端到端的LTE QoS控制技术与策略研究

池炜成

1 引言

根据GSA统计，截至2013年10月，全球已经建成222个商用LTE网络。LTE在全球的快速发展源于其技术的先进性，作为新一代移动宽带技术，LTE采用了OFDM、MIMO等无线技术，显著提高了空口的传输速率，同时采用了扁平化的系统结构，大大降低了数据传输的时延。除了高带宽、低时延的特性之外，LTE网络还提供了非常重要的QoS（服务质量）保证特性，为LTE承载的各种业务提供端到端的QoS保证。

QoS保证特性可控制不同业务、不同用户具有不同的QoS，为实现差异化服务和网络资源智能化管理提供了重要手段。然而，端到端QoS控制涉及QoS规则的定义，QoS参数的传递，QoS规则在UE、无线网、核心网中多个网络实体中执行，同时QoS规则的定义和变化又与业务支撑系统中的用户数据紧密相关，涉及LTE网元与业务支撑系统的整合问题。因此，端到端QoS控制是LTE技术的难点之一，非常值得研究和探讨。本文将在分析LTE QoS控制对象和LTE QoS参数的基础上，提出从业务支撑系统到LTE网络的端到端QoS控制架构以及系统控制流程，并探讨LTE QoS控制技术的应用策略。

2 LTE QoS

2.1 LTE QoS控制对象

LTE系统由核心网（EPC）、无线网（E-UTRAN）

和终端（UE）3部分组成，整个系统称为EPS（Evolved Packet System）。在LTE系统中，QoS控制的基本对象是EPS承载（Bearer），它是由EPS提供的数据通讯通道，该通道定义了容量、时延和错误率的信息传输质量要求。所有映射到同一个EPS承载的业务会受到同一种数据传输待遇，即同一个EPS承载上的所有业务得到相同的承载级别的分组传送处理，如时序策略、队列管理策略、速率整形策略、无线连接控制配置等，不同承载级别的分组传送处理需要不同的EPS承载。EPS承载架构如图1所示：

图1 EPS承载架构

其中，端到端服务是指从UE到UE或UE到外部网络的应用服务器的全程服务，它由EPS承载服务和外部网络承载服务共同承担。EPS承载服务分为EPS无线承载服务（eNodeB基站与UE之间）和EPS接入承载服务（eNodeB基站与S-GW/P-GW之间），两者分别由底层的物理无级承载服务和物理承载服务实现。

按照承载速率是否有保证，EPS承载可以分为两种类型：GBR（Guranteed Bit Rate，保证比特速率）承载和Non-GBR（Non Guranteed Bit Rate，非保证比特速率）承载。LTE网络会保证GBR承载的比特速率的分配，在网络资源紧张的情况下比特速率也得到保持，但不能保证Non-GBR承载的比特速率，在网络拥挤的情况下，Non-GBR承载的比特速率可能被降低。GBR承载要占用固定的网络资源，只有在需要的时候才建立，而Non-GBR承载不占用固定的网络资源，可以长时间地建立。按照承载的用途，EPS承载可以分为默认承载（Default Bearer）和专用承载（Dedicated Bearer）。默认承载是一种Non-GBR承载，它是在用户进行网络附着时，为用户建立的一个缺省的EPS承载，用于保证用户的基本业务需求，实现“永远在线”。每个PDN连接对应一个默认承载与一个IP地址，在PDN连接服务存在期间会始终保持着默认承载。UE与相同PDN建立的其它承载都称为专用承载，专用承载主要用于为特定业务提供特定的QoS，如专门为VoLTE、高清视频等业务提供高级别的承载服务。

2.2 LTE QoS参数

EPS通过控制承载的QoS参数来保证承载所提供的服务质量水平，如速率、时延丢包率等。EPS承载的QoS参数主要包括QCI（QoS Class Identifier，QoS级别标识）、GBR（保证比特速率）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特速率）、AMBR（Allocation and Retention Priority，聚合最大比特速率）以及APR（分配和保留优先级）。

