LTE网和WCDMA网QoS实现机制比较与分析

［谢鲲］

LTE网和WCDMA网QoS实现机制比较与分析

［谢鲲］

摘要先介绍LTE网和WCDMA网QoS参数，再对LTE网和WCDMA网承载建立的信令流程进行了详细介绍，分析LTE网和WCDMA网的QoS是如何实现的，最后比较了两者的差异。

关键词：LTE WCDMA QoS 比较 分析

谢鲲

男，工程师，大学本科，毕业于重庆大学，现任职中国联合网络通信有限公司陕西省分公司运维部网优中心，主要从事移动核心网优化工作。

1　前言

随着LTE网络的大规模建设和完善，移动互联网业务对网络资源的需求越来越大，尽管可以通过网络扩容的方式解决，但是在业务需求越来越大时，网络负荷承受不住，就不能保证满足业务质量要求。QoS（Quality of Service，服务质量）在移动网络的使用，使得在网络资源有限的情况下，可以区分不同的业务和用户，优化网络资源，最大限度提升了网络资源的利用率。当网络过载或拥塞时，QoS 能确保重要业务不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。LTE网络的QoS相对WCDMA网络无论参数数量还是实现机制都有了很大变化。

2　WCDMA网QoS相关参数

WCDMA网络承载了不同QoS要求的数据业务,各种数据业务都可以由一组QoS参数来保证，它决定了用户可以在WCDMA网络上使用那些业务，它描述了这些在WCDMA网使用业务的属性，包括了业务处理类别、最大比特速率、交付次序、最大业务数据单元尺寸、SDU格式信息、差错SDU交付决定、残留比特差错率、SDU差错率、传输时延、有保证的比特速率、业务处理优先级、分配和保留优先级、信令指示、源统计描述符等14 个QoS参数，见表1。

WCDMA网QoS实现过程中有业务处理类别、业务处理优先级、分配与保留优先级等参数起到了关键作用，下面简要介绍3GPP协议对它们的定义。

（1）业务处理类别包括了四种类型：会话类型、流类型、交互类型和背景类型，在HLR中进行了配置。

（2）业务处理优先级定义了处理SDU的优先级别，是指相对于其他SDU处理级别的，仅对交互类业务有效，对其他类型的业务．THP可忽略，在HLR中进行了配置。

（3）分配与保留优先级确定UMTS承载的分配／保留相对于其他UMTS承载的重要性。ARP属性是一个签约属性而不通过移动终端来协商，但参数取值可被SGSN 或GGSN网元进行更改。在执行对一个承载的分配／保留功能时，优先级用于区别不同的承载。在资源匮乏时，相关网元可以在执行接纳控制时给有高ARP的承载以接纳控制的优先权。在HLR中进行了配置。

表 1 UMTs承载业务分类及参数

3　LTE网QoS相关?参数

LTE网的QoS参数具体包括QoS等级标志（QCI），分配与保留优先级（ARP），保证比特率（GBR），最大比特率（MBR），聚合最大比特率（AMBR），其中QCI、AMBR是LTE网新增的，下面简要的介绍QCI，AMBR的定义：

（1）QCI（QoS Class Identifier）：表征了不同业务的QoS要求，如包流失率、时延等要求，主要用于承载建立后的资源调度控制，用于端到端的保证各种业务的QoS需求。QCI参数可以由运营商预先配置。使用QCI参数可以有效减小QoS参数传输时的数据量，也便于不同厂商间产品的互连互通；

QCI是一个数量等级，其具体含义见表2。

（2）AMBR（Aggregate Maximum Bit Rate）

AMBR仅应用于 Non- GBR 承载, 同一个LTE UE 的多个SAE 承载可以共享同一个AMBR, 即一组SAE承载中的每个承载可以使用全部的 AMBR 资源, 例如当其他SAE 承载没有任何业务流时, 有业务流的那个承载可以使用全部的 AMBR定义的全部带宽。如果超出了 AMBR限制,网络可能在上行链路和下行链路使用业务流量调节算法,就像 MBR的调节算法一样。根据场景，AMBR又可分为用户聚合最大比特率(UE-AMBR)和接入点聚合最大比特率(APN-AMBR)。

