LTE网络中PCC架构的应用

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  论文期刊摘自《电信工程技术与标准化》2010年第11期。作者：顾明。单位：中国移动通信集团设计院有限公司。
  原文可在各大通信期刊网站上下载。

【摘要】

LTE技术是新一代宽带无线移动通信网技术,可大幅提升无线网络业务速率,并采用统一的分组域核心网承载话音和数据业务,而IP网络承载语音等实时业务的质量保证是业界关注的问题。3GPP标准的PCC架构可有效实现LTE网络数据业务差异化的管理和运营,并提供业务端到端的质量保证,是LTE网络中实现语音业务等实时业务的关键。本文对PCC架构以及控制机制进行简要介绍,并结合LTE和PCC技术的发展情况,对PCC在LTE网络中的应用及引入方式进行探讨。

【英文摘要】

As the next generation technology of mobile telecommunication network,LTE greatly increases the data rates of wireless access network,and provide services including voice and broadband data only via packet core network.OoS guarantee in IP network for carrying voice or other real-time data voices become a key issue in mobile industry.PCC infrastructure defined by 3GPP that suited to meet the end-to-end QoS can be easily tailored to enhance the network performance.This article first introduces the generic PCC...

  全文如下：

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1 引言
    随着网络向全IP化的演进，如何在IP网络中保证业务服务质量，特别是语音、流媒体等质量要求高的业务，是业界关注的问题。3GPP引入IMS核心网架构时，即考虑了这一需求，在R5/R6版本标准中对IMS网络的策略控制机制进行了规定，并在R6中规范了基于流的计费（FBC）技术。在当前的规范中，策略控制和基于流的计费属于两套不同的系统，有各自的功能实体及接口。然而从具体过程看，策略控制和基于流的计费有很多相似的功能，将其分立设置无疑增加了网络配置、实体功能的复杂性，导致了成本的增加，同时降低了控制的效率，影响了用户体验。因此，有必要考虑将两套系统进行融合。
   3GPP R7提出Policy and Charging Control (PCC)功能架构，基于分组域实现业务策略控制。R8 在R7的基础上增强了对LTE/CDMA/WLAN等多种接入类型、漫游、PCRF寻址增强等功能点，R9主要进行完善工作，目前已冻结。R10提出了“Policy Plane”的概念，并开展DPI 业务检测上报、SPR 标准化、基于业务选网等增强功能研究。
   目前国内外运营商已开始考虑在网络中引入PCC架构，以实现在分组域上承载业务的计费控制和QoS 策略等。

2 PCC架构简介
2.1 PCC标准架构
   3GPP标准定义的PCC 架构主要由策略和计费控制单元（PCRF）、策略和计费执行单元（PCEF）、应用（AF）、用户属性存储器（SPR）等功能实体组成，标准架构如图1所示，以复杂的漫游情况下的架构为例。

图1  PCC标准架构示意图（用户漫游使用归属地网络）

   PCRF（Policy and Charging Rule Function），具有策略控制决策和基于流计费控制的功能，向PCEF提供关于业务数据流检测、门控、基于QoS和基于流计费（除信用控制外）的网络控制功能。当用户漫游时，需要漫游地和归属地的PCRF互通来为用户提供服务，因此可分为H-PCRF和V-PCRF功能。

   PCEF（Policy and Charging Enforcement Fucntion)，负责业务数据流的检测、策略执行和基于流的计费功能，一般设置在 GGSN 或P-GW上。AF（Application Function）, 主要对IP-CAN用户面行为进行动态策略/计费控制，设置在业务平台上。

   SPR（Subscription Profile Repository）, 该逻辑实体存储与所有签约用户或签约相关的信息，包括签约用户允许的业务等。

2.2 PCC的主要接口

   从图1可看出，PCC架构的主要接口有：

   Gx接口：位于PCRF与PCEF之间，用于传送策略和计费规则。该接口支持SDF（Service DATA Flow）级别的PCC信息传输，并支持无线接入技术信息和位置信息的传输。

   Rx接口：位于AF与PCRF之间，用于从AF向PCRF传送应用层信息，包括差异化计费信息、用于QoS 控制的媒体/应用带宽需求等。

   Sp接口：位于SPR和PCRF之间，用于PCRF从SPR获得与IP-CAN传输策略相关的用户信息，如用户ID、PDN标识等。

   Gy接口：位于PCEF与OCS 之间，用于在线计费控制信息的传送。

   Gz接口：位于PCEF and the OFCS之间，用于基于离线计费的数据流传送。

   S9接口：位于hPCRF与vPCRF之间，用于支持漫游场景下的SDF级的PCC信息传输，并支持所有非漫游场景下的QOS参数、相关分组过滤器以及控制信息的传输。

3 PCC的作用

   随着移动通信网络向3G的演进，数据业务承载能力有了大幅度的提高，数据业务量快速增加，但由于网络资源相对有限，从实际网络运行情况来看存在以下问题：
（1）数据业务增量不增收。少量用户挤占了大量的网络资源，导致业务感受度差。
（2）实时业务，如流媒体等无法得到网络资源的保障。
   除上述问题外，LTE引入后承载在分组域上的语音等实时业务更需要得到QoS保证。PCC 架构可以实现通过用户分级来吸引或保障高端用户，不同的用户享受不同的资费和带宽。系统拥塞时，保证高端用户的QoS。PCC 在LTE网络中作用的重点是“保障”，即保障实时业务和重点业务的质量；在2G/3G网络中的作用是“限制”，即限制低价值用户对网络资源的占用，保证其他业务的感受。此外，通过PCC还可实现实时计费、欠费控制等功能。
  
