http://wenku.baidu.com/link?url=ziFIkdKaC7MU2RY-bTOp2bt87WFPw5_02bqmYs5W6w4ktOfPHEcWesK1U2T7YiyXjVSMCu6_D4y73oOXPLdCe9ibDNqKoFErNgiWBFijy2K
一.LTE基本概念
1.LTE架構
2.LTE中的QoS
EPS系統中，QoS控制的基本粒度是EPS承載(Bearer)，即相同承載上的所有數據流將獲得相同的QoS保障（如調度策略，緩沖隊列管理，鏈路層配置等），不同的
QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供
EPS系統中，QoS控制的基本粒度是EPS承載(Bearer)，即相同承載上的所有數據流將獲得相同的QoS保障（如調度策略，緩沖隊列管理，鏈路層配置等），不同的QoS保障需要不同類型的EPS承載來提供。
在EPS系統中，PDN指的是外部的數據網絡（相對於LTE運營商而言），例如Internet，企業專用數據網等。APN（接入點名稱）的值作為PDN網絡的標識， PDN GW位於EPC和PDN的邊界。EPS Bearer存在於UE和PDN GW之間。通常情況下（GTP Based S5/S8），EPS承載可以看作是UE與分組數據網網關(PDN-GW)之間的邏輯電路，（對於基於PMIP的S5/S8接口，一般認為EPS Bearer存在與UE與SGW之間）。EPS承載取代了UMTS網絡中的分組數據協議上下文（PDP Context）。
根據QoS的不同， EPS Bear可以划分為兩大類： GBR(Guranteed Bit Rate) 和 Non－GBR。 所謂GBR，是指承載要求的比特速率被網絡“永久”恆定的分配，即使在網絡資源緊張的情況下， 相應的比特速率也能夠保持。MBR(Maximum Bit Rate)參數定義了GBR Bear在資源充足的條件下，能夠達到的速率上限。MBR的值有可能大於或等於GBR的值。相反的，Non－GBR指的是在網絡擁擠的情況下，業務（或者承載）需要承受降低速率的要求，由於Non－GBR承載不需要占用固定的網絡資源，因而可以長時間地建立。而GBR承載一般只是在需要時才建立。
EPS系統中，為了提高用戶體驗，減小業務建立的時延，真正實現用戶的“永遠在線”，引入了默認承載（Default Bearer）的概念，即在用戶開機，進行網絡附着的同時，為該用戶建立一個固定數據速率的默認承載，保證其基本的業務需求，默認承載是一種Non－GBR承載。一般來說，每個PDN連接都對應着一個Default Bearer和一個IP Address，只有在UE和PDN都支持IPV4，IPV6雙協議棧，一個PDN連接才有可能對應兩個Default Bearer和IP Address，UE在此PDN連接的有效期內將會一直保持此Default Bearer（IP 地址有可能變化嗎？）。如果UE存在與多個PDN的連接，那么UE可以有多個Default EPS Bear和IP地址。默認承載的QoS參數可以來自於從歸屬用戶服務器(HSS)中獲取的簽約數據，也可以通過PCRF交互或者基於本地配置來改變這些值。
為了給相同IP地址的UE提供具有不同QoS保障的業務，如視頻通話，移動電視等，需要在UE和PDN 之間建立一個或多個Dedicated EPS Bear。連接到相同PDN的其他EPS承載稱為專有承載，運營商可以根據PCRF（Policy And Charging Resource Function）定義的策略，將不同的數據流映射到相應的Dedicated EPS Bear上，並且對不同的EPS Bear采用不同的QoS機制。專有承載可以是GBR承載，也可以是Non－GBR承載。專有承載的創建或修改只能由網絡側來發起，並且承載QoS參數值總是由分組核心網來分配。
一個EPSBearer要經過不同的網元和接口，如下圖所示。包括：PGW到SGW之間的S5/S8接口，SGW到eNodeB之間的S1接口 和eNodeB到UE之間的Uu接口。EPS Bearer在每個接口上會映射到不同的底層承載，每個網絡節點負責維護底層承載的標識以及相互之間的綁定關系。
