3GPP系统架构演进（SAE）中的QoS探讨

林煦峰, 杨辉

（1 中国移动通信集团广东分公司深圳分部, 深圳 518048; 2 中国移动通信集团设计院有限公司, 北京 100080）

1 引言

目前，各种无线宽带接入技术的快速发展，对3GPP系统形成了很大挑战。3GPP发现有必要通过从无线接口到核心网络的持续演进和增强，以在未来十年内保持自己在移动通信领域的技术竞争力, 为运营商和用户不断增长的需求提供满意的支持[1]。由此提出了系统架构演进（System Architecture Evolvement，SAE）的概念，以期“制定一个具有高数据率、低延迟、数据分组化、支持多种无线接入技术（包括3GPP和非3GPP网络）为特征的具有可移植性的3GPP系统框架结构”。SAE从系统整体角度考虑未来移动通信的发展趋势和特征，从网络架构方面确定将来移动通信的发展方向。在无线网络接口技术呈现出多样化、同质化特征的条件下, 满足未来发展趋势的网络架构将使运营商在未来更有竞争力, 用户不断变化的业务需求也将得到较好的满足。

支持端到端的QoS保证，是SAE的主要特征之一。目前，对于各种接入网技术，都规定了不同的QoS技术，包括UMTS[2～6]、WLAN等，跨网络的QoS实现在文献[1～3]中都提出了不同的支持方案。本文概述了SAE中的端到端QoS机制。首先，简要阐述了SAE引入的增强型QoS的概念。在此基础上，着重对SAE中的QoS机制进行了分析，包括QoS的参数设置、区分控制、协商过程。最后对SAE中QoS面临的问题进行了分析，并对本文进行了总结。

2 SAE对QoS的要求

SAE需要支持端到端的QoS，为此，引入增强型QoS的概念[1]，包括：

（1）跨越多个网络连接时，保证端到端的QoS。SAE需要支持多种接入系统，包括3GPP和非3GPP网络。由于不同网络能提供的带宽等资源情况不同，需要对不同接入网络进行整体的资源管理。

（2）基于网络，减少对终端的依赖。基于网络的管理方法由路由器、交换机处理QoS机制，减少对终端的负荷，加强了网络对QoS的控制权和主导权，并可以有效缩短等待终端发起的时延。

（3）达到高速数据分组传输。

（4）简化现有的UMTS中QoS参数，包括QoS参数及相关信令交互等。业务的属性直接决定QoS等级，反映在业务时延，误码等参数上。SAE中引入了Label和AMBR（Aggregate MBR，汇聚最大比特率）的概念，简化了UMTS中的QoS参数（从13个参数减少到4个）。

（5）根据区分控制的原理，对相同的QoS数据流进行汇聚。CN对于相同QoS class等级业务流，可以聚合在同一个SAE承载上，从而有效减少eNB上的用户上下文。

（6）降低业务连接的时延，连接建立的时间要求小于200 ms。SAE的体系架构中减少了网络实体，简化了用户接入网络建立业务连接的信令交互。这与SAE中网络层次扁平化要求息息相关。

3 SAE中QoS的实现

3.1 SAE中的QoS参数设置

在UMTS中，根据对实时性的要求，将业务分为：会话类、流类、交互类、背景类；并且定义了13个与服务质量相关的参数：业务类型、最大比特速率、保证比特速率、传输次序、最大SDU尺寸、 SDU格式信息、SDU差错率、残留误码率、传输时延、传送处理优先权、分配/预留优先权、源统计描述器、信令指示[2]。

在SAE中却只定义了4个参数：Label（标签）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特率）、GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特率）、ARP（Allocation and Retention Priority，分配预留优先权）。这4个参数在MME和eNB之间通过控制平面进行交互。大大简化了QoS机制。

Label：在eNB中，用来描述业务的处理行为。Label属性和GBR、MBR一起实现了eNB中SAE无线承载。Label同PCRF中的QCI（QoS Class Identifier，QoS分类标识）一样，标识服务质量类型，它包含的属性有SAE承载类型、时延估计、丢包容限等。运营商可根据Label值配置eNB中如调度权值、排队管理策略等功能。Label具体的映射关系正在研究中。

ARP：可用于保证比特率和非保证比特率SAE承载。在资源受限情况下用于决定是否为用户请求建立或更新承载。一旦承载建立，ARP将不再作用于传输控制（调度和速率控制等）。

GBR、MBR：针对每一个SAE承载。GBR仅用于保证比特率的承载，即专用承载。MBR用于保证比特率的承载时要大于等于GBR。使用GBR和MBR的比特流中包含：应用层数据、传输层协议、网络协议分组头、PDCP分组头。一个用户的所有SAE承载的平均MBR应该小于等于签约的MBR上限[1]。

