基于DSCP的LTE業(yè)務(wù)感知差異化服務(wù)方案研究

伍林偉，陶偉宜（.中國電信浙江分公司，浙江杭州3000；.華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州3004）

1 概述

隨著各大運(yùn)營商不限量套餐的推廣，用戶的使用習(xí)慣在發(fā)生巨大變化，基于http或https的流媒體視頻業(yè)務(wù)越來越多，流量占比逐漸攀升；QQ、微信、米聊等小流量即時(shí)通信（IM）業(yè)務(wù)使用頻度高，有近100%的超高滲透率，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中高負(fù)荷場景不斷增加。在這些高負(fù)荷場景中，即時(shí)通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包小，相比網(wǎng)頁瀏覽、FTP下載及流媒體等業(yè)務(wù)，在分配占用相同無線信道資源的情況下，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量卻小得多，從而導(dǎo)致無線資源利用效率低。

傳統(tǒng)的優(yōu)化方法就是根據(jù)話務(wù)特點(diǎn)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)或擴(kuò)容載波、加站、扇區(qū)分裂、建設(shè)室分、采用異頻吸收話務(wù)等方法，但目前實(shí)施這些手段的邊際成本越來越高，對應(yīng)的收益卻越來越低，實(shí)施后無法改變基站整體收益低的困境。

當(dāng)前各大運(yùn)營商面臨的困境是，在一定資源部署情況下，一方面要保障用戶端到端感知，提高用戶端到端感知優(yōu)良率，優(yōu)化資源有效利用率；另一方面又要提供網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)，提高流量的價(jià)值。

本文擬在校園網(wǎng)、居民樓、火車站等話務(wù)高且業(yè)務(wù)特點(diǎn)鮮明的區(qū)域，部署基于DSCP的業(yè)務(wù)感知調(diào)度方案，根據(jù)業(yè)務(wù)類型優(yōu)先級調(diào)度，在PGW進(jìn)行業(yè)務(wù)識別后，在TCP業(yè)務(wù)報(bào)文IP頭域的DSCP信元中標(biāo)記不同的DSCP標(biāo)識，設(shè)置DSCP調(diào)度參數(shù)，對不同的業(yè)務(wù)設(shè)置不同的優(yōu)先級別，以提升整體網(wǎng)絡(luò)效率及用戶體驗(yàn)，提供差異化服務(wù)。

2 基于DSCP端到端差異化服務(wù)技術(shù)

在核心網(wǎng)對業(yè)務(wù)類型區(qū)分為視頻業(yè)務(wù)、下載業(yè)務(wù)、其他業(yè)務(wù)之后，基站通過W-TCP代理，減少視頻初始緩沖時(shí)延；針對視頻業(yè)務(wù)，采用動態(tài)調(diào)整視頻用戶調(diào)度優(yōu)先級的方式進(jìn)行速率控制，提高視頻用戶的體驗(yàn)；針對下載業(yè)務(wù)，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)速率超過DlSmbr門限后，降低該業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級，從而相對降低速率，而不是直接限制速率，具體實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 基于DSCP端到端差異化服務(wù)原理圖

2.1 基于PGW的業(yè)務(wù)識別

核心網(wǎng)根據(jù)定向流量識別規(guī)則進(jìn)行配置，由PGW識別出不同的業(yè)務(wù)，通過對數(shù)據(jù)包（IP、TCP或UDP）進(jìn)行基于特征庫的匹配分析，從而得到對數(shù)據(jù)包內(nèi)容的解析和識別，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)識別。

具體的業(yè)務(wù)識別技術(shù)為：PGW使用基于SACC（Service-Aware Charging and Control）的 PISC（Packet Inspection and Service Classification）功能進(jìn)行業(yè)務(wù)識別。PISC根據(jù)預(yù)定義規(guī)則進(jìn)行業(yè)務(wù)包流分析、識別并對流量標(biāo)記。

業(yè)務(wù)識別分為頭規(guī)則識別、深度包檢測和模糊識別。頭規(guī)則識別基于IP、Port的匹配規(guī)則，深度包檢測基于上層的協(xié)議如http、dns、ftp、rstp等進(jìn)行識別，模糊識別基于部分專有的協(xié)議如bit-torrent、skype、yahoomessenge等進(jìn)行業(yè)務(wù)識別。默認(rèn)情況下深度包檢測在頭規(guī)則中調(diào)用，頭規(guī)則識別中各規(guī)則的優(yōu)先級由配置的ID決定；頭規(guī)則識別的優(yōu)先級高于模糊識別。

業(yè)務(wù)識別與DSCP標(biāo)記是通過運(yùn)營商部署的業(yè)務(wù)感知設(shè)備（核心網(wǎng)集成或第三方設(shè)備）實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)感知設(shè)備完成業(yè)務(wù)識別后，在TCP業(yè)務(wù)報(bào)文IP頭域的DSCP信元中標(biāo)記不同的DSCP值。

2.2 核心網(wǎng)DSCP參數(shù)下發(fā)

