優(yōu)化QoS 規(guī)劃 實現(xiàn)LTE精品網(wǎng)絡(luò)部署

近年來，全球的移動運營商都面臨著飛猛增長的移動寬帶用戶，而每用戶的業(yè)務(wù)量也是在迅速飆升。移動運營商需要滿足用戶不同的需求，不只是過去簡單的互聯(lián)網(wǎng)接入，還包括各種通過移動寬帶提供的創(chuàng)新應(yīng)用，例如多媒體電話，移動電視，互動游戲等。這些應(yīng)用業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能有著不同的要求。

移動寬帶業(yè)務(wù)的增長，對網(wǎng)絡(luò)的整體能力提出了新的挑戰(zhàn)。盡管運營商可以通過對網(wǎng)絡(luò)資源進行“超額配置（Over-Provisioning）”來解決業(yè)務(wù)對資源容量的需求，然而這是非常不經(jīng)濟的方式，而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由于突發(fā)升高以至超出統(tǒng)計上的負(fù)荷配額時，這種方式也不能保證能滿足網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。

QoS解決方案使得運營商能夠在資源有限的情況下，區(qū)分不同的業(yè)務(wù)和用戶，對網(wǎng)絡(luò)資源利用加以優(yōu)化，最大程度提升每單位網(wǎng)絡(luò)容量所創(chuàng)造的價值。LTE的引入以及多網(wǎng)融合，對于QoS的整體解決方案提出了新的挑戰(zhàn)。

LTE是否意味著一定能給用戶帶來卓越體驗？

LTE加速了基于移動寬帶的“網(wǎng)絡(luò)社會（Networked Society）”的變革。相對于過往的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，從終端用戶感知的角度，LTE帶來的最顯著特點是更高帶寬和更低時延，這除了使得一些應(yīng)用能夠比過往有更好的體驗，也使得一些新的應(yīng)用有了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。通信行業(yè)近年來一個顯著的變化，過去的業(yè)務(wù)從語音為主導(dǎo)，將過渡到以應(yīng)用為主導(dǎo)；而用戶對于網(wǎng)絡(luò)性能，過往主要關(guān)注它的功能性（能不能用），而現(xiàn)在更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的綜合性能所帶來的體驗（好不好用）。由此引申出一個概念——“應(yīng)用覆蓋（App Coverage）”。應(yīng)用覆蓋，是指網(wǎng)絡(luò)能夠讓應(yīng)用如所預(yù)期那樣工作的特性需求的覆蓋范圍；而應(yīng)用的特性需求通常包括速率、時延、抖動、丟包率等方面。顯然，LTE能夠為運營商顯著的擴大對用戶的應(yīng)用支持覆蓋，例如它能夠支持到要求時延更短，或者要求速率更高的應(yīng)用。

然而，LTE所帶來的高速的數(shù)據(jù)傳送以及較低的系統(tǒng)時延，一方面需要網(wǎng)絡(luò)整體提供合適的端到端QoS支持，另一方面它反過來也會對網(wǎng)絡(luò)的其他流量的QoS造成一定的影響。LTE技術(shù)本身為網(wǎng)絡(luò)的性能提供了基礎(chǔ)條件；然而，與用戶感知最直接的對應(yīng)用特性需求的滿足，不一定能夠完全發(fā)揮出網(wǎng)絡(luò)的性能潛力。例如，即便網(wǎng)絡(luò)提供足夠的帶寬能力，然而由于時延或丟包率的原因，可能使得用戶的基于TCP的應(yīng)用所能達(dá)到的有效速率與網(wǎng)絡(luò)的帶寬能力之間存在較大的偏差。從這種意義來考慮，整體的QoS解決方案，不單要考察個別指標(biāo)，更重要是要協(xié)調(diào)考慮各種業(yè)務(wù)流量對QoS的不同要求，進行綜合的權(quán)衡和優(yōu)化。

怎樣規(guī)劃多網(wǎng)融合下整體的傳輸QoS方案架構(gòu)？

LTE的引入，通常是在現(xiàn)有的GSM/UMTS網(wǎng)絡(luò)上進行。因此，必須要統(tǒng)觀考慮LTE與GSM/UMTS等多種無線接入技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)中的相互影響，整體規(guī)劃QoS方案。

IP傳輸網(wǎng)上承載著不同類型的流量，每種流量都不同的特性需求，例如時延、帶寬保證、丟包率等。因此，需要有一個整體的、協(xié)同的、可伸縮的機制用以在IP傳輸網(wǎng)與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)之間來溝通業(yè)務(wù)等級（CoS）需求。差分服務(wù)（DiffServ）提供了這種機制，并且被IETF和3GPP所推薦。

