一種FMC中的QoS技術(shù)演進方案

劉海客，王海濤，鄒光南

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

3GPP R8定義了低延時、高數(shù)據(jù)速率的全IP核心網(wǎng)絡(luò)（CN），可支持基于多種接入技術(shù)的實時分組業(yè)務(wù)，包括長期演進（LTE）接入網(wǎng)。它定義的演進型分組系統(tǒng)（EPS）[1-2]作為通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）的發(fā)展，與傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)相比具有扁平化的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）架構(gòu)。采用這種扁平化的架構(gòu)可以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、減小網(wǎng)絡(luò)延遲。由此，無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）劃分為 LTE 基站（eNodeB）、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（S-GW）和移動管理實體（MME）。

EPC的設(shè)計應(yīng)符合固定網(wǎng)絡(luò)與移動網(wǎng)絡(luò)融合 （FMC）的發(fā)展趨勢，也就是使用單一的設(shè)備提供電話和英特網(wǎng)接入，并可以在本地網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)之間切換。傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)提供的許多業(yè)務(wù)基本一致，但是移動和固定網(wǎng)絡(luò)是獨立的兩張業(yè)務(wù)網(wǎng)，不僅運營成本高，而且不便于為用戶提供綜合業(yè)務(wù)[3]。固定和移動融合不僅能夠擴大業(yè)務(wù)范圍，豐富業(yè)務(wù)種類，提供更多新穎的個性化業(yè)務(wù)，滿足用戶隨時隨地的業(yè)務(wù)要求，而且還可以降低維護費用，降低運營成本。運營商可以通過將他們的接入網(wǎng)（AN）連入一個單一的、支持多接入的核心網(wǎng)中來進一步降低開銷。

文中通過研究3GPP策略與計費控制（PCC）結(jié)構(gòu)以及電信和互聯(lián)網(wǎng)融合業(yè)務(wù)及高級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TISPAN）的資源和準入控制子系統(tǒng)（RACS），列舉3GPP PCC和QoS架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)融合中的發(fā)展需求，并提供一個更加靈活的CN共享解決方案，以使其更好的支持FMC。

1 3GPP PCC/QoS架構(gòu)

EPS中的主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如圖1所示。在圖1中，只有eNodeBs處于RAN中，所有其他節(jié)點組成了演進型分組核心（EPC）。

圖1 EPS主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點示意圖Fig.1 Diagram of main nodes of the EPS

一個EPC的策略與計費控制功能由PCC結(jié)構(gòu)完成。其中，策略與計費規(guī)則功能（PCRF）決定策略與計費執(zhí)行功能（PCEF）如何處理一個服務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF）[4]。SDF是符合一個SDF模板的一系列分組數(shù)據(jù)流，而SDF模板是一個包含IP五元組及其相關(guān)信息的一系列過濾器，用以識別不同的分組數(shù)據(jù)流并組成SDF。PCRF提供有關(guān)SDF檢測、QoS、門控和基于SDF付費的網(wǎng)絡(luò)控制功能。

PCRF依靠從應(yīng)用功能（AF）獲得的會話信息和用戶簽約數(shù)據(jù)庫（SPR）存儲的用戶信息來決定策略。通過QCI、ARP、GBR/MBR等QoS參數(shù)為業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保證[5-6]。當(dāng)同意一個AF請求后，PCRF分別發(fā)送一個QoS規(guī)則和一個PCC規(guī)則給承載綁定及時間報告功能（BBERF）以及PCEF。PCEF執(zhí)行SDF檢測和統(tǒng)計、門控、QoS執(zhí)行，基于SDF付費等功能，并向PCRF上報事件。PCEF在分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)中執(zhí)行，BBERF在不同接入類型的接入網(wǎng)關(guān)中執(zhí)行，它的主要任務(wù)是向PCRF報告事件并完成承載綁定功能。

EPS中的PCC執(zhí)行示意圖如圖2所示。

圖2 PCC執(zhí)行示意圖Fig.2 Diagram of PCC execution

1）用戶首先發(fā)起一個服務(wù)請求，例如IMS語音通話，PCC通過AF處理IMS會話信令。

2）基于應(yīng)用信令中包含的服務(wù)描述信息，AF通過Rx接口向PCRF提供服務(wù)相關(guān)信息。其中包括業(yè)務(wù)參數(shù)（IP地址和端口號）以及QoS信息（業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)比特速率等）。

