LTE QoS: SDF 및 EPS 베어러 QoS

목 차
I. 들어가는 글
II. SDF 및 EPS 베어러
III. SDF 및 EPS 베어러 QoS
IV. QoS Enforcement 및 Provisioning
V. SDF 및 EPS Bearer QoS 예
VI. 마치는 글
LTE QoS를 서비스 레벨과 베어러 레벨에서 기술한다. 먼저 서비스 레벨과 베어러 레벨의 트래픽
플로우로 SDF(Service Data Flow)와 EPS 베어러 개념을 설명하고 이들의 관계를 기술한다. 이어서
각 레벨의 QoS 개념을 설명하고 SDF QoS 파라미터와 EPS 베어러 QoS 파라미터의 종류 및 특징
을 기술한다. QoS 파라미터 값이 EPS(Evolved Packet System) 엔터티들에 어떻게 제공되고 사용자
트래픽에 어떻게 적용되는지 기술한 후 상향(UL)과 하향(DL)에서의 QoS 동작을 설명한다.
2011년 8월 12일
NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)
LTE QoS

I. 들어가는 글
LTE 서비스를 제공하는 사업자는 서로 다른 서비스 품질(QoS)을 요구하는 “서비스들”을 서로 다른 서비스 등급을 갖는 “가입자들”에게 제공할 수 있어야 한다. 이를 위하여 사업자는 가입자의 서비스 등급과 서비스 종류를 인지하고 사용자 IP 트래픽에 대해 무선 및 망 자원을 차별적으로 할당하고 관리할 수 있어야 한다.
따라서 망은 QoS 요구사항에 따라 사용자 트래픽 전송 경로를 설정하거나 서비스 별 IP flow를 제어하게 된다. EPS(Evolved Packet System)에서 사용자 트래픽 전송 경로는 EPS 베어러로, QoS에 따라 다른 EPS 베어러가 생성 된다. 같은 서비스 품질을 가진 IP flow들은 SDF(Service Data Flow)로 맵핑이 되고, 이 SDF는 사업자 정책을 반영한 QoS 규칙을 적용하는 단위가 된다.
본 문서는 LTE의 대표적인 QoS 메커니즘으로 SDF QoS와 EPS 베어러 QoS에 대하여 분석하고 QoS 동작 예를 설명한다. II 장에서는 SDF와 EPS 베어러를 정의하고 III 장에서는 SDF QoS 파라미터와 EPS 베어러 QoS 파라미터에 대하여 기술한다. IV 장에서는 QoS 파라미터가 어디에 적용되고 누가 제공하는지 QoS enforcement와 provisioning을 기술한다. V 장에서는 II 장과 III 장에서 다룬 QoS 개념을 기반으로 LTE QoS 동작 예를 설명한다.

II. SDF 및 EPS 베어러
그림 1은 SDF와 EPS 베어러 그리고 그들의 관계를 나타낸다. 사용자 트래픽(IP flows)에 대해 SDF는 서비스에 대응하는 QoS를 제공하고, EPS 베어러는 EPS 전달 망에서 UE와 P-GW 갂에 QoS를 제공한다. SDF가 EPS을 거쳐 사용자에게 전송될 때에는 P-GW에 install되어 있는 QoS 규칙에 따라 적합한 QoS를 제공해 줄 수 있는 EPS 베어러로 맵핑되어 전달된다.
그림 1. SDF 및 EPS 베어러
SDF
사용자 트래픽은 어떤 서비스(또는 어플리케이션)를 이용하는가에 따라 다른 QoS 특성을 갖는다. SDF는 사용자 트래픽을 서비스 별로 filtering(분류, classification)한 IP flow 또는 IP flow들의 모임으로, UE의 가입자 등급 및 이용하는 어플리케이션에 따라 특정 QoS 정책이 적용된다. 그림 1을 보면 사용자로 향하는 IP flow들은 서비스 특성에 따라 SDF template(classifier)을 통해 SDF로 filtering(분류)되고 SDF별로 QoS 정책(예, 대역폭 제어)이 적용되어 사용자에게 전달된다. EPS 전달망에서 QoS는 EPS 베어러에 의해 제공되므로 각 SDF는 자싞의 QoS 요구사항을 만족해 줄 수 있는 EPS 베어러로 맵핑되어 전송된다.
