基于用戶價(jià)值的LTE網(wǎng)絡(luò)差異化QoS策略實(shí)施的研究

許 強(qiáng)，郭 威，常艷生（中國(guó)聯(lián)通河南省分公司，河南鄭州450008）

0 引言

當(dāng)前各種王卡、冰激凌等不限流量用戶發(fā)展迅速，致使LTE網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容壓力激增，同時(shí)流量單價(jià)的大幅下降，部分用戶ARPU已經(jīng)低于流量成本線?，F(xiàn)有用戶對(duì)流量、價(jià)格、服務(wù)品質(zhì)的需求已有較大差異，僅以業(yè)務(wù)量的多少對(duì)全部客戶進(jìn)行簡(jiǎn)單化、單維度、普惠型的服務(wù)保障，已經(jīng)不能滿足發(fā)展和管理需要，必須從“質(zhì)”的維度增加服務(wù)保障策略。高端用戶是運(yùn)營(yíng)商的收入基石和主要的利潤(rùn)之源，尤其在移動(dòng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)白熱化的態(tài)勢(shì)下，保證高價(jià)值用戶的在網(wǎng)率顯得更加重要，運(yùn)營(yíng)商需要轉(zhuǎn)變重量不重質(zhì)的發(fā)展思路，通過(guò)差異化的業(yè)務(wù)質(zhì)量服務(wù)的手段，提升高價(jià)值用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)移動(dòng)數(shù)據(jù)使用情況的分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)約80%的流量是由低價(jià)值用戶產(chǎn)生的，占用了大量網(wǎng)絡(luò)資源，由于HSS中所有用戶簽約QoS策略都是一致的，貢獻(xiàn)利潤(rùn)最大的20%高價(jià)值用戶和普通用戶在業(yè)務(wù)感知度方面沒有區(qū)別，其業(yè)務(wù)感受并沒有因高ARPU值而得到較高的業(yè)務(wù)使用體驗(yàn)和保障，其業(yè)務(wù)質(zhì)量滿意度在NPS調(diào)查方面呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì)。在無(wú)線資源有限和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，做好高價(jià)值用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量保障已成為提升網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)率的重點(diǎn)工作，也是今后網(wǎng)絡(luò)精細(xì)化運(yùn)維優(yōu)化的方向。

1 基于用戶價(jià)值的差異化QoS策略

1.1 LTE QoS主要參數(shù)

LTE網(wǎng)絡(luò)中不同的QoS代表著不同業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)，QoS主要通過(guò)預(yù)先配置在網(wǎng)絡(luò)中的QCI和ARP 2個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)質(zhì)量等級(jí)標(biāo)識(shí)（QCI）是一個(gè)標(biāo)度值，用于衡量特定的提供給服務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF）的包轉(zhuǎn)發(fā)行為（如丟包率、包延遲預(yù)算），它同時(shí)應(yīng)用于GBR和Non-GBR承載，用于指定訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)內(nèi)定義的控制承載級(jí)分組轉(zhuǎn)發(fā)方式（如調(diào)度權(quán)重、接納門限、隊(duì)列管理門限、鏈路層協(xié)議配置等），3GPP協(xié)議中LTE系統(tǒng)定義了9種常用標(biāo)準(zhǔn)QCI。

分配和保留優(yōu)先級(jí)（ARP）：主要應(yīng)用于接入控制，在資源受限的條件下，決定是否接受相應(yīng)的Bearer建立請(qǐng)求，同時(shí)應(yīng)用于GBR和Non-GBR承載。一個(gè)承載的ARP僅在承載建立之前對(duì)承載的建立產(chǎn)生影響，承載建立之后的QoS特性，應(yīng)由QCI、GBR、MBR等參數(shù)來(lái)決定。3GPP協(xié)議規(guī)定ARP有15個(gè)等級(jí)，取值為1～15，1為最高優(yōu)先級(jí)，除了等級(jí)參數(shù)外，ARP里還有搶占能力（Pre-EmptionCapability）和被搶占能力（Pre-EmptionVulnerability）2個(gè)參數(shù)。

