一种FMC中的QoS技术演进方案

刘海客，王海涛，邹光南

（北京卫星信息工程研究所 北京 100086）

3GPP R8定义了低延时、高数据速率的全IP核心网络（CN），可支持基于多种接入技术的实时分组业务，包括长期演进（LTE）接入网。它定义的演进型分组系统（EPS）[1-2]作为通用分组无线服务技术（GPRS）的发展，与传统3G网络相比具有扁平化的无线接入网络（RAN）架构。采用这种扁平化的架构可以简化网络结构、减小网络延迟。由此，无线网络控制器（RNC）划分为 LTE 基站（eNodeB）、服务网关（S-GW）和移动管理实体（MME）。

EPC的设计应符合固定网络与移动网络融合 （FMC）的发展趋势，也就是使用单一的设备提供电话和英特网接入，并可以在本地网络与广域网之间切换。传统的固定网络和移动网络提供的许多业务基本一致，但是移动和固定网络是独立的两张业务网，不仅运营成本高，而且不便于为用户提供综合业务[3]。固定和移动融合不仅能够扩大业务范围，丰富业务种类，提供更多新颖的个性化业务，满足用户随时随地的业务要求，而且还可以降低维护费用，降低运营成本。运营商可以通过将他们的接入网（AN）连入一个单一的、支持多接入的核心网中来进一步降低开销。

文中通过研究3GPP策略与计费控制（PCC）结构以及电信和互联网融合业务及高级网络协议（TISPAN）的资源和准入控制子系统（RACS），列举3GPP PCC和QoS架构在网络融合中的发展需求，并提供一个更加灵活的CN共享解决方案，以使其更好的支持FMC。

1 3GPP PCC/QoS架构

EPS中的主要网络节点如图1所示。在图1中，只有eNodeBs处于RAN中，所有其他节点组成了演进型分组核心（EPC）。

图1 EPS主要网络节点示意图Fig.1 Diagram of main nodes of the EPS

一个EPC的策略与计费控制功能由PCC结构完成。其中，策略与计费规则功能（PCRF）决定策略与计费执行功能（PCEF）如何处理一个服务数据流（SDF）[4]。SDF是符合一个SDF模板的一系列分组数据流，而SDF模板是一个包含IP五元组及其相关信息的一系列过滤器，用以识别不同的分组数据流并组成SDF。PCRF提供有关SDF检测、QoS、门控和基于SDF付费的网络控制功能。

PCRF依靠从应用功能（AF）获得的会话信息和用户签约数据库（SPR）存储的用户信息来决定策略。通过QCI、ARP、GBR/MBR等QoS参数为业务提供服务质量保证[5-6]。当同意一个AF请求后，PCRF分别发送一个QoS规则和一个PCC规则给承载绑定及时间报告功能（BBERF）以及PCEF。PCEF执行SDF检测和统计、门控、QoS执行，基于SDF付费等功能，并向PCRF上报事件。PCEF在分组数据网关中执行，BBERF在不同接入类型的接入网关中执行，它的主要任务是向PCRF报告事件并完成承载绑定功能。

EPS中的PCC执行示意图如图2所示。

图2 PCC执行示意图Fig.2 Diagram of PCC execution

1）用户首先发起一个服务请求，例如IMS语音通话，PCC通过AF处理IMS会话信令。

2）基于应用信令中包含的服务描述信息，AF通过Rx接口向PCRF提供服务相关信息。其中包括业务参数（IP地址和端口号）以及QoS信息（业务类型、业务比特速率等）。

3）PCRF从SPR中请求相关签约信息。

4）PCRF综合参考运营商定义的服务策略、签约信息以及其他信息做出策略决定。策略决定形成一个PCC规则，包括有关用户业务层面的包过滤器信息，以及QoS、付费信息和是否接入服务的标识信息。所有的IP包通过包过滤器检测并形成SDF。

5）PCRF将PCC规则发往PCEF，在 PCEF执行策略规则。PCEF处于边界节点上。

6）PDN GW/PCEF执行PCC规则和承载绑定，以确保这个服务的业务数据可以获得合适的QoS保障，此过程发生在建立新承载或修改一个已存在承载的情况中。

7）PCEF执行SDF检测以筛选出此服务的IP流，并映射到相应的IP承载上。

通过以上PCC架构工作流程，可以看出在RAN和部分CN中做到设施共享是有可能的，RAN的共享不仅包括RAN节点的共享也包括频率的共享。在EPC中定义了两种设施共享情况：只有RAN节点共享的多运营商核心网络（MOCN）；RAN和S-GW共享的网关核心网络（GWCN）。