QCI是一个数量等级，3GPP定义了9个标准QCI等级，每个等级定义了相应的资源类型、优先级、时延、错误丢失率，如表1所示：

表1 9个标准QCI等级

QCI

值 资源

类型 优先级 包时延预算/ms 错误丢失率/% 业务样例

1 GBR 2 100 1 语音通话

2 4 150 0.1 视频通话（在线流媒体）

3 3 50 实时游戏

4 5 300 0.000 1 非通话视频（缓存流媒体）

5 Non-

GBR 1 100 IMS信令

6 6 300 视频（缓存流媒体）、基于TCP的业务（如www、E-mail、chat、ftp、P2P文件共享等）

7 7 100 0.1 音频、视频（在线流媒体）、交互游戏

8 8 300 0.000 1 视频（缓存流媒体）、基于TCP的业务（如www、E-mail、chat、ftp、P2P文件共享等）共享、渐进式视频

9 9

其中，资源类型指定了是否使用专用的网络资源，有GBR和Non-GBR两种。包时延预算（Packet Delay Budget）定义了UE与PCEF之间的包时延的最大上限，它用于支持时序和链接层功能。优先级用于标识同一个UE上不同业务流的优先处理次序，最高优先级是1，最低优先级是9。包错误丢失率（Packet Error Loss Rate）定义了IP包的最大错误丢失率。每个业务数据流只与一个QCI关联，具有相同QCI的业务数据流有相同的承载待遇。endprint

GBR和MBR指定了每个承载业务的比特速率，MBR定义了GBR承载在网络资源充足的条件下能够达到的最大速率，MBR的值大于或等于GBR的值。AMBR用来限制用户的总速率，它针对一组Non-GBR承载来定义。AMBR细分为UE-AMBR和APN-AMBR，UE-AMBR定义了每个签约用户的总速率上限，APN-AMBR定义了同一个APN中的所有承载的总速率上限。APR包含优先级、占先能力标志位和允许占先标志位。其中，优先级是指承载建立的优先级，主要用于资源受限情况下决定是否接受承载的建立或修改请求，确保优先建立拥有高优先级的承载。占先能力标志位表示该承载是否有能力占用APR优先级更低的承载资源。允许占先标志位表示该承载是否允许其它具有更高APR优先级的承载占用自己的已有资源。

3 LTE QoS控制架构

为了提高网络的智能管控水平，实现区分用户和业务的服务，3GPP引入了PCC架构（Policy and Charging Control，策略与计费控制）。由于QoS规则内含在PCC规则当中，所以LTE的QoS控制功能主要通过PCC架构来承接。另外，因为用户数据成为QoS决策的重要依据，为了在用户级别上进行QoS控制，PCC架构必须从业务支撑系统中实时获取用户数据，用户数据在业务支撑系统发生的任何变化，例如用户级别、用户状态、用户累积量状态（即配额状态）等发生变化，都必须及时传递给PCC相关网元，以便实时改变用户的QoS，从而实现实时的QoS控制。故此，PCC架构与运营商的业务支撑系统必须结合起来，形成从业务支撑系统与LTE网元端到端的QoS控制架构，如图2所示。

其中，LTE网络侧涉及的网元包括PCRF、PCEF、BBERF、AF、SPR等，PCEF（策略与计费控制功能）位于EPC的P-GW，负责执行QoS控制规则；PCRF（策略与计费规则功能）负责提供QoS规则的定义和发布；SPR（用户属性存储）存储有与所有签约用户或签约相关的信息，包括签约用户允许的业务、每个允许业务的优先级、签约用户允许的QoS信息、签约用户的类型等；BBERF（承载绑定与事件报告功能）负责将QoS规则映射到非LTE网络中并执行；AF（Application Function）提供应用业务单元，可向PCRF提出QoS要求。业务支撑系统侧的系统包括CRM、OCS、OFCS等，CRM（客户关系管理系统）负责受理业务及管理客户和用户数据，并将用户数据实时同步给SPR；OCS（在线计费系统）负责预付费用户的实时信用控制，并作为统一接口点向PCRF提供所有用户（包括以预付费用户与后付费用户）的累积量状态（或称配额状态）信息，例如套餐中所包的流量配额已用完。OFCS（离线计费系统）负责后付费用户的计费处理，它向OCS提供后付费用户的累积量数据。