From 3GPP 23.401 4.7.2.2 The EPS bearer with GTP-based S5/S8
如上圖所示，eNodeB通過創建無線承載與S1承載之間的綁定，實現無線承載與S1承載之間的一一映射；S-GW通過創建S1承載與S5/S8承載之間的綁定，實現S1承載與S5/S8承載之間的一一映射。最終，EPS承載數據通過無線承載、S1承載以及S5/S8承載的級聯，實現了UE與PDN之間連接業務的支持。
用戶的IP數據包需要映射到不同的EPS Bearer，以獲得相應的QoS保障。這樣的映射關系是通過TFT（Traffic Flow Template）和其中的Packet Filters來實現的。TFT是映射到相應EPS Bearer的所有PacketFilter 的集合，Packet Filter表示將用戶的一種業務數據流（SDF，Service DataFlow）映射到相應的EPS Bearer上，Packet Filter通常包括源/目的IP 地址，源/目的IP端口號，協議號等內容。專有的EPS Bearer必須有與之相應的TFT。相反的，缺省的EPS Bear通常並不配置特定的TFT，或者說，配置的是通配TFT，這樣所有不能映射到專有EPS Bearer的IP數據包會被映射到缺省的EPS Bearer上。在專有的EPS Bearer被釋放的情況下，原來映射到專有EPS Bearer上的數據包也會被重新路由到相應的缺省EPS Bearer上。TFT分為上行和下行兩個方向，其中，上行的TFT在UE側對上行的數據包進行過濾和映射。下行的TFT在PDN側對下行的數據包進行過濾和映射。
在接入網中，空口上承載的QoS是由eNodeB來控制的， 每個承載都有相應的QoS參數QCI（QoS Class Identifier）和ARP （Allocation And Retention Priority）。
QCI同時應用於GBR和Non-GBR承載。一個QCI是一個值，包含優先級，包延遲，以及可接受的誤包率等指標 ，每個QCI都與一個優先級相關聯，優先級1是最高的優先級別。承載QCI的值決定了其在eNodeB的處理策略。例如，對於誤包率要求比較嚴格的Bearer，ENodeB一般通過配置RLC成AM模式來提高空口傳輸的准確率。標准中（23。203）定義了九種不同的QCI的值，在接口上傳輸的是QCI的值而不是其對應的QoS屬性。通過對QCI的標准化，可以規范不同的廠家對於相應的QoS業務的理解和處理，方便在多廠商互連環境和漫游環境中不同設備／系統間的互連互通。
Table 6.1.7: Standardized QCI characteristics
| QCI |
Resource Type |
Priority |
Packet Delay Budget (NOTE 1) |
Packet Error Loss Rate (NOTE 2) |
Example Services |
| 1 |
|
2 |
100 ms |
10-2 |
Conversational Voice |
| 2 |
|
4 |
150 ms |
10-3 |
Conversational Video (Live Streaming) |
| 3 |
|
3 |
50 ms |
10-3 |
Real Time Gaming |
| 4 |
|
5 |
300 ms |
10-6 |
Non-Conversational Video (Buffered Streaming) |
| 5 |
|
1 |
100 ms |
10-6 |
IMS Signalling |
| 6 |
|
|
|
|
Video (Buffered Streaming) |
| 7 |
Non-GBR |
|
|
|
Voice, |
| 8 |
|
|
|
|
|
| 9 |
|
9 |
|
|
sharing, progressive video, etc.) |
