EPS服务质量决策机制研究

吴育辉　朱书涛

摘 要：目前，移动网络运营商具备提供多样化移动通信服务的能力。在此背景下，要改进LTE网络服务质量决策机制，提高移动通信的服务质量，优化用户体验。本文概述了服务驱动下的PCC决策运行机制，通过研究EPS服务质量控制模块间的交互机制，重点分析PCRF和DPI的交互能力。同时，研究PCRF与无线资源调度器的交互，分析出PCRF与无线资源调度器的间接交互机制是影响QoS控制时延的重要原因。

关键词：LTE;服务质量;PCC规则;EPS承载

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）23-0031-05

Study on Service Quality Decision Mechanism in LTE/EPC Networks

WU Yuhui ZHU Shutao

（Anshun University，Anshun Guizhou 561000）

Abstract： Currently， mobile network operators have the ability to provide diverse mobile communication services. In this context， it is necessary to improve the LTE network service quality decision mechanism， improve the service quality of mobile communication， and optimize the user experience. This paper outlined the service-driven PCC decision-making mechanism， and focused on the analysis of the interaction capabilities of PCRF and DPI by studying the interaction mechanism between EPS service quality control modules. At the same time， the interaction between PCRF and radio resource scheduler was studied， and the indirect interaction mechanism between PCRF and radio resource scheduler was analyzed， which was an important reason for the delay of QoS control.

Keywords： LTE;QoS;PCC rule;EPS Bear

近年来，LTE（Long Term Evolution）凭借高吞吐率、低延时、高服务质量等优点，得到多数移动网络运营商的青睐。为保障移动数据传输质量，3GPP LTE标准使用策略与计费子系统（Policy and Charging Control，PCC）感知应用层业务。PCC使用PCRF（The Policy and Charging Rules Function）作为执行引擎，负责QoS（Quality of Service）策略控制。目前，多数移动网络运营商都在网络中部署了对用户业务数据进行监控、收集和分析的工具，如深度包检测工具（Deep Packet Inspector，DPI）。然而，这些工具与PCC的关系以及它们之间的协同关系有待更深入的研究[1]。

在移动通信技术的演进中，LTE无线接入由EUTRAN实现，非接入方面由EPC（Evolved Packet Core）实现。EPS（Evolved Packet System）由Evolved-UTRAN和EPC构成，使用EPS承载将IP数据包从PDN网关（P-GW）傳输到UE[2]。PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）、EUTRAN根据PCRF QoS参数对EPS承载实现服务质量控制。因此，创建、释放EPS承载，保障业务数据的传输质量，需要EUTRAN和EPC协同工作。

过去，相关研究主要集中于研究PCC体系结构以及如何演进PCC以支持LTE。黄韬等人描述了EPS承载控制[3];Loureiro P等描述了如何使用PCC管理IP流的移动性[4];Gómez G等人描述了基于会话的端到端策略控制[5];Jpastor J描述了LTE网络中PCC的业务保障能力和机制[6]。本文将研究通过加强策略控制来提高LTE的服务质量，详细分析PCRF与DPI、无线资源调度器的交互，并通过PCC的一个应用场景来研究应用级数据流QoS参数要求如何转换成传输网络级承载的QoS参数要求。

1 PCC及其体系结构

PCC模块完成网关控制和QoS控制。PCRF做出网关控制决策，由PCEF执行该决策，完成网关控制;PCEF根据PCRF为PCEF提供授权的QoS参数，创建相应的EPS承载，执行PCRF的QoS决策，完成QoS控制。PCC的逻辑结构如图1所示[7]。

SPR用于存储签约用户使用网络资源的策略。SPR能给出授权用户、授权用户的类别、授权用户各种授权业务的QoS参数等。PCRF可将SPR提供的信息作为生成策略控制和计费决策的基础。

AF代表了通过Rx接口与PCRF通信的网络模块。AF模块将从业务信令中提取到的业务相关的动态信息提供给PCRF。在IMS网络中，AF可以是P-CSCF平台的AF模块;在非IMS网络中，AF可以是视频流服务器。

