优化QoS规划实现LTE精品网络部署

作者：郭冠鸿 爱立信(中国)通信有限公司　　近年来，全球的移动运营商都面临着飞猛增长的移动宽带用户，而每用户的业务量也是在迅速飙升。移动运营商需要满足用户不同的需求，不只是过去简单的互联网接入，还包括各种通过移动宽带提供的创新应用，例如多媒体电话，移动电视，互动游戏等。这些应用业务对网络性能有着不同的要求。　　移动宽带业务的增长，对网络的整体能力提出了新的挑战。尽管运营商可以通过对网络资源进行“超额配置(Over-Provisioning)”来解决业务对资源容量的需求，然而这是非常不经济的方式，而且当网络负荷由于突发升高以至超出统计上的负荷配额时，这种方式也不能保证能满足网络的业务质量要求。　　QoS解决方案使得运营商能够在资源有限的情况下，区分不同的业务和用户，对网络资源利用加以优化，最大程度提升每单位网络容量所创造的价值。LTE的引入以及多网融合，对于QoS的整体解决方案提出了新的挑战。　　LTE是否意味着一定能给用户带来卓越体验？　　LTE加速了基于移动宽带的“网络社会(NetworkedSociety)”的变革。相对于过往的移动数据业务，从终端用户感知的角度，LTE带来的最显著特点是更高带宽和更低时延，这除了使得一些应用能够比过往有更好的体验，也使得一些新的应用有了实现的基础。通信行业近年来一个显著的变化，过去的业务从语音为主导，将过渡到以应用为主导；而用户对于网络性能，过往主要关注它的功能性(能不能用)，而现在更加关注网络的综合性能所带来的体验(好不好用)。由此引申出一个概念——“应用覆盖(AppCoverage)”。应用覆盖，是指网络能够让应用如所预期那样工作的特性需求的覆盖范围；而应用的特性需求通常包括速率、时延、抖动、丢包率等方面。显然，LTE能够为运营商显著的扩大对用户的应用支持覆盖，例如它能够支持到要求时延更短，或者要求速率更高的应用。　　然而，LTE所带来的高速的数据传送以及较低的系统时延，一方面需要网络整体提供合适的端到端QoS支持，另一方面它反过来也会对网络的其他流量的QoS造成一定的影响。LTE技术本身为网络的性能提供了基础条件；然而，与用户感知最直接的对应用特性需求的满足，不一定能够完全发挥出网络的性能潜力。例如，即便网络提供足够的带宽能力，然而由于时延或丢包率的原因，可能使得用户的基于TCP的应用所能达到的有效速率与网络的带宽能力之间存在较大的偏差。从这种意义来考虑，整体的QoS解决方案，不单要考察个别指标，更重要是要协调考虑各种业务流量对QoS的不同要求，进行综合的权衡和优化。　　怎样规划多网融合下整体的传输QoS方案架构？　　LTE的引入，通常是在现有的GSM/UMTS网络上进行。因此，必须要统观考虑LTE与GSM/UMTS等多种无线接入技术融合的网络中的相互影响，整体规划QoS方案。　　IP传输网上承载着不同类型的流量，每种流量都不同的特性需求，例如时延、带宽保证、丢包率等。因此，需要有一个整体的、协同的、可伸缩的机制用以在IP传输网与业务网络之间来沟通业务等级(CoS)需求。差分服务(DiffServ)提供了这种机制，并且被IETF和3GPP所推荐。　　移动通信网络中的QoS框架包括IETF主导的DiffServ框架和3GPP主导的QoS框架　　· IETF主导的DiffServ框架　　IETF的DiffServ框架提供了一种相对简单但粒度较粗的差分服务方法，能够满足多数应用及特定业务的需求。要实现DiffServ架构，网络节点需具备相应的功能，包括包分类功能、PHB转发功能及流量调节功能，其中流量调节功能对流量有测量(Metering)、标识(Marking)、重塑(Shaping)及管制(Policing)等作用。在DiffServ架构中，网络边界节点使用包分类功能，在IP或者MPLS报头中添加合适的标识，网络节点基于不同的标识采用不同的转发策略以保证相应的QoS需求。　　· 3GPP主导的QoS框架　　ETSI/3GPP针对GSM/UMTS/LTE网络定义了一个QoS架构。该架构定义了用户设备和核心网之间的交互过程，并定义了QoS在这个过程中的应用。无线接入承载负责在移动终端和核心网之间传送用户数据，无线接入承载根据用户签约信息、核心网相应规则以及QoS类别来识别不同的业务流量。