ARP是分配和保留優先級(Allocation and Retention Priority)。 ARP同時應用於GBR和Non-GBR承載，主要應用於接入控制，在資源受限的條件下，決定是否接受相應的Bearer建立請求。另外，eNode B可以使用ARP決定在新的承載建立時，已經已經存在承載的搶占優先級。一個承載的 ARP僅在承載建立之前對承載的建立產生影響。承載建立之后QoS特性，應由QCI、GBR、MBR等參數來決定。
為了盡可能提高系統的帶寬利用率，EPS系統引入了匯聚的概念，並定義了AMBR（Aggregated Maximum Bit Rate）參數。AMBR可以被運營商用來限制簽約用戶的總速率，它不是針對某一個Bearer，而是針對一組Non－GBR的Bearer。當其他EPS承載不傳送任何業務時，這些Non-GBR承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個AMBR。AMBR參數限制了共享這一AMBR的所有承載能所能提供的總速率。
3GPP定義了兩種不同的AMBR參數：UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE－AMBR定義了每個簽約用戶的AMBR。 APN-AMBR是針對APN的參數，它定義了同一個APN中的所有EPSBearer提供的累計比特速率上限。AMBR對於上行和下行承載可以定義不同的數值。
EPS系統的QoS機制
關鍵字:系統框架演進(SAE)；EPS承載；聚合最大比特速率(AMBR)；QoS等級標識(QCI)
英文關鍵字:System Architecture Evolution (SAE); EPS bearer; AMBR; QoS Class Identifier (QCI)
具有嚴格服務質量(QoS)保證的數據、語音、圖像、視頻等多種多媒體業務是目前移動通信系統面臨的主要挑戰之一[1]。為了保證各種多媒體業務的服務質量，3GPP在通用移動通信系統(UMTS)中清晰地定義了端到端的QoS結構，並引入了多種承載及處理機制，以保證UMTS可以充分發揮自身的技術優勢，為用戶提供各種差異化的服務。
為了保證在未來10年內的技術先發優勢，為運營商和用戶不斷增強的需求提供更好的支持，3GPP於2004年又提出了長期演進(LTE)與系統架構演進(SAE)兩大研究計划[2]，其中SAE課題則主要是從網絡架構的角度對系統性能進行優化與提高，與之相應的演進網絡被稱為演進的分組系統(EPS)。
EPS系統的QoS機制在UMTS系統基礎上進行了諸多增強與改進。
首先，考慮到未來數據業務具有高速、突發的特征，為有效提高用戶體驗，減小業務建立的時延，真正實現用戶的“永遠在線”，EPS系統引入了默認承載的概念，即在用戶進行網絡附着的同時，為該用戶建立一個固定數據速率的默認承載，保證其基本的業務需求。
其次，由於LTE系統在無線接入網中取消了專用信道的概念，轉而采用了共享信道的機制，並采用更靈活的動態調度機制，EPS取消了UMTS系統中復雜的QoS協商機制。
另外，鑒於LTE/SAE網絡增加了對GSM、WCDMA、LTE、CDMA2000及WiMAX等多種無線技術接入統一分組域核心網的需求，與之對應，EPS系統也要求能夠支持跨不同接入技術的端到端QoS保證，即用戶設備(UE)在跨越不同接入網時，能夠有效地實現QoS參數之間的映射，保證無縫的用戶體驗[3]。
1 無線通信網絡QoS的演進
隨着無線通信技術與IP技術的緊密結合，移動通信網絡從GSM系統的電路交換網發展到通用分組無線業務(GPRS)的分組交換網，再到能提供高速率實時數據業務的UMTS網絡。在整個移動網絡演進過程中，為了根據不同業務特點為用戶提供滿意的服務，移動網絡的QoS機制也在不斷發展成熟。
GSM基於電路交換方式，電路連接建立后即可保證業務的服務質量，QoS保證比較簡單，且QoS參數基本不在網絡中傳遞。
GPRS基於分組交換方式，IP承載方式的引入，使得GPRS網絡的QoS保證比GSM要復雜很多。GPRS定義的QoS參數有：時延級別、可靠級、最大數據流量、優先級、平均數據流量、重發需求等等，這些QoS參數要求能夠在用戶終端(UE)與網絡側實體服務GPRS支持節點(SGSN)、網關GPRS支持節點(GGSN)之間傳遞。
