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LTE核心网QoS管理实现的研究
内容简介：
【摘 要】对建立默认承载和专有承载的信令流程进行了详细分析，研究了在这两个流程里QoS参数的差异以及QoS如何在各个网元实现的问题，特别是针对不同用户、不同业务的QCI不同时其获得服务质量保障也不一样。
【关键词】LTE 服务质量
【摘 要】对建立默认承载和专有承载的信令流程进行了详细分析，研究了在这两个流程里QoS参数的差异以及QoS如何在各个网元实现的问题，特别是针对不同用户、不同业务的QCI不同时其获得服务质量保障也不一样。
【关键词】LTE 服务质量 默认承载 专有承载 QCI
doi：10.3969/j.issn.16.05.018 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：（5-05
引用格式：谢鲲. LTE核心网QoS管理实现的研究[J]. 移动通信， ）： 85-89.
随着LTE网络的大规模建设和完善、终端的普及和电信运营商的大力市场营销，LTE网络将面临着飞速增长的移动互联网用户，而用户的移动互联网业务量也将会迅速飙升。电信运营商需要满足LTE用户的不同业务需求，如视频会议、网络视频、手机网络游戏、VoLTE等，LTE网的QoS提供了严格的质量保障保证了用户使用感知。文章从建立承载的信令流程入手，针对LTE网络的关键QoS参数进行了研究，以确定网络中的各设备网元对QoS管理的实现。
2 LTE网络QoS概述
LTE网络通过端到端的QoS管理以及差异化服务策略来保障业务的QoS要求，LTE网络中实现QoS的最小单元是EPS（Evolved Packet System，演进分组系统）承载（Bearer），即同一类型的EPS承载上的所有IP数据包都会得到一样的QoS保障（如资源的分配和调度、链路层配置、缓冲区队列管理等），不同类型的EPS承载所需的QoS保障也是不一样的。在各个设备接口上，EPS承载关联到底层承载，各个设备负责维护底层的标识以及接口之间的关联。
如图1所示，EPS承载建立在UE与PDN GW之间，EPS承载包含了无线承载、S1承载和S5/S8承载。上行（UE到P-GW的方向）/下行（P-GW到UE的方向）数据流和承载都通过TFT（Traffic Flow Template，业务流模板）进行关联和映射，在核心网中下行链路的TFT和核心网的TEID（Tunnel Endpoint ID，隧道终点标识符）进行关联，在无线网中上行链路的TFT和无线的RB-ID（Radio Bearer ID，无线承载标识符）进行关联，UE又根据上行链路的TFT关联到上行数据流，P-GW根据下行链路的TFT关联到下行数据流，从而实现整个端到端的数据流都得到了相应的QoS保证。
专有EPS承载必须配置相应的业务流模板，而默认EPS承载一般不配置专有的业务流模板，或者配置一般的业务流模板，这样所有不能关联到专有EPS承载的业务数据流都会被关联到默认EPS承载上。在释放专有EPS承载的情况下，原本关联到专有EPS承载上的业务数据流会被关联到默认EPS承载上。
3 LTE网络QoS相关参数
根据承载的业务不同，EPS承载可以分为GBR承载和Non-GBR承载。LTE网QoS参数包括了GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特速率）、ARP（Allocation and Retention Priority，分配与保留优先级）、MBR（Maximum Bit Rate，最大比特速率）、QCI（QoS Class Identifier，QoS分类标识），AMBR（Aggregate Max Bit Rate，聚合最大比特速率）。
（1）QCI：QCI是一个值，不是一组QoS参数，表示不同业务的QoS要求，包含承载类型、优先级、数据包时延和可接受的误包丢失率等指标，其具体含义如表1所示。QCI主要用在建立承载后的网络资源调整和分配，用于保障端到端的各种业务的QoS需求，用于访问网元内提前设置的的控制承载级分组转发方式，如调度优先级、接收策略、缓冲区队列管理、链路层配置等，这些都可以由网络运营商预先定义到eNodeB中。在LTE网的相关接口中传输的是QCI的值而不是对应的QoS属性，使用QCI参数可以有效减小QoS参数传输时的数据量，也便于不同设备商之间的设备互连互通；QCI同时应用于GBR和Non-GBR承载。
