EPS承载问题

hulieyun

▊EPS承载

与3G不同，EPS中只有数据（PS域）业务，用户与网络间必须先建立EPS承载(Bearer) 之后，才能在承载之上使用各种数据业务（如IMS语音业务、上网业务、FTP、游戏。。。）。每种数据业务的业务流，称为一个业务数据流SDF，它可以用一个IP五元组来表示（IP包中的源、目的IP地址、源、目的端口、协议(如TCP、UDP等),IP地址可以支撑模糊匹配），这个五元组即TFT过滤器。

EPS完全支撑IP协议，而IP是无连接的，为了让EPS数据包在EPS核心网（eNB、SGW、PGW）内进行QOS管理和控制，EEPS承载在移动网络内部动态建立了一条“半固定连接”或“逻辑电路”。EPS Bearer存在于UE和PDN GW之间，贯穿了整个移动网络。它完全取代了3GPP 为2G、3G定义了PDP Context概念。

EPS系统中，QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer)，即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障（如调度策略，缓冲队列管理，链路层配置等），不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。

EPS承载可以视为一个或多个业务数据流SDF的逻辑聚合体（即：多个业务流可以使用一个承载，即聚合在一个承载上），即相同承载上的所有数据流将获得相同的QoS保障或承载级别的转发处理，即：映射到相同EPS承载的SDF们必须具有相同的QCI和 ARP，如：调度策略、缓冲队列管理策略、链路层RLC配置等。

不同的QoS保障需要不同类型的EPS承载来提供。如果两个SDF需要不同的承载级QOS处理，则需要为每个SDF建立一个单独的EPS承载。

在EPS系统中，PDN指的是外部的数据网络（相对于LTE运营商而言），例如Internet，企业专用数据网等。APN（接入点名称）的值作为PDN网络的标识， PDN GW位于EPC和PDN的边界。EPS Bearer存在于UE和PDN GW之间。通常情况下（GTP Based S5/S8），EPS承载可以看作是UE与分组数据网网关(PDN-GW)之间的逻辑电路，（对于基于PMIP的S5/S8接口，一般认为EPS Bearer存在与UE与SGW之间）。EPS承载取代了UMTS网络中的分组数据协议上下文（PDP Context）。

▊GBR和Non－GBR

根据QoS的不同，EPS Bear可以划分为两大类：GBR(Guranteed Bit Rate) 和 Non－GBR。 所谓GBR，是指承载要求的比特速率被网络“永久”恒定的分配，即使在网络资源紧张的情况下，相应的比特速率也能够保持。MBR(Maximum Bit Rate)参数定义了GBR Bear在资源充足的条件下，能够达到的速率上限。MBR的值有可能大于或等于GBR的值。相反的，Non－GBR指的是在网络拥挤的情况下，业务（或者 承载）需要承受降低速率的要求，由于Non－GBR承载不需要占用固定的网络资源，因而可以长时间地建立。而GBR承载一般只是在需要时才建立。

EPS系统中，为了提高用户体验，减小业务建立的时延，真正实现用户的“永远在线”，引入了默认承载（Default Bearer）的概念，即在用户开机，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，默认承载是一种Non－GBR承载。一般来说，每个PDN连接都对应着一个Default Bearer和一个IP Address，只有在UE和PDN都支撑IPV4，IPV6双协议栈，一个PDN连接才有可能对应两个Default Bearer和IP Address，UE在此PDN连接的有效期内将会一直保持此Default Bearer（IP 地址有可能变化吗？）。如果UE存在与多个PDN的连接，那么UE可以有多个Default EPS Bear和IP地址。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。

为了给相同IP地址的UE提供具有不同QoS保障的业务，如视频通话，移动电视等，需要在UE和PDN 之间建立一个或多个Dedicated  EPS Bear。连接到相同PDN的其他EPS承载称为专有承载，运营商可以根据PCRF（Policy And Charging Resource Function）定义的策略，将不同的数据流映射到相应的Dedicated EPS Bear上，并且对不同的EPS Bear采用不同的QoS机制。专有承载可以是GBR承载，也可以是Non－GBR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QoS参数值总是由分组核心网来分配。