在SAE中还引入了AMBR的概念。针对一个用户的所有承载，多个非保证比特率承载可共享相同的AMBR，且这些非保证比特率承载中的任意一条都潜在的可以使用整个AMBR资源，即在其他承载不使用AMBR资源的时候，某条非保证比特率承载可以完完全全地占用整个AMBR资源。在HSS中AMBR表现为用户签约的MBR。签约用户允许使用的每个APN（Access Point Name，接入点名）分别定义签约QoS数据，包括该APN的默认承载的QCI、ARP和该APN对应的AMBR等承载层的QoS参数值。

3.2 SAE中QoS的区分控制

要实现端到端的QoS，首先要建立端到端的SAE承载服务。图1所示为SAE承载服务架构。SAE承载服务包含实现签约QoS的各个方面：控制信令、用户平面传输和QoS管理功能等。SAE承载服务分层结构类似于TS 23.107中UMTS承载服务的分层结构。每个SAE承载服务由SAE无线承载服务和SAE访问承载服务构成[2]。他们与物理层承载相连，各司其职。

图1 SAE承载服务架构

SAE承载服务功能有[1]：

（1）IP端到端服务流的QoS合理汇总，即对来自同一用户的具有相同QoS要求的服务流进行汇聚，使他们在同一承载服务上传送；

（2）IP包头压缩（并向UE提供相关信息）；

（3）上行加密（并向UE提供有关信息）；

（4）若端到端的信令数据包需要优先处理，则在默认的IP服务中添加一个额外的SAE承载服务；

（5）向UE提供映射/复用信息。

SAE无线承载服务功能有：

（1）根据用户QoS需求，在eNB和UE之间传输SAE承载服务数据单元；

（2）将SAE无线承载服务与每个具体的SAE承载服务相联。

SAE访问承载服务功能有：

（1）根据用户QoS需求，在eNB和aGW之间传输SAE承载服务数据单元；

（2）向eNB提供SAE承载服务的总QoS需求描述；

（3）将SAE访问承载服务与每个具体SAE承载服务相关联。

SAE承载服务中的QoS管理功能是在SAE承载服务接入点之间为用户提供可协商、有质量保证的服务，它又分为控制层面QoS管理和用户层面QoS管理：在控制层面，实现服务管理、映射功能、管理/容量控制、签约控制功能；在用户层面，实现映射功能、业务分类、资源管理、传输条件检测功能。

在UE和PCEF中都有每种业务的服务数据流过滤器（由端口号等组成），它们再构成一个业务流模板，对来自UE的上行数据和来自PCEF中的下行数据进行过滤。用户分组数据流汇聚成一个服务数据流（SDF），多个需要相同处理方式的服务数据流则构成一个业务承载[4]，上述过程可用图2描述。

图2 数据流过滤过程

SAE中，承载分为两类：默认承载和专用承载。默认承载在UE接入网络时即建立，它是在这个连接的整个生命周期中始终保持的IP连接承载，它不能保证数据传输速率。专用SAE承载同UE中的上行链路数据流过滤器以及PCEF中的下行链路数据流过滤器相关联，只传输那些和过滤器相匹配的数据流。若用户请求业务无法由默认承载提供，则由网络为用户分配专用承载。专用承载可以是非保证速率，也可以是保证比特率的。在专用承载建立和修改的过程中，不支持QoS协商。

图3 双向SAE承载模型

在SAE/LTE系统中，QoS控制的粒度是划分到SAE承载上的。也就是说，映射到同一SAE承载等级的所有SDF，享受相同的服务和待遇（比如，排队、分组调度等）。每一个SAE承载分配一个标签以标识该承载，每个承载是针对一个用户而言的。SAE无线承载和SAE访问承载一对一。在无线承载和访问承载中过滤器都为用户数据分配了相应的承载ID（RB-ID、AB-ID）标识不同承载服务，这些在业务建立过程中定义。图3为一个双向SAE承载模型[1]。

3.3 SAE中QoS协商过程

网络中控制无线/网络资源的实体通过QoS信令交互和资源预留过程获取用户QoS签约信息、用户和网络容纳能力、网络资源的可用性、用户业务请求信息等等。若网络无法满足用户请求的QoS，可以通过一定程度地降低通信质量来保持业务连接。QoS建立过程通常使用应用层信令（如IMS）或IP承载信令。

SAE中的QoS协商过程涉及以下网络功能实体：

AF（Application Function，应用功能）：从接口SGi接收来自用户的业务请求，并根据该请求，通过Rx接口向PCRF提供用户要求的相关业务信息，可基于IMS。

PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和计费执行功能）：控制用户面QoS，如接收来自PCRF的策略、进行基于策略的接纳控制等，位于网关中。

PCRF（Policy and Charging Rule Function，策略和计费规则功能）：管理策略信息，如接收来自AF的业务信息，并将其转换为用户授权的策略通过S7接口传送给PCEF。

图4为SAE中非漫游情况下QoS协商并进行资源预留的过程。

（1）用户发出业务请求，通过会话信令与AF建立连接（该会话信令由网络使用的具体业务控制体系决定，如：在IMS中的SIP信令）。

（2）AF根据用户请求的业务生成相应的业务信息，并传送给PCRF。

（3）PCRF制定一个PPC规则，包括业务信息映射为授权IP QoS（该QoS参数包括QCI、MBR、GBR等）。

（4）PCRF将PCC规则传送给PCEF。值得注意的是，在这个PCC规则中的授权QoS是对应于每一个IP流的。如果默认的IP承载服务不能满足这一QoS请求，此时就转入其他SAE承载服务流程。

