EPS承载

1.EPS承载是什么？演进分组系统（EvolvedPacketSystem，EPS）是3GPP标准委员会制定的3GUMTS最新演进标准，主要包括无线接口长期演进（LongTermEvolution，LTE）和系统结构演进（SystemArchitectureEvolution，SAE）。ESP使用“EPS承载（EPSBearer）”这一概念提供从公共分给数据网网关到用户终端的IP路由。一个EPS承载是分组数据网网关和UE间满足一定服务质量（QualityofService，QoS）的IP流。无线承载，S1承载，S5/S8承载2.EPS承载的QoS控制问题具有严格服务质量(QoS)保证的数据、语音、图像、视频等多种多媒体业务是目前移动通信系统面临的主要挑战之一[1]。为了保证各种多媒体业务的服务质量，3GPP在通用移动通信系统(UMTS)中清晰地定义了端到端的QoS结构，并引入了多种承载及处理机制，以保证UMTS可以充分发挥自身的技术优势，为用户提供各种差异化的服务。为了保证在未来10年内的技术先发优势，为运营商和用户不断增强的需求提供更好的支持，3GPP于2004年又提出了长期演进(LTE)与系统架构演进(SAE)两大研究计划[2]，其中SAE课题则主要是从网络架构的角度对系统性能进行优化与提高，与之相应的演进网络被称为演进的分组系统(EPS)。EPS系统的QoS机制在UMTS系统基础上进行了诸多增强与改进。首先，考虑到未来数据业务具有高速、突发的特征，为有效提高用户体验，减小业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，EPS系统引入了默认承载的概念，即在用户进行网络附着的同时，为该用户建立一个固定数据速率的默认承载，保证其基本的业务需求。其次，由于LTE系统在无线接入网中取消了专用信道的概念，转而采用了共享信道的机制，并采用更灵活的动态调度机制，EPS取消了UMTS系统中复杂的QoS协商机制。另外，鉴于LTE/SAE网络增加了对GSM、WCDMA、LTE、CDMA2000及WiMAX等多种无线技术接入统一分组域核心网的需求，与之对应，EPS系统也要求能够支持跨不同接入技术的端到端QoS保证，即用户设备(UE)在跨越不同接入网时，能够有效地实现QoS参数之间的映射，保证无缝的用户体验[3]。2.1无线通信网络QoS的演进随着无线通信技术与IP技术的紧密结合，移动通信网络从GSM系统的电路交换网发展到通用分组无线业务(GPRS)的分组交换网，再到能提供高速率实时数据业务的UMTS网络。在整个移动网络演进过程中，为了根据不同业务特点为用户提供满意的服务，移动网络的QoS机制也在不断发展成熟。GSM基于电路交换方式，电路连接建立后即可保证业务的服务质量，QoS保证比较简单，且QoS参数基本不在网络中传递。GPRS基于分组交换方式，IP承载方式的引入，使得GPRS网络的QoS保证比GSM要复杂很多。GPRS定义的QoS参数有：时延级别、可靠级、最大数据流量、优先级、平均数据流量、重发需求等等，这些QoS参数要求能够在用户终端(UE)与网络侧实体服务GPRS支持节点(SGSN)、网关GPRS支持节点(GGSN)之间传递。R99版本引入了端到端的QoS分层体系结构，这种架构涉及所有网元，包括用户终端、接入网实体、核心网实体，而且不同接口的QoS参数处理必须保持一致。可以说，UMTS系统引入的QoS分层体系结构是移动通信网在QoS技术演进方面的大飞跃[4]。同时，R99版本的核心网IP承载还采用了互联网工程任务组(IETF)定义的QoS技术，包括有：综合服务/资源预留(Int-Serv/RSVP)、多协议标记交换(MPLS)、差分服务(Diff-Serv)、流量工程和基于约束的寻路等技术，并首次明确定义了4种不同QoS的业务类型：会话类、流类、交互类以及背景类。R5/R6阶段中，为了实现端到端的QoS保证，以满足IMS移动多媒体业务的服务质量要求，3GPP组织又提出基于IP连接的策略控制机制[5]。