EPS服務質量決策機制研究

吳育輝　朱書濤

摘 要：目前，移動網絡運營商具備提供多樣化移動通信服務的能力。在此背景下，要改進LTE網絡服務質量決策機制，提高移動通信的服務質量，優化用戶體驗。本文概述了服務驅動下的PCC決策運行機制，通過研究EPS服務質量控制模塊間的交互機制，重點分析PCRF和DPI的交互能力。同時，研究PCRF與無線資源調度器的交互，分析出PCRF與無線資源調度器的間接交互機制是影響QoS控制時延的重要原因。

關鍵詞：LTE;服務質量;PCC規則;EPS承載

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，LTE（Long Term Evolution）憑借高吞吐率、低延時、高服務質量等優點，得到多數移動網絡運營商的青睞。為保障移動數據傳輸質量，3GPP LTE標準使用策略與計費子系統（Policy and Charging Control，PCC）感知應用層業務。PCC使用PCRF（The Policy and Charging Rules Function）作為執行引擎，負責QoS（Quality of Service）策略控制。目前，多數移動網絡運營商都在網絡中部署了對用戶業務數據進行監控、收集和分析的工具，如深度包檢測工具（Deep Packet Inspector，DPI）。然而，這些工具與PCC的關系以及它們之間的協同關系有待更深入的研究[1]。

在移動通信技術的演進中，LTE無線接入由EUTRAN實現，非接入方面由EPC（Evolved Packet Core）實現。EPS（Evolved Packet System）由Evolved-UTRAN和EPC構成，使用EPS承載將IP數據包從PDN網關（P-GW）傳輸到UE[2]。PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）、EUTRAN根據PCRF QoS參數對EPS承載實現服務質量控制。因此，創建、釋放EPS承載，保障業務數據的傳輸質量，需要EUTRAN和EPC協同工作。

過去，相關研究主要集中于研究PCC體系結構以及如何演進PCC以支持LTE。黃韜等人描述了EPS承載控制[3];Loureiro P等描述了如何使用PCC管理IP流的移動性[4];Gómez G等人描述了基于會話的端到端策略控制[5];Jpastor J描述了LTE網絡中PCC的業務保障能力和機制[6]。本文將研究通過加強策略控制來提高LTE的服務質量，詳細分析PCRF與DPI、無線資源調度器的交互，并通過PCC的一個應用場景來研究應用級數據流QoS參數要求如何轉換成傳輸網絡級承載的QoS參數要求。

1 PCC及其體系結構

PCC模塊完成網關控制和QoS控制。PCRF做出網關控制決策，由PCEF執行該決策，完成網關控制;PCEF根據PCRF為PCEF提供授權的QoS參數，創建相應的EPS承載，執行PCRF的QoS決策，完成QoS控制。PCC的邏輯結構如圖1所示[7]。

SPR用于存儲簽約用戶使用網絡資源的策略。SPR能給出授權用戶、授權用戶的類別、授權用戶各種授權業務的QoS參數等。PCRF可將SPR提供的信息作為生成策略控制和計費決策的基礎。

AF代表了通過Rx接口與PCRF通信的網絡模塊。AF模塊將從業務信令中提取到的業務相關的動態信息提供給PCRF。在IMS網絡中，AF可以是P-CSCF平臺的AF模塊;在非IMS網絡中，AF可以是視頻流服務器。

2 服務質量控制模塊間的交互

2.1 PCRF與DPI的交互

深度包檢測模塊（Deep Packet Inspector，DPI）部署在P-GW和S-GW之間，支持檢測、收集和分析同時在線的上百萬用戶的數據連接。移動網絡運營商可通過DPI識別用戶的不同業務。DPI實時檢測業務數據流，為PCC執行QoS策略實現如下功能提供了基礎。

一是流量高峰時期，為了提供更好的QoS管理，控制消耗寬帶過高的用戶數量，聚合傳輸流量。例如，為了始終保障VoIP業務的QoS，當檢測到擁塞時，限制每個用戶的P2P或者非實時性業務。二是提供差異化服務，為不同的業務流提供不同的服務優先級。當發生擁塞時，為優先級更高的業務提供更好的服務。

部署DPI可以為QoS控制帶來便利，人們應考慮如下幾點：網絡擁堵時，被少數用戶占用的多數資源將重新分配給其他用戶，從而提高整體用戶的體驗，但需考慮服務的公平性;在不影響服務質量的前提下，應實現網絡運行吞吐率最大限度地接近系統的最大值，從而降低運營商擴充網絡容量的成本，提高網絡的效率;應實現實時優化，通過實時更改網絡QoS參數，提高多數用戶的網絡服務質量。

依據3GPP對LTE PCC體系結構的描述，直到3GPP Rel11版本，人們才能對DPI功能進行標準化。Rel11引入了業務流檢測（Traffic Detection Function，TDF）概念。下面將討論Rel8、Rel9、Rel10中DPI和PCRF的交互以及Rel11中PCRF與TDF的交互。

