PCC策略控制机制研究及在网络中的部署

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本文摘自《电信工程技术与标准化》2011年第12期。

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【作者】 刘微； 郭家奇； 王彬；

【机构】 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司； 哈尔滨侨航通信设备有限公司；

【摘要】 PCC(Policy and Charging Control)是3GPP定义的动态策略和计费控制的框架方案,旨在为用户提供差异化的服务,提供用户业务流承载资源保障以及流计费策略。本文介绍了PCC机制的基本架构及相应策略规则,对PCC在现网中的部署进行了探讨,并针对核心网未来的发展趋势给出EPC架构下PCC的部署建议。

【正文节选】

1 PCC技术

从2008年开始部署3G网络以来，随着各种数据业务及智能终端的大量涌现，数据业务流量呈现爆发式增长，流量增速不断提升，出现了诸如少量用户占用大部分网络资源、包月套餐导致在热点地区峰值时超高的数据流量和拥塞、客户希望得到更快的数据业务但不认可高价格、缺乏业务区分和识别能力无法保护高价值业务以及高端用户并得不到更好的业务体验等问题。

PCC是3GPP标准定义的网络资源与计费策略控制架构，旨在为用户提供差异化的服务，提供用户业务流承载资源保障以及流计费策略。PCC最早是在3GPP Release 5中，作为IMS P-CSCF的一个功能模块剔除的，当时的名称叫做PDF（Policy Decision Function)和PEP(Policy Enforcement Point)，在Release 6时，PCC作为一个可选功能独立出来，但仅定义了框架内容，并没有太多细节；随后的Release 7版本将Release 6版本中的策略控制功能（PDF）与流计费功能（FBC）相合并，将该功能进行了大量充实并重命名为PCRF和PCEF，在业务控制层和接入/承载层之间增加了策略控制和计费子系统，完成资源接纳控制功能；Release 8阶段重点增加了对漫游场景下PCC机制的研究，并考虑了多接入技术和多移动性协议对EPC/EPS系统PCC机制造成的影响。在LTE网络中，PCC是EPS的重要组成部分，是LTE语音业务的动态承载分配的必选机制。

2 PCC系统架构及基本原理

2.1 PCC系统架构

PCC不仅可以实现移动网络的策略控制，同样是未来固定、移动融合的统一策略控制的目标方案。PCC包括两个主要的功能单元：PCRF（Policy Charging and Rules Function)和PCEF（Policy and Charging Enforcement Function)，此外还包括应用功能（AF，Application Function)、用户签约数据库（SPR，Subscription Profile Repository)等功能模块。PCC系统架构如图1所示。

PCC架构各组成部分功能如下。

（1）PCEF提供完善的策略管理、Qos和计费管理功能。提供标准的Rx、Gx接口分别于IMS/P-CSCF和GGSN对接，PCRF能够接收业务请求消息，并根据用户签约信息、本地策略进行决策，生成策略规则下发给GGSN。PCRF的部署，一方面实现了资源的动态预留，有效地利用网络资源；另一方面实现了业务感知，网络更加智能；

（2）PCEF主要完成策略执行的功能，其功能实体位于网关（如GGSN）。负责策略执行、业务数据流的检测及基于流的计费功能等。它分别以两种方式执行PCRF下发的策略控制规则：一种是执行Qos，即将IP Qos参数转化成相应的IP-CAN Qos属性值，标记服务码点DSCP作为业务数据流的区分，并且将为业务数据流分配的“授权资源”在“授权Qos”范围内。另一种是基于门控的执行，即根据相关的门状态时开或关，来决定PCEF是否允许属于策略所控制的业务数据流通过PCEF；PCEF还执行给予流的计费功能，由于策略中包含流标识信息，以及针对该流的Qos要求及计费要求，PCEF可以根据这些信息实现基于流的Qos和计费，从而解决在全IP网络实现端到端Qos以及基于流计费问题。此外，PCEF还具有事件报告功能，PCEF通过PCRF将向AF报告事件；

（3）AF是应用功能实体，它根据与用户之间的业务协商，向PCRF动态提供应用层的会话信息。PCEF根据AF提供的业务信息，用户签约信息等制定出策略和计费控制策略，并将该策略下发PCEF。PCEF面向策略与计费执行功能执行该策略；

（4）SPR是用户签约数据库，提供基于签约的策略以及用户的相关信息。PCEF根据SPR提供的信息进行信息策略和PCC规则的制定。SPR提供的签约信息包括：Qos信息、优先级、可签约的业务、计费信息以及用户类别等。Sp接口是SPR与PCRF进行交互的接口。在EPC中，在HSS中实现SPR功能。

2.2 PCC机制的功能特征

PCC机制的基本功能包括绑定机制、事件触发、策略控制以及业务优先级与冲突处理等几方面，具体功能如下所示。

（1）绑定机制：绑定机制是指将一个业务数据将要传送这个业务数据流的IP-CAN承载进行的过程。业务数据流是通过PCC规则中的数据模板（TFT）来定义的，因此，绑定机制会把AF信息和将要传送这个业务数据流的IP-CAN承载关联。即对于属于AF会话的业务数据流，绑定机制将AF会话信息与IP-CAN承载进行关联；对于没有AF会话的业务数据流，PCRF将UE所提供的业务映射信息设置成PCC规则；

