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通信标准
3GPP LTE-Advanced R12标准的服务质量（QoS）
Najah Abu Ali1, Abd-Elhamid M. Taha2, Hossam S. Hassanein3
（1.阿联酋大学；2.费萨尔大学；3.女王大学）
摘要：移动数据流量不断增长的需求，给下一代无线通信网络的能力带来了巨大的挑战性。相应地，全球的运营商也在不断扩展和更新移动网络的部署。而面对这一现象，3GPP并没有采取类似方案，反而在持续探索一些方案，这些方案能够容许运营商使用容量更大、更加经济、更加节能的网络。对于3GPP的R12标准，其重心已经转移到从网络规模和传输模式方面应对难以避免的数据流量剧增的现状。在本文中，重点强调了LTE-A的R12标准中与提高服务质量(QoS)相关的一些特征。具体来说，本文主要在以下方面探索了提高网络容量和传输服务质量的措施：实施数据分流，提高服务质量，以及优化拥塞控制。
1 介绍
随着现有的第三代（3G）网络的更新，以及新的关于长期演进（LTE）商业网络所作的全球部署，移动数据业务的需求在大小和种类方面不断增加。智能手机普及率上升激励了这种增长，除此之外，在传感/驱动和M2M应用方面引发的热潮也是这种增长的推动力。反过来，运营商继续扩展其网络的能力。全球移动供应商协会（GSA）预计，LTE商用部署数量将在2013年年底达到87个国家的284网络[1]。由第三代合作伙伴计划（3GPP）发布的Release 8和Release 9指定，LTE实现了在网络容量方面相对于它的前辈的可观收益。 LTE将为LTE-Advanced的网络铺平道路。由3GPP描述的Release 10及以后，LTE-A网络承诺，对于低移动性的用户，静止下行链路至少为1Gb/s。
然而，针对移动数据流量的预测，正在挑战这些下一代网络的能力。在2012年，全球移动数据流量比2011年大了70％，上升到平均885 Pbytes /月。到2017年，这个平均会预期上升到11.16 Ebytes——由大约4百亿设备生成的一个13倍的增长[2,3]。在这些中有563481 TB将是M2M流量。因此，LTE-Advanced的早期部署（到2011年3月）在2012年年底和2013年初已开始，尽管LTE-Advanced的手机还没有上市。
对于LTE-A的各种增强已经在Release 11（发布于2012年12月）中实现。除了在信令和节能技术的其他改进之外，这些改进还包括用于载波聚合的其他载波类型，增强的下行链路控制信道，协作多点传输的引入，小区干扰的进一步优化，对机器类型通信（MTC）的过载控制。
目前，3GPP正在朝着Release 12（将在2014年6月至9月完成）演进。除了对节约能源，提高成本效益，为不同的应用和流量类型提供相应支持，更好的用户体验，回程增强[4]等的持续关注外，这一目标也会专门针对预期的流量爆炸。
在这篇文章中，我们强调一些3GPP Release 12在解决服务质量（QoS）方面的主要贡献。我们回顾了采取在各层提高网络容量的措施，特别是在数据分流、无线局域网（WLAN）和蜂窝小区这些方面。除了新发现的对等网络通信支持，我们也期待在改进相关的网络服务，如发展多媒体广播/组播业务（eMBMS）和MTC。我们也期待能够针对LTE-Advanced拥塞控制的解决方案。
2 3GPP标准阅读注释
在Release 10及以后的标准中，3GPP描述了LTE-Advanced。若要获取最新的版本，读者应访问http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-info/status-report.htm。 历代3GPP标准的回顾以及它们终止的日期可在http://www.3gpp.org/Releases找到。这些版本都有相应的具体描述，除了正在进行的研究和工作项目的描述之外，可以在http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/ FeatureListFrameSet.htm和http://www.3gpp.com/ftp/Information/WORK_PLAN/Description _Releases/找到。其中也包括关于Release 12的一个描述，这是准备这项工作时的依据。关于这些问题的初步探索，从TS 36.300[5]开始将是一个不错的选择，它除了包含端到端QoS管理的阐述，也包括针对接入网和核心网的整体网络架构。在TS 22.278中，可以找到对LTE-Advanced和EPS系统的高标准QoS要求。而在TR 22.805中，可以找到关于流量拥塞的各方面的明确报告。
3 基础知识
在讨论LTE-Advanced的Release 12的QoS机制之前，我们需要先回顾一些基础知识，包括相关的定义和流量处理的相关概念。
3.1 参数
我们应当量化这些满足各种应用程序和服务的QoS要求，以此衡量目标网络的性能水平，这些参数包括吞吐量，延迟，抖动和分组丢失[5]。 3GPP确定了以下主要定量参数。
吞吐量：以这几个参数作为表征：保证比特速率，最大比特速率，以及聚合最大比特速率。
bull;保证比特速率（GBR）：分配固定网络资源，这些资源的分配当承载建立或修改后不再改变。因此这是可以被保证的服务数据流。
bull;最大比特速率（MBR）：参数MBR限制了GBR承载能提供的比特速率，它表示了GBR承载提供期望数据速率的上限。
bull;聚合最大比特速率（AMBR）：用于Non-GBR数据流，有两种类型，APN-AMBR和UE-AMBR。APN-AMBR参数是存储在归属签约用户服务器（HSS）中的针对每个接入点名称(APN)的签约参数。HSS对于每个分组数据网络PDN定义了一个QoS分类标识（QCI），为每个分配/保持优先级（ARP）定义了一个APN-AMBR，APN-AMBR参数是指可被所有Non-GBR承载和这个APN的所有PDN连接所消耗的最大比特速率。下行APN-AMBR由PDN-GW负责执行，上行APN-AMBR由UE或PDN-GW负责执行。另一方面，UE-AMBR参数，是指所有Non-GBR承载聚集体为相应UE所提供的MBR。该参数在下行链路和上行链路中都可执行。
延迟：3GPP定义了九类延迟，其中，50毫秒是最严格的，300毫秒是最宽松的。后者可用于容许延迟的应用程序。
丢包：定义为包错误丢失率，类似于包时延预算，一共有9类，10-6是最好的，10-2是最差的。
优先权：由分配/保持优先级（ARP）参数表述，该参数用来指示服务数据流的分配和保留的优先级。当对网络资源的需求发生冲突时，ARP决定一个承载建立/修改请求是否可以被接受或拒绝。在特殊的网络资源的限制中，诸如越区切换，ARP可以由eNodeB使用，用来丢弃具有较低的ARP的数据流以释放容量。然而，一旦数据流被成功建立，ARP对该数据流接收的网络处理不起任何作用。
注意，GBR和MBR是针对每个承载定义，而AMBR参数则针对每一组承载定义。所有的吞吐量参数都有两个组成部分，一个用于下行链路，另一个用于上行链路。
3.2 端到端的QoS
图1 LTE/-Advanced中端到端承载传输所采用的不同承载
Figure 1. An elaboration on the different bearers employed in end-to-end service delivery in LTE and LTE-Advanced.