2 服务质量控制模块间的交互

2.1 PCRF与DPI的交互

深度包检测模块（Deep Packet Inspector，DPI）部署在P-GW和S-GW之间，支持检测、收集和分析同时在线的上百万用户的数据连接。移动网络运营商可通过DPI识别用户的不同业务。DPI实时检测业务数据流，为PCC执行QoS策略实现如下功能提供了基础。

一是流量高峰时期，为了提供更好的QoS管理，控制消耗宽带过高的用户数量，聚合传输流量。例如，为了始终保障VoIP业务的QoS，当检测到拥塞时，限制每个用户的P2P或者非实时性业务。二是提供差异化服务，为不同的业务流提供不同的服务优先级。当发生拥塞时，为优先级更高的业务提供更好的服务。

部署DPI可以为QoS控制带来便利，人们应考虑如下几点：网络拥堵时，被少数用户占用的多数资源将重新分配给其他用户，从而提高整体用户的体验，但需考虑服务的公平性;在不影响服务质量的前提下，应实现网络运行吞吐率最大限度地接近系统的最大值，从而降低运营商扩充网络容量的成本，提高网络的效率;应实现实时优化，通过实时更改网络QoS参数，提高多数用户的网络服务质量。

依据3GPP对LTE PCC体系结构的描述，直到3GPP Rel11版本，人们才能对DPI功能进行标准化。Rel11引入了业务流检测（Traffic Detection Function，TDF）概念。下面将讨论Rel8、Rel9、Rel10中DPI和PCRF的交互以及Rel11中PCRF与TDF的交互。

2.1.1 Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互。PCRF作为决策点（Policy Decision Point，PDP），根据接收、关联到的来自Rx、Sp、Gxx、Gx、Sd接口的信息进行决策。PCRF决策被传送到决策执行点（Policy Enforcement Points，PEPs）。DPI决策执行点，检测流量，执行策略，管理大量的业务流。在3GPP中使用Gx接口（Simple Object Access Protocol interface或者API）對PCRF和DPI进行了标准化的整合。图2展示了Rel8、Rel9、Rel10中PCC的体系结构[8-9]。

Gx和Gxx是用户面实体之间的标准接口。Gxx接口部署在PCRF与BBERF之间，用于提供、更新和删除QoS规则，传输PCRF与BBERF之间的事件消息;Gx参考点部署在PCRF和PCEF之间，用于为PCEF提供PCC规则，传输PCRF和PCEF之间的事件消息;Gx接口以键值对的形式为相关业务提供策略控制参数。DPI以键值对形式通过Gx接口给PCRF报送QoS主要参数。

3GPP Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互流程如图3[8]所示。

用户通过一个活动的会话发送或者接收业务数据流;DPI执行实时流监控，检测到业务数据流;DPI决定是否触发重配IP-CAN会话，并给PCRF发送重配IP-CAN会话请求标志，如果PCEF存在限制或终止传输资源的PCC规则，P-GW（PCEF）将PCC规则报告给PCRF;PCRF可能需要给AF发送传输资源相关的事件报告，然后，AF确认事件报告并将PCRF请求的信息发给PCRF;PCRF做出决策;PCRF给PCEF回复重配IP-CAN会话的请求，P-GW（PCEF）执行PCRF的决定，DPI（PCEF）存储PCC规则以备后用;P-GW加载PCC规则并绑定承载，通过修改现有承载参数，以确保此业务能获得恰当的服务质量。

2.1.2 Rel11 PCRF和DPI的交互。从3GPP Rel11开始，通过TDF来感知业务、执行业务检测。PCRF通过Sd接口与TDF交互，实现如下功能：动态建立或者删除TDF和PCEF之间的TDF会话;TDF执行业务检测，执行PCRF提供的控制策略;TDF向PCRF报告检测到的业务信息。