R99版本引入了端到端的QoS分層體系結構，這種架構涉及所有網元，包括用戶終端、接入網實體、核心網實體，而且不同接口的QoS參數處理必須保持一致。可以說，UMTS系統引入的QoS分層體系結構是移動通信網在QoS技術演進方面的大飛躍[4]。同時，R99版本的核心網IP承載還采用了互聯網工程任務組(IETF)定義的QoS技術，包括有：綜合服務/資源預留(Int-Serv/RSVP)、多協議標記交換(MPLS)、差分服務(Diff-Serv)、流量工程和基於約束的尋路等技術，並首次明確定義了4種不同QoS的業務類型：會話類、流類、交互類以及背景類。
R5/R6階段中，為了實現端到端的QoS保證，以滿足IMS移動多媒體業務的服務質量要求，3GPP組織又提出基於IP連接的策略控制機制[5]。隨后，R7版本將R6版本中的策略控制功能(PDF)與流計費功能(FBC)相合並，在業務控制層和接入/承載層之間增加了策略控制和計費(PCC)子系統，完成資源接納控制功能。
R8版本針對未來數據業務具有突發性的特點，引入EPS專用承載及默認承載的概念，有效地減小了業務承載的建立時延，真正實現了用戶的“永遠在線”[6]。同時，針對LTE網絡無線接入網共享信道機制的特征，在EPS網絡的承載處理(承載創建/修改/刪除)過程中，取消了網絡實體間復雜的QoS協商機制。
2 EPS系統的QoS機制
在R8的EPS系統中，QoS控制的基本粒度是承載(Bearer)，即相同承載上的所有數據流量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障。與UMTS系統相比，EPS系統的承載機制不同之處在於：
- 采用EPS承載代替分組數據協議(PDP)上下文，一個EPS承載能夠看作UE與分組數據網網關(PDN-GW)之間的邏輯電路。
- 在初始附着的過程中按照用戶簽約的默認QoS等級建立一個默認承載，即每個UE總是至少有一個激活的承載存在，從而保證用戶在開始業務時具有更短的時延。
- 將由終端發起PDP上下文建立流程改為通過網絡側觸發方式的數據承載建立流程，其觸發條件可以是IP多媒體子系統(IMS)會話中的策略與計費規則功能實體(PCRF)交互、初始附着時移動性管理實體(MME)指示，或是由UE請求，從而方便未來很多由網絡端發起的業務的QoS及策略控制。
- EPS的QoS基於QoS等級標識(QCI)參數，其中QCI可用來代替UMTS系統中一套10多個參數，即演進型基站(eNodeB)可以從QCI推導出全部參數特征。
2.1 EPS承載業務架構
為了實現端到端QoS，EPS系統從業務的起點到業務的終點都建立和使用了具有明確定義屬性與功能的承載業務，EPS承載業務的分層架構如圖1所示。
從圖1可以看出，EPS承載業務架構繼續沿用了UMTS網絡相似的QoS框架結構——分層次、分區域的QoS體系結構，也就是說每一層的承載業務都是通過其下一層的承載業務來提供的[7-8]。
端到端的QoS業務可以分解為兩部分：EPS承載業務與外部承載業務。其中，外部承載業務用於連接UMTS核心網和位於外部網絡節點之間的業務承載。EPS承載業務則可以分為EPS無線承載業務與EPS接入承載業務兩部分。EPS無線承載業務可根據請求的QoS，實現eNodeB與UE之間的EPS承載業務數據單元的傳送，同時提供IP頭壓縮、用戶平面加密功能，並可以為UE提供映射及復用信息；EPS接入承載業務則可以根據請求的QoS，實現MME與eNodeB之間的EPS承載業務數據單元的傳送，同時提供端到端IP業務流匯聚的QoS保證[9]。
2.2 EPS承載概念
EPS系統中定義了分組數據網絡(PDN)連接業務的概念，PDN連接業務是指EPS網絡在UE與一個PLMN的外部PDN之間提供的IP連接，PDN連接業務可支持一個或者多個業務數據流(SDF)的傳輸。
當服務網關(S-GW)和PDN-GW之間的S5/S8接口基於GPRS隧道協議(GTP)時，EPS網絡中PDN連接業務由EPS承載提供；而當S5/S8接口基於代理移動IP(PMIP)協議時，PDN連接業務將由EPS承載和S-GW與PDN-GW之間的IP承載連接而成。一個EPS承載唯一標識SDF的一個集合體，對應相同承載級別QoS的多個SDF的集合，每個SDF對應傳輸流模板(TFT)中的一個數據包過濾器，也就是說每個EPS承載關聯着UE的上行TFT和PDN-GW的下行TFT。