2.1.1 Rel8、Rel9、Rel10中PCRF和DPI的交互。PCRF作為決策點（Policy Decision Point，PDP），根據接收、關聯到的來自Rx、Sp、Gxx、Gx、Sd接口的信息進行決策。PCRF決策被傳送到決策執行點（Policy Enforcement Points，PEPs）。DPI決策執行點，檢測流量，執行策略，管理大量的業務流。在3GPP中使用Gx接口（Simple Object Access Protocol interface或者API）對PCRF和DPI進行了標準化的整合。圖2展示了Rel8、Rel9、Rel10中PCC的體系結構[8-9]。

Gx和Gxx是用戶面實體之間的標準接口。Gxx接口部署在PCRF與BBERF之間，用于提供、更新和刪除QoS規則，傳輸PCRF與BBERF之間的事件消息;Gx參考點部署在PCRF和PCEF之間，用于為PCEF提供PCC規則，傳輸PCRF和PCEF之間的事件消息;Gx接口以鍵值對的形式為相關業務提供策略控制參數。DPI以鍵值對形式通過Gx接口給PCRF報送QoS主要參數。

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

用戶通過一個活動的會話發送或者接收業務數據流;DPI執行實時流監控，檢測到業務數據流;DPI決定是否觸發重配IP-CAN會話，并給PCRF發送重配IP-CAN會話請求標志，如果PCEF存在限制或終止傳輸資源的PCC規則，P-GW（PCEF）將PCC規則報告給PCRF;PCRF可能需要給AF發送傳輸資源相關的事件報告，然后，AF確認事件報告并將PCRF請求的信息發給PCRF;PCRF做出決策;PCRF給PCEF回復重配IP-CAN會話的請求，P-GW（PCEF）執行PCRF的決定，DPI（PCEF）存儲PCC規則以備后用;P-GW加載PCC規則并綁定承載，通過修改現有承載參數，以確保此業務能獲得恰當的服務質量。

2.1.2 Rel11 PCRF和DPI的交互。從3GPP Rel11開始，通過TDF來感知業務、執行業務檢測。PCRF通過Sd接口與TDF交互，實現如下功能：動態建立或者刪除TDF和PCEF之間的TDF會話;TDF執行業務檢測，執行PCRF提供的控制策略;TDF向PCRF報告檢測到的業務信息。

TDF為檢測到的業務執行網關、重定向和帶寬限制等策略，但不能給PCRF報送修改承載、更改策略或者網關的事件。在PCRF動態制定決策時，需要為PCEF或者TDF設置相關門限值。達到這一門限值時，PCEF或者TDF將給PCRF報告累計使用情況。在執行基于整個網絡實時運行情況的控制策略時，PCRF需要檢測每個IP-CAN會話或者用戶面使用的資源。TDF實現業務流檢測的操作如圖4所示[9]。

用戶發起一個業務數據流;TDF檢測到用戶發起的新業務，并將該服務相關的信息報送給PCRF;PCRF可能向SPR要用戶簽約相關的信息;PCRF使用收集到的業務信息、服務商預先定制的服務策略、用戶簽約等信息，生成PCC規則;PCRF將PCC規則發送給PCEF執行;P-GW加載PCC規則并綁定承載，通過修改現有承載，以確保此業務能獲得恰當的服務質量;之前的步驟可能引發新建承載或者修改承載等流程;PCEF檢測業務數據流。

2.2 PCRF與無線資源調度器的交互

在LTE系統中，eNodeB在端到端的QoS保障和策略執行中扮演著非常關鍵的角色。eNodeB負責上、下行速率控制和無線資源調度。eNodeB無線資源調度算法的執行效率是決定網絡服務質量和影響系統整體網絡性能的關鍵因素。有大量的研究試圖通過PCC來提高無線資源調度的效率[10]。

目前，3GPP體系不支持PCRF與eNodeB直接通信。PCRF與eNodeB交互需要通過非直接的通信來實現。某些情況下，無線資源調度器能從一些標準的流程中（如IP-CAN會話初始或者修改流程）收到某些QoS信息。當前，LTE協議不支持無線資源調度器給PCRF進行反饋（如觸發修改會話等）。

如果在每個eNodeB上部署一個包括PCEF的相關功能模塊（如DPI模塊），可實現PCRF與eNodeB直接通信。這種直接通信方式對提高無線資源的使用效率效果明顯。顯然，這種方案將需要巨大的新投資。為了提高無線資源的使用效率，有研究提出了通過優化操作策略的解決方案，在這種情形下，為了決策，人們需要一個中心數據庫來獲得無線網絡信息[11]。

PCRF和eNodeB之間的相互，其作用有兩方面：eNodeB在擁塞發生前可能會促使PCRF為了更好地調整承載的結構，而更改承載的參數，如果eNodeB檢測到某個GBR服務的服務質量急劇降低，那么調度器就應向PCRF要求提高相關的GBR參數;網絡不擁塞的情況下，在某些特定情景，無線調度器可能要求PCRF提高某些承載的QCI優先級。