3）PCRF從SPR中請求相關(guān)簽約信息。

4）PCRF綜合參考運營商定義的服務(wù)策略、簽約信息以及其他信息做出策略決定。策略決定形成一個PCC規(guī)則，包括有關(guān)用戶業(yè)務(wù)層面的包過濾器信息，以及QoS、付費信息和是否接入服務(wù)的標識信息。所有的IP包通過包過濾器檢測并形成SDF。

5）PCRF將PCC規(guī)則發(fā)往PCEF，在 PCEF執(zhí)行策略規(guī)則。PCEF處于邊界節(jié)點上。

6）PDN GW/PCEF執(zhí)行PCC規(guī)則和承載綁定，以確保這個服務(wù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以獲得合適的QoS保障，此過程發(fā)生在建立新承載或修改一個已存在承載的情況中。

7）PCEF執(zhí)行SDF檢測以篩選出此服務(wù)的IP流，并映射到相應(yīng)的IP承載上。

通過以上PCC架構(gòu)工作流程，可以看出在RAN和部分CN中做到設(shè)施共享是有可能的，RAN的共享不僅包括RAN節(jié)點的共享也包括頻率的共享。在EPC中定義了兩種設(shè)施共享情況：只有RAN節(jié)點共享的多運營商核心網(wǎng)絡(luò)（MOCN）；RAN和S-GW共享的網(wǎng)關(guān)核心網(wǎng)絡(luò)（GWCN）。

2 TISPAN RACS架構(gòu)

RACS為AFs提供一個從網(wǎng)絡(luò)中預(yù)留資源的機制，圖3為RACS邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 TISPAN RACS邏輯結(jié)構(gòu)Fig.3 Logic structure diagram of TISPAN RACS

資源控制執(zhí)行功能（RCEF）支持以下基本功能：門控功能、包標記、為進入的業(yè)務(wù)提供策略以及為上下行業(yè)務(wù)分配資源[8-9]。

邊界網(wǎng)關(guān)功能（BGF）是兩個IP域之間的接口，它不僅包括RCEF的功能，還包括：統(tǒng)計、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等，功能類似于3GPP中的PCEF。

網(wǎng)絡(luò)附加子系統(tǒng)（NASS）負責(zé)用戶的認證與授權(quán)、IP地址分配和通過e1參考點配置用戶設(shè)備。當(dāng)設(shè)備為客戶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（CNG）時，將使用e3參考點進行配置。NASS可在以下兩個參考點的幫助下支持漫游：e5接口用于代理家庭網(wǎng)絡(luò)用戶的鑒權(quán)請求；e2參考點可以使AFs從連接會話位置和數(shù)據(jù)庫功能（CLF）中獲取網(wǎng)絡(luò)位置信息，接口上的信息包括位置信息查詢和位置信息響應(yīng)。

RACS本身由兩個基本功能組成：

1）接入資源和準入控制功能（A-RACF）：它在AN中處理資源、完成準入控制、分析從NASS通過e4參考點獲得的用戶接入信息。在RACS中也定義了一個核心RACF（CRACF）來處理聚合網(wǎng)絡(luò)資源，但是此功能是用戶不可知的。

2）服務(wù)策略決定功能（SPDF）：它從 AF中獲得服務(wù)請求，并做出策略決定。SPDF采用運營商定義的策略規(guī)則完成服務(wù)資源分配、NAT等功能。由于其并沒有直接與NASS相連，所以不考慮用戶識別問題。它在AF、A-RACF和BGF之間起協(xié)調(diào)作用，而且同樣支持付費功能。

3 PCC/QoS支持FMC與CN共享的條件

對于3GPP PCC，假設(shè)兩個運營商共享一個3GPP CN。由于運營商需要為他們的用戶提供各自的應(yīng)用服務(wù)，因此兩者都需要一個策略服務(wù)器，依靠服務(wù)請求和用戶相關(guān)信息獨立于CN做出策略決定，除了做出用戶和服務(wù)相關(guān)的策略決定外，3GPP PCRF直接控制策略實施功能（PCEF，BBERF）、將QCI映射為DSCPs并決定付費策略。很明顯，兩個運營商既不能獨立的控制網(wǎng)絡(luò)資源，也不能決定網(wǎng)絡(luò)策略的實施。

另一方面，由于用戶綁定在AN，故TISPAN結(jié)構(gòu)在移動性、FMC和漫游方面天生不足。這使得其支持移動虛擬運營商（MVNOs）更加困難。

PCC/QoS結(jié)構(gòu)需滿足核心網(wǎng)目前與未來的發(fā)展需求，如果3GPP結(jié)構(gòu)的演化符合以下4個必要條件，將促進FMC和CN共享的發(fā)展。以下為FMC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施共享必要條件的概述：