（2）AMBR：定义了LTE用户的最大总比特速率，但是它不是用于一个承载，而是用于一组非GBR的承载，如当其它EPS承载上没有任何数据流时，有数据流的承载可以使用AMBR配置的所有带宽。AMBR在3GPP中定义了两种不同的参数：UE-AMBR和APN-AMBR。UE-AMBR定义了每个LTE用户的AMBR，APN-AMBR是针对APN的QoS，它定义了同一种APN中的全部EPS承载需要的总比特速率最大值。AMBR可以对上/下行的承载速率设置不同的值。
（3）ARP：在资源紧张的情况下，决定是否接受UE建立请求和修改请求。ARP主要用于无线资源紧张的时候能够判决是否需要接受UE建立或修改承载的请求。此外，eNodeB可以在网络资源受限的情况下根据ARP级别大小来决定可以丢弃哪些承载。ARP仅在建立承载前有作用，建立承载成功后如果想要改变承载的属性，则由QCI、AMBR、GBR和MBR等参数决定。ARP可同时应用于GBR和Non-GBR承载。
（4）GBR：它为业务提供的比特速率是可保证的，这些业务包括语音通话、直播流媒体、实时在线游戏等。GBR只用于GBR承载。
（5）MBR：它为业务定义了最大比特速率。如果发现为业务提供的比特速率超过MBR定义的最大比特速率时，系统将根据相关算法来降低其速率。MBR定义的速率一般等于或大于GBR定义的速率。MBR只用于GBR承载。
4 LTE网络QoS管理的实现
LTE网络的接入网相对于WCDMA网进行了简化，结构更加扁平化，同时取消了WCDMA网复杂的QoS协商机制。为了使用更灵活的动态调度机制，引入了PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元）。根据建立承载的先后，定义了两种不同的EPS承载：默认承载和专有承载。默认承载是LTE UE在开机时就与PDN（Public Data Network，外部数据网络）之间建立了承载连接，也就为用户提供“永久在线”的服务；专有承载是该用户连接到同一PDN网络的其它EPS承载。在建立专有承载前，相应的默认承载就已经存在。建立或修改专有承载必须由网络端发起，其QoS参数也必须是由EPC来定义。
4.1 默认承载的建立流程
在LTE用户开机附着LTE网络的同时，用户就建立了一条默认承载LTE网络，这个默认承载的QoS管理实现机制如图2所示。
步骤1：LTE用户附着网络，发Attach Request消息给eNodeB，eNodeB再传给MME。
步骤2：MME收到LTE用户Attach Request消息后，判断用户属于哪个HSS，MME就向该HSS发送update Location Request消息，HSS收到该消息后，给MME回消息update Location Answer，其中就有用户签约QoS参数，包括QCI、ARP、UE-AMBR、APN-AMBR等。
步骤3：MME向EPC GW的SAE GW发建立默认承载消息create Session Request，并携带签约QoS参数，包括QCI、ARP、APN-AMBR，SAE GW向PDN GW发create Session Request消息，也带有相关QoS。
步骤4：如网络引入了PCRF，PDN GW还需要与PCRF交互消息以获取运营商设置的PCC（Police Control and Charging，策略控制和计费）相关策略，若没有引入PCRF，则在PDN GW中预先设置PCC规则。PCRF可根据运营商的策略决定修改相关的QoS参数。
步骤5：EPC GW的PGW（PDN GateWay，分组数据网网关）生成create Session Response回给SAE GW，SAE GW收到消息后再生成create Session Response消息回复给MME。