随后，R7版本将R6版本中的策略控制功能(PDF)与流计费功能(FBC)相合并，在业务控制层和接入/承载层之间增加了策略控制和计费(PCC)子系统，完成资源接纳控制功能。R8版本针对未来数据业务具有突发性的特点，引入EPS专用承载及默认承载的概念，有效地减小了业务承载的建立时延，真正实现了用户的“永远在线”[6]。同时，针对LTE网络无线接入网共享信道机制的特征，在EPS网络的承载处理(承载创建/修改/删除)过程中，取消了网络实体间复杂的QoS协商机制。2.2EPS系统的QoS机制在R8的EPS系统中，QoS控制的基本粒度是承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流量将获得相同的QoS保障，不同类型的承载提供不同的QoS保障。与UMTS系统相比，EPS系统的承载机制不同之处在于：•采用EPS承载代替分组数据协议(PDP)上下文，一个EPS承载能够看作UE与分组数据网网关(PDN-GW)之间的逻辑电路。•在初始附着的过程中按照用户签约的默认QoS等级建立一个默认承载，即每个UE总是至少有一个激活的承载存在，从而保证用户在开始业务时具有更短的时延。•将由终端发起PDP上下文建立流程改为通过网络侧触发方式的数据承载建立流程，其触发条件可以是IP多媒体子系统(IMS)会话中的策略与计费规则功能实体(PCRF)交互、初始附着时移动性管理实体(MME)指示，或是由UE请求，从而方便未来很多由网络端发起的业务的QoS及策略控制。•EPS的QoS基于QoS等级标识(QCI)参数，其中QCI可用来代替UMTS系统中一套10多个参数，即演进型基站(eNodeB)可以从QCI推导出全部参数特征。2.3EPS承载业务架构为了实现端到端QoS，EPS系统从业务的起点到业务的终点都建立和使用了具有明确定义属性与功能的承载业务，EPS承载业务的分层架构如图1所示。从图1可以看出，EPS承载业务架构继续沿用了UMTS网络相似的QoS框架结构——分层次、分区域的QoS体系结构，也就是说每一层的承载业务都是通过其下一层的承载业务来提供的[7-8]。端到端的QoS业务可以分解为两部分：EPS承载业务与外部承载业务。其中，外部承载业务用于连接UMTS核心网和位于外部网络节点之间的业务承载。EPS承载业务则可以分为EPS无线承载业务与EPS接入承载业务两部分。EPS无线承载业务可根据请求的QoS，实现eNodeB与UE之间的EPS承载业务数据单元的传送，同时提供IP头压缩、用户平面加密功能，并可以为UE提供映射及复用信息；EPS接入承载业务则可以根据请求的QoS，实现MME与eNodeB之间的EPS承载业务数据单元的传送，同时提供端到端IP业务流汇聚的QoS保证[9]。2.4EPS承载概念EPS系统中定义了分组数据网络(PDN)连接业务的概念，PDN连接业务是指EPS网络在UE与一个PLMN的外部PDN之间提供的IP连接，PDN连接业务可支持一个或者多个业务数据流(SDF)的传输。当服务网关(S-GW)和PDN-GW之间的S5/S8接口基于GPRS隧道协议(GTP)时，EPS网络中PDN连接业务由EPS承载提供；而当S5/S8接口基于代理移动IP(PMIP)协议时，PDN连接业务将由EPS承载和S-GW与PDN-GW之间的IP承载连接而成。一个EPS承载唯一标识SDF的一个集合体，对应相同承载级别QoS的多个SDF的集合，每个SDF对应传输流模板(TFT)中的一个数据包过滤器，也就是说每个EPS承载关联着UE的上行TFT和PDN-GW的下行TFT。下面基于GTP协议的上行EPS承载为例，分析其建立过程与实现原理，如图2所示。首先，UE通过UL-TFT将一个上行SDF绑定成一个EPS承载，若在UL-TFT中包含多个上行分组数据包过滤器，则多个SDF将可以复用相同的EPS承载。随后依顺序，UE通过创建SDF与无线承载之间的绑定，实现UL-TFT与无线承载之间的一一映射；eNodeB通过创建无线承载与S1承载之间的绑定，实现无线承载与S1承载之间的一一映射；S-GW通过创建S1承载与S5/S8承载之间的绑定，实现S1承载与S5/S8承载之间的一一映射。