（2）事件触发：PCRF使用PCC规则提供过程，PCEF提供事件触发。事件触发器与一个IP-CAN会话的所有PCC规则相关联，它决定PCEF何时向RF发送信令。目前所定义的事件触发主要有位置改变、Qos改变、业务映射信息改变、通信路径状态改变、PCC规则时效性等；

（3）策略控制：主要包括门控、Qos控制、网络的IP-CAN承载建立、事件报告等功能；

（4）业务优先级和冲突处理：当请求激活的PCC规则导致累计授权Qos超出签约Qos时，PCRF将根据数据流的抢占优先级来选择性地去激活一些优先级低的PCC规则，以保证高优先级的PCC规则能够被激活，并且不会超出签约Qos的范围。

3 PCC在网络中的部署方案

3.1 PCC架构部署原则

现网2G/3G数据业务快速增长，已出现增量不增收等问题，少量用户占用大量带宽，影响网络公平使用，且呈现负收益。为应对数据业务流量冲击，实现基于用户和业务分级的差异化管控，将资源向收益率高的用户和业务倾斜，应尽快部署PCC架构，PCC架构部署需遵循以下原则。

（1）PCC架构不能依赖于特定的移动性协议，Non-3GPP接入系统中PCC架构既要适应基于主机的移动性协议，也要适应基于网络的移动性协议；

（2）PCRF必须支持一个指定业务数据流在多个PCEF上PCC规则的执行，至少包括P-GW上的PCEF和Non-3GPP接入网络中的PCEF；

（3）在有效PCEF上针对每一个业务数据流执行策略计费控制；

（4）PCC信令从PCRF传输到有效PCEF的方式是Off-Path，即在非漫游情形下使用Gx接口，在漫游情况下使用S9接口；

（5）对于一个给定业务数据流，PCRF应该能够区分不同PCEF上所执行的PCC规则，即能够在P-GW上执行策略计费规则和Non-3GPP上执行Qos策略规则。

3.2 PCC策略控制实现过程

PCC架构需要对运营商控制的服务实现动态PCC控制，还需要对非运营商控制的服务实现动态PCC控制。运营商控制的服务以IMS服务为代表，PCRF对这样的服务拥有完整的PCC规则信息。而非运营商控制的Internet Web这种由第三方提供服务或用户提供服务为代表，对这样的服务不具有完整的PCC规则信息，只能从UE所提供的服务业务映射信息生成PCC规则。

PCC架构根据Qos控制模式不同分为UE-Only模式和UE/NW模式，UE-Only模式是UE确定IP Qos参数和特定接入系统的承载Qos参数，UE与网络之间进行Qos协商后网络授权Qos。UE/NW模式是UE提供应用级的会话信息或网络AF提供应用级会话信息，由PCRF确定IP级的Qos参数；PCEF根据IP Qos确定接入网络的承载Qos参数，EPS系统的控制模式是UE/NW模式。

PCC实现过程可分为策略生成、策略下发和策略执行3个步骤，具体过程如图2所示。

（1）策略生成：PCRF根据用户签约信息、业务信息、用户状态信息等输入进行决策，生成控制策略；

（2）策略下发：PCRF将Qos及计费策略下发给PCEF；

（3）策略执行：PCEF基于用于和业务类型进行限速和门控；PCEF将Qos信息传递给核心网及无线侧，无线、核心网共同进行端到端的承载资源管理。

3.3 PCC现网部署方案

目前，移动核心网仍以GPRS组网方式组网，LTE/EPC正在试点建设中，尚未商用，考虑现网业务需求和厂家设备成熟度，根据业务发展和管控的需求，建议分阶段实施PCC。

第一步：以有效资源管控和疏导为主，满足VIP用户的资源需求、解决少量用户占用大量带宽、降低异常流量业务（如P2P下载视频）在数据流量中的占比，重点关注CMNET上的业务；