核心網(wǎng)通過配置QoS到DSCP的映射關(guān)系將無線側(cè)需要的DSCP參數(shù)下發(fā)。如果用戶簽約了符合條件的QCI，那么只需要在SGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系即可；如果需要對具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行相關(guān)控制，需要在DPI的基礎(chǔ)上，為計(jì)費(fèi)請求（ACR）下發(fā)新的QCI，然后在PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系。

圖2示出的是SGW/PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系。

2.3 初始加速

傳統(tǒng)TCP業(yè)務(wù)在eNodeB上是透傳的，往返時(shí)間（RTT）會受限于報(bào)文消息在空口的傳輸過程。引入W-TCP（Wireless-Transmission Control Protocol）代 理后，eNodeB對TCP流初始階段（TCP握手建立后，前200個(gè)下行TCP報(bào)文傳輸期間）的下行TCP報(bào)文進(jìn)行代理。由于RTT時(shí)延減小，Server向eNodeB發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率更快，eNodeB上數(shù)據(jù)量充足，Server端和eNodeB端發(fā)送窗口都會增長得更快，減小數(shù)據(jù)傳送時(shí)長，從而減少視頻初始緩沖時(shí)延。

W-TCP代理功能通過參數(shù)來進(jìn)行激活，功能啟用后對新接入用戶才生效。當(dāng)eNodeB CPU過載、小區(qū)RRC連接數(shù)過高或者內(nèi)存不足時(shí)，eNodeB對新的TCP連接不會采用W-TCP代理。當(dāng)內(nèi)存不足或遇到重傳包/亂序包時(shí)，eNodeB對當(dāng)前已代理的TCP連接會進(jìn)行停止處理。

2.4 基于DSCP的視頻調(diào)速和下載速率控制

根據(jù)業(yè)務(wù)感知設(shè)備的DSCP標(biāo)記原則和運(yùn)營商策略，通過在eNodeB上設(shè)置DSCP與QoS策略配置，支持對不同DSCP業(yè)務(wù)隊(duì)列的差異化處理。

本文基于DSCP識別的視頻業(yè)務(wù)和下載業(yè)務(wù)，分別實(shí)現(xiàn)了各自的速率控制功能，對視頻業(yè)務(wù)、下載業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)執(zhí)行差異化調(diào)度。

圖3示出的是基于DSCP的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)處理流程。

2.4.1 QoS策略

eNodeB建立DSCP的QoS服務(wù)信息，以實(shí)現(xiàn)基于DSCP的差異化服務(wù)。

a）DSCP與QoS策略的映射關(guān)系（MO IpService-Qos）如表1所示。

圖2 SGW/PGW下行方向調(diào)用映射關(guān)系

圖3 基于DSCP的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)處理流程

表1 DSCP與QoS策略映射

b）QoS策略（MO QosPolicy），定義某類業(yè)務(wù)所在的優(yōu)先級隊(duì)列PriQueueId、業(yè)務(wù)速率保證信息，如保證比特速率（DlSgbr），最大比特速率（DlSmbr）等。

表2示出的是QoS策略。

表2 QoS策略

c）eNodeB支持 8個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列（QUEUE0～QUEUE7）進(jìn)行業(yè)務(wù)差異化服務(wù)，將多個(gè)不同的DSCP映射到某個(gè)隊(duì)列上，但不允許1個(gè)DSCP映射到多個(gè)隊(duì)列。

QoS策略中TrafficType為Video時(shí)，定義Pri-QueueId為QUEUE5或QUEUE6或QUEUE7；QoS策略中TrafficType為DOWNLOAD時(shí)，定義PriQueueId為QUEUE0或QUEUE1或QUEUE2。

隊(duì)列的調(diào)度權(quán)重值越大，調(diào)度優(yōu)先級越高。如果參數(shù)取值為0，表示該隊(duì)列不參與調(diào)度。各隊(duì)列調(diào)度權(quán)重值之和小于等于100。

表3示出的是優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重。

表3 優(yōu)先級隊(duì)列權(quán)重

2.4.2 視頻業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速

對于基于DSCP識別的視頻業(yè)務(wù)，視頻業(yè)務(wù)過程中采用動態(tài)調(diào)整視頻用戶的調(diào)度優(yōu)先級的方式進(jìn)行速率控制，提高視頻用戶的體驗(yàn)。

a）當(dāng)視頻速率未達(dá)到保障帶寬QosPolicy.DlSgbr時(shí)，提高承載的調(diào)度優(yōu)先級，采用的是盡力保證策略。

b）當(dāng)經(jīng)過調(diào)速后的視頻速率達(dá)到或超過保障帶寬QosPolicy.DlSgbr時(shí)，降低調(diào)度優(yōu)先級，避免占用過多帶寬。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，沒有經(jīng)過調(diào)速的視頻速率超過QosPolicy.DlSgbr時(shí)，不會降低調(diào)度優(yōu)先級，保證資源的充分利用。

同時(shí)，視頻業(yè)務(wù)采用分段加速，在視頻流起始階段采用第1段QoS策略進(jìn)行初始加速；視頻初始加速完成后采用第2段QoS策略進(jìn)行正常速率保證。

