LTE-Advanced中的QoS参数映射的研究

第三代合作伙伴计划(3GPP)提出的LTE-Advanced是国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)先进的国际移动通信(IMT-Advanced)标准之一，他的最高目标是到达甚至超过由ITU-R组织提出的IMT-Advanced的要求。此外，还要满足任何额外的由运营商提出的需求。这些要求包括支持低速1 Gbit/s、高速100 Mbit/s的接入速率，高质量的移动服务等[1]。在不久前ITU-R 5D工作组在重庆召开的会议上，由3GPP提交的LTE Release 10 & Beyond(LTE-Advanced)被正式接受为4G技术。

    随着网络性能的快速增加和应用服务的多样化，服务质量(QoS)机制和如何提供一个有效稳定的QoS控制变得越来越重要。但目前只有少量的文章关注QoS参数映射，正如Carl Wijting[2]所说，由于QoS参数映射的复杂性与应用业务的依赖性，QoS参数映射是QoS管理家族中最棘手的问题。既然LTE-A要提供端到端的系统和全IP网络，那么，找出其存在的映射机制将不仅帮助我们了解整个网络的整体架构，还将为今后的优化提供途径。

1 QoS参数映射的定义和分类

1.1 QoS参数映射的定义
    文献[3]给出了QoS参数映射的定义：在两个不同层次的协议栈中翻译QoS规范的过程就叫做QoS映射。在传统的分层架构中，只有对等层才能理解对方传输的信息，上下层之间更像是黑匣子一样只负责上下传递分组信息而并不需要知道分组中包含的信息。那么，系统如何从上层的业务中提取下层所需的QoS保证呢？于是，就引出了参数映射这个概念。他的目标是为低层提供从上层的性能指标中翻译下来的QoS保证[4]。

1.2 QoS参数映射的分类和方法
    文献[5]对QoS映射进行了分类，主要分为两类：水平映射和垂直映射。水平映射指的是异构网中的QoS映射，是不同技术之间QoS信息的交互和协商，可以使信息在传递的过程中获得稳定且适合的服务质量。垂直映射关注同构网中的QoS映射，也就是上层到下层的映射，保证信息在层与层之间的传递。文章中主要介绍的是3GPP系统中的垂直映射。

    传统的参数映射方法有两种：基于查表的映射和基于函数的映射。基于查表的映射不能适应不同用户的使用需要，但是映射规则简单、占用资源也少。基于函数的映射只能将用户的QoS需求映射到一个固定值，不能适应动态变化环境下的自适应要求。但是该方法灵活，可以适应不同业务的不同需求。文章主要介绍了LTE-A的QoS参数映射策略。

1.3 QoS参数及QCI特性
    服务级别中的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)以及聚合最大比特率(AMBR)[6]。根据两种不同的场景，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)。其中，QCI与AMBR两个参数是演进型分组系统(EPS)新增加的，其余参数都沿用现有的通用移动通信系统(UMTS)系统。文章主要介绍的是QCI。

    每个EPS承载或者演进型通用陆地无线接入承载(E-RAB)（无论GBR或非GBR）都包含QCI和ARP两个参数。每个服务数据流(SDF)只与一个QCI相关联。如果与相同的IP协议接入网络(IP-CAN)会话相对应的多个SDF具有相同的QCI和ARP值，则他们可以作为一个单独的业务集合来处理，这就是SDF集合。QCI是一个标量，是特定接入节点控制承载级数据转发功能的QoS参数索引标志，其具体索引标志含义由运营商预配置到特定接入节点中。其具体含义由标准化的特征量表示（资源类型、优先级、分组迟延预算和分组丢失率）。其用来表示控制承载级别的数据包传输处理的接入点参数包括调度权重、接入门限、队列管理门限、链路层协议配置等。表1给出了EPS系统定义的标准QCI属性，他与相应的标准化特征量组之间是一对一的映射关系。这些参数决定了无线侧承载资源的分配。

2 LTE-A中QoS参数映射架构及过程
    在LTE-Advanced网络中，IP级的QoS参数映射功能包括在策略与计费控制(PCC)功能中。下面将更加具体地介绍PCC功能中和QoS参数映射相关的构造。

2.1 QoS参数映射架构
    3GPP的R7版本之后引入了PCC架构，将网络的QoS策略控制和计费控制结合在一起，实现有效的、多样化的、更细粒度的服务控制功能。PCC架构将应用层级会话服务数据流的QoS要求映射为IP-CAN接入传输网络承载级服务的QoS要求，以保障数据传输[7]。这些功能主要集中在应用功能(AF)、策略控制和收费规则功能(PCRF)、策略和收费加强功能(PCEF)或承载绑定和事件报告功能(BBERF)和用户设备(UE)上。这些映射功能的主要目的就是将QoS参数由一种形式转化成另一种。转化的QoS信息包括会话描述语言(SDI) ，例如会话描述协议(SDP)IP QoS参数或者具体接入的QoS参数。QoS映射的架构如图1所示。

