EPS QoS

本文部分内容引自（深入浅出4G网络——LTE/EPC）

QoS 概念

• QoS（Quality of Service），即服务质量，指使用户在吞吐率、延迟抖动、延迟、丢包率等方面获得预期服务水平所采取的一系列技术的集合。
• 通俗讲，就是对不同业务需求，提供不同质量的网络服务。

基于QoS的角度，将人们使用的丰富多彩的APP抽象为4种类型

1. 对延迟和丢包都敏感的业务——会话类业务（Conversational Class）：
   • 语音业务
   • 在线游戏

玩王者荣耀时候你一个大招丢过去，卡了一下，结果自己已经挂了是什么情况？

2. 对延迟敏感、丢包率不敏感的业务——流类业务（Streaming Class）：
   • 在线视频

有点失真可以忍受，不卡就行。

3. 对丢包率敏感、延迟不太敏感的业务——交互类（Interactive Class）：
   • 即时通信

晚到一秒问题不大~

4. 对丢包率敏感、延迟特别不敏感的业务——背景类（Background Class）：
   • P2P 下载
   • FTP 传输

挂在那下载，干别的去，谁知道什么时候下完。

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QoS 关键参数

用公路来形容EPS网络QoS控制：

1. 有没有路可以走？（承载建立和抢占）
2. 公路限速是多少？路面平整度如何？（数据包转发的优先级、延迟、丢包率）
3. 公路有几条车道？（带宽）

这三点分别对应QoS的3个关键参数：ARP（能不能占）、QCI（占得质量如何）、MBR/GBR（占多少）。

ARP

ARP（Allocation and Retention Priority，分配保留优先级），用来标识业务获取承载的能力，即该承载能否建立和保持（抢占和被抢占）的优先级。
ARP包含三个参数：

• 优先级，Priority Level：创建承载而无可用资源时，抢占其他已建立承载，以及承载建立后被其他新建承载抢占的优先级。（取值1-15，1最高）
• 抢占能力，Pre-emption Capability：创建或修改承载而资源不足时，能否抢占低优先级承载。（取值0或1）
• 被抢占能力，Pre-emption Vulnerability：资源不足时，该承载能否被其他更高优先级的新建或修改承载所抢占。（取值0或1）
  
  

  图1 InitialContextSetupReq.消息中ARP值

同时包含QCI参数，默认承载QCI=6，ARP Pri=6。

QCI

QCI（QoS Classification Identifier，QoS分类标识），占用一个字节，取值范围0-255。
在R8版本中规定了1~9的标准QCI值，分别对应不同的QoS质量要求。

QCI	资源类型	优先级	延迟	丢包率	服务示例
1	GBR	2	100ms	10^-2	Conversational Voice
2	GBR	4	150ms	10^-3	Conversational Voice (Live Streaming)
3	GBR	3	50ms	10^-6	Conversational Voice (Live Streaming)
4	GBR	5	300ms	10^-6	Non-Conversational Video (Buffered Streaming)
5	Non-GBR	1	100ms	10^-6	IMS Signaling
6	Non-GBR	6	300ms	10^-3	Video (Buffer Streaming), TCP based (e.g. www. e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)
7	Non-GBR	7	100ms	10^-6	Voice, Video (Live Streaming), Interactive Gaming
8/9	Non-GBR	8/9	300ms	10^-6	Video (Buffer Streaming), TCP based (e.g. www. e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.)

表1 QCI量化定义（TS 23.203 6.1.7.2）

中国联通QCI参数

• 默认承载：6
• VoLTE IMS信令默认承载：5
• VoLTE语音承载：1
• VoLTE视频承载：2

• QCI 1~4 是GBR（Guarantee Bit Rate，保证带宽）业务。这种业务一般需要 持续等带宽传送，如视频或语音类业务。
• QCI 5~9 是Non-GBR（非保证带宽）业务。这种业务一般符合“突发”传送的带宽模型（浏览网页），或用户对带宽是否均匀并不关心（FTP下载）。虽然不保证带宽，但可能对时延要求非常高，如QCI=5的IMS信令消息，用于VoLTE语音通话的控制，对时延非常敏感。

QCI的作用

EPC核心网不必像2/3G那样把所有的QoS参数全部传给无线侧网元，而只需要将QCI传递给无线侧。且基于QCI，各网元可以按相同标准执行QoS控制。
QCI是LTE网络执行QoS转发质量控制的主线索。

GBR/MBR

• 保证比特率 GBR（Guarantee Bit Rate）：为承载提供保证的带宽，无论适用与否，带宽不变。
• 最大比特率 MBR（Maximum Bit Rate）：为承载能够提供的最大带宽，但无法确保。
  除此之外还有两个聚合最大比特率（AMBR，Aggregate Maximum Bit Rate）参数：
• APN-AMBR：一个用户的同一APN的PDN连接中所有的Non-GBR承载聚合（可共享的）最大比特率。
  -UE-AMBR：一个UE终端所创建的所有Non-GBR承载的聚合最大比特率。

端到端QoS实现

QCI作为LTE网络QoS的标识，只存在于LTE网元（eNB、MME、SAEGW）中，而对于其它层级的设备（数通路由器等），是无法理解QCI的。
为了使它们能够保持一致的QoS控制，需要从数据包中获取到其能识别的QoS信息，才能保障整个端到端通路上统一的QoS策略。
这就需要将QCI映射到不同层级设备的相应QoS控制参数上，如IP层的DSCP、MPLS层的EXP、二层的VLAN优先级等。