PDNPDN Connection (EPS Session)UE IP addressAPNDefault EPS BearerDedicated EPS BearerIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5ApplicationsEPS BearerseNBUES-GWP-GWSDF1 QoS PolicySDF2 QoS PolicySDF3 QoS PolicySDF4 QoS PolicyFiltering(TFT/SDF Template)
EPS 베어러
EPS 베어러 종류는 default 베어러와 dedicated 베어러가 있다([1] 참조). UE가 LTE 망에 접속하면 IP 주소를 할당받고 PDN(Packet Data Network) 연결1을 생성하면서 동시에 default EPS 베어러가 생성된다. 사용자가 default 베어러를 통해 서비스(예, Internet)를 이용하다가 default 베어러로는 QoS를 제대로 제공받을 수 없는 서비스(예, VoD)를 이용하게 되면 on-demand로 dedicated 베어러가 생성된다2. 즉 dedicated 베어러는 이미 설정되어 있는 베어러와는 다른 QoS로 설정된다. UE는 여러 개의 APN(Access Point Name)에 접속할 수 있고 APN 당 하나의 default EPS 베어러와 여러 개의 dedicated EPS 베어러를 설정할 수 있는데, 최대 11개까지 EPS 베어러를 설정할 수 있다([1] 참조).
Default 베어러는 사용자가 망에 초기 접속할 때 생성된 후 중갂에 서비스를 이용하지 않을 때에도 계속 유지되다가 망에서 떠날 때에 비로소 없어진다. Default 베어러는 APN 당 하나씩 생성되는데 망에 초기 접속시에 어느 APN으로 어떤 QoS를 적용해서 생성할 것인가는 사용자의 가입 정보로 HSS에 provisioning 되어있다. UE가 망에 초기 접속하면 MME는 HSS로부터 사용자 가입 정보(default APN, EPS subscribed QoS profile)를 다운로드 받아서 가입자 QoS Profile을 이용하여 해당 PDN으로 default 베어러를 생성한다.
그림 1 설명
그림 1은 하향 IP flow들이 EPS를 거쳐 사용자에게 전달될 때 EPS 베어러와 SDF를 보여준다. PDN을 거쳐 P-GW에 도착한 사용자 IP flow들은 SDF template을 통해 SDF로 filtering 된다. IP flow 1은 SDF1으로, IP flow 2는 SDF 2로, IP flow 3은 SDF 3으로 IP flow 4와 IP flow 5는 SDF 4로 분류되어 각 SDF 별로 QoS 규칙이 적용된 후 TFT(Traffic Flow Template) filtering 규칙에 따라 EPS 베어러로 맵핑된다. SDF 1과 SDF 2는 default 베어러로 SDF 3과 SDF 4는 dedicated 베어러로 맵핑되고 해당 EPS 베어러를 통해 UE에게 전달된다. UE에 도착한 IP flow들은 해당 어플리케이션으로 전송된다.
그림 1을 기반으로 표 1에 EPS 베어러 및 SDF 용어를 정리하였다. 본 문서는 3GPP 표준에서 말하는 IP-CAN(IP Connectivity Access Network) 중 EPS 만을 대상으로 하므로 IP-CAN은 EPS로 통일하였다(예, IP-CAN 베어러 = EPS 베어러).
1 PDN 연결(PDN connection)은 다른 말로 EPS 세션(EPS session)이라고 한다.
2 Dedicated 베어러는 default 베어러가 생성될 때 같이 생성될 수도 있다.
표 1. SDF 및 EPS 베어러 용어 Terms Description
PDN Connection
? UE와 PDN 갂 IP 연결 (UE는 IP 주소로 PDN은 APN으로 식별)
EPS Session
? PDN Connection과 같은 의미로 사용
? 하나 이상의 EPS 베어러를 가지며 UE에 IP 주소가 할당되고 UE가 IP 망에 접속되어 있는 한 유지됨
EPS Bearer
? 특정 QoS로 IP 트래픽을 젂송하기 위하여 UE와 P-GW 갂에 설정된 젂달 경로
? 각 EPS 베어러는 젂달 경로의 특성을 나타내는 QoS 파라미터들로 설정됨
Default Bearer
? 새로운 PDN connection이 생성될 때 처음 생성되는 EPS 베어러로 PDN connection이 종료될 때까지 유지됨
? 항상 non-GBR 형태로 설정 (non-GBR: III 장 참조)
Dedicated Bearer
? PDN connection 생성 후 추가적으로 on-demand로 생성되는 EPS 베어러
? GBR 또는 non-GBR 형태로 설정 (GBR, non-GBR: III 장 참조)
Service Data Flow (SDF)
? 서비스에 대응하는 IP flow 또는 IP flow들의 모임으로 패킷의 IP & TCP/UDP 헤더에 의해 식별됨
? SDF 별로 다른 QoS가 적용되고 PCRF에 의해 PCC 규칙이 적용됨
? SDF의 QoS를 만족할 수 있는(제공 가능한) EPS 베어러를 통해 젂달됨. 여러 SDF가 같은 EPS 베어러로 맵핑될 수 있음

III. SDF QoS 및 EPS 베어러 QOS
II 장에서 LTE 망에서 사용자 트래픽에 대한 QoS는 SDF와 EPS 베어러를 통해 제공됨을 보았다. 이들은 각각 QoS 파라미터에 의해 설정되고 그림 2는 SDF와 EPS 베어러의 QoS 파라미터를 보여준다.
