无线中继网络中的QoS控制

赵俣钧 魏志恒 戴源廷

（中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心 100081）

1 概述

1.1 基于承载的QoS

演进的分组系统（Evolved Packet System：EPS）的网络架构如图1所示[1]。其中用户设备（User Equipment：UE）和演进的通用陆地无线接入系统（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network：E-UTRAN）以及二者之间的Uu接口属于接入网的范畴。其余节点则属于演进的核心网（Evolved Packet Core：EPC）的范畴。不同节点之间定义了相应的接口。

QCI Resource Type Priority Packet Delay Budget (NOTE1)Packet Error Loss Rate (NOTE2)Example Services 1 (NOTE3)2 100ms 10-2 Conversational Voice 2 (NOTE3) 4 150ms 10-3 Conversational Video (Live Streaming)3 GBR(NOTE3) 3 50ms 10-3 Real Time Gaming 4 (NOTE3) 5 300ms 10-6 Non-Conversational Video (Buffered Streaming)5 (NOTE3)1 100ms 10-6 IMS Signalling 6 (NOTE4) 6 300ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)Non-GBR 7 (NOTE3) 7 100ms 10-3 Voice, Video (Live Streaming) Interactive Gaming 8 (NOTE5) 8 300ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file 9 (NOTE6) 9 sharing, progressive video, etc.)

QoS（Quality of Service）是EPS系统的重要内容。从数据传输角度来看，QoS定义了不同网络节点对于数据分组的处理策略，以提供特定的传输有效性和可靠性保障；从用户的角度来看，QoS是使用户在通信过程中保持良好的体验的基本因素。EPS中采用基于承载的QoS机制。

EPS中的承载结构如图2所示，其中端到端服务包括EPS承载和外部承载，外部承载依赖于EPS以外的系统。EPS承载包括两部分：E-RAB(Evolved RadioAccess Bearer)和S5/S8承载。E-RAB建立于UE和Serving-Gateway之间；S5/S8承载建立于Serving-Gateway和PDNGateway之间。E-RAB承载又进一步分为Uu承载和S1承载。Uu承载建立于UE和eNB之间；S1承载位于eNB和Serving-Gateway之间。

对于每一个EPS承载，统一的QoS参数被配置到EPS承载所建立的各个节点上，各节点根据QoS参数定义相应的数据分组处理策略，分别实现各部分承载的QoS控制。结合图2，Uu承载、S1承载和S5/S8承载均由承载建立的节点根据统一的QoS参数单独控制，从EPS承载的角度来看，总的效果满足QoS参数所定义的需求。

1.2 QoS参数

EPS承载的QoS参数包括：ARP（Allocation and Retention Priority characteristics）、QCI（QoS Class Identifier）、GBR（Guaranteed Bit Rate）和MBR（Maximum Bit Rate），各参数的具体含义如下：

（1）ARP：用于定义当资源受限时，一个承载的建立、更新是否被接收或拒绝。ARP也应用于接入网侧，定义当意外的资源受限（如切换）发生时，是否允许将某个已经建立的承载释放。

（2）QCI：接入网节点相关的QoS参数，用于控制数据包的传输策略，如调度、接纳、队列管理和链路层协议的配置。

（3）GBR：指示为一个GBR承载提供的传输速率。

（4） MBR：为一个GBR承载提供的传输速率的上限，在目前的协议中，MBR被设置为等于GBR。

目前规范[2]中定义的QCI(见附录)包括以下四类参数：

（1）资源类型（Resource Type）：分为保证比特速率（GBR）或者非保证比特速率（Non-GBR)。对于GBR类型，网络将为对应的EPS承载预留相应的资源；对于Non-GBR类型，网络不会为对应的EPS承载预留相应的资源。

（2）优先级（Priority）：定义EPS承载之间的优先级。当资源受限时，优先级高的EPS承载将优先获得资源。

（3）分组延时预算（Packet Delay Budget：PDB）：EPS承载在UE和PDN-Gateway之间的数据传输过程中98%的数据分组传输延时应该小于PDB定义的延时；

（4）分组错误丢失率（Packet Error Loss Rate：PELR）：定义为已经被链路层协议（如E-UTRAN的RLC）处理，却没有被收端的高层协议（如UE的PDCP）成功接收的数据分组的比例。由网络拥塞导致的数据分组丢弃不计算在内。