3GPP的QoS架构同时提供了QoS映射关系，无线承载上使用的QoS可以对应到IETF定义的QoS。在3GPP的QoS架构下，移动网络业务可以与普通的IP流量使用同样的网络，使用同样的流量汇聚方案及PHB方案。　　下图展示了3GPP的QoS与IETF的传输QoS差分服务分级的对应关系。　　差分服务(DiffServ)和MPLS/Pbits之间的映射由IETF定义，3GPP只定义了承载到差分服务(DiffServ)的对应关系。在DiffServ框架下，通过配置转发资源来实现无状态的IPQoS机制。差分服务在IP层决定分组的转发概率。IPv4/IPv6报文中的一个6比特的字段被用于DiffServ标识，该字段被称为DS字段。DS字段的值被称为DSCP。在网络设备中，不同的DSCP值对应不同的转发规则或者不同的PHB。在实际使用中，DSCP的使用以及解释必须达成共识，这点对于网络域之间的互联，跨厂家设备的互联以及预期网络整体行为的一致性推理尤为重要。　　NC网络控制的流量　　EF快速转发，目的在于为要求低丢包率、低时延、低抖动的业务提供模块支持　　AF确保转发，提供差别的优先权和丢包可能性的带转发保障的群组　　BE尽力而为的流量　　移动网络的QoS架构　　ETSI/3GPP为GSM/UMTS/LTE融合的移动网络定义了一个QoS架构。下图显示了UMTSQoS架构的一些基本概念；自从3GPPRelease99以后，它也适用于GERAN/GPRS流量。　　3GPPTS23.107定义的UMTSQoS架构　　下图显示了在EPC/LTE系统中的QoS概念。　　· GSM　　在GSM通信中，电路交换域呼叫使用信道类型参数，它与分组交换域中使用的QoS参数不同。自3GPPR99起，对GSM/GPRS的QoS属性定义并入到UMTS的定义中，使得GSM与UMTS遵循相同的原则，使用相同的业务类型来对业务进行分类。　　· UTMS　　3GPP定义了四种流量类别(TrafficClass)，每种流量类别都描述了用户流量的特定类型。一种流量类别是一组QoS属性及其相应取值范围的集合。　　UMTS承载的QoS特性包括若干指标，包括：最大比特率、保证比特率、按序交付、最大业务数据单元、SDU格式信息、SDU错误率、剩余比特错误率、错误SDU传送、传输时延、业务处理优先级、分配/保留优先级、源统计描述符、信令指示等。　　· LTE　　在网络演进过程中，EPC/LTE引入了一些对QoS有直接影响的概念。　　EPSBearer(EPS承载)。它定义了分组数据流从用户终端到SAE网关所获得的QoS服务等级。EPS的QoS控制的基本粒度是承载，也就是说，所有映射到同一个承载的分组数据流将使用相同的转发优先级(如，调度，排队，码率塑形等)；不同的转发优先级需要调用不同的承载。从带宽资源预留方式的角度，EPS承载可以分为两大类：GBR和Non-GBR。　　GBR承载(保证比特率承载)：基于GBR承载的业务，可认为不会发生因拥塞导致的丢包；GBR是典型的“按需”建立承载，因为它预留专用的传输资源。在网络资源充足的情况下，GBR承载允许高于所保证的比特速率MBR；MBR与GBR相关联，设定一个GBR承载可达的比特率上限。　　Non-GBR承载(非保证比特率承载)：基于Non-GBR承载的业务，预期会发生因拥塞而导致丢包；Non-GBR承载可长期保持建立的状态，因为它不会预留传输资源。为使系统带宽资源使用更优，EPS系统定义了AMBR，它被用来限制单个用户的总速率，因此它不是针对单个承载，而是针对一组Non-GBR的承载来设定。　　ENodeB控制无线承载的QoS，每个承载都有对应的QCI和ARP。一个QCI值定义了包括转发优先级，可容忍的时延和丢包率等指标。QCI的值及其特性并非在接口上传送的信号，而是作为节点具体参数配置的指示。QCI提出了承载做包转发的用户平面参数特性，而ARP则用于承载建立的控制。具体而言，ARP负责承载建立的准入控制，即在无线资源受限的情况下，决定是否允许建立新的承载。一但承载成功建立，承载级别的包转发(如调度与优先级等)则不受ARP的控制，而由QCI、GBR、MBR等其他承载级别的QoS参数决定。　　