戶占用的多數(shù)資源將重新分配給其他用戶，從而提高整體用戶的體驗，但需考慮服務(wù)的公平性;在不影響服務(wù)質(zhì)量的前提下，應(yīng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行吞吐率最大限度地接近系統(tǒng)的最大值，從而降低運營商擴充網(wǎng)絡(luò)容量的成本，提高網(wǎng)絡(luò)的效率;應(yīng)實現(xiàn)實時優(yōu)化，通過實時更改網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)，提高多數(shù)用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

依據(jù)3GPP對LTE PCC體系結(jié)構(gòu)的描述，直到3GPP Rel11版本，人們才能對DPI功能進行標(biāo)準(zhǔn)化。Rel11引入了業(yè)務(wù)流檢測（Traffic Detection Function，TDF）概念。下面將討論Rel8、Rel9、Rel10中DPI和PCRF的交互以及Rel11中PCRF與TDF的交互。

2.1.1 Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互。PCRF作為決策點（Policy Decision Point，PDP），根據(jù)接收、關(guān)聯(lián)到的來自Rx、Sp、Gxx、Gx、Sd接口的信息進行決策。PCRF決策被傳送到?jīng)Q策執(zhí)行點（Policy Enforcement Points，PEPs）。DPI決策執(zhí)行點，檢測流量，執(zhí)行策略，管理大量的業(yè)務(wù)流。在3GPP中使用Gx接口（Simple Object Access Protocol interface或者API）對PCRF和DPI進行了標(biāo)準(zhǔn)化的整合。圖2展示了Rel8、Rel9、Rel10中PCC的體系結(jié)構(gòu)[8-9]。

Gx和Gxx是用戶面實體之間的標(biāo)準(zhǔn)接口。Gxx接口部署在PCRF與BBERF之間，用于提供、更新和刪除QoS規(guī)則，傳輸PCRF與BBERF之間的事件消息;Gx參考點部署在PCRF和PCEF之間，用于為PCEF提供PCC規(guī)則，傳輸PCRF和PCEF之間的事件消息;Gx接口以鍵值對的形式為相關(guān)業(yè)務(wù)提供策略控制參數(shù)。DPI以鍵值對形式通過Gx接口給PCRF報送QoS主要參數(shù)。

3GPP Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互流程如圖3[8]所示。

用戶通過一個活動的會話發(fā)送或者接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流;DPI執(zhí)行實時流監(jiān)控，檢測到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流;DPI決定是否觸發(fā)重配IP-CAN會話，并給PCRF發(fā)送重配IP-CAN會話請求標(biāo)志，如果PCEF存在限制或終止傳輸資源的PCC規(guī)則，P-GW（PCEF）將PCC規(guī)則報告給PCRF;PCRF可能需要給AF發(fā)送傳輸資源相關(guān)的事件報告，然后，AF確認(rèn)事件報告并將PCRF請求的信息發(fā)給PCRF;PCRF做出決策;PCRF給PCEF回復(fù)重配IP-CAN會話的請求，P-GW（PCEF）執(zhí)行PCRF的決定，DPI（PCEF）存儲PCC規(guī)則以備后用;P-GW加載PCC規(guī)則并綁定承載，通過修改現(xiàn)有承載參數(shù)，以確保此業(yè)務(wù)能獲得恰當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量。

2.1.2 Rel11 PCRF和DPI的交互。從3GPP Rel11開始，通過TDF來感知業(yè)務(wù)、執(zhí)行業(yè)務(wù)檢測。PCRF通過Sd接口與TDF交互，實現(xiàn)如下功能：動態(tài)建立或者刪除TDF和PCEF之間的TDF會話;TDF執(zhí)行業(yè)務(wù)檢測，執(zhí)行PCRF提供的控制策略;TDF向PCRF報告檢測到的業(yè)務(wù)信息。

TDF為檢測到的業(yè)務(wù)執(zhí)行網(wǎng)關(guān)、重定向和帶寬限制等策略，但不能給PCRF報送修改承載、更改策略或者網(wǎng)關(guān)的事件。在PCRF動態(tài)制定決策時，需要為PCEF或者TDF設(shè)置相關(guān)門限值。達到這一門限值時，PCEF或者TDF將給PCRF報告累計使用情況。在執(zhí)行基于整個網(wǎng)絡(luò)實時運行情況的控制策略時，PCRF需要檢測每個IP-CAN會話或者用戶面使用的資源。TDF實現(xiàn)業(yè)務(wù)流檢測的操作如圖4所示[9]。