▊业务流与承载的对应关系

一个EPS Bearer要经过不同的网元和接口，如下图所示。包括：PGW到SGW之间的S5/S8接口，SGW到eNodeB之间的S1接口 和eNodeB到UE之间的Uu接口。EPS Bearer在每个接口上会映射到不同的底层承载，每个网络节点负责维护底层承载的标识以及相互之间的绑定关系。

如上图所示，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与PDN之间连接业务的支撑。

EPS 业务流模板（TFT：traffic flow template）。一个TFT会包括多个包过滤器（packet filter，也称分组过滤器），其中分为上行业务流模板（UL TFT） 与 下行业务流模板（DL TFT），UL TFT 是TFT中的上行包过滤器集合，DL TFT 是TFT中的下行包过滤器集合。

过滤器的主要内容是一个IP五元组(源地址＼目的地址＼源端口＼目的端口＼IP之上的应用层协议号)。(注：过滤器中也可以加入 TOS 信息，过滤器中某些字段可以省略，比如可以控制不比较端口)
TFT过滤器实际上是业务流的描述信息，TFT过滤器在UE与PGW上使用，UE\PGW匹配业务流与过滤器的过程就是用每条业务流的五元组检查是否符合过滤器。
PGW上，过滤器对 PGW 收到的下行IP数据包进行分类，PGW用以得到各个业务流。UE上对于上行IP数据包也作此处理。

每个专有EPS承载会关联到一个TFT。默认承载可以不关联TFT.

在建立承载、更新承载的过程结束后，PGW得到每个承载的DL TFT，UE得到每个承载的UL TFT。可以通过设置某些业务流相关的包过滤器的优先次序值低于专有承载的包过滤器的优先次序值的方式，强制这些业务流在缺省承载上传输。

对于PGW，如果业务流没有匹配上任何DL TFT过滤器，而此时默认承载又没有关联TFT，则这个业务流会映射到默认承载上。否则这个业务流的数据包会丢弃掉。UE对于上行业务流也作类似处理。

UE使用UL TFT将上行方向的业务映射到一个EPS承载，可以让多个业务流（分别对应一个包过滤器）聚合到一个EPS承载上。
PGW（ PCEF（GTP-based S5/S8）或者BBERF（PMIP-based S5/S8） ）使用DL TFT将下行方向业务映射到一个EPS承载。 PGW的这个功能属于业务流绑定到承载的功能。可以让多个业务流（分别对应一个包过滤器）聚合到一个EPS承载上。

在UE与eNB之间，EPS承载的物理传输通道是无线承载RB。EPS承载会一一映射到无线承载上.

在PGW与SGW之间，EPS承载的下层传输通道是PGW与SGW之间的S5/S8接口（GTP隧道），称为S5/S8 Bearer( S5/S8承载 )。

所以：
- UE创建业务流集合和上行无线承载之间的映射关系，并且保存上行包过滤器和无线承载之间的映射关系。
- P-GW创建业务流集合和下行S5/S8承载之间的映射关系，并且保存下行包过滤器和S5/S8承载之间的映射关系。
- eNodeB创建并保存无线承载和S1承载之间的一一映射关系：eNB与UE之间是无线承载。而eNB与SGW之间是S1承载(它用来传输　EPS承载　的数据)。
- S-GW创建并保存S1承载和S5/S8承载之间的一一映射关系：SGW与PGW之间是S5/S8承载。

另外，还有一个E-RAB概念，它等于一个S1承载和一个对应的无线承载。

总之，在整个EPS承载的路径上，UE与各网元有如下映射关系处理：
UE处理：UL-TFT -> RB-ID
eNB处理：RB-ID <-> S1-TEID
SGW处理：S1-TEID <-> S5/S8 TEID
PGW处理：DL-TFT -> S5/S8 TEID

用户的IP数据包需要映射到不同的EPS Bearer，以获得相应的QoS保障。这样的映射关系是通过TFT（Traffic Flow Template）和其中的Packet Filters来实现的。TFT是映射到相应EPS Bearer的所有PacketFilter 的集合，Packet Filter表示将用户的一种业务数据流（SDF，Service DataFlow）映射到相应的EPS Bearer上，Packet Filter通常包括源/目的IP 地址，源/目的IP端口号，协议号等内容。专有的EPS Bearer必须有与之相应的TFT。相反的，缺省的EPS Bear通常并不配置特定的TFT，或者说，配置的是通配TFT，这样所有不能映射到专有EPS Bearer的IP数据包会被映射到缺省的EPS Bearer上。在专有的EPS Bearer被释放的情况下，原来映射到专有EPS Bearer上的数据包也会被重新路由到相应的缺省EPS Bearer上。TFT分为上行和下行两个方向，其中，上行的TFT在UE侧对上行的数据包进行过滤和映射。下行的TFT在PDN侧对下行的数据包进行过滤和映射。