1.2 差異化QoS策略

差異化QoS策略需要EPC核心網(wǎng)和無(wú)線eNodeB協(xié)同實(shí)施，通過(guò)核心側(cè)的策略下發(fā)，在無(wú)線接入側(cè)對(duì)空口資源進(jìn)行調(diào)度分配，優(yōu)先保證高價(jià)值用戶的接入，或者賦予高價(jià)值用戶體驗(yàn)較好的保障業(yè)務(wù)速率。為方便后續(xù)描述，將高價(jià)值用戶簡(jiǎn)稱為VIP用戶，實(shí)施下發(fā)策略的小區(qū)簡(jiǎn)稱為保障小區(qū)，保障小區(qū)歸屬的eNodeB簡(jiǎn)稱為保障基站。

圖1 動(dòng)態(tài)方式QoS策略實(shí)施典型工作流程

1.2.1 靜態(tài)方式

通常HSS中配置有LTE用戶的QoS參數(shù)模板，定義具體的QCI值、ARP值和業(yè)務(wù)接入速率，沒有特殊要求下，全網(wǎng)用戶一般使用的都是統(tǒng)一的QoS值。如果需要針對(duì)VIP用戶做業(yè)務(wù)質(zhì)量保證，可通過(guò)在HSS中定義新的QoS模板，配置較高等級(jí)的ARP和QCI。由于較普通用戶的QoS等級(jí)高，VIP用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳輸接入時(shí)延和資源分配會(huì)得到優(yōu)先保障，從而得到更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。因?yàn)槭怯脩艉灱s的屬性，所以無(wú)論何時(shí)何地，高等級(jí)用戶接入的優(yōu)先級(jí)始終會(huì)高于普通用戶。

1.2.2 動(dòng)態(tài)方式

動(dòng)態(tài)方式指通過(guò)PCRF來(lái)動(dòng)態(tài)下發(fā)不同的QoS策略（見圖1）。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)質(zhì)量場(chǎng)景，在PCRF中配置相應(yīng)的QoS模板，用戶在觸發(fā)業(yè)務(wù)時(shí)，通過(guò)PCRF向SPR查詢是否為訂閱用戶，符合條件就由PCRF來(lái)執(zhí)行下發(fā)相應(yīng)的策略配置。通過(guò)動(dòng)態(tài)方式可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，實(shí)現(xiàn)基于區(qū)域、建立業(yè)務(wù)專載通道等多種QoS保障，更加靈活地調(diào)度實(shí)施差異化的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障。

1.2.3 策略實(shí)施的選擇

采用靜態(tài)方式，不論移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源負(fù)荷如何，QoS簽約等級(jí)較高用戶的業(yè)務(wù)接入和帶寬會(huì)優(yōu)先保證。在當(dāng)前移動(dòng)業(yè)務(wù)行為場(chǎng)景復(fù)雜多變的情況下，單純采取靜態(tài)方式并不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化和用戶感知變化的需求，所以更多是采用動(dòng)態(tài)方式或動(dòng)靜結(jié)合的方式來(lái)保證差異化服務(wù)質(zhì)量。實(shí)施差異化QoS服務(wù)的目的是優(yōu)先保障VIP用戶的使用感知，但并不是完全以犧牲普通用戶感知為代價(jià)，所以本文重點(diǎn)研究動(dòng)態(tài)方式差異化QoS策略的實(shí)施，并對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出無(wú)線資源調(diào)度的合理配比。

2 現(xiàn)網(wǎng)動(dòng)態(tài)差異化QoS測(cè)試方案

2.1 測(cè)試場(chǎng)景

選取數(shù)個(gè)高流量話務(wù)小區(qū)，預(yù)先在PCRF配置基于小區(qū)位置下發(fā)的QoS策略，在SPR中簽約測(cè)試VIP用戶號(hào)碼信息，保障基站中配置基于QCI的差異化調(diào)度參數(shù)。VIP用戶移動(dòng)到保障小區(qū)時(shí)，PCRF依據(jù)PGW/GGSN上報(bào)的小區(qū)ECGI信息匹配后下發(fā)策略，保障基站收到新的QoS后，對(duì)相關(guān)小區(qū)執(zhí)行差異化的調(diào)度配置。具體流程如下。