1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須明確的將服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)分開，此意味著將應(yīng)用于服務(wù)申請和用戶識別的策略控制從網(wǎng)絡(luò)策略和資源管理中分離出來。這樣用戶可以從任意的AN中獲取他們申請的業(yè)務(wù)，使業(yè)務(wù)聚合可以實現(xiàn)。由于服務(wù)對所有的接入都是通用的，從而還可以避免業(yè)務(wù)的備份。

2）PCC和QoS結(jié)構(gòu)必須將用戶管理 （服務(wù)和用戶策略，IP地址分配，認證）與網(wǎng)絡(luò)管理分開。通過這種分離可以促進MVNO應(yīng)用于現(xiàn)有的CN之上。

3）每個商業(yè)/網(wǎng)絡(luò)實體應(yīng)該直接控制它的資源，特別是它們被多個客戶共享的時候。例如，一個CN運營商的資源被兩個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（NSPs）共享，這時必須要保證服務(wù)等級協(xié)議（SLA）的充分實施，以使NSPs不能直接預(yù)留CN的資源，它們必須向CN中的資源管理器發(fā)送一個請求，以獲得預(yù)先的批準。

4）件可以使FMC支持漫游用戶。即在接入邊界網(wǎng)關(guān)（AEG）的選擇中應(yīng)包含受訪網(wǎng)絡(luò)（visited network），因為家庭網(wǎng)絡(luò)（home network）很少了解受訪網(wǎng)絡(luò)的情況。同時，受訪網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠支持在不同接入之間移動UE。

4 解決方案

首先，定義以下規(guī)則以支持網(wǎng)絡(luò)共享：

1）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（NSP）負責(zé)AFs并向用戶計費（通過流量、服務(wù)時間、QoS保障等方面計費）。它定義有關(guān)用戶和服務(wù)的策略，擁有用戶數(shù)據(jù)庫，為用戶進行認證。它以漫游的方式與其他NSPs連系。

2）IP 聚合網(wǎng)絡(luò)（IPAN）提供商與 NSPs建立 SLAs，并向其提供傳輸業(yè)務(wù)。IPAN提供商擁有邊界節(jié)點（S-GW，P-GW），與底層傳輸結(jié)構(gòu)相互作用。它將接入網(wǎng)提供商 （ANPs）和NSPs連接起來，并為NSPs提供基礎(chǔ)服務(wù)。

3）接入網(wǎng)提供商（ANP）通過一系列本地策略處理接入網(wǎng)資源，并實施SLAs。

圖4為可支持FMC的網(wǎng)絡(luò)控制層面圖。它體現(xiàn)了運營商角色的分離，圖中包括兩個NSPs和兩個ANPs。除了IPAN能為NSPs提供基礎(chǔ)服務(wù)之外，其他在用戶數(shù)據(jù)層面上與圖1基本相似。

圖4 可支持FMC的3GPP PCC與QoS結(jié)構(gòu)示意圖（控制層面）Fig.4 Proposed evolution of the 3GPP PCC and QoS architecture （control plane only）

基礎(chǔ)服務(wù)可以認為是被眾多應(yīng)用程序共享的高級增值功能。他們是廣義的BGF，并可以使IMS應(yīng)用與非IMS應(yīng)用同時獲益。每一個NSP對應(yīng)一個屬于IPAN的P-GW，而IPAN放棄一些邊界網(wǎng)關(guān)功能給NSP。在IPAN下的PCEF功能為QoS執(zhí)行和門控，而其它的功能處于NSP下控制。

網(wǎng)絡(luò)策略功能（NPF）的引入是為了處理IPAN資源并為NSPs提供基礎(chǔ)服務(wù)。它的主要目的在于將下層傳輸網(wǎng)絡(luò)與NSPs完全分開，由此NSPs可以被認為是MVNOs。NPF在自己、ANPs和NSPs之間執(zhí)行SLAs，并通過IPAN情況申請網(wǎng)絡(luò)策略，而不去考慮用戶或服務(wù)請求。它可以基于情形或一天的時間修改網(wǎng)絡(luò)策略，如正常、過載、緊急情況。NPF對PCRF來說是接入不可知的，但依靠特別的接入機制在AN中執(zhí)行QoS和準入控制。因此，NPF是3GPP CN和策略結(jié)構(gòu)之間的橋梁，可以與任何接入技術(shù)共存。NPF僅提供粗粒度的資源管理，它是通過獲取從AEGs或P-GWs發(fā)出的預(yù)阻塞通知而實施資源管理的。這允許NPF在AEG之間切換時幫助UE，如告訴UE不要切換到新的AEG，因為后者通知NPF將會發(fā)生擁塞情況。至少有兩種預(yù)擁塞通知方式：