现阶段在2G/3G分组域引入PCC架构，以应对数据业务快速增长，策略管理服务器PCRF采取新建方式建设集中部署，支持差异化策略管理。同时需升级以下设备。

（1）升级GGSN支持策略控制执行功能，并利旧GGSN DPI功能支持业务识别和管控；

（2）打开2G/3G无线设备的Qos控制功能，支持差异化无线调度；

（3）BOSS开通与PCRF接口，支撑用户分级、业务分级的市场策略。

第二步：积极发展高品质宽带增值业务，保证高品质业务体验，进一步提高网路收益；根据业务发展、运营的需要，在引入LTE/EPC架构时引入新的增强功能点。

（1）LTE引入时，增强该架构支持对LTE接入用户的管控；

（2）对又特殊Qos或计费要求的自由业务，增加业务侧（如IMS、WAP网关等）和核心网测的交互接口，实现信息共享；

（3）当有多维度的资源调度需求时，无线侧进行功能增强，支持根据Qos参数的组合信息对无线资源优先级的调度管理。

第三步（远期）：基于PCC架构进行增强，对2G/3G/LTE、WLAN、固定接入实现统一策略控制。保证用户在多种接入间漫游、切换时的业务体验。

4 PCC在EPS中的实现

为了保证在未来10年内的技术先发优势，为运营商和用户不断增加的业务需求提供满意的支持，3GPP提出了LTE与EPS两大研究计划，并在R8阶段进行标准化，其中EPS重点从网络架构和分组核心网的角度对系统性能进行了优化与提高。由于运营商阵营的广发参与，EPS系统还增加了很多从运营层面考虑的新需求，包括多PDN的支持、本地疏导和路由优化、非3GPP系统的接入等。R8阶段考虑了多接入技术和多移动性协议对EPS系统PCC机制造成的影响。同时，由于EPS系统增加了支持多PDN一级信令与媒体数据分离传输的特征，进而引出了多IP模式的PCC机制。具体来说，在EPS网络中PCRF功能作为一个独立的物理实体存在，PCEF功能在PDN GW实现PCEF功能，HSS中实现SPR功能，PS域的业务应用服务器或者IMS网络中的P-CSCF中实现AF功能。

4.1 EPS中PCC的实现机制

原有3GPP接入系统是采用GTP传输协议的，所以在网络演进上希望继续采用GTP传输协议，相应的PCC架构也是采用适应GTP协议的On-Path Qos信令传输方式。EPS核心网演进的墓地是既能支持3GPP接入网络，又能支持Non-3GPP接入网络，而Non-3GPP系统是采用IETF定义的移动IP之类的协议实现移动性管理的，这种IP协议时不能On-Path随路传输Qos信令的，所以要求在PCC架构上采用Off-Path Qos信令传输方式。

3GPP的EPS采用PCC架构将网络的Qos策略控制和计费控制结合在一起，实现有效地、多样化的更细粒度的服务控制功能。PCC架构将应用层级会话服务数据流的Qos要求映射IP-CAN接入传输为网络承载服务的Qos要求保障数据传输，并且根据运营商的计费策略实现服务数据流层级的计费功能。PCC架构使得运营商能够有效地控制网络的服务能力，在EPS网络中占有重要地位。

4.2 EPS中PCC的实现方案

在EPS演进过程中，针对兼容Non-3GPP接入网络，共出现了3种PCC架构的选择方案。

第一种是通过移动性信令捎带PCC信令，这种方式的特点是带内方式。PCEF采用分布式，其分布在P-GW、Non-3GPP接入网络网关上。其特点是在创建更新删除PMIPV6协议的代理绑定更新消息，在代理绑定应答消息中由P-GW向位于Non-3GPP接入网关的PCEF传递策略与Qos信令信息。在移动性头信令请求消息中进行Qos和策略更新。这种架构时为了对其3GPP系统下的On-Path模式的PCC架构，这种On-Path模式必须对IETF的移动IP之类的协议进行大力度的改造才能满足，这与IETF移动性管理信令的基本思想不一致，很难被IETF标准组织接受。

第二种PCC架构时带外同路传输PCC信令，PCC信令与移动性信令去耦合，在同一接口上使用其他信令传输，第二种架构是在同一接口上将Qos信令与移动性分开，由于同一接口协议栈上需要相应的区分机制，较难实现，因此这种方案在标准组织中一般不采用。

第三种PCC架构是带外不同路传输PCC信令，PCC信令通过与IP信令不同的其他接口传输，这个接口就是PCRF与PCEF之间的S7接口，PCEF分布在Non-3GPP不同接入网关上，第三种架构沿袭了Non-3GPP接入系统的Off-Path模式PCC信令传输设计思路，较好地兼容了旧系统，旧系统升级也较容易。但是与3GPP系统的On-Path模式PCC架构不太一致，这样在3GPP系统与Non-3GPP之间移动时PCRF需要将P-GW之间交互与位于Non-3GPP接入网关的策略执行实现（PCEF）交互进行关联。

5 结论

在PCC的标准化演进过程中，3GPP标准组织和各运营商认识到基于策略的业务传输的重要性。PCC架构的实现仍然是一个比较复杂的问题，还需要考虑诸多难点问题，例如如何更好地实现后向兼容，如何实现PCC控制业务和非PCC控制业务的并发传输与控制，漫游用户如何实现运营商域间互通等。未来移动通信网络发展的新需求为核心网的系统架构带来了很多变化，在策略控制机制的实现方式上引出了一系列新的特性，如多PCEF的支持、对本地疏导的漫游场景的支持、多IP模式等。未来PCC策略控制的发展趋势是分组深度检测功能、基于服务的业务转向功能等，确保策略架构提供一个可以容纳新的基于IP业务的可扩展框架。