2.2 QoS参数映射过程
    图1中AF将媒体面参数以AF会话信令的形式得到业务信息并通过Rx接口传送到PCRF中，PCRF根据运营商策略、用户签约信息等将业务信息映射成授权的IP QoS参数（如QCI，GBR，MBR，ARP等），该功能中的映射是独立的，不根据接入技术的改变而改变。网关中的PCEF或BBERF根据PCC规则进行承载绑定并通过Gx或Gxx接口将这些参数再映射成具体接入的QoS参数。这就是完整的QoS参数映射过程。

3 各功能实体的映射规则
    这一章节总结了协议中关于QoS参数映射的部分，并给出了部分参数映射规则的流程图，因为EPS的PCC架构基于Diameter协议传输，所以映射规则里也大量运用到了与协议相关的内容，如属性值对(AVP)及特定参数取值等。UE的应用层与网络应用功能实体AF之间进行应用层会话过程，在这个过程交互会话媒体面QoS参数，AF将媒体面参数以业务信息的形式通知给PCRF，PCRF根据运营商的策略、用户签约信息对业务媒体流进行会话绑定、IP QoS授权、将这些信息以PCC规则形式通知给网关上执行策略的PCEF或BBERF实体，PCEF或BBERF根据PCC规则进行承载绑定，然后执行承载层QoS信令过程实现承载资源的分配过程。

3.1 AF中的QoS参数映射规则
    AF功能通过Rx接口将具体的应用信息映射成适当的AVP。AF从SDI或者其他来源处得到业务信息，并将服务信息通过Rx接口传送到PCRF。接口所运用的协议为Diameter协议[8]。当一个会话建立或修改时，AF应当按照相应的映射规则为每个SDP媒体部件中SDP参数中提取媒体部件描述属性值对[9]。其中，服务信息中媒体部件描述AVP包括媒体部件号、AF应用标志、媒体类型、流状态最大上行/下行请求带宽、接受报告包带宽、原报告包带宽[10]等。

    图2给出了从SDP参数中得到服务信息媒体部件描述AVP中最大上行请求带宽的映射规则。

    在图2中可以看出最大上行请求带宽是通过一个整体的算法策略得出的。首先判断SDP描述中的类型，如果为UE终结的则为上行，UE发起的为下行。接下来判断SDP参数中“m-line”的类型，不同的类型有不同的“a”“b”的取值。文献[11]中对其取值有详细的介绍。最后，通过运营商预选定的算法或者基于传输的带宽算出最大上行请求带宽。最大上行请求带宽指示了上行IP流每秒的最大请求带宽比特。该带宽包括IP层及IP层之上的所有开销，例如，IP、用户数据协议(UDP)等。

3.2 PCRF中的QoS参数映射规则
    PCRF功能包括策略控制决定和基于流的收费控制功能。这两个功能在R6版本之前是分开的，R7之后整合到一个功能实体上。PCRF根据对服务数据流的检测、门控、QoS和基于流的收费来提供网络控制。PCRF则从AF处接收会话和媒体相关的信息并同时通知AF数据流平面的事件。

    PCRF中的QoS参数映射过程也是QoS的授权过程。当一个会话建立或修改时，他将从Rx接口得到的服务信息映射成IP QoS参数，包括QCI，GBR，MBR和ARP。映射过程与接入无关。当UE发起的承载建立时，UE可以从AF会话信令中得到IP QoS参数，请求具体接入的QoS参数和授权的具体接入QoS参数。图3给出了从服务信息中得到QCI的映射规则流程图。

    图3中可以看出QCI的得出首先考虑到的是运营商预先配置的策略，如果存在，则通过设定好的算法直接得出QCI的值。否则，PCRF按照缺省的方法先从AF应用指示AVP中得出具体应用算法算出的QCI，如AF应用指示AVP不存在则从指示编码AVP中算出QCI，如果此项仍为缺省，还可以通过媒体类型和上下行数据流描述AVP中得出QCI的值。

3.3 PCEF/BBERF中的QoS参数映射规则
    PCEF/BBERF把从PCRF接收到的授权的IP QoS参数映射成为授权的具体接入的QoS参数。这个功能实体也将请求具体接入QoS参数和授权的具体接入QoS参数进行比对。

    PCEF的基本功能包括策略加强和基于流的收费功能。R6版本之前这两个功能是分离的，R7版本之后将两个功能整合成为现在的PCEF。这个功能实体位于网关中（如果是GPRS则位于GPRS支持节点网关(GGSN)中，如果是无线局域网络(WLAN)则位于分组数据网网关(P-GW)中）。它提供了在网关的用户面数据流处理和QoS功能，还提供了业务数据流检测和计数以及在线离线计费的互动。