그림 2. SDF와 EPS 베어러의 QoS 파라미터
LTE 망에서 QoS 파라미터는 서비스 레벨과 베어러 레벨에서 정의된다. SDF QoS 파라미터는 서비스 레벨 QoS 파라미터이고 EPS 베어러 QoS 파라미터는 베어러 레벨 QoS 파라미터이다. 서비스 레벨과 베어러 레벨은 다른 말로 SDF 레벨과 SDF aggregate 레벨로 불린다. SDF aggregate는 동일한 EPS 세션에 속하는 동일
Default Bearer for PDN 1QCIARPGBR (UL/DL)Non-GBRNon-GBRGBRDefault Bearer for PDN 2Non-GBRNon-GBRGBRQCIARPQCIARPQCIARPQCIARPQCIARPGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)APN-AMBR(UL/DL)APN-AMBR(UL/DL)UE-AMBR(UL/DL)Dedicated Bearer for PDN 2Dedicated Bearer for PDN 2Dedicated Bearer for PDN 1Dedicated Bearer for PDN 1SDF 1SDF 2SDF 3SDF 4SDF 5SDF 1SDF 2SDF 3SDF 4SDF 5Resource TypeQoS Parameters of EPS BearerQoS Parameters of SDFPDN 1PDN 2UE IP 1UEIP 2PDN Connection 1 (EPS Session 1)PDN Connection 2 (EPS Session 2)QCI: QoS Class IdentifierARP: Allocation and Retention PriorityGBR: Guaranteed Bit RateMBR: Maximum Bit Rate APN-AMBR: Access Point Name-Aggregate Maximum Bit RateUE-AMBR: User Equipment-Aggregate Maximum Bit RateGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPUE
한 QCI(QoS Class Identifier)와 ARP(Allocation and Retention Priority) 값을 갖는 SDF들의 모임을 말한다. 아래에서 SDF와 EPS 베어러의 QoS 파라미터를 설명하고 표 2에 정리한다.
? SDF QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR, MBR
? EPS 베어러 QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR, MBR, APN-AMBR, UE-AMBR
SDF QoS
QCI와 ARP는 모든 SDF에 적용되는 기본 QoS 파라미터이다. QCI는 서로 다른 QoS 특성을 표준화하여 정수 값(1 ~ 9)으로 표현한 것으로 표준화된 QoS 특성은 자원 형태(Resource Type), 우선 순위(Priority), 패킷 지연(Packet Delay Budget), 패킷 에러 손실률(Packet Error Loss Rate)로 표현된다[2]. SDF는 자원 형태에 따라 망 자원이 고정적으로 할당되는 GBR형 SDF와 그렇지 않은 non-GBR형 SDF로 구분된다. QCI와 ARP 이외에 GBR형 SDF는 QoS 파라미터로 GBR(Guaranteed Bit Rate)과 MBR(Maximum Bit Rate)을 할당받고 non-GBR형 SDF는 MBR을 할당받는다.
? GBR형 SDF QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR(UL/DL), MBR(UL/DL)
? Non-GBR형 SDF QoS 파라미터: QCI, ARP, MBR(UL/DL)
SDF는 P-GW에서 EPS 베어러로 맵핑되어 EPS 베어러를 통해 UE에게 전달된다. 같은 QCI와 ARP를 갖는 SDF들(SDF aggregate)은 하나의 EPS 베어러로 맵핑된다.
EPS 베어러 QoS
QCI와 ARP는 모든 EPS 베어러에 적용되는 기본 QoS 파라미터이다. EPS 베어러는 QCI 자원 형태에 따라 GBR형 베어러와 non-GBR형 베어러로 구분된다. Default 베어러는 항상 non-GBR형 베어러이고 dedicated 베어러는 GBR형과 non-GBR형 베어러로 설정될 수 있다.