用戶發(fā)起一個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流;TDF檢測到用戶發(fā)起的新業(yè)務(wù)，并將該服務(wù)相關(guān)的信息報送給PCRF;PCRF可能向SPR要用戶簽約相關(guān)的信息;PCRF使用收集到的業(yè)務(wù)信息、服務(wù)商預(yù)先定制的服務(wù)策略、用戶簽約等信息，生成PCC規(guī)則;PCRF將PCC規(guī)則發(fā)送給PCEF執(zhí)行;P-GW加載PCC規(guī)則并綁定承載，通過修改現(xiàn)有承載，以確保此業(yè)務(wù)能獲得恰當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量;之前的步驟可能引發(fā)新建承載或者修改承載等流程;PCEF檢測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。

2.2 PCRF與無線資源調(diào)度器的交互

在LTE系統(tǒng)中，eNodeB在端到端的QoS保障和策略執(zhí)行中扮演著非常關(guān)鍵的角色。eNodeB負(fù)責(zé)上、下行速率控制和無線資源調(diào)度。eNodeB無線資源調(diào)度算法的執(zhí)行效率是決定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和影響系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。有大量的研究試圖通過PCC來提高無線資源調(diào)度的效率[10]。

目前，3GPP體系不支持PCRF與eNodeB直接通信。PCRF與eNodeB交互需要通過非直接的通信來實現(xiàn)。某些情況下，無線資源調(diào)度器能從一些標(biāo)準(zhǔn)的流程中（如IP-CAN會話初始或者修改流程）收到某些QoS信息。當(dāng)前，LTE協(xié)議不支持無線資源調(diào)度器給PCRF進行反饋（如觸發(fā)修改會話等）。

如果在每個eNodeB上部署一個包括PCEF的相關(guān)功能模塊（如DPI模塊），可實現(xiàn)PCRF與eNodeB直接通信。這種直接通信方式對提高無線資源的使用效率效果明顯。顯然，這種方案將需要巨大的新投資。為了提高無線資源的使用效率，有研究提出了通過優(yōu)化操作策略的解決方案，在這種情形下，為了決策，人們需要一個中心數(shù)據(jù)庫來獲得無線網(wǎng)絡(luò)信息[11]。

PCRF和eNodeB之間的相互，其作用有兩方面：eNodeB在擁塞發(fā)生前可能會促使PCRF為了更好地調(diào)整承載的結(jié)構(gòu)，而更改承載的參數(shù)，如果eNodeB檢測到某個GBR服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量急劇降低，那么調(diào)度器就應(yīng)向PCRF要求提高相關(guān)的GBR參數(shù);網(wǎng)絡(luò)不擁塞的情況下，在某些特定情景，無線調(diào)度器可能要求PCRF提高某些承載的QCI優(yōu)先級。

上述兩種情況都要求eNodeB和EPC有緊密的交互，但是這種交互在目前的LTE體系中是不支持的。因此，只有EPC承載重配流程中PCRF、PCEF、P-GW、eNodeB之間能夠快速交互才能夠適應(yīng)多樣化的小區(qū)信號狀況。這樣的快速交互有兩個好處：一是通過實時的反饋機制能夠更好地實現(xiàn)QoS的目標(biāo)，例如，改變eNodeB和EPC業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級;二是通過某些合適的機制，eNodeB可以評估用戶體驗，如果用戶體驗不滿足要求，可以對承載進行適當(dāng)?shù)男薷?。PCRF為eNodeB提供QoS信息的標(biāo)準(zhǔn)流程如圖5所示[11]。

PCRF策略控制器決定需要處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為其生成PCC規(guī)則，并將該規(guī)則發(fā)送到P-GW;P-GW根據(jù)接到的PCC規(guī)則新建承載或者修改已有承載，并通過UL/DL包過濾器（DPI/TDF）識別不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，然后承載的級別要求等信息（包括QoS信息）將被進一步轉(zhuǎn)發(fā)到E-UTRAN、UE終端;E-UTRAN使用接收到的QoS信息完成相關(guān)功能。

當(dāng)eNodeB接收到來自P-GW的QoS信息，將執(zhí)行如下QoS相關(guān)的功能：對業(yè)務(wù)用戶面數(shù)據(jù)按照QCI參數(shù)進行處理;對業(yè)務(wù)控制面數(shù)據(jù)按照ARP參數(shù)進行處理;確保服務(wù)按照指定的最大比特率發(fā)送數(shù)據(jù)，并確保網(wǎng)絡(luò)不過載;參考QCI等參數(shù)值，為空口的無線承載分配無線資源（每個QCI值代表一組QoS特性）;為確保滿足無線承載QoS特性（PDB和PELR要求），L1/L2需要修改差錯控制協(xié)議、調(diào)制、編碼和鏈路層重傳等配置，使其與承載的QoS特性相一致。