PCRF以业务支撑系统获得用户数据为依据，灵活生成QoS规则。QoS规则主要由业务标识、业务数据流过滤器、优先级、QoS参数等描述。业务标识是与业务数据流相关的业务或业务组件；业务数据流过滤器用于选择应用规则的流量，可使用通配符；优先级用于在不同QoS规则的业务数据流过滤器可能存在交集时决定哪个规则被执行。QoS参数包括服务质量级别标识QCI、ARP和授权的上行和下行比特率（如GBR、MBR）等。从QoS控制的角度看，PCEF为每个接收到的IP包选择一个QoS规则，按照QoS规则的优先级，将QoS规则中的业务数据流过滤器与IP包进行匹配，当IP包与一个业务数据流过滤器匹配时，该过滤器的QoS规则就会执行。

4 LTE QoS控制流程

在EPS中，一个IP-CAN会话中会涉及EPS承载的建立、修改和终止等，EPS承载建立的时候需要指定承载的QoS，而在业务需要的时候可以对承载原有的QoS进行修改，实现QoS的动态控制。用户数据动态变化是导致QoS改变的重要因素之一。用户数据变化可能是用户签约数据发生变化，如用户由普通用户变化为金牌用户，这时根据运营商业务策略应该提高用户的QoS，或者是用户的消费限额已到达，如达到用户套餐中包含的流量，这时根据运营商业务策略应该降低用户的QoS，以免用户出现太多的超额流量。用户数据变化导致QoS变化的LTE QoS动态控制流程如图3所示。

图3描述了从业务受理或用户消费行为发生后到LTE网元落实QoS控制的全过程，主要包括以下环节：

（1）CRM系统受理业务，比如用户新开、业务变更等，业务受理导致用户签约数据新增或发生变化，此时CRM向SPR同步最新的用户数据，由SPR再根据PCRF的要求向PCRF发送用户签约数据更新消息。

（2）或者，当用户使用了LTE业务后，如消费了流量，对于后付费用户，OFCS进行准实时计费和信用控制，并更新后付费用户的积累量。当用户的积累量状态发生特定变化时，如套餐中既有的流量用完时，OFCS通过OCS统一向PCRF通知用户配额状态已改变。对于预付费用户，OCS对用户进行实时信用控制，实时更新预付费用户的积累量，当用户的积累量状态发生特定变化时，OCS直接向PCRF通知用户配额状态已改变。

（3）PCRF接收到用户签约数据或用户积累量状态的新变化后，按照运营商的业务策略决定提高或降低用户的QoS，生成新的QoS规则。

（4）PCRF向P-GW发送IP-CAN会话修改消息，消息中下发新生成的QoS规则策略信息，P-GW向S-GW发送更新承载请求，S-GW向MME发送更新承载请求，请求消息中都携带更新的QoS信息。

（5）MME向eNodeB发送E-RAB（无线承载）修改请求，消息中携带更新的QoS信息，该请求也包含了修改EPS承载上下文请求的NAS消息。

（6）eNodeB将承载QoS匹配成无线承载QoS，然后向UE发送RRC连接重配置消息，UE响应RRC连接重配置完成。endprint

（7）在无线资源和S1（eNodeB与S-GW之间）资源修改完成后，eNodeB向MME发送成功的E-RAB修改应答消息，UE向eNodeB发送修改EPS承载上下文接受消息，表示成功修改了承载。

（8）eNodeB向MME发送修改EPS承载上下文接受消息，MME向S-GW发送更新承载应答，S-GW向P-GW发送更新承载应答，P-GW向PCRF发送PCRFIP-CAN会话修改结束消息。

5 LTE QoS控制策略

运营商可以应用LTE的QoS机制灵活控制不同业务不同用户的QoS，针对不同业务场景情况，机动地提升或降低用户的QoS，实现管道智能化和服务差异化。应用LTE的QoS控制机制，能够实现多种QoS控制策略，下面探讨几种典型QoS控制策略的应用：基于业务的QoS控制、基于时间的QoS控制、基于用户级别的QoS控制、基于用户累计消费量的QoS控制。