步骤6：MME根据从EPC GW处获取的APN-AMBR和签约UE-AMBR，计算用户的UE-AMBR，将UE-AMBR、QCI、ARP等QoS参数放入Initial Context Setup/Attach Accept消息发给eNodeB，eNodeB建立无线承载，无线承载有相应的QoS参数QCI和ARP。无线接入部分eNodeB根据运营商按照实际需求预配置的QoS参数执行基于承载的无线资源调度，将APN-AMBR、QCI放入Attach Accept消息发给UE。LTE UE向eNodeB回Attach Complete，eNodeB再将消息回给MME。
4.2 专有承载的建立流程
如果建立了默认承载的用户要使用更高QoS需求的业务，如可视电话、网络视频、VoLTE等，则要建立一个或多个EPS专有承载。EPS专用承载的建立由网络端发起，但也可以由UE通过某些流程触发网络侧来建立专用承载。例如，UE发起基于IMS的VoIP呼叫或者UE需要接受基于IMS的VoIP呼叫。专有承载可以是GBR，也可以是Non-GBR。下面介绍以网络端发起的专用承载建立流程，流程图如图3所示。
（1）首先，PCRF根据LTE用户的业务应用层所需要的QoS，生成建立专有承载所要求的QoS，向PGW发RAR（Re-Authentication Request，重新鉴权请求）消息。
（2）PGW收到PCRF的消息后，根据消息里的QoS策略来分配EPS承载的QoS，包括QCI、ARP、MBR、GBR等参数，并发送create Bearer Request 消息给SGW（Serving Gateway，服务网关），其中有UE建立到SGW承载的QoS和UL-TFT，SGW将相应的消息（QoS、UL-TFT、S1 Bearer ID）传给MME。
（3）MME收到SGW的消息后，为每个EPS承载配置相应的TFT和EBI（EPS Bearer ID，EPS承载ID号），构造相应的专有承载激活消息（Activate Dedicated EPS Bear）作为NAS PDU信元，放入Bear Setup Request消息中后发给eNodeB。
（4）eNodeB将EPS承载的QoS映射到无线承载的QoS，然后向UE发送RRC Connection Reconfiguration消息来建立相应的DRB（Data Radio Bearer，数据无线承载），通过DRB来配置PDCP层、RLC层、逻辑层。在RRC Connection Reconfiguration消息中还有来自MME的Activate Dedicated EPS Bear的NAS PDU。UE的UL-TFT会关联到该无线承载，其优先级由Precedence定义，数值越小，级别就越高。UE在发送业务数据流时，按照承载优先级对业务数据流进行关联，如果关联成功，UE将会在相应的EPS承载上发送数据流，否则的话，UE会在默认的EPS承载上传输数据流。
（5）UE在得到相关QoS数据后，就发RRC Connection Reconfiguration完成消息给eNodeB。eNodeB收到UE的消息后，给MME回Bear Setup响应消息。UE的NAS层就会建立Activate Dedicated EPS Bearer上下文完成的消息，并将其作为NAS PDU信元通过Direct transfer消息给eNodeB，eNodeB将此PDU消息不做处理透传给MME。
（6）MME收到eNodeB消息后，生成create Beare响应消息，转送给SGW，再由SGW转给PGW。
（7）PGW向PCRF回RAR Response。
默认承载的QoS参数可以是HSS（归属用户服务器）中用户签约的数据，也可以跟PCRF交互或者交与本地配置策略来改变QoS参数。专有承载的QoS可以根据运营商在PCRF提前设置好的策略，将不同的IP数据包关联到相应的EPS专有承载上，不同的EPS承载采取不一样的QoS机制。
5 LTE网QoS管理实现应用
通过默认承载和专有承载的建立流程可以知道专有承载会获得能保证承载速率的GBR、MBR这两个QoS参数，而默认承载是不会获得的。默认承载只能是Non-GBR，而专有承载可以是GBR，也可以是Non-GBR。通过表1的QCI优先级，知道GBR承载比Non-GBR承载的级别高，这样不同的用户、不同的业务会获得不同的业务质量保障。
