HQoS的简介和应用以及其优势分析

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。