1.3 Uu接口的QoS控制

E-UTRAN的结构如图3所示。

其中E-UTRAN仅包括一个节点——eNB（evloved NodeB）。eNB与EPC之间通过有线S1接口相连；eNB与UE之间通过无线的Uu接口进行通信。eNB需要根据QCI参数进行Uu的数据传输。在协议中，QCI是在无线承载建立过程中通过S1AP（S1 Application protocol）消息：E-RAB SETUP REQUEST，从MME（Mobility Management Entity）配置到eNB的，其信令流程如图4示[3]。eNB根据ARP进行承载的接入控制和负荷控制，并根据QCI和GBR在Uu进行分组数据的调度传输。

由于QCI应用的范围是从EPC到UE，所以在eNB中必须考虑从EPC到eNB的承载的影响。在目前的规范中，由于EPC和UE之间既有有线传输（S5/S8承载和S1承载），也有无线传输（Uu承载），为了使eNB能够有效的调度Uu口的数据传输，有如下假设：

（1）S5/S8承载和S1承载的时延一共是20ms。

（2）对于PELR，由于有线传输的可靠性非常高，所以在S5/S8接口上的PELR为0。

上述两个假设对于采用有线传输的S5/S8承载是合理的。据此可以很容易的计算出应用于Uu接口的QCI参数，如表1所示。

表1中QCI-EPS表示应用于整个EPS承载（S5/S8承载+S1承载+ Radio承载）的QCI参数，也即EPC配置给每个节点的QCI参数，其中PDB为Pall，PELR为Lall。QCI1表示应用于EPC到eNB的承载（S5/S8承载+S1承载）的QCI参数；QCI2表示应用于Uu承载的参数。其中Resource Type和priority对各部分承载都相同。对于PDB，用于Uu承载的延时应该减去从EPC到eNB的延时。对于PELR，由于S5/S8承载和S1承载的影响可以忽略，所以EPS承载的PELR完全应用于Uu。

表1 现有系统中应用于Uu的QCI参数

2 无线中继网络的QoS控制

2.1 引入Relay的E-UTRAN结构

在LTE-A（LTE Advanced）的标准化过程中，为了实现低成本增加覆盖范围、提高小区边缘吞吐量等目标，引入了无线中继（Relay）[4]。引入Relay后的E-UTRAN的结构如图5所示。

在图5中，E-UTRAN包括两个节点，DeNB（Donor eNB）和Relay。Relay负责在UE和DeNB之间转发数据，Relay到UE的无线接口仍然称为Uu，RN和DeNB之间的无线接口称为Un。当UE在Relay下工作时，就像在通常的eNB下工作一样。

对于引入Relay后的承载结构如图6所示。

图6中S1承载被分为两部分，一部分位于DeNB和Serving-Gateway之间，另外一部分位于DeNB和Relay之间。其中DeNB和Relay之间的S1承载嵌套在Un承载中（S1中的数据进一步通过Un承载传输）。DeNB在两部分S1承载之间起到代理的作用，即DeNB能够解析EPC节点与Relay之间的消息交互。

与E-UTRAN相比，在存在Relay的网络中，出现了两个空中接口Uu和Un，这必将对已有的QoS机制产生影响。首先Un的引入必将带来额外的延时，Un口的延时是固定的还是动态的，将取决于Un接口的物理资源配置；此外Un作为无线接口，也必将影响PELR，即需要统一考虑Un和Uu误码性能对QoS的影响。

2.2 Relay网络的QoS机制

QoS是与业务特性相关联的，在不同的网络结构中传输相同的业务，都要保证业务相同的QoS，所以在图5中，QCI的作用范围仍然应该是从EPC到UE。为了在引入Relay后进行E-UTRAN的QoS控制，需要在现有机制基础上，在Un和Uu上进行QCI参数的协调分配。DeNB根据分配的QCI参数进行Un口的调度；RN根据分配的QCI参数进行Uu口的调度。使总的效果仍然满足EPS承载的QoS要求。具体的分配方式包括静态分配和动态分配两种方案。

为更清楚的说明两种方案，引入如下术语：

（1）QCI-EPS：由EPC配置到E-UTRAN各节点的QCI参数，即应用于EPS承载的QCI参数。

（2）QCI-Uu：应用于Uu承载的QCI参数；

（3）QCI-Un：应用于Un承载的QCI参数。

2.3 静态分配

在静态分配的方案中，DeNB节点存储QCI-EPS与QCI-Uu，QCI-Un的对应关系。当UE的EPS承载建立时，由UE的PDN-Gateway将待建立UE承载的QCI-EPS配置到DeNB，DeNB根据待建立UE承载的以及存储的QCI-EPS与QCI-Uu，QCI-Un的对应关系确定该UE的EPS承载对应的QCI-Uu和QCI-Un。上述过程的信令流程如图7所示。