a）用戶接入的認(rèn)證。終端通過(guò)eNodeB向EPC網(wǎng)絡(luò)上報(bào)其所處位置，PCRF收到PGW上報(bào)的接入請(qǐng)求中攜帶有用戶的位置信息，PCRF向SPR發(fā)起查詢請(qǐng)求，查詢是否為簽約用戶。

b）策略事件訂閱。用戶認(rèn)證通過(guò)后，PCRF根據(jù)簽約信息，向PGW下發(fā)訂閱的相關(guān)策略模板，PGW記錄并存儲(chǔ)用戶的測(cè)試事件。

c）QoS策略執(zhí)行。PCRF根據(jù)當(dāng)前上報(bào)的位置信息進(jìn)行匹配，如果符合就下發(fā)對(duì)應(yīng)的QoS策略，PGW收到QoS變化的請(qǐng)求隨即發(fā)起修改承載的流程，將新的QCI和ARP傳遞給eNodeB。

d）eNodeB根據(jù)新的QCI和APR，執(zhí)行差異化的調(diào)度策略。

圖2 無(wú)法觸發(fā)位置上報(bào)的場(chǎng)景及解決辦法

e）如果用戶沒有簽約，或者上報(bào)的位置信息沒有匹配，PCRF會(huì)通知PGW不進(jìn)行QoS變更，用戶仍舊沿用簽約默認(rèn)的QoS。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)及方案采用

2.2.1 小區(qū)位置的上報(bào)實(shí)現(xiàn)

PCRF收到的小區(qū)信息是由PGW通過(guò)Gx接口上報(bào)的，PGW本身是無(wú)法感知用戶位置變化的，需由MME將位置信息通過(guò)SGW傳遞給PGW。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中MME一般都是池組化組網(wǎng)，有利于減少intra TAU的信令，在同一池組內(nèi)進(jìn)行基于小區(qū)的切換時(shí)，MME不上報(bào)位置信息，因?yàn)殚_啟且實(shí)時(shí)上報(bào)小區(qū)位置信息，將在全網(wǎng)產(chǎn)生巨量的信令負(fù)荷，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來(lái)巨大沖擊，可采用以下2種方式解決。

a）基于X2切換上報(bào)ECGI。eNodeB之間部署X2接口，發(fā)生eNodeB之間切換時(shí)，目標(biāo)eNodeB會(huì)發(fā)送Path Switch Request消息給MME請(qǐng)求S1-U GTP tunnel指向目標(biāo)eNodeB，在消息中攜帶有小區(qū)的ECGI信息。但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)策略實(shí)施不生效的場(chǎng)景：假使VIP用戶進(jìn)入保障基站下的非保障小區(qū)，或者在非保障小區(qū)重啟終端，此時(shí)VIP用戶攜帶的是和普通用戶一樣的默認(rèn)簽約QoS，后續(xù)移動(dòng)到保障小區(qū)，由于MME對(duì)于小區(qū)切換的變化是不上報(bào)的，造成PGW無(wú)法更新ECGI信息，即使進(jìn)入保障小區(qū)，PCRF也無(wú)法執(zhí)行策略下發(fā)。解決辦法是在PCRF中將保障基站下所有小區(qū)都進(jìn)行配置（見圖2），這樣在整個(gè)保障基站下的小區(qū)內(nèi)VIP用戶始終攜帶下發(fā)的QoS參數(shù)，只要移動(dòng)到保障小區(qū)，相應(yīng)配置便能夠觸發(fā)。這種做法的缺點(diǎn)是擴(kuò)大了不必要保障的范圍，PCRF上需要增加的數(shù)據(jù)量也較多。

b）基于PRA（Presence Reporting Area）上報(bào)ECGI。PRA所處上報(bào)區(qū)域，即預(yù)先定義需要上報(bào)的小區(qū)列表，當(dāng)UE觸發(fā)PRA或PRA狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，MME將ECGI信息立即通知PGW（PCEF）。為實(shí)現(xiàn)基于PRA上報(bào)位置信息，EPC網(wǎng)元需要進(jìn)行相關(guān)配置（見表1），通過(guò)PRA功能可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的ECGI上報(bào)，但要對(duì)相應(yīng)網(wǎng)元進(jìn)行配置，網(wǎng)絡(luò)改造的工作量較大。