LTE与GSM/UMTS融合共传输下的QoS规划的一些建议　　在GSM/UMTS基础上部署LTE，使多种无线接入技术共IP传输的典型场景下，规划QoS时需要考虑的问题包括：　　· LTE业务当中哪些采用GBR承载，哪些采用Non-GBR承载；　　· LTE不同业务所对应的QCI及其优先级，时延要求，对丢包率的容忍度；　　· LTE流量对2G和3G语音业务和数据业务的影响；　　· LTE流量对网络内部流量(信令、网管、计费、同步等)的影响；　　· IP传输设备对QoS机制的支持；　　· 各种流量在有限队列上的汇聚以及各队列的优先级和权重；　　· 等等　　结合GSM/UMTS/LTE流量的特性和
它们之间的相互影响，根据在国外的LTE网络成功部署经验，我们可以总结出一些关于融合QoS规划的建议原则。由于篇幅所限，这里不一一列举全部种类的业务流量的设计，更主要原因，具体的规划配置情况，应该根据现网实际的情况以及运营商的策略相关加以具体分析和研究，而不能在此一概而论。　　· 网络同步与无线网络控制　　包括网络的频率同步或相位同步，电路仿真业务；以及IP化的Iub接口和Abis接口的无线网络控制信号，如FACH、PCH、RSL等流量。这些流量占用带宽很小，但是对时延和抖动的要求最严格，它对网络正常工作也非常重要，因此在IP传输网中应该用最高优先级的队列进行转发，并且不应该与用户流量放在同一队列。　　· 信令和传输网络控制　　这些流量对时延和抖动有较高的要求，对丢包率的敏感度比用户的业务流量更高。并且，这些流量对于网络的性能以至稳健运行有重要影响。因此，建议这些流量也应该放置较高优先级的队列进行转发。　　· 语音/会话、实时视频/游戏及其他GBR业务　　相对于其他的用户流量，这些流量对时延和抖动有较高的要求，对于丢包率也有一定的敏感性。这些流量都需要保证它的比特率以确保用户体验。因此，建议这部分的流量应该比其他的非保证比特率的用户流量有更高的绝对优先级。　　· 非保证比特率(Non-GBR)的业务流量　　这些流量不需要保证它的比特率，对时延、抖动和丢包率的要求都相对较低。一般来说，对于这种类型的不同流量，建议分配到同一个优先级组的不同队列中，可以通过给不同的队列配置不同的带宽权重来实现带宽共享。这些流量一般包括LTE的Non-GBR承载流量(信令除外)，UMTS的交互类，GSM的PS流量等。当然，对于这些流量，也可以根据他们的业务相对优先性加以分类汇聚在若干个队列，并对这些队列赋予不同的权重(例如通过加权公平队列机制WFQ)来进行调度，使得运营商可以调整例如LTE与UMTSHSPA流量之间的相对优先比例。换言之，对于这些流量的不同队列之间，不适宜采用绝对优先级，否则可能会出现，例如HSPA流量压倒LTE流量或相反，这两种情况都不合理。　　· 网管流量　　对于网管流量，如果网络设备能够支持，一般建议根据网管应用业务的重要性加以区分，例如通过不同的网管应用的端口号来对流量的DSCP进行标记来区分。对于一些优先级高而且占用带宽不大的网管应用，例如基本的操作维护，告警信息等，建议分配在较高优先级的队列，以避免由于用户的流量——尤其LTE和HSPA流量——而阻塞网络设备正常维护管理。而对于一些相对优先级较低而且占用一定带宽的流量，例如文件传送等，可以考虑与较低优先级的业务流量放在相同的队列进行传送。　　除此以外，进行QoS规划时，还应该考虑网络中共享传输的其他流量，例如城域网WLAN的流量，这些可能也会对QoS的整体方案和实际结果产生影响。　　后记　　致力于建设LTE精品网络，实现成功的商用网络部署，除了优质的网络设备，还需要有卓越的配套解决方案，包括整体的QoS规划方案。尤其需要引起重视的是，QoS的规划和配置，涉及众多的网元和传输设备，影响范围很大。如果初期规划做得不足，以后再进行大规模整改将需要投入非常巨大的人力和成本，并且还会影响用户的体验。而在网络部署初期，进行前瞻性的规划并实施，则能够通过最小的投入产生最理想的结果。爱立信作为全球LTE技术和市场的领导者，在TD-LTE以及LTEFDD的商业部署方面，都拥有丰富的成功经验以及出色的整体解决方案。通过提供专业的QoS规划方案，爱立信已经为多个运营商成功部署优质的LTE网络，并且得到广泛的验证。