2 TISPAN RACS架构

RACS为AFs提供一个从网络中预留资源的机制，图3为RACS逻辑结构示意图。

图3 TISPAN RACS逻辑结构Fig.3 Logic structure diagram of TISPAN RACS

资源控制执行功能（RCEF）支持以下基本功能：门控功能、包标记、为进入的业务提供策略以及为上下行业务分配资源[8-9]。

边界网关功能（BGF）是两个IP域之间的接口，它不仅包括RCEF的功能，还包括：统计、网络地址转换（NAT）等，功能类似于3GPP中的PCEF。

网络附加子系统（NASS）负责用户的认证与授权、IP地址分配和通过e1参考点配置用户设备。当设备为客户网络网关（CNG）时，将使用e3参考点进行配置。NASS可在以下两个参考点的帮助下支持漫游：e5接口用于代理家庭网络用户的鉴权请求；e2参考点可以使AFs从连接会话位置和数据库功能（CLF）中获取网络位置信息，接口上的信息包括位置信息查询和位置信息响应。

RACS本身由两个基本功能组成：

1）接入资源和准入控制功能（A-RACF）：它在AN中处理资源、完成准入控制、分析从NASS通过e4参考点获得的用户接入信息。在RACS中也定义了一个核心RACF（CRACF）来处理聚合网络资源，但是此功能是用户不可知的。

2）服务策略决定功能（SPDF）：它从 AF中获得服务请求，并做出策略决定。SPDF采用运营商定义的策略规则完成服务资源分配、NAT等功能。由于其并没有直接与NASS相连，所以不考虑用户识别问题。它在AF、A-RACF和BGF之间起协调作用，而且同样支持付费功能。

3 PCC/QoS支持FMC与CN共享的条件

对于3GPP PCC，假设两个运营商共享一个3GPP CN。由于运营商需要为他们的用户提供各自的应用服务，因此两者都需要一个策略服务器，依靠服务请求和用户相关信息独立于CN做出策略决定，除了做出用户和服务相关的策略决定外，3GPP PCRF直接控制策略实施功能（PCEF，BBERF）、将QCI映射为DSCPs并决定付费策略。很明显，两个运营商既不能独立的控制网络资源，也不能决定网络策略的实施。

另一方面，由于用户绑定在AN，故TISPAN结构在移动性、FMC和漫游方面天生不足。这使得其支持移动虚拟运营商（MVNOs）更加困难。

PCC/QoS结构需满足核心网目前与未来的发展需求，如果3GPP结构的演化符合以下4个必要条件，将促进FMC和CN共享的发展。以下为FMC和网络设施共享必要条件的概述：

1）网络结构必须明确的将服务和网络分开，此意味着将应用于服务申请和用户识别的策略控制从网络策略和资源管理中分离出来。这样用户可以从任意的AN中获取他们申请的业务，使业务聚合可以实现。由于服务对所有的接入都是通用的，从而还可以避免业务的备份。

2）PCC和QoS结构必须将用户管理 （服务和用户策略，IP地址分配，认证）与网络管理分开。通过这种分离可以促进MVNO应用于现有的CN之上。

3）每个商业/网络实体应该直接控制它的资源，特别是它们被多个客户共享的时候。例如，一个CN运营商的资源被两个网络服务提供商（NSPs）共享，这时必须要保证服务等级协议（SLA）的充分实施，以使NSPs不能直接预留CN的资源，它们必须向CN中的资源管理器发送一个请求，以获得预先的批准。

4）件可以使FMC支持漫游用户。即在接入边界网关（AEG）的选择中应包含受访网络（visited network），因为家庭网络（home network）很少了解受访网络的情况。同时，受访网络应该能够支持在不同接入之间移动UE。

4 解决方案

首先，定义以下规则以支持网络共享：

1）网络服务提供商（NSP）负责AFs并向用户计费（通过流量、服务时间、QoS保障等方面计费）。它定义有关用户和服务的策略，拥有用户数据库，为用户进行认证。它以漫游的方式与其他NSPs连系。

2）IP 聚合网络（IPAN）提供商与 NSPs建立 SLAs，并向其提供传输业务。IPAN提供商拥有边界节点（S-GW，P-GW），与底层传输结构相互作用。它将接入网提供商 （ANPs）和NSPs连接起来，并为NSPs提供基础服务。

3）接入网提供商（ANP）通过一系列本地策略处理接入网资源，并实施SLAs。

图4为可支持FMC的网络控制层面图。它体现了运营商角色的分离，图中包括两个NSPs和两个ANPs。除了IPAN能为NSPs提供基础服务之外，其他在用户数据层面上与图1基本相似。

图4 可支持FMC的3GPP PCC与QoS结构示意图（控制层面）Fig.4 Proposed evolution of the 3GPP PCC and QoS architecture （control plane only）

基础服务可以认为是被众多应用程序共享的高级增值功能。他们是广义的BGF，并可以使IMS应用与非IMS应用同时获益。每一个NSP对应一个属于IPAN的P-GW，而IPAN放弃一些边界网关功能给NSP。在IPAN下的PCEF功能为QoS执行和门控，而其它的功能处于NSP下控制。