表1 EPC網(wǎng)元PRA配置

2.2.2 無(wú)線QoS控制方法

2.2.2.1 基于ARP的QoS控制

ARP是分配保持優(yōu)先級(jí)，該參數(shù)標(biāo)識(shí)了承載的搶占或者被搶占屬性，在資源受限情況下，eNodeB可以根據(jù)ARP決定是否接受一個(gè)承載建立/修改請(qǐng)求；在發(fā)生擁塞時(shí)，eNodeB可以根據(jù)ARP決定釋放掉某一個(gè)或者多個(gè)承載。

2.2.2.2 基于QCI的QoS控制

對(duì)于GBR承載類型，eNodeB基于GBR QoS滿意率/PRB準(zhǔn)入策略和ARP決定是否接受GBR業(yè)務(wù)的接入請(qǐng)求；在上行和下行調(diào)度時(shí)需要優(yōu)先保證GBR業(yè)務(wù)的速率和時(shí)延。對(duì)于Non-GBR承載類型，eNodeB不保證Non-GBR業(yè)務(wù)的速率和時(shí)延，但可以基于不同QCI配置差異化的調(diào)度參數(shù)，讓被保障用戶獲得盡可能高的速率。

2.2.3 試點(diǎn)方案的技術(shù)采用

a）現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)部署X2接口，考慮最大程度減少對(duì)EPC網(wǎng)絡(luò)的改動(dòng)，采用基于X2切換上報(bào)小區(qū)的ECGI位置信息，在PCRF上配置保障基站的全部小區(qū)ECGI值。

b）無(wú)線QoS控制方面，ARP主要定義了用戶在使用GBR業(yè)務(wù)時(shí)接入和搶占能力，而QCI主要定義了用戶在業(yè)務(wù)過(guò)程中的調(diào)度優(yōu)先級(jí)、決定了用戶的速率和時(shí)延感知。由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中GBR業(yè)務(wù)占比很低，因此可通過(guò)基于QCI的QoS控制來(lái)保障VIP用戶的差異化感知。

c）VIP用戶、普通用戶HSS均簽約QCI=8，PCRF下發(fā)的VIP用戶QCI=6。

d）無(wú)線參數(shù)啟用差異化服務(wù)，普通用戶默認(rèn)承載QCI＝8，VIP用戶QCI＝6，這種情況下可以保證VIP用戶在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)更有可能達(dá)到較高速率?；緦?duì)不同QCI差異化配置“調(diào)度優(yōu)先級(jí)加權(quán)因子”，該參數(shù)設(shè)置的越大，對(duì)應(yīng)QCI的上下行業(yè)務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)越高，其業(yè)務(wù)速率越能得到優(yōu)先保證（見表2）。

表2 保障基站不同調(diào)度權(quán)重參數(shù)配置

3 實(shí)施效果評(píng)估及建議

3.1 效果評(píng)估

通過(guò)S1-MME接口信令跟蹤，X2切換后PGW成功接收到ECGI變化，PCRF能夠成功匹配保障小區(qū)并把QCI=6的策略下發(fā)給無(wú)線側(cè)。

為了充分驗(yàn)證不同負(fù)荷、不同無(wú)線環(huán)境下的保障效果，本文選擇高負(fù)荷（≥85%）、中等負(fù)荷（50%～60%）和低負(fù)荷（＜30%）小區(qū)等3類場(chǎng)景，在覆蓋好、中、差點(diǎn)驗(yàn)證不同調(diào)度權(quán)重配置下高價(jià)值試驗(yàn)用戶的速率感知保障效果及對(duì)普通用戶的影響。

3.1.1 低負(fù)荷小區(qū)差異化實(shí)施效果

圖3給出了低負(fù)荷小區(qū)實(shí)施效果。好、中、差點(diǎn)在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，F(xiàn)TP下行速率基本與配置一致；在2∶1、4∶1時(shí)，保障VIP用戶的同時(shí)、普通用戶速率也均在6 Mbit/s以上，但在10∶1時(shí)，普通用戶速率較低。