当一个用户有一条默认承载（Non-GBR，QCI=9）和两条专有承载（GBR，QCI=2， 3）时，LTE网络会优先保证GBR承载的速率（GBR承载级别（QCI的优先级越小级别就越高）越高就越能得到更多的资源），其次是Non-GBR承载的速率。而对于有多个GBR承载的资源分配，会优先保证高级别GBR用户签约速率（QCI的优先级越小级别就越高），然后再将剩余资源分配给低级别的GBR用户。该用户在系统资源充足和紧张的情况下，其承载的速率有很大的差别，如图4所示：
而对于多个用户来说，LTE网络会优先保证使用GBR承载的用户，其次再将其余的资源分配给使用Non-GBR承载的用户。而对于都使用GBR承载的用户，LTE网络会优先保证高级别的GBR用户，其次再将其余的资源分配给低级别的GBR用户。以使用GBR（QCI=4）承载和Non-GBR（QCI=9）承载的用户，和都使用GBR承载的用户（用户A的QCI=3，用户B的QCI=2）为例，当资源足够和资源紧张的时候，其承载速率会发生不一样的变化。如图5所示。
LTE网络是移动通信网络向真正的移动互联网络发展的重要一步，为了满足网络资源的充分利用以及用户业务需求，对LTE网络的业务质量（QoS）做了大量的改善，并引入了一些新的定义，如默认承载、专用承载、GBR承载、Non-GBR承载。LTE网络的QoS实现不再利用像WCDMA网络那样的复杂协商机制，从调度优先级和资源分配两方面为用户提供了合适的业务质量（QoS）保证，给用户带来了使用感知度的提高。
参考文献：
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火腿肠M8T VOLTE起呼失败的案例
【问题现象】
使用HTC M8T的VOLTE版本，升级成最新的版本--RC25、R35新版本。升级完成后注册IMS成功，但在华为MME下无法进行VOLTE呼叫，变成了CSFB语音方案回落至2G进行通话。&
【原因定位】
终端使用测试卡已注册VOLTE网络成功，进行呼叫的时候，网络侧回复503错误（SERVICE UNAVAILABLE）。具体的SIP信令流程如下：
1、UE-&NW INVITE
2、NW-&UE Cancel503
终端发起VOLTE呼叫，且支持Silent &Redial机制：当VOLTE呼叫失败后，将转成CSFB语音方案，因此呼叫回落至2G。而使用相同卡插入三星S6测试VOLTE呼叫，呼叫成功。
问题原因：
不同VOLTE终端，采用的附着建立默认承载的方法也不同，主要有两种不同的方法：
1、终端附着网络时，使用网络默认APN建立默认承载。比如，HTC M8T。
2、终端附着网络时，使用终端侧设置的APN建立默认承载。比如，三星S6。
使用终端侧设置的APN建立默认承载，按照3GPP24.301章节8.3.20.2描述，在附着络过程中，建立PDN连接请求消息如果携带&ESM information transfer flag& ( ESM信息传输标
记），表示终端希望使用自己提供的APN。
三星S6使用终端侧设置的默认承载信令截图如下：
1、终端在Attach request请求信令携带&ESM information transfer flag&：
2、网络侧发起APN请求，ESM information request，终端通过ESM information response回复网络侧终端上设置的默认APN。
图4 三星S6&Attach流程期间发起ESMinformation交互
HTC M8T使用网络侧设置的默认承载信令截图如下：
1、终端Attach request请求信令未携带&ESM information transfer flag&：
2、网络侧发起APN请求无ESM information request：
经过测试分析发现，HTC M8T，使用LTE的APN进行IMS注册期间，终端发起了3次默认承载请求，在第三次默认承载请求，PDN类型为ipv6的PDN连接请求，网络侧处理此请求时，错误地建立了IMS承载。
因为这个终端建立了两个IMS的缺省承载， 导致无线侧响应的资源被占用后无法创建专有承载导致VOLTE语音通话无法进行。
具体HTC M8T发起默认承载请求流程如下：
1、第一次默认承载请求：在Attach request发起，网络侧下发默认APN是CMNET、IPV4的地址、esm_cause=52 (0x34) (Single addressbearers only allowed)。