4 PCC在LTE网中的应用
   从标准定义来看，PCC架构可以实现QoS、计费等方面的功能，考虑到LTE网络建设初期，全IP网络的业务QoS问题更受关注，因此本文将主要从QoS策略方面讨论PCC在LTE网中的应用，对于计费的内容暂不涉及。
4.1 无PCC架构下的Qos策略
   3GPP标准定义的LTE网络取消了电路域，话音业务以及各类流媒体业务将通过统一的分组域承载，由IMS域实现对业务的控制。对于语音业务的承载，在没有PCC 的情况下，可有两种方式来提供QoS 保证，具体如下：
（1）终端不具有QoS措施，核心网通过“默认承载”，采用Best Effort方式为用户提供服务，通过增加网络带宽保证业务质量。
（2）终端具有Qos措施，对于话音业务“打上”特殊的DSCP标记，SAE-GW识别后在Best Effort的基础上为用户提供“尽量高”的服务质量；或者终端请求EPC网络建立“专用承载”传送话音业务。
   这两种方式可在核心网侧一定程度上保证业务的带宽，但是QoS能力均无法传导至无线侧，不能为业务提供端到端的质量保证，而无线资源受限的因素，也无法得到可靠的QoS保障。

4.2 引入PCC后的Qos策略
4.2.1 引入PCC架构后的LTE网络
    在LTE网络中引入PCC后的网络架构如图2所示。

图2  引入PCC架构后的LTE网络

   

4.2.2 策略实现机制

    在业务处理过程中，PCRF需向内部或外部数据库查询用户数据、从承载层和应用层获得相关信息来确定用户QoS策略，用户数据可包括：用户签约的业务信息，运营商定义的用户信息等，从承载层和应用层获得信息包括接入网络信息、用户身份标识、用户位置信息、协商的QoS、用户设备信息和用户计费方式等。根据这些信息，PCRF将为用户配置相应的QoS 策略，并与其它核心网元交互，分配相关资源以保证业务服务质量。具体过程如图3所示（以话音业务为例）。

图3  PCC架构下QoS策略实现机制示意

    PCRF发布的QoS策略可以由EPC核心网MME影射成为无线网络参数，并发送给eNode B，由无线网络根据QoS来提供相应的资源，以保证有足够的无线网络资源为话音业务等重要实时业务提供服务质量保证。

5 LTE网络引入PCC的方式

   根据国内LTE引入后业务布署策略来看，在LTE建设时应同步引入PCC。运营商在引入PCC架构时可考虑以下的建设原则：

  （1）以省为单位集中建设PCRF设备。

  （2）统筹考虑LTE网络及2G/3G网络PCC的建设，并统筹考虑资源控制和资费策略。

  （3）LTE网络以及2G/3G网络共用PCRF设备。

  （4）适时在自有业务平台增加AF功能，实现端到端的Qos保障。

    移动通信网络中2G/3G网络可以共用核心网，在2G/3G网络向LTE的演进过程中，LTE 建设初期2G/3G核心网与EPC网络将独立建设，随着技术和网络的发展，2G/3G核心网与EPC网络逐步实现融合。而PCC的引入与发展与核心网的发展是相辅相成的，也将从独立建设分别为2G/3G网络服务的PCRF和为LTE服务的PCRF，向融合的PCRF演进。

    PCC引入可以分为三个阶段：

    第一阶段 ：2G/3G与EPC 独立建设，PCRF独立建设进行测试和试点。

    第二阶段 ：适时在自有平台部署AF，实现端到端的QoS保障。

    第三阶段 ：2G/3G，EPC网络使用融合PCRF。

    PCC的引入和发展建议如图4所示。

图4  PCC的引入和发展

   

6  结束语

    随着网络向LTE的演进，核心网将未来将只保留演进的分组域，即EPC网络来统一承载数据业务和语音等实时性要求高的业务。通过PCC对业务实现端到端的QoS保障是保障实时业务质量的关键。虽然3GPP在R8中对PCC进行了明确的定义，但我国电信运营商网络庞大，并且涉及多厂家的互通，PCC在网络中的具体的建设和应用方案还需要结合各个运营商的情况详细制定；PCC的互通性和应用效果仍有待验证。我们将继续跟踪 PCC在网络中的测试和应用情况，提出满足运营需要的建议。

参考文献

[1] 3GPP TS23.203 “Policy Control and Charging Architecture (Stage 2)”

[2] 黄韬，张智江，刘韵洁. PCC策略控制机制研究.

附录：