基于业务的QoS控制策略是对不同业务给予不同QoS的策略，它有利于保障重点业务的服务体验，限制非重点业务对正常业务的网络资源侵占。例如：对视频通话业务给予最高级的QoS待遇（如最大速率达到30Mb/s），对在线游戏业务给予中高级QoS待遇（如最大速率达到10Mb/s），对P2P业务给予最低级的QoS待遇（如最大速率达到1Mb/s），应用效果图4所示。

基于时间的QoS控制策略是在不同时段给予不同QoS的策略，它有利于带动闲时时段的带宽收入，充分利用网络资源。例如：8：00至23：00为忙时时段，忙时时段内限制用户的最高速率为2Mb/s，23：00至次日8：00为闲时时段，闲时时段内允许用户最高速率达30Mb/s。

基于用户级别的QoS控制策略是在网络资源受限时不同级别的用户给予不同QoS的策略，它有利于保障高端用户的业务体验，实现服务的差异化。例如：在网络拥塞情况下，金牌用户可以仍保持原有的QoS，银牌用户的QoS自动下降1/2，而铜牌用户的QoS自动下降5/6，应用效果图5所示。

基于用户累计消费量的QoS控制策略是在用户累计消费流量达到限额前后给予不同QoS的策略，它提高了用户的服务体验，避免用户因出现太多的超额流量而造成不必要的额外支出。例如，用户订购的流量套餐包含有12G流量，当用户累计消费流量到达12G时，先将用户的QoS降下来，并通知用户将到达流量限额，还可以同时咨询用户是否需要增加流量包的订购。

除了上述策略外，运营商还可以推出基于位置、基于APN、基于终端类型的QoS控制策略，或者综合上述多种因素（如业务、用户等级、位置等）作QoS决策的条件，灵活制定出各种适应运营要求的QoS控制策略。

6 结束语

移动数据业务流量的爆炸性增长为网络运营带来了新的挑战和机遇，运营商希望提高网络的智能化管理水平，为用户提供差异化服务，从而提升用户体验，提高单位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是实现此目标的重要手段，同时也是技术难点之一。本文分析了LTE QoS控制对象和LTE QoS参数，然后提出了从业务支撑系统到LTE网络的端到端QoS控制架构以及系统控制流程，并探讨了LTE QoS控制的应用策略，希望能为LTE网络的服务质量控制提供一点参考。值得注意的是，LTE/LTE-A作为新型的移动宽带网络，其QoS控制技术仍在不断完善当中，同时运营商对QoS控制策略的应用还需在实际运营中进一步累积经验。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture（Release 12）[S]. 2013.

[2] 3GPP TR 21.905. Vocabulary for 3GPP Specifications

（Release 11）[S]. 2012.

[3] 3GPP TR 23.882. 3GPP System Architecture Evolution： Report on Technical Options and Conclusions（Release 8）[S]. 2008.

[4] 3GPP TS 29.212. Policy and Charging Control（PCC）； Reference points（Release 12）[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 29.219. Policy and Charging Control： Spending Limit Reporting over Sy reference point（Release 11）[S]. 2013.

[6] 辛伟，杨红梅，许慕鸿，等. 演进分组系统（EPS）业务应用技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.

[7] 庞韶敏. 3G UMTS与4G LTE核心网[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[8] 曹敏，蒲翰，周峰，等. LTE业务发展现状及重点业务浅析[J]. 电信科学， 2013（2）.

[9] 袁鹏辉，龙彪，陈洁. LTE网络引入PCC的业务保障策略分析[J]. 电信科学， 2012（11）.

[10] GSA. Evolution to LTE Report[R]. 2013.endprint

（7）在无线资源和S1（eNodeB与S-GW之间）资源修改完成后，eNodeB向MME发送成功的E-RAB修改应答消息，UE向eNodeB发送修改EPS承载上下文接受消息，表示成功修改了承载。

（8）eNodeB向MME发送修改EPS承载上下文接受消息，MME向S-GW发送更新承载应答，S-GW向P-GW发送更新承载应答，P-GW向PCRF发送PCRFIP-CAN会话修改结束消息。