    BBERF功能位于服务网关(S-GW)中，他通过Gxx接口[12]接收PCRF提供的QoS规则。提供的功能包括承载绑定和事件报告功能等。

    以GPRS为例，GGSN可以把从PCRF接收到的授权的IP QoS参数通过翻译/映射功能得到分组数据协议(PDP)上下文中授权的UMTS QoS参数。PDP上下文中授权的UMTS QoS参数包括：最大授权上行和下行带宽、授权的保证上下行数据率、最大授权数据流、数据流处理优先级、信令指示、资源统计描述、演进的分配/保持优先级和上下行接入点APN-AMBR参数。

    表2给出PDP上下文中最大授权数据流和授权IP QoS参数之间映射的方式。

    由表2可以看出QCI的1或2值对应的数据流等级为会话级[13]，3，4对应流级，5、6、7、8对应的是交互级，其他对应的是背景级。

    以3GPP EPS系统为例，当P-GW中的翻译/映射功能适用于P-GW与GPRS服务支持节点(SGSN)通过Gn/Gp接口交互时，相应的映射规则只有细微的改动。

3.4 UE端的QoS参数映射规则
    UE可以建立或修改发往PCEF/BBERF的IP-CAN承载请求。此外，IP-CAN会话也支持网络发起的承载，网络为IP-CAN承载建立一个合适的承载。图4显示了当UE激活或修改PDP上下文时，参与生成QoS参数请求的实体的构架。

    主要步骤如下：
    (1) 应用业务主要通过IP承载服务管理和翻译与映射功能提供给UMTS承载业务管理。

    (2) 也可以通过特定的应用直接得到UMTS QoS参数。

    (3) 如果SDP可用，那么SDP参数应根据相应的规则来引导UMTS承载管理设置最大上下行比特率和上下行保证比特率。

    (4) 从步骤1或步骤2设置的UMTS QoS参数可能和步骤3得到的最大上下行比特率和上下行保证比特率合并在一起。其结果应是请求的UMTS QoS参数。UE应检查请求的上下行保证比特率或请求的最大上下行比特率是否超过步骤3中的最大上下行带宽。此外，UE还要针对相应的映射规则对最大数据流进行确定，应确定请求的数据流没有超过最大授权的数据流。

    图5是从SDP参数中得出最大上下行比特率和上下行保证比特率的映射过程。

    UE首先查看SDP参数中的媒体类型和传输类型，如果此值为缺省，则最大上下行比特率和上下行保证比特率按照UE厂商制订。如SDP参数中存在编码指示AVP或媒体部件指示中存在带宽属性则针对不同的取值和情况算出最大上下行比特率和上下行保证比特率。

4 结束语
    QoS参数映射是极为复杂繁琐的过程，需要各个层之间的交互和协商。作为QoS管理中最重要的一个环节，在3GPP不断演进的过程中，QoS参数映射也需要不断的完善和调整。现代电信网络是由不同的技术组成的，每种技术都可以利用相应的算法和参数来满足性能的需求以实现不同的QoS。目前面临的挑战是如何在异构网络中提供透明的端到端的QoS保证。这些挑战具体体现在：

    (1) QoS要求能够通过不同技术不同协议遍历从源到端的整个网络。

    (2) QoS要求能够被每种具体的技术所接收和理解。在这里，服务质量可以有不同含义和解释，这主要取决于用户所使用的协议和网络功能。

    (3) QoS要求应该由控制机制管理使得QoS要求能够被具体的技术映射到各层中去。
文章总结了3GPP架构中的参数映射过程，同时，我们也发现很多的方面相关标准还未涉及到，比如针对异构网络之间的参数映射及应用新技术场景下（如中继，CoMP（协作多点传输）等）参数映射的规范等。此外，总结及了解QoS参数映射的规则也为下一步优化进而达到4G要求做出了准备。

5 参考文献
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[12] 3GPP TS 29.212. v10.0.0. Policy and Charging Control over Gx Reference Point[S].2010.
[13] 3GPP TS 23.107.v9.1.0. Quality of Service (QoS) Concept and Architecture[S]2010.

收稿日期：2011-05-10

[摘要] QoS参数映射提供了一种机制，使得下层能够从上层的信息中获得相关的QoS信息，从而保障整个传输的服务质量。随着LTE-A系统的不断更新演进，在满足系统架构的QoS决定、传递或映射系统信息的功能方面，QoS参数映射起着越来越重要的作用。文章根据LTE-A中的QoS参数映射架构，分析了该架构中各组成部分的功能和作用，对具体参数的映射过程和映射规则做出了详细的说明。

[关键词] LTE-Advanced；服务质量；参数映射

[Abstract] Mapping of QoS parameters provides a mechanism for lower layers to know the service QoS information of the upper layer so that transmission quality is guaranteed. As LTE-A continues to be evaluated, mapping of QoS parameters is becoming more important in satisfying the QoS decision of the system architecture and transforming or mapping systems information. This paper analyzes the architecture for mapping QoS parameters in LTE-A. It examines the function of each part of the architecture’s framework and specifies the mapping process and rules for specific parameters.

[Keywords] LTE-A; QoS; mapping of parameters