移動通信網(wǎng)絡(luò)中的QoS框架包括IETF主導(dǎo)的DiffServ框架和3GPP主導(dǎo)的QoS框架

IETF主導(dǎo)的DiffServ框架

IETF的DiffServ框架提供了一種相對簡單但粒度較粗的差分服務(wù)方法，能夠滿足多數(shù)應(yīng)用及特定業(yè)務(wù)的需求。要實現(xiàn)DiffServ架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需具備相應(yīng)的功能，包括包分類功能、PHB轉(zhuǎn)發(fā)功能及流量調(diào)節(jié)功能，其中流量調(diào)節(jié)功能對流量有測量（Metering）、標(biāo)識（Marking）、重塑（Shaping）及管制（Policing）等作用。在DiffServ架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)邊界節(jié)點使用包分類功能，在IP或者MPLS報頭中添加合適的標(biāo)識，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基于不同的標(biāo)識采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略以保證相應(yīng)的QoS需求。

3GPP主導(dǎo)的QoS框架

ETSI/3GPP針對GSM/UMTS/LTE網(wǎng)絡(luò)定義了一個QoS架構(gòu)。該架構(gòu)定義了用戶設(shè)備和核心網(wǎng)之間的交互過程，并定義了QoS在這個過程中的應(yīng)用。無線接入承載負(fù)責(zé)在移動終端和核心網(wǎng)之間傳送用戶數(shù)據(jù)，無線接入承載根據(jù)用戶簽約信息、核心網(wǎng)相應(yīng)規(guī)則以及QoS類別來識別不同的業(yè)務(wù)流量。3GPP的QoS架構(gòu)同時提供了QoS映射關(guān)系，無線承載上使用的QoS可以對應(yīng)到IETF定義的QoS。在3GPP的QoS架構(gòu)下，移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可以與普通的IP流量使用同樣的網(wǎng)絡(luò)，使用同樣的流量匯聚方案及PHB方案。

下圖展示了3GPP的QoS與IETF的傳輸QoS 差分服務(wù)分級的對應(yīng)關(guān)系。

差分服務(wù)（DiffServ）和MPLS/Pbits之間的映射由IETF定義，3GPP只定義了承載到差分服務(wù)（DiffServ）的對應(yīng)關(guān)系。在DiffServ框架下，通過配置轉(zhuǎn)發(fā)資源來實現(xiàn)無狀態(tài)的IP QoS機制。差分服務(wù)在IP層決定分組的轉(zhuǎn)發(fā)概率。IPv4/IPv6報文中的一個6比特的字段被用于DiffServ標(biāo)識，該字段被稱為DS字段。DS字段的值被稱為DSCP。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，不同的DSCP值對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則或者不同的PHB。在實際使用中，DSCP的使用以及解釋必須達(dá)成共識，這點對于網(wǎng)絡(luò)域之間的互聯(lián)，跨廠家設(shè)備的互聯(lián)以及預(yù)期網(wǎng)絡(luò)整體行為的一致性推理尤為重要。

NC 網(wǎng)絡(luò)控制的流量

EF快速轉(zhuǎn)發(fā)，目的在于為要求低丟包率、低時延、低抖動的業(yè)務(wù)提供模塊支持

AF 確保轉(zhuǎn)發(fā)，提供差別的優(yōu)先權(quán)和丟包可能性的帶轉(zhuǎn)發(fā)保障的群組

BE 盡力而為的流量

移動網(wǎng)絡(luò)的QoS架構(gòu)

ETSI/3GPP為GSM/UMTS/LTE融合的移動網(wǎng)絡(luò)定義了一個QoS架構(gòu)。下圖顯示了UMTS QoS架構(gòu)的一些基本概念；自從3GPP Release 99以后，它也適用于GERAN/GPRS流量。

3GPP TS23.107定義的UMTS QoS架構(gòu)

下圖顯示了在EPC/LTE系統(tǒng)中的QoS概念。

GSM

在GSM通信中，電路交換域呼叫使用信道類型參數(shù)，它與分組交換域中使用的QoS參數(shù)不同。自3GPP R99起，對GSM/GPRS的QoS屬性定義并入到UMTS的定義中，使得GSM與UMTS遵循相同的原則，使用相同的業(yè)務(wù)類型來對業(yè)務(wù)進行分類。

UTMS

3GPP定義了四種流量類別（Traffic Class），每種流量類別都描述了用戶流量的特定類型。一種流量類別是一組QoS屬性及其相應(yīng)取值范圍的集合。