在图7中的步骤1和步骤2，经过MME转发，UE的PDN-Gateway向DeNB发起承载建立请求。在请求消息中，包含待建立的UE的EPS承载的QCI参数。DeNB根据请求消息，查找所存储的QCI-EPS与QCI-Uu，QCI-Un的对应关系，确定该UE的EPS承载对应的QCI-Uu和QCI-Un参数。在步骤2a中，DeNB将QCI-Uu参数发送给RN。在步骤3中，RN根据QCI-Uu参数配置Uu接口参数，用于后续的数据传输。在步骤4，步骤4a和步骤5中，经过MME转发，RN向UE的PDNGateway节点发送UE EPS承载建立完成响应消息。通过上述过程，UE的PDN-Gateway通过承载映射的方式（将UE EPS承载映射到可以满足QCI-Un需求的RN EPS承载上）和参数传递的方式（将QCI-Uu传递给RN）实现了UE EPS QCI的空口分配。

作为上述过程的改进，可以将QCI-EPS与QCI-Uu，QCI-Un的对应关系分别存在DeNB和RN。这样DeNB将待建立UE的EPS承载对应的QCI-EPS参数传递给RN，RN查找存储的QCI-EPS与QCI-Uu，QCI-Un的对应关系，确定该UE EPS承载对应的QCI-Uu和QCI-Un参数。并根据RN EPS承载的QCI信息以及QCI-Un参数，确定UE的EPS承载应该映射的RN EPS承载。避免了实施例3中，需要传递UE的EPS承载与RN EPS承载映射关系的过程，进一步简化了信令传输过程。

上述QCI_EPS与QCI_Uu，QCI_Un之间的映射关系可以制成表格，体现在协议中。

2.4 动态分配

在这种方案中，由DeNB分别计算用于Un和Uu的QoS参数，并通过DeNB和RN之间的信令交互，分别配置Un和Uu的QoS参数。以下给出可能的几种过程。

2.4.1 过程1

DeNB不解析MME配置到RN的QCI-EPS，RN和DeNB之间通过RRC信令过程实现QCI-Uu和QCI-Un的分配。在此方案中，UE的承载建立/修改/删除过程，触发了RN的承载更新过程，DeNB中P-GW功能（对应于Relay）发起RN的EPS承载更新过程，MME再向DeNB发起RN的EPS承载更新过程（S1-AP），DeNB经过处理后，通过RRC消息把QCI-Uu发送到RN，如图8所示。

图8中“QCI计算”表示根据QCI-EPS计算QCI-Uu和QCI-Un的功能。QCI-EPS参数中的PDB和PELR分别用DQCI和PQCI表示，则

PDB：DeNB根据期望的Un的链路配置，计算出Un的平均传输延时为DUn，则应用于Uu口调度的延时为DUu= DQCI - DUn - 20ms；

PELR：根据(1-PUu)× (1-PUn) = 1-PQCI可以计算出应用于Un的PUn和对应的应用于Uu的PUu。

2.4.2 过程2

在Relay的架构中，由于DeNB代理功能，能够截获并解析MME配置到RN的QCI-EPS，然后计算QCI-Uu和QCI-Un，并通过RRC消息将QCI-Uu配置到RN。两种可能的信令流程如图9所示。

图9中给出了两种信令过程，在图9（a）中，DeNB解析MME发送到Relay的QCI-EPS后，仍将QCI-EPS配置到Relay，后续再通过RRC信令将计算出的QCI-Uu发送给Relay。而在图9（b）中，DeNB解析MME配置到RN的S1AP消息中的QCI-EPS，计算QCI-Un和QCIUu后，并直接用QCI-Un代替S1AP消息中的QCI-EPS，并发送给RN。图9中的“QCI计算”功能与方案1相同。

3 结论

为适应一个空中接口Uu而设计的E-UTRAN的QoS机制，在引入Relay后不再适用。针对引入Relay后的网络结构特点，本文提出了静态分配和动态分配进行QoS控制的两种方案，并给出了相应的信令流程，以期为后续的标准化工作提供参考。