下面基於GTP協議的上行EPS承載為例，分析其建立過程與實現原理，如圖2所示。首先，UE通過UL-TFT將一個上行SDF綁定成一個EPS承載，若在UL-TFT中包含多個上行分組數據包過濾器，則多個SDF將可以復用相同的EPS承載。隨后依順序，UE通過創建SDF與無線承載之間的綁定，實現UL-TFT與無線承載之間的一一映射；eNodeB通過創建無線承載與S1承載之間的綁定，實現無線承載與S1承載之間的一一映射；S-GW通過創建S1承載與S5/S8承載之間的綁定，實現S1承載與S5/S8承載之間的一一映射。最終，EPS承載數據通過無線承載、S1承載以及S5/S8承載的級聯，實現了UE對外部PDN網絡之間PDN連接業務的支持。
EPS系統中，在PDN連接業務存在期間會始終保持建立一個承載，來給UE提供“永遠在線”的IP連接，這個承載叫做默認承載。默認承載的QoS參數可以來自於從歸屬用戶服務器(HSS)中獲取的簽約數據，也可以通過PCRF交互或者基於本地配置來改變這些值。連接到相同PDN的其他EPS承載稱為專有承載，專有承載的創建或修改只能由網絡側來發起，並且承載級QoS參數值總是由分組核心網來分配。若在承載建立或修改過程中，與EPS承載相關聯的保證比特率(GBR)對應的專有網絡資源被恆定地分配，這個EPS承載就屬於GBR承載；否則，這個承載就屬於Non-GBR承載。專有承載可以是GBR承載或者Non-GBR承載，而默認承載一定是Non-GBR承載。
2.3 承載級QoS參數
EPS系統中，承載級QoS參數包括QCI、分配與保持優先級(ARP)、GBR、最大比特速率(MBR)和聚合最大比特速率(AMBR)。其中，QCI與AMBR兩個參數是EPS系統新增加的，其余參數則都沿用於現有的UMTS系統。
無論是GBR承載還是Non-GBR承載，都包含與QCI和ARP兩個參數。QCI是一個數量等級，用來表示控制承載級別的數據包傳輸處理的接入點參數，例如調度權重、接入門限、隊列管理門限、鏈路層協議配置等等。ARP的主要目的是在資源限制的情況下決定接受還是拒絕承載的建立或修改請求。同時，ARP用於特殊的資源限制時(例如在切換時)，決定丟棄哪個承載。一旦承載成功建立后，ARP將對承載級別的數據包傳輸處理沒有任何影響。
除QCI與APR兩個參數外，每個GBR承載還與GBR和MBR參數相關聯。GBR承載主要用於語音、視頻、實時游戲等業務，采用專用承載和靜態調度的方式進行承載。參數GBR代表了預期能夠由GBR承載提供的比特速率，參數MBR則限制了GBR承載能提供的比特速率，它表示了GBR承載提供期望數據速率的上限。
Non-GBR承載則主要用於各種數據業務的承載，為了盡可能提高系統的帶寬利用率，EPS系統引入了匯聚的概念，並定義了AMBR參數。AMBR是到每個PDN連接的IP-CAN會話級QoS參數，相同PDN連接的多個EPS承載可以共享相同的AMBR值。當其他EPS承載不傳送任何業務時，這些Non-GBR承載中的每一個承載都能夠潛在地利用整個AMBR。因此，AMBR參數實際上限制了共享這一AMBR的所有承載能所能提供的總速率。
AMBR參數基於兩種不同的場景可分為UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE-AMBR參數作為UE的簽約數據保存在HSS中，用於指示UE針對不同PDN接入的參數屬性，並通過網絡注冊流程由HSS傳送給MME。當UE建立起到某PDN的第一條數據連接時，相應的上下行UE-AMBR即可以通過默認承載建立流程，傳送到eNodeB實體，由eNodeB完成其控制與執行。APN-AMBR參數是存儲在HSS中的針對每個接入點名稱(APN)的簽約參數，它實際上限制了同一個APN中的所有PDN連接期望提供的累計比特速率。其中，下行APN-AMBR由PDN-GW負責執行，上行APN-AMBR由UE或PDN-GW負責執行。
2.4 標准QCI屬性