（5）网关（GW）收到关于端到端服务的详细资料，这份来自PCRF的资料包括：IP流的描述信息，与QoS有关的比特速率、业务等级（延迟/优先级需求）等信息。GW为每一个业务等级生成一个汇总项，该汇总项包括所有映射到同一业务等级的端到端服务，以及这些端到端服务的总QoS需求描述，同时，GW将来自PCRF的信息映射为用户所在具体无线接入网络QoS参数。

（6）～（8）GW将QoS信息汇总传送给用户所在无线接入网，进行用户授权无线资源分配。

（9）用户发送资源分配确认信息给PCRF及外部网络，并开始数据传输。

图4 QoS协商过程

以上是一个端到端服务QoS建立过程。当用户在通信过程中，需要中断或修改服务时，PCRF和GW将根据收到的相应信息，随时更新QoS设置，其过程和建立QoS的过程大同小异，在这里就不详细介绍了。

4 SAE中实现QoS待解决的问题

在SAE QoS未来的研究中，还面临着众多需要解决的关键性问题，主要有：

（1）QoS的实现模型。IETF定义了综合服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）两种经典的互联网QoS体系模型。IntServ是一种基于流的、与状态相关的模型，可以通过RSVP为用户提供端到端的质量保证型服务或负载受控服务，但控制机制复杂度高，可扩展性差。DiffServ是一种基于类的、与状态无关的模型，针对业务类型可为用户提供3种服务（EF、AF、BE），通过DSCP域进行区分，并通过PHB进行转发，但并未实现真正意义上端到端的QoS。目前QoS体系模型已较为成熟，IntServ 和DiffServ 相结合的体系模型、MPLS、OverQoS体系模型等都可以为用户提供较好的QoS保证。SAE QoS参数中引入Label机制，和UMTS比较，Label中包含了除其他3个参数以外QoS涉及的所有内容，同时Label用于服务承载的标识。这和DiffServ中的DSCP有相似之处。为每一种Label分配一种服务流调度转发方式，可以考虑在SAE中使用IntServ 和DiffServ 相结合的体系模型实现端到端QoS。

（2）不同接入网间QoS参数的映射。SAE面临着不同网络的接入，不同的网络具有不同的基于QoS等级的业务分类，如IP网络定义了6种业务等级、UMTS中定义了4种业务类型，WLAN定义了8种优先级等。如何根据不同网络的可用资源情况，建立不同网络的业务对应关系，并在这个基础上具体实现QoS参数的转换是需要解决的问题。参数映射有两种方式：一是设计一种参数模板，每种网络的参数都以该模板为中介进行相互转换，如文献[15]中提出了一种ASM坐标模板作为各种网络参数映射的桥梁；二是设计不同网络之间QoS参数的相互映射，如WLAN和UMTS网络间[12]、WLAN和IP网络间[14]，但这种方式需要终端识别各种网络的参数，并具有各种网络参数转换的功能，扩展性较低。在SAE中，针对不同接入网络资源可用情况，可以考虑引入一种划分粒度较为细致的QoS等级、参数映射模板，达成不同网络间参数的映射。

（3）各链路实现资源预留分配的具体方法。目前，无线资源管理方式、排队算法和分组调度算法发展较为成熟：文献[11]在传统的DGC算法上提出了CSR算法，实现WLAN/3G蜂窝网间的联合资源管理，文献[16]在基于RR和多用户分集思想的调度策略上介绍了一种部分多用户分集调度策略；文献[17]中提出了一种新的快速响应AQM算法优化现有队列管理机制；分组调度算法包括DDS、基于MWM的算法等等。针对SAE低时延、高速率的特性，在（1）中提到的模型基础上，需要选用或提出更为合理的资源管理、快速的数据转发方式达到目标。

（4）SAE中AMBR参数的具体使用场景。AMBR的使用有4种方案：（1）仅使用于所有非保证比特率SAE承载，不包括保证比特承载；（2）仅使用于某些非保证比特率SAE承载；（3）使用于所有SAE承载；（4）仅使用于某些SAE承载[1]。在保证比特率SAE承载中设置了MBR，既然每一个业务都有MBR，那么它们和在一起也不可能超过AMBR，所以在保证比特率SAE承载中AMBR似乎就没有了存在的意义，比较之下，方案2较为理想。

5 结束语

未来的3G系统需要在支持多种接入技术的基础上，向用户提供高数据率、低延迟、全IP的综合业务。目前，SAE已成为3G移动通信系统演进的主要研究工作之一，保证端到端的QoS是SAE的重要目标。本文介绍了增强性的端到端QoS，并在此基础上分析了SAE中用户业务的区分控制方式和QoS参数设置，简要介绍了SAE中QoS的协商过程，最后分析了SAE的QoS面临的关键性问题。

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