圖4示出的是分段加速保障示意圖。

圖4 分段加速保障示意圖

2.4.3 忙時(shí)下載速率控制

針對DSCP識別的下載業(yè)務(wù)（如P2P下載、FTP下載、HTTP下載等），當(dāng)某個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)速率超過DlSmbr門限后，降低該業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級，從而相對地降低速率，不是直接限制速率。調(diào)度優(yōu)先級降低后會一直保持低優(yōu)先級狀態(tài)，直到下載業(yè)務(wù)結(jié)束。當(dāng)業(yè)務(wù)速率始終低于DlSmbr門限時(shí)，不對該業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)整，不影響下載業(yè)務(wù)的體驗(yàn)。通過控制下載業(yè)務(wù)的速率來提升其他高優(yōu)先級業(yè)務(wù)（如視頻業(yè)務(wù)）的速率。

2.5 多頻視頻體驗(yàn)互助

基于DSCP識別出視頻業(yè)務(wù)后，分析視頻業(yè)務(wù)負(fù)載（小區(qū)中視頻用戶的帶寬和小區(qū)空口能力的占比），如果其大于視頻負(fù)載高門限，可考慮將此視頻業(yè)務(wù)切換到視頻負(fù)荷低的鄰小區(qū)。

在切換前，要分析鄰區(qū)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況，當(dāng)鄰區(qū)滿足如下條件，則可切換。

a）鄰區(qū)的視頻業(yè)務(wù)負(fù)載＜（視頻負(fù)載低門限+視頻負(fù)載高門限）/2。

b）鄰區(qū)的PRB利用率＜視頻均衡下行PRB利用率門限。

c）鄰區(qū)剩余可用的帶寬＞視頻用戶的帶寬。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 多頻互助流程圖

3 業(yè)務(wù)試點(diǎn)部署

本文選取某高負(fù)荷校園——長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院4個(gè)話務(wù)最忙的BBU開啟該特性功能，在其中一個(gè)小區(qū)（LF_H_某長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院11號宿舍樓RRU2_IN）做業(yè)務(wù)驗(yàn)證測試。

前置條件：在業(yè)務(wù)最忙時(shí)進(jìn)行（PRB占用率95%以上，小區(qū)用戶數(shù)達(dá)到250個(gè)）。

核心網(wǎng)配合：通過核心網(wǎng)進(jìn)行DSCP標(biāo)識，視頻類業(yè)務(wù)為40，下載類業(yè)務(wù)為15，其他業(yè)務(wù)設(shè)為20。

基站側(cè)配合：根據(jù)核心網(wǎng)下發(fā)的DSCP標(biāo)識，進(jìn)行QoS業(yè)務(wù)優(yōu)先級設(shè)置。

在第1段DLSGBR門限設(shè)為15M，第2段DLSGBR門限設(shè)為10M的前提下，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的關(guān)鍵指標(biāo)。

業(yè)務(wù)提升效果如下：

視頻下載速率從1 657 kbit/s提升到2 524 kbit/s。

視頻下載流量從43.92 GB/天增長到62.32 GB/天，流量增加48.72%。

視頻業(yè)務(wù)卡頓次數(shù)減少68%，日均631次減少至202次。

視頻播放時(shí)延從9 691 ms減至9 062 ms。

視頻播放成功率從90.856%提升至97.222%。

初始緩沖失敗次數(shù)從650次減少到241次，降幅達(dá)到62.92%。

各項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢如圖6所示。

綜上所述，從某長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院所做的試點(diǎn)評估來看，部署基于DSCP的LTE業(yè)務(wù)感知差異化服務(wù)方案可以提升視頻業(yè)務(wù)的下載速率，提升視頻業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的流量，減少卡頓次數(shù)，提高視頻播放成功率，對于整站的KQI指標(biāo)提升明顯，并且對整體KPI指標(biāo)業(yè)務(wù)影響不大。

后續(xù)在類似的高校、交通樞紐、景區(qū)、商務(wù)樓宇等存在突發(fā)大話務(wù)的場景下，通過本特性的下載類業(yè)務(wù)限速以及視頻業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速等一系列參數(shù)配置，可達(dá)到對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行不同保障效果，從而對高品質(zhì)視頻體驗(yàn)業(yè)務(wù)類型進(jìn)行針對性的保障，可以提供更好的用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

在通信運(yùn)營商推出不限流量套餐后，大流量下載業(yè)務(wù)帶來的收益已大不如前，而下載業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)感知度不那么明顯。差異化服務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增值的前提條件，對比QoS差異化配置，基于DSCP差異化服務(wù)方案涉及改動網(wǎng)元少，網(wǎng)絡(luò)基本不改動，不占用單獨(dú)的帶寬，通過業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)速或者多頻切換來實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)容易實(shí)現(xiàn)和保障，能支持相關(guān)業(yè)務(wù)快速推廣。

圖6 視頻流媒體指標(biāo)變化趨勢