UMTS承載的QoS特性包括若干指標(biāo)，包括：最大比特率、保證比特率、按序交付、最大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元、SDU格式信息、SDU錯誤率、剩余比特錯誤率、錯誤SDU傳送、傳輸時延、業(yè)務(wù)處理優(yōu)先級、分配/保留優(yōu)先級、源統(tǒng)計描述符、信令指示等。

LTE

在網(wǎng)絡(luò)演進過程中，EPC/LTE引入了一些對QoS有直接影響的概念。

EPS Bearer（EPS承載）。它定義了分組數(shù)據(jù)流從用戶終端到SAE網(wǎng)關(guān)所獲得的QoS服務(wù)等級。EPS的QoS控制的基本粒度是承載，也就是說，所有映射到同一個承載的分組數(shù)據(jù)流將使用相同的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級（如，調(diào)度，排隊，碼率塑形等）；不同的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級需要調(diào)用不同的承載。從帶寬資源預(yù)留方式的角度，EPS承載可以分為兩大類：GBR和Non-GBR。

GBR承載（保證比特率承載）：基于GBR承載的業(yè)務(wù)，可認(rèn)為不會發(fā)生因擁塞導(dǎo)致的丟包；GBR是典型的“按需”建立承載，因為它預(yù)留專用的傳輸資源。在網(wǎng)絡(luò)資源充足的情況下，GBR承載允許高于所保證的比特速率MBR；MBR與GBR相關(guān)聯(lián)，設(shè)定一個GBR承載可達(dá)的比特率上限。

Non-GBR承載（非保證比特率承載）：基于Non-GBR承載的業(yè)務(wù)，預(yù)期會發(fā)生因擁塞而導(dǎo)致丟包；Non-GBR承載可長期保持建立的狀態(tài)，因為它不會預(yù)留傳輸資源。為使系統(tǒng)帶寬資源使用更優(yōu)，EPS系統(tǒng)定義了AMBR，它被用來限制單個用戶的總速率，因此它不是針對單個承載，而是針對一組Non-GBR的承載來設(shè)定。

ENodeB控制無線承載的QoS，每個承載都有對應(yīng)的QCI和ARP。一個QCI值定義了包括轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，可容忍的時延和丟包率等指標(biāo)。QCI的值及其特性并非在接口上傳送的信號，而是作為節(jié)點具體參數(shù)配置的指示。QCI提出了承載做包轉(zhuǎn)發(fā)的用戶平面參數(shù)特性，而ARP則用于承載建立的控制。具體而言，ARP負(fù)責(zé)承載建立的準(zhǔn)入控制，即在無線資源受限的情況下，決定是否允許建立新的承載。一但承載成功建立，承載級別的包轉(zhuǎn)發(fā)（如調(diào)度與優(yōu)先級等）則不受ARP的控制，而由QCI、GBR、MBR等其他承載級別的QoS參數(shù)決定。

LTE與GSM/UMTS融合共傳輸下的QoS規(guī)劃的一些建議

在GSM/UMTS基礎(chǔ)上部署LTE，使多種無線接入技術(shù)共IP傳輸?shù)牡湫蛨鼍跋�，�?guī)劃QoS時需要考慮的問題包括：

LTE業(yè)務(wù)當(dāng)中哪些采用GBR承載，哪些采用Non-GBR承載；

LTE不同業(yè)務(wù)所對應(yīng)的QCI及其優(yōu)先級，時延要求，對丟包率的容忍度；

LTE流量對2G和3G語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響；

LTE流量對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部流量（信令、網(wǎng)管、計費、同步等）的影響；

IP傳輸設(shè)備對QoS機制的支持；

各種流量在有限隊列上的匯聚以及各隊列的優(yōu)先級和權(quán)重；

等等

結(jié)合GSM/UMTS/LTE流量的特性和它們之間的相互影響，根據(jù)在國外的LTE網(wǎng)絡(luò)成功部署經(jīng)驗，我們可以總結(jié)出一些關(guān)于融合QoS規(guī)劃的建議原則。由于篇幅所限，這里不一一列舉全部種類的業(yè)務(wù)流量的設(shè)計，更主要原因，具體的規(guī)劃配置情況，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)實際的情況以及運營商的策略相關(guān)加以具體分析和研究，而不能在此一概而論。