表2　标准QCI属性表

4　LTE网和WCDMA网核心EPC侧QoS管理实现机制

在移动用户使用移动上网业务时，QoS管理必须保证端到端的延时和最大延时抖动在可接受的范围内。在大多数情况下，QoS需要保证三方面的因素：带宽、延时和准确度。

4.1WCDMA网络中QoS控制实现机制

图1　WCDMA网QoS管理流程

步骤1：手机向SGSN发送PDP激活上下文请求，其中PDP上下文中包括QoS参数。

步骤2：SGSN将手机请求的业务属性与该用户签约的QoS参数（这些参数都是用户在位置更新时，SGSN 从HLR获得了，如业务类别、上下行最大速率、保证速率、优先级等）进行比较（UE请求的QoS是应用需要的业务能力；签约QoS是针对用户所能提供的业务能力的上限），结合系统资源情况，得到协商QoS（如果终端在发送激活PDP上下文请求时没带QoS参数，SGSN会使用用户签约的QoS参数）；

步骤3：SGSN向GGSN发建立PDP上下文请求，其中PDP上下文包括了SGSN协商确认的QoS参数；

步骤4：GGSN根据设备的资源情况及处理能力对该QoS参数进行判断，接受或降级。随后向SGSN回建立PDP上下文响应，其中PDP上下文包括了GGSN确认的QoS参数；

步骤5：SGSN收到GGSN的建立PDP请求响应，向RNC发RAB ASSIGNMENT REQUEST消息，消息中带有SGSN和GGSN协商确认的QoS参数；

步骤6：RNC根据资源情况和QoS参数执行调度策略，执行接纳控制算法，建立RL/RB，然后返回RNC从“RAB ASSIGNMENT REQUEST”消息中提取QoS参数，并按照预先定义的业务和用户优先级映射表进行映射，RNC根据映射表中的参数进行相应的资源调度。之后将结果反馈给SGSN；

步骤7/8：如果SGSN见到返回的RAB建立消息里QoS属性降级了，就会向GGSN发PDP上下文更新请求，GGSN收到进行处理返回结果；

步骤9：SGSN给UE返回PDP上下文激活响应，整条承载也就建立，这时用户可以进行上网看视频打游戏等业务。

WCDMA网QoS实现机制以协商为主，任何协商PDP上下文的QoS都不能超过HLR签约建立的QoS，HLR签约的QoS是承载级QoS，签约规定了与之采用相同APN的PDP上下文的最大的QoS。

4.2LTE网静态QoS管理实现机制：基于HSS签约信息进行用户QoS管理：

步骤1：LTE UE附着LTE网络时,向eNodeB发Attach Request消息，eNodeB再将此消息传给MME；

步骤2：MEE收到LTE用户Attach Request消息后，判断用户归宿HSS后，MME发送Update Location request消息给HSS，HSS收到消息后，回MEE消息update Location answer，其中就有签约QoS参数，包括默认承载QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR；

步骤3：MME请求SAE GW建立默认承载，并携带签约QCI、ARP、APN-AMBR；

图2　基于静态QoS管理流程

步骤4：EPC GW回复建立承载请求，并将QoS参数返回给MME；

步骤5：MME根据从EPC GW处获取的APNAMBR和签约UE-AMBR，计算用户的UE-AMBR，将UE-AMBR、QCI、ARP发给eNodeB建立无线承载，根据QoS参数执行基于承载的无线资源调度，将APNAMBR、QCI发给LTE UE。LTE UE根据收到的QoS向网络发起建立承载请求，网络就根据请求里消息建立一条承载。

图3　基于动态QoS管理流程

步骤1：LTE用户附着网络,发Attach Request消息给eNodeB，eNodeB再传给MEE；

步骤2：MEE收到LTE用户Attach Request消息后，判断用户归宿HSS，MME发送Update Location request消息给HSS，HSS收到消息后，回MEE消息update Location answer，其中就有签约QoS参数，包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR；