1）如果IPAN是一個DiffServ域，將給每個包標識擁塞信息。

2）如果IPAN是虛電路方式，那么當(dāng)通道將要擁塞的時候，在通道的進口點可以容易的檢測到擁塞。

在這兩種情況下，當(dāng)入口節(jié)點處于擁塞狀態(tài)，NPF將被通知，它將拒絕這個擁塞的GBR QoS級別業(yè)務(wù)任何新的資源預(yù)留請求，直到有最新的通知為止。最后，NPF將3GPP QCIs映射為L3的QoS級別 （DSCP），如果在IPAN中存在多種QoS域，NPF將調(diào)整映射。NPF支持基于ARP的資源預(yù)留優(yōu)先級服務(wù)。

S7參考點傳送SDF QoS參數(shù)并支持發(fā)起基礎(chǔ)服務(wù)。S7是基于Gxx接口，并通過屬性值對（AVPs）信息來通知和調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)。S7bgf控制邊界網(wǎng)關(guān)功能，為每個SDF給P-GW制定付費規(guī)則，S7bgf是基于Gx接口的。Srm將每個SDF的QoS規(guī)則傳送給AEGs和P-GW，用于執(zhí)行QoS和QCI映射，Srm是基于Gxx接口的。

對于漫游用戶，在受訪P-GW中引入一個本地移動性錨點，用來分開本地和全局移動性。由于此錨點可以跟蹤網(wǎng)絡(luò)情況并在接入之間移動UE，所以它允許受訪網(wǎng)絡(luò)在AEG選擇中發(fā)揮作用。

圖5為基礎(chǔ)服務(wù)的一個例子，這里視頻點播服務(wù)器使用一個緩存（由S-GW配置）來存儲電影。此例子中使用了業(yè)務(wù)定位機制，防止用戶業(yè)務(wù)回傳給P-GW。第1步UE向AF發(fā)送應(yīng)用服務(wù)請求。第2步服務(wù)請求由AF發(fā)送給PCRF，描述了所需資源以及需要調(diào)用的基礎(chǔ)服務(wù)。PCRF決定此服務(wù)將使用業(yè)務(wù)定位以及視頻緩存功能，之后發(fā)送一個資源預(yù)留請求給NPF（第3步）。NPF做出網(wǎng)絡(luò)策略決定，然后發(fā)送資源預(yù)留請求給S-GW，使其在AN中建立資源并將緩存服務(wù)器綁定到相應(yīng)的GTP通道上（第4步）。AF將收到一個完成回應(yīng)（第5，6步）。在第7步，AF返回一個RTSP URL給UE，其中URL指向S-GW。最后，UE連接視頻緩存服務(wù)器并交換RTP業(yè)務(wù)以及RTCP反饋信令。

5 結(jié) 論

文中提出了一個3GPP PCC和QoS結(jié)構(gòu)，可以較好的支持FMC和CN共享。此結(jié)構(gòu)主要建立在以下4點概念之上：

1）服務(wù)與AN之間的分離是全業(yè)務(wù)聚合的基礎(chǔ)。

2）用戶管理與網(wǎng)絡(luò)管理的分離可以簡化漫游支持并促進MVNO的發(fā)展。

3）將商業(yè)/網(wǎng)絡(luò)實體分離到獨立的PCC/QoS域中，以簡化共享網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這樣不僅可以達到網(wǎng)絡(luò)融合與共享的目的，同時還可不受限于NSPs的發(fā)展變化。4）受訪網(wǎng)絡(luò)中的本地移動性錨點，使得用戶在漫游情況下可以依照網(wǎng)絡(luò)情況移動到另一個AEG。

圖5 S-GW配置視頻緩存的基礎(chǔ)服務(wù)例子Fig.5 Infrastructure service example featuring video caching collocated with the S-GW

支持以上4點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以較大促進網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展，有效降低運營商的運營成本與維護費用，增強網(wǎng)絡(luò)的靈活性與業(yè)務(wù)多樣性。

[1]3GPP Tech.Spec.23.401.[S]General Packet Radio Service（GPRS）Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）access.

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