一種FMC中的QoS技術演進方案

劉海客，王海濤，鄒光南

（北京衛星信息工程研究所 北京 100086）

3GPP R8定義了低延時、高數據速率的全IP核心網絡（CN），可支持基于多種接入技術的實時分組業務，包括長期演進（LTE）接入網。它定義的演進型分組系統（EPS）[1-2]作為通用分組無線服務技術（GPRS）的發展，與傳統3G網絡相比具有扁平化的無線接入網絡（RAN）架構。采用這種扁平化的架構可以簡化網絡結構、減小網絡延遲。由此，無線網絡控制器（RNC）劃分為 LTE 基站（eNodeB）、服務網關（S-GW）和移動管理實體（MME）。

EPC的設計應符合固定網絡與移動網絡融合 （FMC）的發展趨勢，也就是使用單一的設備提供電話和英特網接入，并可以在本地網絡與廣域網之間切換。傳統的固定網絡和移動網絡提供的許多業務基本一致，但是移動和固定網絡是獨立的兩張業務網，不僅運營成本高，而且不便于為用戶提供綜合業務[3]。固定和移動融合不僅能夠擴大業務范圍，豐富業務種類，提供更多新穎的個性化業務，滿足用戶隨時隨地的業務要求，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（AN）連入一個單一的、支持多接入的核心網中來進一步降低開銷。

文中通過研究3GPP策略與計費控制（PCC）結構以及電信和互聯網融合業務及高級網絡協議（TISPAN）的資源和準入控制子系統（RACS），列舉3GPP PCC和QoS架構在網絡融合中的發展需求，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

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

圖1 EPS主要網絡節點示意圖Fig.1 Diagram of main nodes of the EPS

一個EPC的策略與計費控制功能由PCC結構完成。其中，策略與計費規則功能（PCRF）決定策略與計費執行功能（PCEF）如何處理一個服務數據流（SDF）[4]。SDF是符合一個SDF模板的一系列分組數據流，而SDF模板是一個包含IP五元組及其相關信息的一系列過濾器，用以識別不同的分組數據流并組成SDF。PCRF提供有關SDF檢測、QoS、門控和基于SDF付費的網絡控制功能。

PCRF依靠從應用功能（AF）獲得的會話信息和用戶簽約數據庫（SPR）存儲的用戶信息來決定策略。通過QCI、ARP、GBR/MBR等QoS參數為業務提供服務質量保證[5-6]。當同意一個AF請求后，PCRF分別發送一個QoS規則和一個PCC規則給承載綁定及時間報告功能（BBERF）以及PCEF。PCEF執行SDF檢測和統計、門控、QoS執行，基于SDF付費等功能，并向PCRF上報事件。PCEF在分組數據網關中執行，BBERF在不同接入類型的接入網關中執行，它的主要任務是向PCRF報告事件并完成承載綁定功能。

EPS中的PCC執行示意圖如圖2所示。

圖2 PCC執行示意圖Fig.2 Diagram of PCC execution

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

2）基于應用信令中包含的服務描述信息，AF通過Rx接口向PCRF提供服務相關信息。其中包括業務參數（IP地址和端口號）以及QoS信息（業務類型、業務比特速率等）。

3）PCRF從SPR中請求相關簽約信息。

4）PCRF綜合參考運營商定義的服務策略、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規則，包括有關用戶業務層面的包過濾器信息，以及QoS、付費信息和是否接入服務的標識信息。所有的IP包通過包過濾器檢測并形成SDF。

5）PCRF將PCC規則發往PCEF，在 PCEF執行策略規則。PCEF處于邊界節點上。

6）PDN GW/PCEF執行PCC規則和承載綁定，以確保這個服務的業務數據可以獲得合適的QoS保障，此過程發生在建立新承載或修改一個已存在承載的情況中。

7）PCEF執行SDF檢測以篩選出此服務的IP流，并映射到相應的IP承載上。

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

2 TISPAN RACS架構

RACS為AFs提供一個從網絡中預留資源的機制，圖3為RACS邏輯結構示意圖。

圖3 TISPAN RACS邏輯結構Fig.3 Logic structure diagram of TISPAN RACS

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

邊界網關功能（BGF）是兩個IP域之間的接口，它不僅包括RCEF的功能，還包括：統計、網絡地址轉換（NAT）等，功能類似于3GPP中的PCEF。

網絡附加子系統（NASS）負責用戶的認證與授權、IP地址分配和通過e1參考點配置用戶設備。當設備為客戶網絡網關（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絡用戶的鑒權請求；e2參考點可以使AFs從連接會話位置和數據庫功能（CLF）中獲取網絡位置信息，接口上的信息包括位置信息查詢和位置信息響應。

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）來處理聚合網絡資源，但是此功能是用戶不可知的。

2）服務策略決定功能（SPDF）：它從 AF中獲得服務請求，并做出策略決定。SPDF采用運營商定義的策略規則完成服務資源分配、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之間起協調作用，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用服務，因此兩者都需要一個策略服務器，依靠服務請求和用戶相關信息獨立于CN做出策略決定，除了做出用戶和服務相關的策略決定外，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絡資源，也不能決定網絡策略的實施。

另一方面，由于用戶綁定在AN，故TISPAN結構在移動性、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結構需滿足核心網目前與未來的發展需求，如果3GPP結構的演化符合以下4個必要條件，將促進FMC和CN共享的發展。以下為FMC和網絡設施共享必要條件的概述：

