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华为:HQoS确保基站永不掉线

http://www.c114.net ( 2013/12/11 11:09 )

华为运营商IP设计部系统工程师 陈大鹏

华为路由器产品系统工程师 畅文俊

LTE业务场景

LTE作为新一代宽带无线移动通信的领军技术,具备更高的数据传输率、 更灵活的频谱带宽配置、更小的系统时延、 更低的运营成本、 更多样化的业务、以及无缝移动性等特点。

在LTE阶段,单基站/单载扇的峰值速率预计达到3G基站的10倍以上,而且峰值速率是均值速率的4-6倍。和比较3G相比,更容易发生拥塞,如果不部署QoS信令、语音等高优先级业务得不到保证,造成业务中断。

本文重点关注eNodeB和aGW之间移动承载网络相关QoS技术应用。华为移动承载方案采用ATN系列设备和CX系列设备构建的无线接入网,具备优秀FMC承载能力和简单灵活的组网形式。从CSG到RSG之间采用层次化的设计,适合规模较大的网络承载。组网示意图如下所示:

IP/MPLS QoS简介

1、QoS模型

IP服务模型,是指一组端到端的QoS功能,通常QoS提供以下三种服务模型:

Best-Effort service(尽力而为服务模型)

Integrated service(综合服务模型,简称Intserv)

Differentiated service(区分服务模型,简称Diffserv) 

DiffServ模型,可以满足用户不同的QoS需求。与Integrated Service不同,它不需要信令,即在一个业务发出报文前,不需要通知路由器。对Differentiated Service,网络不需要为每个流维护软状态,它根据每个报文指定的QoS标记(着色结果),来提供特定的服务。当网络出现拥塞时,根据不同的服务等级要求,有差别地进行流量控制和转发来解决拥塞。采用相对优先权机制,有区别地控制不同信息流的分组聚类和转发行为,从而在保证服务质量和解决拥塞之间取得一个良好的折衷。

2、HQoS

传统的QoS采用一级调度,单个端口只能区分业务优先级,无法区分用户。只要属于同一优先级的流量,使用同一个端口队列,不同用户的流量彼此之间竞争同一个队列资源,无法对端口上单个用户的单个流量进行区分服务。

HQoS即层次化QoS(Hierarchical Quality of Service),是一种通过多级队列调度机制,解决Diffserv模型下多用户多业务带宽保证的技术。

HQoS采用多级调度的方式,可以精细区分不同用户和不同业务的流量,提供区分的带宽管理。为了实现分层调度,HQoS采用树状结构的层次化调度模型,HQoS层次化调度中,可以只有一层中间节点,实现三层调度结构;也可以有多层中间节点,实现多层调度结构。

3、MPLS QoS

在MPLS网络中,路由器不会检查IP报文头的内容,因此无法通过ToS或DSCP字段来进行流量分类。一般目前网络上提供最多4种类型的服务,E-LSP就可以满足了。

DiffServ体系结构允许DS域内的中间节点检查并修改IP Preference、DSCP或Exp值,统称COS(Class of Service)值,这会导致报文的COS值在IP网络和MPLS网络传输过程中都可能发生变化。

因此,在报文进入MPLS网络或从MPLS网络离开进入IP网络时,运营商需要在MPLS边缘路由器对COS(Class of Service)处理做出选择:是否信任IP/MPLS报文已经携带的COS信息。RFC3270中定义了三种COS处理模式:Uniform、Pipe和Short Pipe。

LTE QoS应用

LTE无线层通过信令控制、资源预留等可端到端实现业务层QoS控制,但随着承载网的IP化,网络拥塞、丢包、抖动、延时等质量问题将影响到LTE业务层的QoS质量。无拥塞的IP承载网是不存在的,关键是发生拥塞之后,如何保障业务质量。

