什么是QoS？为什么LTE需要它？
核心定义
QoS（服务质量）是一套机制、策略和工具的组合，旨在为不同类型的数据流提供差异化、可保障的服务质量，它的目标是确保网络资源（如带宽、时延、抖动）能够被高效、公平地分配,满足不同应用的需求。
为什么LTE需要QoS？
在LTE网络中，我们同时使用多种应用,它们的需求天差地别：
- 网页浏览： 需要较高的带宽来快速加载,但对时延不敏感。
- 在线游戏/视频通话： 对时延和抖动极其敏感，哪怕几十毫秒的延迟都会导致体验急剧下降,但对带宽要求相对较低。
- 文件下载： 需要尽可能高的带宽和稳定的连接,可以容忍较高的时延。
- VoLTE语音通话： 需要非常低的时延和稳定的连接来保证通话清晰,不能中断。
如果网络对所有应用“一视同仁”，采用“尽力而为”（Best-Effort）的策略，那么当网络拥塞时，重要的实时应用（如游戏、通话）可能会被大量数据下载任务“饿死”,导致用户体验极差。
LTE必须引入QoS机制，为不同应用“贴上标签”，网络根据这个标签来分配资源,确保关键应用得到优先保障。
LTE QoS的核心：QoS Class Identifier (QCI)
LTE QoS体系的核心是QoS Class Identifier（QoS类别标识符），QCI是一个数字（0-9）,它预定义了一整套与数据包传输相关的QoS参数。
可以把QCI理解成一个“服务等级卡”，当你的手机发起一个数据流（比如打开微信视频通话）时，网络会根据这个应用类型，给它分配一个特定的QCI等级，这个QCI等级就决定了这个数据流在整个LTE网络中享有的“待遇”。
QCI参数详解
一个QCI值主要定义了以下三个关键传输特性：
| 参数 | 中文名称 | 描述 | 对应用体验的影响 |
|---|---|---|---|
| Packet Delay Budget (PDB) | 分组时延预算 | 网络承诺将数据包从发送端传送到接收端的最大时间。 | 时延：值越小，时延要求越苛刻，对实时交互应用至关重要。 |
| Packet Error Loss Rate (PELR) | 分组丢失率 | 网络承诺传输的数据包的最大丢失比例。 | 可靠性/稳定性：值越小，要求越高，语音和视频通话不能容忍丢包。 |
| Resource Type | 资源类型 | 标识该数据流应该使用什么样的无线资源调度策略。 | 调度优先级：决定了数据流在竞争无线资源时的优先级。 |
常用QCI等级示例
| QCI值 | 资源类型 | PDB (ms) | PELR | 典型应用场景 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | GBR | 100 | 10⁻⁶ | VoLTE语音、视频通话 | 最高优先级，保证比特率，极低时延和丢包率，专为实时交互设计。 |
| 2 | GBR | 150 | 10⁻³ | 实时游戏 | 保证比特率，低时延，丢包率略高于QCI 1，但仍属于高保障级别。 |
| 3 | Non-GBR | 50 | 10⁻³ | IMS信令 | 信令消息的优先级也很高，用于建立和管理呼叫。 |
| 4 | Non-GBR | 300 | 10⁻⁶ | 传统短信、聊天消息 | 时延要求相对宽松，但丢包率要求高。 |
| 5 | Non-GBR | 100 | 10⁻³ | 视频流（如优酷、YouTube） | 时延要求中等，可以容忍一定的抖动和丢包。 |
| 6 | Non-GBR | 200 | 10⁻⁶ | 视频流（后台） | 时延要求更低，用于后台缓冲或预加载。 |
| 7 | Non-GBR | 100 | 10⁻³ | 语音/视频通话（备用） | 作为QCI 1/2的备用方案。 |
| 8 | Non-GBR | 300 | 10⁻⁶ | 视频流（后台） | 与QCI 6类似，用于更后台的任务。 |
| 9 | Non-GBR | 网络控制信令 | 网络自身使用的信令，优先级最高。 | ||
| 65-68 | Non-GBR | 运营商自定义 | 运营商可以根据自己的业务需求定义新的QCI等级。 |
两个重要概念解释：
- GBR (Guaranteed Bit Rate) - 保证比特率：网络会为分配了GBR QCI的数据流预留专用的无线资源，即使网络拥塞，这部分资源也不会被抢占，QCI 1（VoLTE）就是GBR,确保通话不会因为别人在看视频而中断。
- Non-GBR (Non-Guaranteed Bit Rate) - 非保证比特率：这类数据流不享有资源预留，在网络有空闲资源时才能获得服务，当网络拥塞时，它们的速率会下降，甚至可能被丢弃，QCI 5（视频流）就是Non-GBR。
LTE QoS的完整流程：从应用到网络
一个数据流在LTE网络中享受QoS服务,需要经过以下几个关键步骤：
承载
这是LTE QoS的核心概念，承载是连接终端和核心网的一个逻辑管道，它拥有完整的QoS属性（由QCI定义），一个用户设备可以同时建立多个承载,每个承载服务于不同的应用。
- 默认承载：终端一开机，网络就会为其建立一个默认承载，它用于所有“未指定”的IP数据流，通常分配一个较低的QCI（如QCI 8或9），只要终端附着在网络,默认承载就始终存在。
- 专用承载：当需要为特定应用（如VoLTE、视频通话）提供高优先级服务时，网络会在默认承载的基础上，动态地建立或修改一个专用承载，这个专用承载拥有更高的QoS等级（如QCI 1）。
策略与计费控制
这是QoS的“大脑”，PCC功能位于核心网（PCRF/PCF实体）,它负责：
- 决策：根据用户的签约信息、当前网络负载和应用类型,决定该数据流应该使用哪个QCI等级。
- 授权：向网络中的网元（如P-GW、SGW、eNB）下发QoS策略。
- 计费：根据QoS策略和流量进行差异化计费。
QoS映射与执行
网络中的各个网元根据PCC下发的策略来执行QoS：
- 终端：在发送数据包时,会根据应用类型给数据包打上QCI标记。
- eNodeB (基站)：接收到数据包后，读取QCI标记，eNB内部的调度器会根据QCI对应的优先级、时延预算等参数，决定数据包在无线空口的发送顺序和资源分配,高QCI的数据包会被优先调度。
- 核心网网元：SGW和P-GW也会根据QCI进行数据包的转发和队列管理,确保核心网层面的QoS。
LTE中的QoS是一个复杂但精妙的系统,其核心思想可以概括为：
- 分类：通过QCI为不同应用定义标准化的服务等级。
- 管道：通过承载机制为不同等级的数据流建立逻辑通道。
- 决策：通过PCC策略与计费控制系统进行智能决策和授权。
- 执行：通过网络中的调度器在各个节点（终端、基站、核心网）严格执行QoS策略。
这套体系确保了在有限的无线资源下，像VoLTE这样的关键业务能够获得高质量、高可靠的保障，而其他非实时应用也能在资源允许的情况下获得良好的体验,从而实现了用户体验和网络资源利用率的平衡。