3.1.2 中負(fù)荷小區(qū)差異化實(shí)施效果

圖4給出了中負(fù)荷小區(qū)實(shí)施效果。好、中、差點(diǎn)在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，F(xiàn)TP下行速率基本與配置一致。在2∶1時(shí)，保障高價(jià)值用戶的同時(shí)、普通用戶速率在差點(diǎn)也在4 Mbit/s以上，但4：1、10∶1時(shí)，普通用戶在覆蓋差點(diǎn)速率很低。

3.1.3 高負(fù)荷小區(qū)差異化實(shí)施效果

圖5給出了高負(fù)荷小區(qū)實(shí)施效果。好、中、差點(diǎn)在1∶1、2∶1、4∶1、10∶1 4種配比下，F(xiàn)TP下行速率基本與配置一致。但由于負(fù)荷高，高價(jià)值用戶和普通用戶差點(diǎn)速率均無(wú)法得到較好保障。

綜合3.1.1～3.1.3可知：為了平衡高價(jià)值用戶和普通用戶的感知，建議兩者“調(diào)度優(yōu)先級(jí)加權(quán)因子”的配比為2∶1。

圖3 低負(fù)荷不同調(diào)度權(quán)重DL速率

圖4 中負(fù)荷不同調(diào)度權(quán)重DL速率

圖5 高負(fù)荷不同調(diào)度權(quán)重DL速率

3.1.4 高負(fù)荷小區(qū)最低保障速率驗(yàn)證

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷小區(qū)下，若VIP用戶、普通用戶的“調(diào)度優(yōu)先級(jí)加權(quán)因子”配置為2∶1時(shí)，在中、差點(diǎn)VIP用戶的速率較低。為了驗(yàn)證該場(chǎng)景下對(duì)VIP用戶的速率保障能力，修改了高價(jià)值用戶（QCI=6）的“下行最小保證速率”，由8 kbit/s修改為4 096 kbit/s后，用戶的速率均保持在4 000 kbit/s以上。但此時(shí)，普通用戶的下行速率只有200～500 kbit/s。

3.2 策略網(wǎng)絡(luò)部署建議

從以上驗(yàn)證效果來(lái)看，通過(guò)PCRF和無(wú)線網(wǎng)配合，對(duì)VIP用戶下發(fā)較高等級(jí)QCI，適配不同的調(diào)度參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VIP用戶較高的速率保障。主要結(jié)論如下。

a）“調(diào)度優(yōu)先級(jí)加權(quán)因子”配比為2：1可以實(shí)現(xiàn)高價(jià)值用戶的速率保障并平衡普通用戶感知，但在高負(fù)荷小區(qū)下效果不佳。當(dāng)小區(qū)負(fù)荷較高時(shí)（下行PRB利用率＞85%），差異化策略已無(wú)法兼顧普通用戶感知，需要通過(guò)小區(qū)擴(kuò)容來(lái)解決。

b）在高負(fù)荷場(chǎng)景下，可以適當(dāng)修改“上下行最小保證速率”來(lái)保障高價(jià)值用戶的速率感知。但負(fù)荷較高時(shí)容易造成GBR業(yè)務(wù)接入擁塞，需慎重使用。

c）差異化QoS實(shí)施前，需要提前統(tǒng)一全網(wǎng)默認(rèn)簽約QoS參數(shù)，避免不同區(qū)域用戶規(guī)則不一致影響實(shí)施效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著自動(dòng)化運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，可以運(yùn)用IT手段將策略下發(fā)和無(wú)線網(wǎng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷數(shù)據(jù)適時(shí)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加智能、敏捷的QoS調(diào)整和部署，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展和變化。同時(shí)，差異化QoS的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以與業(yè)務(wù)發(fā)展聯(lián)動(dòng)，形成完善的差異化產(chǎn)品和服務(wù)能力，比如游戲加速、視頻加速等，實(shí)現(xiàn)價(jià)值服務(wù)的變現(xiàn)，挖掘網(wǎng)絡(luò)的增值潛力，為運(yùn)營(yíng)商提供新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。