TDF为检测到的业务执行网关、重定向和带宽限制等策略，但不能给PCRF报送修改承载、更改策略或者网关的事件。在PCRF动态制定决策时，需要为PCEF或者TDF设置相关门限值。达到这一门限值时，PCEF或者TDF将给PCRF报告累计使用情况。在执行基于整个网络实时运行情况的控制策略时，PCRF需要检测每个IP-CAN会话或者用户面使用的资源。TDF实现业务流检测的操作如图4所示[9]。

用户发起一个业务数据流;TDF检测到用户发起的新业务，并将该服务相关的信息报送给PCRF;PCRF可能向SPR要用户签约相关的信息;PCRF使用收集到的业务信息、服务商预先定制的服务策略、用户签约等信息，生成PCC规则;PCRF将PCC规则发送给PCEF执行;P-GW加载PCC规则并绑定承载，通过修改现有承载，以确保此业务能获得恰当的服务质量;之前的步骤可能引发新建承载或者修改承载等流程;PCEF检测业务数据流。

2.2 PCRF与无线资源调度器的交互

在LTE系统中，eNodeB在端到端的QoS保障和策略执行中扮演着非常关键的角色。eNodeB负责上、下行速率控制和无线资源调度。eNodeB无线资源调度算法的执行效率是决定网络服务质量和影响系统整体网络性能的关键因素。有大量的研究试图通过PCC来提高无线资源调度的效率[10]。

目前，3GPP体系不支持PCRF与eNodeB直接通信。PCRF与eNodeB交互需要通过非直接的通信来实现。某些情况下，无线资源调度器能从一些标准的流程中（如IP-CAN会话初始或者修改流程）收到某些QoS信息。当前，LTE协议不支持无线资源调度器给PCRF进行反馈（如触发修改会话等）。

如果在每个eNodeB上部署一个包括PCEF的相关功能模块（如DPI模块），可实现PCRF与eNodeB直接通信。这种直接通信方式对提高无线资源的使用效率效果明显。显然，这种方案将需要巨大的新投资。为了提高无线资源的使用效率，有研究提出了通过优化操作策略的解决方案，在这种情形下，为了决策，人们需要一个中心数据库来获得无线网络信息[11]。

PCRF和eNodeB之間的相互，其作用有两方面：eNodeB在拥塞发生前可能会促使PCRF为了更好地调整承载的结构，而更改承载的参数，如果eNodeB检测到某个GBR服务的服务质量急剧降低，那么调度器就应向PCRF要求提高相关的GBR参数;网络不拥塞的情况下，在某些特定情景，无线调度器可能要求PCRF提高某些承载的QCI优先级。

上述两种情况都要求eNodeB和EPC有紧密的交互，但是这种交互在目前的LTE体系中是不支持的。因此，只有EPC承载重配流程中PCRF、PCEF、P-GW、eNodeB之间能够快速交互才能够适应多样化的小区信号状况。这样的快速交互有两个好处：一是通过实时的反馈机制能够更好地实现QoS的目标，例如，改变eNodeB和EPC业务流的优先级;二是通过某些合适的机制，eNodeB可以评估用户体验，如果用户体验不满足要求，可以对承载进行适当的修改。PCRF为eNodeB提供QoS信息的标准流程如图5所示[11]。

PCRF策略控制器决定需要处理的业务数据，为其生成PCC规则，并将该规则发送到P-GW;P-GW根据接到的PCC规则新建承载或者修改已有承载，并通过UL/DL包过滤器（DPI/TDF）识别不同的业务数据流，然后承载的级别要求等信息（包括QoS信息）将被进一步转发到E-UTRAN、UE终端;E-UTRAN使用接收到的QoS信息完成相关功能。