最终，EPS承载数据通过无线承载、S1承载以及S5/S8承载的级联，实现了UE对外部PDN网络之间PDN连接业务的支持。EPS系统中，在PDN连接业务存在期间会始终保持建立一个承载，来给UE提供“永远在线”的IP连接，这个承载叫做默认承载。默认承载的QoS参数可以来自于从归属用户服务器(HSS)中获取的签约数据，也可以通过PCRF交互或者基于本地配置来改变这些值。连接到相同PDN的其他EPS承载称为专有承载，专有承载的创建或修改只能由网络侧来发起，并且承载级QoS参数值总是由分组核心网来分配。若在承载建立或修改过程中，与EPS承载相关联的保证比特率(GBR)对应的专有网络资源被恒定地分配，这个EPS承载就属于GBR承载；否则，这个承载就属于Non-GBR承载。专有承载可以是GBR承载或者Non-GBR承载，而默认承载一定是Non-GBR承载。2.5承载级QoS参数EPS系统中，承载级QoS参数包括QCI、分配与保持优先级(ARP)、GBR、最大比特速率(MBR)和聚合最大比特速率(AMBR)。其中，QCI与AMBR两个参数是EPS系统新增加的，其余参数则都沿用于现有的UMTS系统。无论是GBR承载还是Non-GBR承载，都包含与QCI和ARP两个参数。QCI是一个数量等级，用来表示控制承载级别的数据包传输处理的接入点参数，例如调度权重、接入门限、队列管理门限、链路层协议配置等等。ARP的主要目的是在资源限制的情况下决定接受还是拒绝承载的建立或修改请求。同时，ARP用于特殊的资源限制时(例如在切换时)，决定丢弃哪个承载。一旦承载成功建立后，ARP将对承载级别的数据包传输处理没有任何影响。除QCI与APR两个参数外，每个GBR承载还与GBR和MBR参数相关联。GBR承载主要用于语音、视频、实时游戏等业务，采用专用承载和静态调度的方式进行承载。参数GBR代表了预期能够由GBR承载提供的比特速率，参数MBR则限制了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。Non-GBR承载则主要用于各种数据业务的承载，为了尽可能提高系统的带宽利用率，EPS系统引入了汇聚的概念，并定义了AMBR参数。AMBR是到每个PDN连接的IP-CAN会话级QoS参数，相同PDN连接的多个EPS承载可以共享相同的AMBR值。当其他EPS承载不传送任何业务时，这些Non-GBR承载中的每一个承载都能够潜在地利用整个AMBR。因此，AMBR参数实际上限制了共享这一AMBR的所有承载能所能提供的总速率。AMBR参数基于两种不同的场景可分为UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE-AMBR参数作为UE的签约数据保存在HSS中，用于指示UE针对不同PDN接入的参数属性，并通过网络注册流程由HSS传送给MME。当UE建立起到某PDN的第一条数据连接时，相应的上下行UE-AMBR即可以通过默认承载建立流程，传送到eNodeB实体，由eNodeB完成其控制与执行。APN-AMBR参数是存储在HSS中的针对每个接入点名称(APN)的签约参数，它实际上限制了同一个APN中的所有PDN连接期望提供的累计比特速率。其中，下行APN-AMBR由PDN-GW负责执行，上行APN-AMBR由UE或PDN-GW负责执行。2.6标准QCI属性QCI是EPS承载最重要的QoS参数之一，它是一个数量等级，代表了EPS应该为这个SDF提供的QoS特性，每个SDF都与且仅与一个QCI相关联。与相同IP-CAN会话相对应的多个SDF，若具有相同的QCI和ARP值，可以作为一个单独的业务集合来处理，这就是SDF集合。表1给出了EPS系统定义的标准QCI属性，所有的QCI属性均可由运营商根据实际需求预配置在eNodeB上，这些参数决定了无线侧承载资源的分配。上述标准QCI参数属性