图1阐述了在LTE和LTE-Advanced中端到端数据流的视图。图中标识了三个网络层次：演进的通用移动电信系统（UMTS）陆基无线接入网络（EUTRAN），演进分组核心（EPC），和因特网。在E-UTRAN中，演进节点B（eNB）服务于该UE。在EPC中，除了其它实体，如移动性管理实体（MME）等之外，有服务网关（S-GW）和P-GW中。最后，该图说明了在eNB和EPC之间的S1接口和在S-GW和P-GW之间的S5/S8接口。
3GPP可区分在不同网络层次间的承载。例如，无线承载是UE和RAN之间的空中连接，而S1承载是eNB和EPC网络实体之间的连接。
承载也可以被分为缺省承载和专有承载。缺省承载是在启动时发起并设立的，承载着所有流量通向目的地。缺省承载是一个Non-GBR承载，不提供比特速率的保证。另一方面，专有承载，可以是GBR承载，也可以是Non-GBR承载。如果是GBR承载，它可以指定有保证的比特速率，分组时延和丢包错误率。专用承载在UE关联了一个UL业务流模板(TrafficFlowTemplate，TFT)，可详细说明该承载的QoS参数。上行TFT被用于映射UE的上行链路流量到特定的QoS参数，该映射在eNodeB和UE两者中进行。用于下行链路的TFT映射在S-GW和P-GW中进行。表1给出了基于LTE QoS框架中的QoS参数的数据流分类的一个例子。每类由一个标量数标定，即QCI标识。一个QCI标识一组QoS参数，这组参数描述了在优先级、允许延迟和分组错误率等方面的分组转发处理方法。
表1 QCI到ARP的映射举例（TS36912-b00）
Table 1. An example QCI to ARP mapping (TS36912-b00).
|
QCI |
类型 |
分组时延 |
丢包错误率 |
该类型服务举例 |
|
1 |
GBR |
80ms |
10-2 |
双向语音业务 |
|
2 |
130ms |
10-3 |
双向语音业务（实时流媒体） |
|
|
3 |
30ms |
10-3 |
实时游戏 |
|
|
4 |
280ms |
10-6 |
非双向视频（缓冲流媒体） |
|
|
5 |
Non-GBR |
80ms |
10-6 |
IMS信令 |
|
6 |
280ms |
10-6 |
视频（缓冲流媒体） 基于TCP协议的业务（如：Web服务，电子邮件，即时通讯，FTP，P2P文件共享，视频等） |
|
|
7 |
80ms |
10-3 |
语音、视频（实时流媒体） 实时游戏 |
|
|
8 |
280ms |
10-6 |
视频（缓冲流媒体） 基于TCP协议的业务（如：Web服务，电子邮件，即时通讯，FTP，P2P文件共享等） |
4 服务
4.1 P2P内容分发
3GPP网络增强后的能力，极大地推进了对等网络（P2P）应用。类似于e/MBMS，由于减少了骨干和回程流量需求所带来的巨大潜力，LTE-Advanced中P2P服务有巨大的动力。在TR 22.906(R11)[6]中，3GPP研究了IP多媒体子系统（IMS）的P2P内容分发的连接，这些是基于为实时与非实时业务流量建立的连接，3GPP已表明，IMS需要进行增强，以支持这些使用情况，例如内容点播，直播和文件下载。这种支持的可行性研究，可在TR 23.844[7]（架构方面）和TR 33.844（安全方面）中找到。语音P2P流量的相关内容在本研究中没有进行。
在需求方面，TR 23.844确定，一个P2P内容分发系统（CDS）需要一个网络抽象。这包括可用于在网络、UE、访问类型、分流能力、当前负载、路径开销信息的中可用的不同传送选择的抽象。它还包括每一端的信息，如（网络）位置，端与端的接近情况，电池状态，以及通过各端提供服务的客户数量。除了使用能保障版权内容的保护机制之外，QoS的支持也自然获得授权。
在架构上，TR 23.844在IMS网络中引入了三个功能实体：内容源服务器（CSS），内容缓存服务
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资料编号：[148710]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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