上述兩種情況都要求eNodeB和EPC有緊密的交互，但是這種交互在目前的LTE體系中是不支持的。因此，只有EPC承載重配流程中PCRF、PCEF、P-GW、eNodeB之間能夠快速交互才能夠適應多樣化的小區信號狀況。這樣的快速交互有兩個好處：一是通過實時的反饋機制能夠更好地實現QoS的目標，例如，改變eNodeB和EPC業務流的優先級;二是通過某些合適的機制，eNodeB可以評估用戶體驗，如果用戶體驗不滿足要求，可以對承載進行適當的修改。PCRF為eNodeB提供QoS信息的標準流程如圖5所示[11]。

PCRF策略控制器決定需要處理的業務數據，為其生成PCC規則，并將該規則發送到P-GW;P-GW根據接到的PCC規則新建承載或者修改已有承載，并通過UL/DL包過濾器（DPI/TDF）識別不同的業務數據流，然后承載的級別要求等信息（包括QoS信息）將被進一步轉發到E-UTRAN、UE終端;E-UTRAN使用接收到的QoS信息完成相關功能。

當eNodeB接收到來自P-GW的QoS信息，將執行如下QoS相關的功能：對業務用戶面數據按照QCI參數進行處理;對業務控制面數據按照ARP參數進行處理;確保服務按照指定的最大比特率發送數據，并確保網絡不過載;參考QCI等參數值，為空口的無線承載分配無線資源（每個QCI值代表一組QoS特性）;為確保滿足無線承載QoS特性（PDB和PELR要求），L1/L2需要修改差錯控制協議、調制、編碼和鏈路層重傳等配置，使其與承載的QoS特性相一致。

根據3GPP協議，下面舉例對上述流程進行分析，即在具備PCC能力的網絡上通過SIP協議發起VoIP業務。首先，AF模塊處理業務信令，并通過獲取的QoS參數發起會話;然后，PCRF利用AF發起的會話信息、運營商預先制定的服務策略、客戶信息等相關數據生成PCC規則，這個PCC規則包含用于用戶過濾器的信息，也包含QoS授權、QCI1傳輸速率（QIC1 GBR和MBR的值代表了端到端承載傳輸VoIP業務數據的比特率，GBR傳輸速率的大小與具體的應用層的承載類型有關）;生成PCC規則后，PCRF將觸發，為VoIP業務建立QCI1專有承載的流程。

PCRF做出的這個決策（PCC規則）將由PCRF發送給部署在P-WG上的PCEF。然而，發送到PCEF的QoS參數是針對IP承載（EPS承載）而言的。因此，在PCRF將PCC規則發送給PCEF之前，需要將AF模塊提供的端到端承載的比特率轉換為EPC承載的比特率。這個轉換過程需要考慮協議棧中從應用層到IP層轉變的影響。例如，假設VoIP業務的應用層AMR傳輸率是12.2kb/s，這個轉換將可以加上RTP/UDP/IP包頭（RTP：12 Bytes，UDP：8 Bytes，IPv4：20 Bytes），假設VoIP包大小平均是60 Bytes，由于業務層端到端的比特率是12.2kb/s，因此EPS承載的比特傳輸率應該是20.3kb/s。PCRF需要使用協議模型將業務層端到端的比特率轉換為EPS承載的比特率。

完成第一步轉換之后，PCC規則就將從PCRF傳送到PCEF。PCEF加載該PCC規則并使用該PCC規則指定的GBR和MBR比特率為該VoIP業務創建EPS承載。在建立新專有承載或者修改承載參數時，還需將QoS信息（QCI、modifed GBR、MBR values和ARP）從PCEF傳送到eNodeB。

由于eNodeB與UE終端之間是由無線承載傳輸數據包，所以需要將EPS承載的QoS需求轉換為無線承載的QoS需求發送給eNodeB和UE終端。這第二步的轉換在PCEF模塊中執行。但是，這部分內容在3GPP協議中沒有規定。轉換不同類型承載的GBR和MBR比特率需要考慮封裝數據包使用的協議情況。由于EPS承載是針對IP層而言的，所以在將EPS承載轉換為無線承載時要考慮IP協議之下的協議（PDCP，RLC，MAC）的影響，這種轉換處理還需要考慮QCI1的無線協議配置（PDCP的頭壓縮、RLC的驗證模式等）。總之，在轉換時需要對數據包使用的協議棧進行逐層分析。關于3GPP協議標準，建議業務數據包轉換為底層數據包的延時不大于20ms[12]。

3 結語

本文對LTE PCC體系的能力進行了分析，從不同場景分析了PCC的體系結構，重點分析了如下兩點。一是PCRF與DPI的交互：R8、R9和R10中DPI通過請求-應答機制與PCRF交互，達到了PCRF策略控制的目的。從R11起引入了TDF，允許TDF給PCRF傳輸用戶面應用相關的信息。因此，網絡能夠感知服務和定制業務服務策略，提高了用戶的體驗。二是PCRF與無線資源調度器的交互：3GPP協議不支持PCRF與無線資源調度器的直接交互。為實現對空口資源的調度控制，PCRF可以通過IP-CAN的初始化、會話重配信令流程與無線資源調度器間接地交換協商的QoS信息。此外，為了提供優質的業務服務，不同的網元需要不同的QoS參數，不同承載類型的QoS參數需要進行轉換。所以，PCRF與無線資源調度器的間接交互時延較長。

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