▊承载QOS参数                       

在接入网中，空口上承载的QoS是由eNodeB来控制的，每个承载都有相应的QoS参数QCI（QoS Class Identifier）和ARP （Allocation And Retention Priority）。

QCI同时应用于GBR和Non-GBR承载。一个QCI是一个值，包含优先级，包延迟，以及可接受的误包率等指标 ，每个QCI都与一个优先级相关联，优先级1是最高的优先级别。承载QCI的值决定了其在eNodeB的处理策略。例如，对于误包率要求比较严格的 Bearer，ENodeB一般通过配置RLC成AM模式来提高空口传输的准确率。标准中（23。203）定义了九种不同的QCI的值，在接口上传输的是 QCI的值而不是其对应的QoS属性。通过对QCI的标准化，可以规范不同的厂家对于相应的QoS业务的理解和处理，方便在多厂商互连环境和漫游环境中不 同设备／系统间的互连互通。

Standardized QCI characteristics

ARP是分配和保留优先级(Allocation and Retention Priority)。 ARP同时应用于GBR和Non-GBR承载，主要应用于接入控制，在资源受限的条件下，决定是否接受相应的Bearer建立请求。另外，eNode B可以使用ARP决定在新的承载建立时，已经已经存在承载的抢占优先级。一个承载的 ARP仅在承载建立之前对承载的建立产生影响。承载建立之后QoS特性，应由QCI、GBR、MBR等参数来决定。

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（Aggregated Maximum Bit Rate）参数。AMBR可以被运营商用来限制签约用户的总速率，它不是针对某一个Bearer，而是针对一组Non－GBR的Bearer。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。AMBR参数限制了共享这一AMBR的所有承载能所能提供的总速率。

3GPP定义了两种不同的AMBR参数：UE-AMBR和(APN)-AMBR。UE－AMBR定义了每个签约用户的AMBR。 APN-AMBR是针对APN的参数，它定义了同一个APN中的所有EPSBearer提供的累计比特速率上限。AMBR对于上行和下行承载可以定义不同的数值。

▊DSCP标记

对于DiffServ体系，IPv4报文头部的ToS字段被用作DiffServ字段DSCP，每个DSCP值对应了一种PHB（表示一种数据转发行为，即数据包调度的策略）。
QOS标记(或DSCP映射、DSCP标记）功能，就是把EPS承载的QOS映射到IP QOS上，使EPS核心网传输层节点(路由器、SGW\PGW)可以按 DiffServ 体系进行QOS控制。
PGW可以支撑承载级DSCP标记功能（把QCI映射到DSCP头）。PGW也完全具有业务级DSCP标记功能（指按用户的业务流来置DSCP头，这意味着QOS控制的粒度细化到业务流 ）。(PCC架构规定：基于SDF粒度的业务级别QoS控制是可选操作 )
SGW可以支撑承载级DSCP标记，避免去做按TFT匹配业务流的工作。
eNB对于上行与下行数据流，只是按无线RB与S1接口GTP隧道的映射进行透传，不解析其中的IP包。（eNB空口最上层是PDCP协议，直接映射到S1接口的GTP隧道上）。

所以：eNB、SGW的QOS控制完全是按 EPS承载的粒度来进行调度。而PGW不但支撑承载级别的QOS调度，还可以支撑业务流粒度的QOS调度。

为了保证用户数据包在移动核心网与互联网上都按照同样的QOS策略来进行转发，SGW、PGW不但要修改GTP下层IP头(外层IP头)的DSCP值，也要修改GTP上层（内层IP头）的DSCP值。

以PGW为例，对于上行数据流，PGW从GTP隧道中取出数据包后，取出外层IP头的DSCP\TOS值，写入内层IP头。然后整个内层IP数据包发给互联网。对于下行数据流，PGW将QCI映射到外层与内层的IP头的DSCP\TOS值。