2、第二次发次默认承载请求：在PDN Connectivity Request里，请求类型是IPV4V6，APN 是CMNET、IPV4的地址、esm_cause =52 (0x34) (Single addressbearers only allowed)。
1）请求消息PDN connectivity request Msg如下：&
2）应答消息Activate default EPSbearer context request Msg如下：
3、第三次默认承载请求：终端收到#52原因值是应该发起另一种IP版本的PDN连接，发起了空的APN发起了第三次ipv6的PDN连接；而网络侧错误地建立了IMS承载。
1）请求消息PDN connectivity request Msg如下：
2）应答消息Activate default EPSbearer context request Msg如下：
经过分析，此问题网络侧和终端均存在问题，具体如下表所示：
由于网络反馈此问题在三星S6无法复现并且ESM CAUSE也符合移动规范，对此分别对三星S6和HTC M8T进行对比测试。测试结果如下：
HTC M8T使用网络侧默认的APN，测试结果如下：
1、IP类型是IPV4V6，设置APN接入点，apn设置为cmnet（正确的APN）联合attach accept回复的是esm_cause=52(0x34) (Single addressbearersonly allowed)，不会再发起默认承载PDN请求。
2、IP类型是IPV4V6，设置APN接入点，APN为空（错误的APN）联合attach accept回复的是esm_cause=52 (0x34) (Single addressbearers only allowed)， 然后终端侧发起数据默认承载PDN请求，回复是esm_cause=52(0x34)(Single address bearers&only allowed) ，发起IPV6的第三次默认承载请求，导致错误建立两个IMS承载。
3、IP类型是IPV4V6，设置APN接入点，APN是12（错误的APN）联合attach accept回复的是esm_cause=52(0x34) (Single addressbearers only allowed)，然后终端侧发起数据默认承载PDN请求，回复是esm_cause=51(0x33)PDN type IPv4 only&allowed，不会再发起默认承载PDN请求。
三星 S6 使用终端侧设置默认的 APN，测试结果如下：
1、IP类型是IPV4V6，设置APN接入点，apn设置为cmnet（正确的APN）联合attach accept回复的是esm_cause=51(0x33)PDN type IPv4 only allowed， 后面不会再发起默认承载PDN请求。
2、三星无预置接入点的apn是空值，通过手动添加apn，无法添加apn为空值，必须输入内容。
3、IP类型是IPV4V6，设置APN接入点，apn设置为12（错误的APN）联合attach accept回复的是esm_cause=51(0x33)PDN type IPv4 only allowed，后面不会再发起默认承载PDN请求。
影响范围：
虽然此问题在三星S6、华为M7终端上无法复现。但是HTC终端采用了高通的原生IMS方案，与高通芯片集成，而三星S6采用厂家自主开发的IMS协议栈、华为M7采用海思芯片的IMS方案，其他终端厂家无法普遍采用。
将来，各个其他终端厂家大多会采用HTC终端的IMS方案。因此，HTC终端与网络适配性问题，长远来看是较为重要。
使用HTC M8T会导致华为MME下发ESM CAUSE不符合移动规范、HTC M8T在设置APN为空的情况下会出现呼叫失败，但影响范围不大。
【解决方案】
尝试修改APN设置为CMNET，如下图所示，修改后拨打VOLTE呼叫成功。
此问题，终端侧和网络侧均存在问题，各网元的解决方案：
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