根據(jù)3GPP協(xié)議，下面舉例對上述流程進行分析，即在具備PCC能力的網(wǎng)絡(luò)上通過SIP協(xié)議發(fā)起VoIP業(yè)務(wù)。首先，AF模塊處理業(yè)務(wù)信令，并通過獲取的QoS參數(shù)發(fā)起會話;然后，PCRF利用AF發(fā)起的會話信息、運營商預(yù)先制定的服務(wù)策略、客戶信息等相關(guān)數(shù)據(jù)生成PCC規(guī)則，這個PCC規(guī)則包含用于用戶過濾器的信息，也包含QoS授權(quán)、QCI1傳輸速率（QIC1 GBR和MBR的值代表了端到端承載傳輸VoIP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的比特率，GBR傳輸速率的大小與具體的應(yīng)用層的承載類型有關(guān)）;生成PCC規(guī)則后，PCRF將觸發(fā)，為VoIP業(yè)務(wù)建立QCI1專有承載的流程。

PCRF做出的這個決策（PCC規(guī)則）將由PCRF發(fā)送給部署在P-WG上的PCEF。然而，發(fā)送到PCEF的QoS參數(shù)是針對IP承載（EPS承載）而言的。因此，在PCRF將PCC規(guī)則發(fā)送給PCEF之前，需要將AF模塊提供的端到端承載的比特率轉(zhuǎn)換為EPC承載的比特率。這個轉(zhuǎn)換過程需要考慮協(xié)議棧中從應(yīng)用層到IP層轉(zhuǎn)變的影響。例如，假設(shè)VoIP業(yè)務(wù)的應(yīng)用層AMR傳輸率是12.2kb/s，這個轉(zhuǎn)換將可以加上RTP/UDP/IP包頭（RTP：12 Bytes，UDP：8 Bytes，IPv4：20 Bytes），假設(shè)VoIP包大小平均是60 Bytes，由于業(yè)務(wù)層端到端的比特率是12.2kb/s，因此EPS承載的比特傳輸率應(yīng)該是20.3kb/s。PCRF需要使用協(xié)議模型將業(yè)務(wù)層端到端的比特率轉(zhuǎn)換為EPS承載的比特率。

完成第一步轉(zhuǎn)換之后，PCC規(guī)則就將從PCRF傳送到PCEF。PCEF加載該PCC規(guī)則并使用該PCC規(guī)則指定的GBR和MBR比特率為該VoIP業(yè)務(wù)創(chuàng)建EPS承載。在建立新專有承載或者修改承載參數(shù)時，還需將QoS信息（QCI、modifed GBR、MBR values和ARP）從PCEF傳送到eNodeB。

由于eNodeB與UE終端之間是由無線承載傳輸數(shù)據(jù)包，所以需要將EPS承載的QoS需求轉(zhuǎn)換為無線承載的QoS需求發(fā)送給eNodeB和UE終端。這第二步的轉(zhuǎn)換在PCEF模塊中執(zhí)行。但是，這部分內(nèi)容在3GPP協(xié)議中沒有規(guī)定。轉(zhuǎn)換不同類型承載的GBR和MBR比特率需要考慮封裝數(shù)據(jù)包使用的協(xié)議情況。由于EPS承載是針對IP層而言的，所以在將EPS承載轉(zhuǎn)換為無線承載時要考慮IP協(xié)議之下的協(xié)議（PDCP，RLC，MAC）的影響，這種轉(zhuǎn)換處理還需要考慮QCI1的無線協(xié)議配置（PDCP的頭壓縮、RLC的驗證模式等）。總之，在轉(zhuǎn)換時需要對數(shù)據(jù)包使用的協(xié)議棧進行逐層分析。關(guān)于3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，建議業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為底層數(shù)據(jù)包的延時不大于20ms[12]。

3 結(jié)語

本文對LTE PCC體系的能力進行了分析，從不同場景分析了PCC的體系結(jié)構(gòu)，重點分析了如下兩點。一是PCRF與DPI的交互：R8、R9和R10中DPI通過請求-應(yīng)答機制與PCRF交互，達到了PCRF策略控制的目的。從R11起引入了TDF，允許TDF給PCRF傳輸用戶面應(yīng)用相關(guān)的信息。因此，網(wǎng)絡(luò)能夠感知服務(wù)和定制業(yè)務(wù)服務(wù)策略，提高了用戶的體驗。二是PCRF與無線資源調(diào)度器的交互：3GPP協(xié)議不支持PCRF與無線資源調(diào)度器的直接交互。為實現(xiàn)對空口資源的調(diào)度控制，PCRF可以通過IP-CAN的初始化、會話重配信令流程與無線資源調(diào)度器間接地交換協(xié)商的QoS信息。此外，為了提供優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)服務(wù)，不同的網(wǎng)元需要不同的QoS參數(shù)，不同承載類型的QoS參數(shù)需要進行轉(zhuǎn)換。所以，PCRF與無線資源調(diào)度器的間接交互時延較長。

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