網(wǎng)絡(luò)同步與無線網(wǎng)絡(luò)控制

包括網(wǎng)絡(luò)的頻率同步或相位同步，電路仿真業(yè)務(wù)；以及IP化的Iub接口和Abis接口的無線網(wǎng)絡(luò)控制信號，如FACH、PCH、RSL等流量。這些流量占用帶寬很小，但是對時延和抖動的要求最嚴(yán)格，它對網(wǎng)絡(luò)正常工作也非常重要，因此在IP傳輸網(wǎng)中應(yīng)該用最高優(yōu)先級的隊列進行轉(zhuǎn)發(fā)，并且不應(yīng)該與用戶流量放在同一隊列。

信令和傳輸網(wǎng)絡(luò)控制

這些流量對時延和抖動有較高的要求，對丟包率的敏感度比用戶的業(yè)務(wù)流量更高。并且，這些流量對于網(wǎng)絡(luò)的性能以至穩(wěn)健運行有重要影響。因此，建議這些流量也應(yīng)該放置較高優(yōu)先級的隊列進行轉(zhuǎn)發(fā)。

語音/會話、實時視頻/游戲及其他GBR業(yè)務(wù)

相對于其他的用戶流量，這些流量對時延和抖動有較高的要求，對于丟包率也有一定的敏感性。這些流量都需要保證它的比特率以確保用戶體驗。因此，建議這部分的流量應(yīng)該比其他的非保證比特率的用戶流量有更高的絕對優(yōu)先級。

非保證比特率（Non-GBR）的業(yè)務(wù)流量

這些流量不需要保證它的比特率，對時延、抖動和丟包率的要求都相對較低。一般來說，對于這種類型的不同流量，建議分配到同一個優(yōu)先級組的不同隊列中，可以通過給不同的隊列配置不同的帶寬權(quán)重來實現(xiàn)帶寬共享。這些流量一般包括LTE的Non-GBR承載流量（信令除外），UMTS的交互類，GSM的PS流量等。當(dāng)然，對于這些流量，也可以根據(jù)他們的業(yè)務(wù)相對優(yōu)先性加以分類匯聚在若干個隊列，并對這些隊列賦予不同的權(quán)重（例如通過加權(quán)公平隊列機制WFQ）來進行調(diào)度，使得運營商可以調(diào)整例如LTE與UMTS HSPA流量之間的相對優(yōu)先比例。換言之，對于這些流量的不同隊列之間，不適宜采用絕對優(yōu)先級，否則可能會出現(xiàn)，例如HSPA流量壓倒LTE流量或相反，這兩種情況都不合理。

網(wǎng)管流量

對于網(wǎng)管流量，如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠支持，一般建議根據(jù)網(wǎng)管應(yīng)用業(yè)務(wù)的重要性加以區(qū)分，例如通過不同的網(wǎng)管應(yīng)用的端口號來對流量的DSCP進行標(biāo)記來區(qū)分。對于一些優(yōu)先級高而且占用帶寬不大的網(wǎng)管應(yīng)用，例如基本的操作維護，告警信息等，建議分配在較高優(yōu)先級的隊列，以避免由于用戶的流量——尤其LTE和HSPA流量——而阻塞網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常維護管理。而對于一些相對優(yōu)先級較低而且占用一定帶寬的流量，例如文件傳送等，可以考慮與較低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流量放在相同的隊列進行傳送。

除此以外，進行QoS規(guī)劃時，還應(yīng)該考慮網(wǎng)絡(luò)中共享傳輸?shù)钠渌�流量，例如城域網(wǎng)WLAN的流量，這些可能也會對QoS的整體方案和實際結(jié)果產(chǎn)生影響。

后記

致力于建設(shè)LTE精品網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)成功的商用網(wǎng)絡(luò)部署，除了優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還需要有卓越的配套解決方案，包括整體的QoS規(guī)劃方案。尤其需要引起重視的是，QoS的規(guī)劃和配置，涉及眾多的網(wǎng)元和傳輸設(shè)備，影響范圍很大。如果初期規(guī)劃做得不足，以后再進行大規(guī)模整改將需要投入非常巨大的人力和成本，并且還會影響用戶的體驗。而在網(wǎng)絡(luò)部署初期，進行前瞻性的規(guī)劃并實施，則能夠通過最小的投入產(chǎn)生最理想的結(jié)果。愛立信作為全球LTE技術(shù)和市場的領(lǐng)導(dǎo)者，在TD-LTE以及LTE FDD的商業(yè)部署方面，都擁有豐富的成功經(jīng)驗以及出色的整體解決方案。通過提供專業(yè)的QoS規(guī)劃方案，愛立信已經(jīng)為多個運營商成功部署優(yōu)質(zhì)的LTE網(wǎng)絡(luò)，并且得到廣泛的驗證。

作者：郭冠鴻 愛立信（中國）