• eNB根据用户QCI标注上行DSCP。
• MME设置信令消息的DSCP。
• SAEGW对GTPU和GTPC分别设置优先级，实现更详细的DSCP分类。

图2 端到端QoS映射图

UE、MME、HSS、PCRF等网元分别提出QoS参数，在QoS策略协商一致并建立承载后，在承载转发的底层设备中，会将顶层QoS参数（QCI、ARP、MBR、GBR等）转换为底层能够识别的相应参数，然后封装包并发送。这就保障了在承载通路各个环节都能使QoS策略保持一致。

QCI	IP DSCP	MPLS EXP	VLAN优先级	PTN QoS	业务
	56	7	7	CS7	协议报文
	48	6	6	CS6	协议报文
5	46	5	5	EF	IMS信令
1	32	4	4	AF4	VoLTE语音
6	24	3	3	AF3	分组数据
2、3、4	16	2	2	AF2	VoLTE视频、O&M等

表2 不同业务的QoS映射关系

业务和承载

QoS三要素（QCI、ARP、GBR/MBR）最终都会与承载相关联，并最终关联到业务，实现业务的QoS控制。

几个概念：

• PDN连接（PDN Connection）：由谁发起访问，最终访问谁的一个组合，终端的IP地址确定由谁发起访问，APN确定最终访问谁（详见TS 23.401 3.1）。
• EPS承载（EPS Bearer）：同一个承载使用相同的QoS策略，在一个PDN连接中如果有不同的QoS需求，就需要建立多个EPS承载（详见TS 23.401 4.7.2.1）。
• 默认承载（Default Bearer）：在创建PDN连接时首先建立的承载，与PDN连接共存亡（详见TS 23.401 3.1）。默认承载是Non-GBR承载，中国联通的默认承载QCI取值为6。
• 专有承载（Dedicated Bearer）：默认承载无法满足业务QoS需求时，需创建专有承载，它可以是GBR，也可以是Non-GBR，它可由网络或终端侧发起（Create Bearer Request）。
  承载由Bearer ID标识，对应于2/3G网络中的NSAPI/RAB ID。
  
  

  图3 不同承载QoS控制

• APN和UE IP地址决定了PDN连接
• 一个PDN连接中的Non-GBR承载（包括默认承载）的聚合最大带宽由APN-AMBR决定
• 所有PDN连接中的Non-GBR承载（包括各PDN连接的默认承载）的聚合最大带宽由UE-AMBR决定

TFT

TFT（Traffic Flow Template，业务流模板）是业务和承载间关联的纽带。UE上由上行TFT做上行业务流到承载的映射，PGW上由下行TFT做下行业务流到承载的映射（详见TS 23.401 4.7.2.1）。
TFT在建立承载时创建，专有承载必须关联TFT，默认承载拥有默认的TFT，当业务没有可供映射的专有承载TFT时，映射到默认承载的默认TFT。
TFT与包过滤器（Packet Filter）结合，来实现业务的识别和分流。
包过滤器类似IP五元组，但除了协议、源/目的地址/端口外还额外定义了一些属性信息。在创建专有承载和TFT时，发起方会同时携带Packet Filter信息，其它网元节点就会同时创建该Packet Filter并与此TFT相关联，即实现了业务到承载的映射。
一个TFT可以关联多个Packet Filter，在承载的生命周期里，网络侧和终端还可以新增、修改（Replace）、删除Packet Filter来实现数据流和承载的重新关联、删除等操作。

图4 PDN连接、承载、TFT和Filter关系，来自Olsson Magnus, EPC and 4G Packet Networks

• 一个UE可以建立一个或多个PDN连接（3gnet、3gwap等不同APN）
• 一个PDN连接由APN和IP地址决定，可以包含一个或多个EPS承载（默认承载x1、专有承载xN）
• 一个EPS承载由BearerID、QoS参数等控制，对应于一个TFT
• 一个TFT可以包含一个或多个包过滤器，由TFT+包过滤器的组合映射到不同业务

QoS的决策

• 网络侧协商——互相妥协：在2/3G的GPRS网络中，业务的最终QoS由协商产生。
  • 终端发起业务时（激活PDP上下文）时会携带请求的QoS；
  • HLR中有用户签约的QoS，并将其下发到SGSN中；
  • SGSN/GGSN中可以设置全局QoS；
  • 最终QoS由这几个QoS中的最小值决定（木桶效应）。
• 网络侧控制——独断决定：4G EPS网络中，网络将QoS决策权力回收，完全由网络侧来决定QoS。
  • 在建立默认承载时UE不再提出QoS，而是由HSS中用户签约的默认承载ARP、QCI、APN-AMBR来建立会话和承载。当存在PCRF的QoS控制时，PCRF中关于该终端的QoS优先级要高于HSS签约QoS，PGW会用PCRF的QoS覆盖HSS的QoS来建立会话和承载。
  • 专有承载的QoS完全由PCRF中的签约QoS（GBR）决定。
  • PCRF是QoS的最权威提供方。
• 网络侧控制+MME限制——一票否决：在漫游场景下，QoS由终端归属地PCRF来完全控制，若归属地PCRF建立了占用大量带宽资源的GBR类型的专有承载时，可能会耗光本PLMN的资源，使本地用户无资源可用。此时对“非信任”QoS决策者（非本网PCRF）所分配的QoS需加以限制，此时可在MME上对部分漫游用户配置QoS上限来加以管控。