5 LTE QoS控制策略

运营商可以应用LTE的QoS机制灵活控制不同业务不同用户的QoS，针对不同业务场景情况，机动地提升或降低用户的QoS，实现管道智能化和服务差异化。应用LTE的QoS控制机制，能够实现多种QoS控制策略，下面探讨几种典型QoS控制策略的应用：基于业务的QoS控制、基于时间的QoS控制、基于用户级别的QoS控制、基于用户累计消费量的QoS控制。

基于业务的QoS控制策略是对不同业务给予不同QoS的策略，它有利于保障重点业务的服务体验，限制非重点业务对正常业务的网络资源侵占。例如：对视频通话业务给予最高级的QoS待遇（如最大速率达到30Mb/s），对在线游戏业务给予中高级QoS待遇（如最大速率达到10Mb/s），对P2P业务给予最低级的QoS待遇（如最大速率达到1Mb/s），应用效果图4所示。

基于时间的QoS控制策略是在不同时段给予不同QoS的策略，它有利于带动闲时时段的带宽收入，充分利用网络资源。例如：8：00至23：00为忙时时段，忙时时段内限制用户的最高速率为2Mb/s，23：00至次日8：00为闲时时段，闲时时段内允许用户最高速率达30Mb/s。

基于用户级别的QoS控制策略是在网络资源受限时不同级别的用户给予不同QoS的策略，它有利于保障高端用户的业务体验，实现服务的差异化。例如：在网络拥塞情况下，金牌用户可以仍保持原有的QoS，银牌用户的QoS自动下降1/2，而铜牌用户的QoS自动下降5/6，应用效果图5所示。

基于用户累计消费量的QoS控制策略是在用户累计消费流量达到限额前后给予不同QoS的策略，它提高了用户的服务体验，避免用户因出现太多的超额流量而造成不必要的额外支出。例如，用户订购的流量套餐包含有12G流量，当用户累计消费流量到达12G时，先将用户的QoS降下来，并通知用户将到达流量限额，还可以同时咨询用户是否需要增加流量包的订购。

除了上述策略外，运营商还可以推出基于位置、基于APN、基于终端类型的QoS控制策略，或者综合上述多种因素（如业务、用户等级、位置等）作QoS决策的条件，灵活制定出各种适应运营要求的QoS控制策略。

6 结束语

移动数据业务流量的爆炸性增长为网络运营带来了新的挑战和机遇，运营商希望提高网络的智能化管理水平，为用户提供差异化服务，从而提升用户体验，提高单位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是实现此目标的重要手段，同时也是技术难点之一。本文分析了LTE QoS控制对象和LTE QoS参数，然后提出了从业务支撑系统到LTE网络的端到端QoS控制架构以及系统控制流程，并探讨了LTE QoS控制的应用策略，希望能为LTE网络的服务质量控制提供一点参考。值得注意的是，LTE/LTE-A作为新型的移动宽带网络，其QoS控制技术仍在不断完善当中，同时运营商对QoS控制策略的应用还需在实际运营中进一步累积经验。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture（Release 12）[S]. 2013.

[2] 3GPP TR 21.905. Vocabulary for 3GPP Specifications

（Release 11）[S]. 2012.

[3] 3GPP TR 23.882. 3GPP System Architecture Evolution： Report on Technical Options and Conclusions（Release 8）[S]. 2008.

[4] 3GPP TS 29.212. Policy and Charging Control（PCC）； Reference points（Release 12）[S]. 2013.

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[8] 曹敏，蒲翰，周峰，等. LTE业务发展现状及重点业务浅析[J]. 电信科学， 2013（2）.

[9] 袁鹏辉，龙彪，陈洁. LTE网络引入PCC的业务保障策略分析[J]. 电信科学， 2012（11）.