LTE基站承载QoS有两个关键需求:一个是保障高等级的业务优先转发,这是传统Differ-Serv的概念,另一个是保障在发生拥塞时重要基站业务可用(如灾难或者重大事件发生时,政府机关、医院、学校等重要区域的基站)。这就要求承载网能够支持分层QoS(H-QoS)处理能力,能针对不同基站和不同业务执行层次化的队列调度能力,确保重要基站永不掉线。

eNodeB接口板传输的数据类型有以下四种:S1/X2接口业务(分为控制面和用户面)、O&M业务、IP时钟业务、共传输业务(即过路数据流)。

eNodeB分类业务的QoS需求:

用户面业务:

实时业务:

QCI(QoS Class Identifier)类型为1~5的业务。实时业务要求严格保证带宽,QCI类型为1~4的业务要求保证GBR(Guaranteed Bit Rate),QCI类型为5的业务要求保证min_GBR。实时业务不允许丢包,也不能大量缓存数据导致时延增加,否则会严重影响业务质量。

非实时业务:

QCI类型为6~9的业务。非实时业务没有GBR要求,带宽不足时可以降低业务的吞吐率、进行数据缓存,但是为了给非实时业务提供基本的业务质量保证,也会为非实时业务预留min_GBR。

控制面业务:

流量比较小,并且和各种网络KPI(Key Performance Indicator)指标关系密切。因此需要优先保证其传输,防止丢包。

OM业务:

OM MML(Man-Machine Language)业务为OM操作维护类业务,流量较小,要求优先发送;

OM FTP(File Transfer Protocol)业务为OM上传/下载业务,流量波动较大,要求优先级低于其他业务,但要保证最小带宽。

IP时钟业务:

包括控制报文和时钟报文,流量较小,均要求优先发送、保证带宽。

共传输场景下的过路数据流:

此业务eNodeB无需额外处理,与本基站其他数据的处理方式相同,即根据其携带的DSCP进行差分服务调度。

eNB 业务流优先级对照表:

如下图所示,华为QoS解决方案可以在CSG/RSG节点,对于基站业务,基于IP DSCP进行标识,重置EXP值,IP QoS在基站到BSC/EPC之间的承载网络实现透传。

IP承载网能够支持分层QoS(H-QoS)处理能力,能针对不同基站和不同业务执行层次化的队列调度能力,确保重要基站永不掉线,在发生拥塞时,保证重要基站业务可用。

在数据流量占主导地位的LTE网络中,基站的小区峰值吞吐量发生在闲时,即小区只有一个用户的轻载情况下,可以达到150Mbps;而在忙时,更多用户有流量需求时,小区的吞吐量显著降低,在20MHz 2×2 LTE情况下,小区吞吐量大概在20Mbps左右。基站的小区峰值吞吐量是繁忙时间平均流量的4-6倍。下行流量和上行流量的比例一般是2:1,对于下行流量更容易发生拥塞。

峰值吞吐量更容易出现在承载网络的“最后一公里”,核心网络,由于汇聚了更多的基站,主要是平均吞吐量为主。

一般中、大规模的IP承载网,采用分层部署,分为接入层和和汇聚层,如下图所示。华为QoS解决方案,在汇聚层网络,在RSG设备上,主要通过带宽规划,预留一定的带宽,拥塞时,可以通过端口调度,保证高优先级业务正常转发,无丢包、低时延。在接入网络,由于峰值吞吐量发生的可能性更大,建议在ASG设备的下行,部署基于TE/PW/L3VPN的HQoS调度,对于每个基站,配置CIR、PIR,CIR以内的流量,提供保证带宽,即使发生拥塞,也可以保证每基站的保证带宽,超出CIR但低于PIR的流量可在网络拥塞时限制转发。对于政府机关、灾难现场、医院等重要基站,可以增加对应TE/PW/L3VPN的CIR带宽,提供差异化服务。

总结

成熟、实用、灵活、容易部署的华为QoS解决方案正是为了满足运营商提高现网盈利能力,以及建设LTE IP承载网的需求而提出的。未来,华为的QoS解决方案将会服务于更多运营商,为用户提供更加流畅和精细的QoS保证。

   来源:C114中国通信网

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