1）網絡結構必須明確的將服務和網絡分開，此意味著將應用于服務申請和用戶識別的策略控制從網絡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務，使業務聚合可以實現。由于服務對所有的接入都是通用的，從而還可以避免業務的備份。

2）PCC和QoS結構必須將用戶管理 （服務和用戶策略，IP地址分配，認證）與網絡管理分開。通過這種分離可以促進MVNO應用于現有的CN之上。

3）每個商業/網絡實體應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絡服務提供商（NSPs）共享，這時必須要保證服務等級協議（SLA）的充分實施，以使NSPs不能直接預留CN的資源，它們必須向CN中的資源管理器發送一個請求，以獲得預先的批準。

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

4 解決方案

首先，定義以下規則以支持網絡共享：

1）網絡服務提供商（NSP）負責AFs并向用戶計費（通過流量、服務時間、QoS保障等方面計費）。它定義有關用戶和服務的策略，擁有用戶數據庫，為用戶進行認證。它以漫游的方式與其他NSPs連系。

2）IP 聚合網絡（IPAN）提供商與 NSPs建立 SLAs，并向其提供傳輸業務。IPAN提供商擁有邊界節點（S-GW，P-GW），與底層傳輸結構相互作用。它將接入網提供商 （ANPs）和NSPs連接起來，并為NSPs提供基礎服務。

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

圖4為可支持FMC的網絡控制層面圖。它體現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提供基礎服務之外，其他在用戶數據層面上與圖1基本相似。

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

基礎服務可以認為是被眾多應用程序共享的高級增值功能。他們是廣義的BGF，并可以使IMS應用與非IMS應用同時獲益。每一個NSP對應一個屬于IPAN的P-GW，而IPAN放棄一些邊界網關功能給NSP。在IPAN下的PCEF功能為QoS執行和門控，而其它的功能處于NSP下控制。

網絡策略功能（NPF）的引入是為了處理IPAN資源并為NSPs提供基礎服務。它的主要目的在于將下層傳輸網絡與NSPs完全分開，由此NSPs可以被認為是MVNOs。NPF在自己、ANPs和NSPs之間執行SLAs，并通過IPAN情況申請網絡策略，而不去考慮用戶或服務請求。它可以基于情形或一天的時間修改網絡策略，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中執行QoS和準入控制。因此，NPF是3GPP CN和策略結構之間的橋梁，可以與任何接入技術共存。NPF僅提供粗粒度的資源管理，它是通過獲取從AEGs或P-GWs發出的預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將會發生擁塞情況。至少有兩種預擁塞通知方式：

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，當入口節點處于擁塞狀態，NPF將被通知，它將拒絕這個擁塞的GBR QoS級別業務任何新的資源預留請求，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將調整映射。NPF支持基于ARP的資源預留優先級服務。

S7參考點傳送SDF QoS參數并支持發起基礎服務。S7是基于Gxx接口，并通過屬性值對（AVPs）信息來通知和調用基礎服務。S7bgf控制邊界網關功能，為每個SDF給P-GW制定付費規則，S7bgf是基于Gx接口的。Srm將每個SDF的QoS規則傳送給AEGs和P-GW，用于執行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絡情況并在接入之間移動UE，所以它允許受訪網絡在AEG選擇中發揮作用。

圖5為基礎服務的一個例子，這里視頻點播服務器使用一個緩存（由S-GW配置）來存儲電影。此例子中使用了業務定位機制，防止用戶業務回傳給P-GW。第1步UE向AF發送應用服務請求。第2步服務請求由AF發送給PCRF，描述了所需資源以及需要調用的基礎服務。PCRF決定此服務將使用業務定位以及視頻緩存功能，之后發送一個資源預留請求給NPF（第3步）。NPF做出網絡策略決定，然后發送資源預留請求給S-GW，使其在AN中建立資源并將緩存服務器綁定到相應的GTP通道上（第4步）。AF將收到一個完成回應（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連接視頻緩存服務器并交換RTP業務以及RTCP反饋信令。

5 結 論

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

1）服務與AN之間的分離是全業務聚合的基礎。

2）用戶管理與網絡管理的分離可以簡化漫游支持并促進MVNO的發展。

3）將商業/網絡實體分離到獨立的PCC/QoS域中，以簡化共享網絡結構的設計，這樣不僅可以達到網絡融合與共享的目的，同時還可不受限于NSPs的發展變化。4）受訪網絡中的本地移動性錨點，使得用戶在漫游情況下可以依照網絡情況移動到另一個AEG。

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

支持以上4點的網絡結構可以較大促進網絡融合的發展，有效降低運營商的運營成本與維護費用，增強網絡的靈活性與業務多樣性。

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

[2]3GPP Tech.Spec.23.402.[S]Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses.

[3]葉朝陽.固定與移動融合（FMC）技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]3GPP Tech.Spec.23.203.[S]Policy and Charging Control Architecture.

[5]3GPP Tech.Spec.23.207.[S]End-to-End Quality of Service（QoS）Concept and Architecture.

[6]Ekstr?m H.QoS control in the 3GPP evolved packet system[J].IEEE Commun.Mag.，2009，47（2）：23-26.

[7]Balbás J P， Rommer S， Stenfelt J.Policy and charging control in the evolved packet system [J].IEEE Commun.Mag.，2009，47（2）：53-57.

[8]ETSI Standard 282 003.[S]TISPAN；Resource and Admission Control Sub-System（RACS）:Functional Architecture， v2.0.0.

[9]ETSI Standard 282 001[S].TISPAN；NGN Functional Architecture，v2.0.0.