步骤3：MME请求SAE GW建立默认承载，并携带签约QCI、ARP、APN-AMBR；

步骤4：EPC GW与PCRF交互，并携带获取的QoS参数，PCRF可根据策略修改该参数；

步骤5：EPC GW回复建立承载请求，并将QoS参数返回给MME；

步骤6：MME根据从EPC GW处获取的APNAMBR和签约UE-AMBR，计算用户的UE-AMBR，将UE-AMBR、QCI、ARP发给eNodeB建立无线承载，根据QoS参数执行基于承载的无线资源调度，将APNAMBR、QCI发给UE。LTE UE根据收到的QoS向网络发起建立承载请求，网络就根据请求里消息建立一条承载。

从以上两种LTE的QoS处理机制看，静态QoS处理机制策略比较单一，只能基于用户在HSS中的默认签约进行QoS管理，无法针对不同的用户、不同的业务动态配置差异化QoS管理策略。而引入PCRF的QoS处理机制可以针对单个用户、单个业务，结合不同应用场景，配置差异化的QoS和计费策略，在原有静态QoS机制的基础上增加了业务级QoS控制，从而实现差异化QoS管理。LTE网络增加了UE-AMBR、APN-AMBR，形成了基于承载级、APN级、用户级三种粒度的 QoS控制机制。LTE网络能够区分业务等级，根据等级不同建立不同承载，为运营商制定更灵活的业务策略提供QoS保证。

5　LTE网和WCDMA网QoS实现机制比较

LTE网相比WCDMA网,网络架构上发生了简化,采用eNB单层结构，省去RNC，从而简化网络结构和减少网络时延，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。

（1）LTE网络QoS参数相对于WCDMA网主要是新增了QCI和AMBE两个参数；

（2）LTE网络中QoS控制的基本粒度是EPS承载，即相同承载上的所有数据流获得相同的QoS保障，不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。EPS承载取代了WCDMA网的分组数据协议上下文（PDP Context）；

（3）WCDMA用户在使用上网业务时才建立承载，其QoS也是根据HLR的签约信息决定的。而LTE用户在开机附着时，就为用户建立固定速率的默认承载，提高用户体验，减少业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，保证其基本业务需求，其QoS参数由MME/SGSN根据HSS的签约参数分配，P-GW可以根据PCRF信息修改该参数；

（4）WCDMA网中UE、RNC、SGSN、GGSN共同完成了QoS参数的传递和协商过程，将用户签约的权限，业务需求和系统资源结合，得到各方都接受的QoS。LTE网络的QoS控制，由LTE终端、eNodeB、EPC设备共同实现，不再进行QoS协商，不同设备之间，不允许进行承载级QoS协商，QoS需求不同时，创建新的承载；

（5）WCDMA网络受终端及网络设备支持情况限制，虽然标准支持一个会话中多个PDP上下文，但同一用户所有业务只能使用一个PDP，也就是QoS都是一样，无法区分业务等级。LTE网络在引入控制层网元PCRF后，增加了业务级QoS控制，根据业务等级不同建立不同承载，从而为制定更灵活的业务策略提供QoS保证。

总的来说，LTE网络和WCDMA网络使用了两种不同的QoS机制，LTE网络只有5个QoS参数，而WCDMA网有14个QoS参数，那么就存在了在两网之间发生业务时，这些QoS如何映射，才能保证业务的连续使用。在这些参数里除了ARP、GBR、MBR可以对应外，其余参数无法一一对应。因此LTE网QoS就要考虑QCI 与WCDMA网QoS参数的TC、THP、传输时延、信令指示等11个参数如何映射。目前3GPP已经对QCI=2-4定义了相关映射关系，其余的映射关系需要根据业务类型和现网网络情况考虑配置。

6　总结

LTE网络是移动通信网络向全IP网络发展的重要一步，为了满足其需求，LTE网络的QoS做了诸多改进，数量也比WCDMA网络减少，同时也减少了可能组合数量，实现机制也更加简单，特别是减少了QoS协商，为用户提供了速度更快且画面更加流畅的体验，提高了用户使用感知度。目前是LTE建设初期，网络规模远远小于WCDMA网，两网的QoS机制也不同，这样就带来两网之间QoS映射问题，如果解决不好就会影响用户感知。

参考文献

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.012

收稿日期：（2015-12-07）