当eNodeB接收到来自P-GW的QoS信息，将执行如下QoS相关的功能：对业务用户面数据按照QCI参数进行处理;对业务控制面数据按照ARP参数进行处理;确保服务按照指定的最大比特率发送数据，并确保网络不过载;参考QCI等参数值，为空口的无线承载分配无线资源（每个QCI值代表一组QoS特性）;为确保满足无线承载QoS特性（PDB和PELR要求），L1/L2需要修改差错控制协议、调制、编码和链路层重传等配置，使其与承载的QoS特性相一致。

根据3GPP协议，下面举例对上述流程进行分析，即在具备PCC能力的网络上通过SIP协议发起VoIP业务。首先，AF模块处理业务信令，并通过获取的QoS参数发起会话;然后，PCRF利用AF发起的会话信息、运营商预先制定的服务策略、客户信息等相关数据生成PCC规则，这个PCC规则包含用于用户过滤器的信息，也包含QoS授权、QCI1传输速率（QIC1 GBR和MBR的值代表了端到端承载传输VoIP业务数据的比特率，GBR传输速率的大小与具体的应用层的承载类型有关）;生成PCC规则后，PCRF将触发，为VoIP业务建立QCI1专有承载的流程。

PCRF做出的这个决策（PCC规则）将由PCRF发送给部署在P-WG上的PCEF。然而，发送到PCEF的QoS参数是针对IP承载（EPS承载）而言的。因此，在PCRF将PCC规则发送给PCEF之前，需要将AF模块提供的端到端承载的比特率转换为EPC承载的比特率。这个转换过程需要考虑协议栈中从应用层到IP层转变的影响。例如，假设VoIP业务的应用层AMR传输率是12.2kb/s，这个转换将可以加上RTP/UDP/IP包头（RTP：12 Bytes，UDP：8 Bytes，IPv4：20 Bytes），假设VoIP包大小平均是60 Bytes，由于业务层端到端的比特率是12.2kb/s，因此EPS承载的比特传输率应该是20.3kb/s。PCRF需要使用协议模型将业务层端到端的比特率转换为EPS承载的比特率。

完成第一步转换之后，PCC规则就将从PCRF传送到PCEF。PCEF加载该PCC规则并使用该PCC规则指定的GBR和MBR比特率为该VoIP业务创建EPS承载。在建立新专有承载或者修改承载参数时，还需将QoS信息（QCI、modifed GBR、MBR values和ARP）从PCEF传送到eNodeB。

由于eNodeB与UE终端之间是由无线承载传输数据包，所以需要将EPS承载的QoS需求转换为无线承载的QoS需求发送给eNodeB和UE终端。这第二步的转换在PCEF模块中执行。但是，这部分内容在3GPP协议中没有规定。转换不同类型承载的GBR和MBR比特率需要考虑封装数据包使用的协议情况。由于EPS承载是针对IP层而言的，所以在将EPS承载转换为无线承载时要考虑IP协议之下的协议（PDCP，RLC，MAC）的影响，这种转换处理还需要考虑QCI1的无线协议配置（PDCP的头压缩、RLC的验证模式等）。总之，在转换时需要对数据包使用的协议栈进行逐层分析。关于3GPP协议标准，建议业务数据包转换为底层数据包的延时不大于20ms[12]。

3 结语

本文对LTE PCC体系的能力进行了分析，从不同场景分析了PCC的体系结构，重点分析了如下两点。一是PCRF与DPI的交互：R8、R9和R10中DPI通过请求-应答机制与PCRF交互，达到了PCRF策略控制的目的。从R11起引入了TDF，允许TDF给PCRF传输用户面应用相关的信息。因此，网络能够感知服务和定制业务服务策略，提高了用户的体验。二是PCRF与无线资源调度器的交互：3GPP协议不支持PCRF与无线资源调度器的直接交互。为实现对空口资源的调度控制，PCRF可以通过IP-CAN的初始化、会话重配信令流程与无线资源调度器间接地交换协商的QoS信息。此外，为了提供优质的业务服务，不同的网元需要不同的QoS参数，不同承载类型的QoS参数需要进行转换。所以，PCRF与无线资源调度器的间接交互时延较长。

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