[10] GSA. Evolution to LTE Report[R]. 2013.endprint

（7）在无线资源和S1（eNodeB与S-GW之间）资源修改完成后，eNodeB向MME发送成功的E-RAB修改应答消息，UE向eNodeB发送修改EPS承载上下文接受消息，表示成功修改了承载。

（8）eNodeB向MME发送修改EPS承载上下文接受消息，MME向S-GW发送更新承载应答，S-GW向P-GW发送更新承载应答，P-GW向PCRF发送PCRFIP-CAN会话修改结束消息。

5 LTE QoS控制策略

运营商可以应用LTE的QoS机制灵活控制不同业务不同用户的QoS，针对不同业务场景情况，机动地提升或降低用户的QoS，实现管道智能化和服务差异化。应用LTE的QoS控制机制，能够实现多种QoS控制策略，下面探讨几种典型QoS控制策略的应用：基于业务的QoS控制、基于时间的QoS控制、基于用户级别的QoS控制、基于用户累计消费量的QoS控制。

基于业务的QoS控制策略是对不同业务给予不同QoS的策略，它有利于保障重点业务的服务体验，限制非重点业务对正常业务的网络资源侵占。例如：对视频通话业务给予最高级的QoS待遇（如最大速率达到30Mb/s），对在线游戏业务给予中高级QoS待遇（如最大速率达到10Mb/s），对P2P业务给予最低级的QoS待遇（如最大速率达到1Mb/s），应用效果图4所示。

基于时间的QoS控制策略是在不同时段给予不同QoS的策略，它有利于带动闲时时段的带宽收入，充分利用网络资源。例如：8：00至23：00为忙时时段，忙时时段内限制用户的最高速率为2Mb/s，23：00至次日8：00为闲时时段，闲时时段内允许用户最高速率达30Mb/s。

基于用户级别的QoS控制策略是在网络资源受限时不同级别的用户给予不同QoS的策略，它有利于保障高端用户的业务体验，实现服务的差异化。例如：在网络拥塞情况下，金牌用户可以仍保持原有的QoS，银牌用户的QoS自动下降1/2，而铜牌用户的QoS自动下降5/6，应用效果图5所示。

基于用户累计消费量的QoS控制策略是在用户累计消费流量达到限额前后给予不同QoS的策略，它提高了用户的服务体验，避免用户因出现太多的超额流量而造成不必要的额外支出。例如，用户订购的流量套餐包含有12G流量，当用户累计消费流量到达12G时，先将用户的QoS降下来，并通知用户将到达流量限额，还可以同时咨询用户是否需要增加流量包的订购。

除了上述策略外，运营商还可以推出基于位置、基于APN、基于终端类型的QoS控制策略，或者综合上述多种因素（如业务、用户等级、位置等）作QoS决策的条件，灵活制定出各种适应运营要求的QoS控制策略。

6 结束语

移动数据业务流量的爆炸性增长为网络运营带来了新的挑战和机遇，运营商希望提高网络的智能化管理水平，为用户提供差异化服务，从而提升用户体验，提高单位流量的收益。LTE端到端的QoS控制是实现此目标的重要手段，同时也是技术难点之一。本文分析了LTE QoS控制对象和LTE QoS参数，然后提出了从业务支撑系统到LTE网络的端到端QoS控制架构以及系统控制流程，并探讨了LTE QoS控制的应用策略，希望能为LTE网络的服务质量控制提供一点参考。值得注意的是，LTE/LTE-A作为新型的移动宽带网络，其QoS控制技术仍在不断完善当中，同时运营商对QoS控制策略的应用还需在实际运营中进一步累积经验。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.203. Policy and charging control architecture（Release 12）[S]. 2013.

[2] 3GPP TR 21.905. Vocabulary for 3GPP Specifications

（Release 11）[S]. 2012.

[3] 3GPP TR 23.882. 3GPP System Architecture Evolution： Report on Technical Options and Conclusions（Release 8）[S]. 2008.

[4] 3GPP TS 29.212. Policy and Charging Control（PCC）； Reference points（Release 12）[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 29.219. Policy and Charging Control： Spending Limit Reporting over Sy reference point（Release 11）[S]. 2013.

[6] 辛伟，杨红梅，许慕鸿，等. 演进分组系统（EPS）业务应用技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.

[7] 庞韶敏. 3G UMTS与4G LTE核心网[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012.

[8] 曹敏，蒲翰，周峰，等. LTE业务发展现状及重点业务浅析[J]. 电信科学， 2013（2）.

[9] 袁鹏辉，龙彪，陈洁. LTE网络引入PCC的业务保障策略分析[J]. 电信科学， 2012（11）.

[10] GSA. Evolution to LTE Report[R]. 2013.endprint