网络策略功能（NPF）的引入是为了处理IPAN资源并为NSPs提供基础服务。它的主要目的在于将下层传输网络与NSPs完全分开，由此NSPs可以被认为是MVNOs。NPF在自己、ANPs和NSPs之间执行SLAs，并通过IPAN情况申请网络策略，而不去考虑用户或服务请求。它可以基于情形或一天的时间修改网络策略，如正常、过载、紧急情况。NPF对PCRF来说是接入不可知的，但依靠特别的接入机制在AN中执行QoS和准入控制。因此，NPF是3GPP CN和策略结构之间的桥梁，可以与任何接入技术共存。NPF仅提供粗粒度的资源管理，它是通过获取从AEGs或P-GWs发出的预阻塞通知而实施资源管理的。这允许NPF在AEG之间切换时帮助UE，如告诉UE不要切换到新的AEG，因为后者通知NPF将会发生拥塞情况。至少有两种预拥塞通知方式：

1）如果IPAN是一个DiffServ域，将给每个包标识拥塞信息。

2）如果IPAN是虚电路方式，那么当通道将要拥塞的时候，在通道的进口点可以容易的检测到拥塞。

在这两种情况下，当入口节点处于拥塞状态，NPF将被通知，它将拒绝这个拥塞的GBR QoS级别业务任何新的资源预留请求，直到有最新的通知为止。最后，NPF将3GPP QCIs映射为L3的QoS级别 （DSCP），如果在IPAN中存在多种QoS域，NPF将调整映射。NPF支持基于ARP的资源预留优先级服务。

S7参考点传送SDF QoS参数并支持发起基础服务。S7是基于Gxx接口，并通过属性值对（AVPs）信息来通知和调用基础服务。S7bgf控制边界网关功能，为每个SDF给P-GW制定付费规则，S7bgf是基于Gx接口的。Srm将每个SDF的QoS规则传送给AEGs和P-GW，用于执行QoS和QCI映射，Srm是基于Gxx接口的。

对于漫游用户，在受访P-GW中引入一个本地移动性锚点，用来分开本地和全局移动性。由于此锚点可以跟踪网络情况并在接入之间移动UE，所以它允许受访网络在AEG选择中发挥作用。

图5为基础服务的一个例子，这里视频点播服务器使用一个缓存（由S-GW配置）来存储电影。此例子中使用了业务定位机制，防止用户业务回传给P-GW。第1步UE向AF发送应用服务请求。第2步服务请求由AF发送给PCRF，描述了所需资源以及需要调用的基础服务。PCRF决定此服务将使用业务定位以及视频缓存功能，之后发送一个资源预留请求给NPF（第3步）。NPF做出网络策略决定，然后发送资源预留请求给S-GW，使其在AN中建立资源并将缓存服务器绑定到相应的GTP通道上（第4步）。AF将收到一个完成回应（第5，6步）。在第7步，AF返回一个RTSP URL给UE，其中URL指向S-GW。最后，UE连接视频缓存服务器并交换RTP业务以及RTCP反馈信令。

5 结 论

文中提出了一个3GPP PCC和QoS结构，可以较好的支持FMC和CN共享。此结构主要建立在以下4点概念之上：

1）服务与AN之间的分离是全业务聚合的基础。

2）用户管理与网络管理的分离可以简化漫游支持并促进MVNO的发展。

3）将商业/网络实体分离到独立的PCC/QoS域中，以简化共享网络结构的设计，这样不仅可以达到网络融合与共享的目的，同时还可不受限于NSPs的发展变化。4）受访网络中的本地移动性锚点，使得用户在漫游情况下可以依照网络情况移动到另一个AEG。

图5 S-GW配置视频缓存的基础服务例子Fig.5 Infrastructure service example featuring video caching collocated with the S-GW

支持以上4点的网络结构可以较大促进网络融合的发展，有效降低运营商的运营成本与维护费用，增强网络的灵活性与业务多样性。

[1]3GPP Tech.Spec.23.401.[S]General Packet Radio Service（GPRS）Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）access.

[2]3GPP Tech.Spec.23.402.[S]Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses.

[3]叶朝阳.固定与移动融合（FMC）技术[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]3GPP Tech.Spec.23.203.[S]Policy and Charging Control Architecture.

[5]3GPP Tech.Spec.23.207.[S]End-to-End Quality of Service（QoS）Concept and Architecture.

[6]Ekström H.QoS control in the 3GPP evolved packet system[J].IEEE Commun.Mag.，2009，47（2）：23-26.

[7]Balbás J P， Rommer S， Stenfelt J.Policy and charging control in the evolved packet system [J].IEEE Commun.Mag.，2009，47（2）：53-57.

[8]ETSI Standard 282 003.[S]TISPAN；Resource and Admission Control Sub-System（RACS）:Functional Architecture， v2.0.0.

[9]ETSI Standard 282 001[S].TISPAN；NGN Functional Architecture，v2.0.0.