QCI是EPS承載最重要的QoS參數之一，它是一個數量等級，代表了EPS應該為這個SDF提供的QoS特性，每個SDF都與且僅與一個QCI相關聯。與相同IP-CAN會話相對應的多個SDF，若具有相同的QCI和ARP值，可以作為一個單獨的業務集合來處理，這就是SDF集合。表1給出了EPS系統定義的標准QCI屬性，所有的QCI屬性均可由運營商根據實際需求預配置在eNodeB上，這些參數決定了無線側承載資源的分配。
上述標准QCI參數屬性描述了一個SDF集合所對應的數據包傳送處理的特性：
- 資源類型：用來決定與業務或者承載級別的GBR值相關的專有網絡資源能否被恆定地分配。GBR的SDF集合需要動態的策略與計費控制，而Non-GBR的SDF集合可以只通過靜態的策略與計費控制。
- 優先級：用來區分相同UE的SDF集合，也用來區分不同UE的SDF集合。每個QCI都與一個優先級相關聯，優先級1是最高的優先級別。
- 數據包時延預算(PDB)：用於表示數據包在UE和PDN-GW之間可能被延遲的時間，引入PDB參數的目的是支持時序和鏈路層功能的配置。對於同一個QCI，PDB值在上行和下行方向相同。
- 數據包丟失率(PLR)：定義為已經被發送端鏈路層處理但沒有被接收端成功傳送到上層SDU的比率，因此，PLR參數實際上體現了非擁塞情況下數據包丟失率的上限。對同一個QCI，PLR值在上下行方向上相同。
3 EPS QCI與UMTS QoS參數的映射
UMTS系統向EPS系統的演進將是一個漸進發展的過程，考慮到LTE建網初期可能是熱點部署，LTE網絡的覆蓋區域將小於UMTS的覆蓋區域，因此UE極可能在UMTS系統與EPS系統之間進行頻繁的互操作，如切換、小區重選等等。
鑒於EPS和UMTS系統使用了兩套不同的QoS機制，當UE在E-UTRAN與UTRAN之間切換時，必須重點考慮EPS承載的QCI參數與Pre-R8 PDP上下文的QoS參數之間的映射關系。
兩套QoS機制之間的參數映射應當遵循如下規則：
- 一個EPS承載與一個PDP上下文應是一一映射關系。
- EPS承載參數ARP應與Pre-R8承載參數ARP一一映射，與UMTS系統不同的是，EPS系統允許兩個或多個PDP上下文具有不同的ARP值。
- 基於GBR EPS承載的承載參數GBR、MBR應與Pre-R8“會話類”和“流類”的PDP上下文中的承載參數GBR、MBR一一映射。
- 當UE從E-UTRAN向UTRAN切換時，Pre-R8系統中傳輸時延、SDU錯誤率兩參數的取值可分別由分組時延預算和數據包丟失率兩個QCI參數分別推導；從UTRAN向E-UTRAN切換時，Pre-R8系統中傳輸時延、SDU錯誤率兩個參數將被忽略。
表2給出了EPS承載參數QCI與Pre-R8系統中業務類別、業務處理優先級、信令指示及源統計描述符等QoS參數之間的一一映射關系。
4 結束語
隨着未來網絡全IP化趨勢的加速，基於LTE/SAE項目的EPS系統將支持全面的分組化，即提供真正意義上的純分組接入，而不再提供電路域業務，同時R8又增加了網絡結構扁平化、降低連接建立時間以及支持多種接入技術的需求，這為EPS系統的QoS機制引入很多新的特征。本文具體闡述了EPS承載概念、承載業務架構，以及相關的QoS參數及屬性，這有助於清晰了解EPS網絡提供的各類應用業務的實現背景。
同時，文中還針對用戶在UTRAN與E-UTRAN之間切換時，所涉及的EPS QCI與UMTS QoS參數之間映射的問題進行了初步探討。但是，目前3GPP組織還僅僅只是給出了一個初略的思路，很多具體的實現細節，如QoS映射轉換由哪個實體來實施、IPv4/IPv6雙棧承載的處理原則、切換時AMBR參數的實現方案，以及切換時PCRF如何選擇不同的QCI參數等問題都還需要進一步去研究，有的問題甚至可能會放到R9版本去解決。另外，如何保證Non-3GPP網絡與EPS網絡之間的QoS映射關系[10]也值得我們進一步去探討。
5 參考文獻
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收稿日期：2008-08-04
http://www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_communications/2008/6/magazine/200812/t20081217_159121.htm