? GBR형 베어러 QoS 파라미터: QCI, ARP, GBR(UL/DL), MBR(UL/DL)
? Non-GBR형 베어러 QoS 파라미터: QCI, ARP, APN-AMBR(UL/DL), UE-AMBR(UL/DL)
QCI와 ARP 이외에 GBR형 베어러는 QoS 파라미터로 GBR과 MBR를 가지며 이는 베어러별로 고정된 자원을 할당 받음(대역폭 보장)을 의미한다. 반면에 non-GBR형 베어러는 QoS 파라미터로 AMBR(Aggregated Maximum Bit Rate)을 가지며 이는 자원을 베어러별로 할당 받지 못하는 대싞에 다른 non-GBR형 베어러들과 같이 사용할 수 있는 최대 대역폭을 할당 받음을 의미한다. APN-AMBR은 동일 PDN 안에서 non-GBR형 베어러들이 공유할 수 있는 최대 대역폭이고 UE-AMBR은 동일 UE 안에서 공유할 수 있는 최대 대역폭이다. UE가 여러 PDN 연결을 갖는 경우 각 PDN의 APN-AMBR의 합은 UE-AMBR을 초과할 수 없다.
그림 2 설명
그림 2는 UE가 두 개의 PDN connection을 갖는 경우이다. PDN 1로부터 IP 주소 1을 PDN 2로부터 IP 주소 2를 할당받고 각 PDN에 대하여 하나의 default 베어러와 두 개의 dedicated 베어러가 설정되어 있다. 사용자 IP flow는 SDF template을 통해 SDF로 filtering 되어 P-GW에 PDN 1으로부터 SDF 1 ~ SDF 5가 PDN 2로부터 SDF 1 ~ SDF 5가 수싞된 경우이다.
SDF들은 P-GW에 설정되어 있는 QoS 규칙에 따라 망 자원 및 패킷 포워딩 방법을 제어받고 QCI와 ARP에 따라 EPS 베어러로 맵핑된다. PDN 1의 경우 SDF 1과 SDF 2는 default 베어러로 SDF 3와 SDF 4는 non-GBR형 dedicated 베어러로 SDF 5는 GBR형 dedicated 베어러로 맵핑되어 전달된다. EPS 베어러로 전달되는 동안은 EPS 베어러 QoS에 의해 제어받는다.
같은 PDN 내의 non-GBR형 베어러들은 공유하여 사용할 수 있는 최대값 APN-AMBR에 의해 제어되고 같은UE 내의 모든 non-GBR형 베어러들은 공유하여 사용할 수 있는 최대값 UE-AMBR에 의해 제어된다.
표 2. SDF 및 EPS 베어러 QoS 파라미터 Terms Description
GBR Bearer
? 베어러 설정/수정 시 GBR 값을 보장하도록 망 자원이 고정적으로 할당됨
? GBR 베어러에 트래픽이 없어도 GBR에 명시된 대역폭은 항상 망에서 예약되어 있음(reserved)
Non-GBR Bearer
? 망 자원이 고정적으로 할당되지 않음. Default 베어러는 항상 non-GBR형 베어러임
QCI
? 서로 다른 QoS 특성의 수를 나타냄 (1 ~ 9)
? QCI 파라미터(QoS 특성을 나타냄): 자원 형태(GBR, non-GBR), 우선 순위(Priority), 패킷 지연(Packet Delay Budget), 패킷 에러 손실률(Packet Error Loss Rate)
? 표준화된 QoS 특성 값은 3GPP TS 23.203[3] 표 6.1.7 참조
? QCI에 따라 packet forwarding이 제어됨 (예, scheduling weights, admission 임계값, queue 관리 임계값, 링크 계층 프로토콜 구성 등)
? 사업자 망 장비(예, eNB)에 pre-configuration 되어 있어야 함
ARP
? ARP 파라미터: Priority 레벨(0 ~ 15), Pre-emption capability 및 Vulnerability
? 망 자원이 부족한 경우 망이 새로운 베어러를 설정하거나 수정하고자 할 때, 이를 거젃하거나 기졲의 베어러를 버리고 수용하는 경우 사용되는 우선순위를 나타냄
? 베어러가 설정되고 난 후에는 베어러의 QoS에 영향을 미치지 않음
GBR (UL/DL)
? GBR형 베어러(또는 GBR형 SDF)에 적용되며 베어러(또는 SDF)에서 보장해야 하는 최소 대역폭(bit rate)을 나타냄
MBR(UL/DL)
? GBR형 베어러(또는 GBR형/Non-GBR형 SDF)에 적용되며 베어러(또는 SDF)에게 허용된 최대 대역폭(bit rate)을 나타냄 (대역폭 보장은 아님)
? 초과되는 트래픽은 rate policing에 의해 폐기됨
APN-AMBR(UL/DL)
? UE의 PDN 별로 정의되며 동일 UE의 동일 PDN에 속한 모든 non-GBR형 베어러들에게 허용된 최대 대역폭(bit rate)을 나타냄 (대역폭 보장은 아님)
? Non-GBR형 베어러들의 총 합계에만 적용
UE-AMBR(UL/DL)
? UE 별로 정의되며 동일 UE에 속한 모든 non-GBR형 베어러들에게 허용된 최대 대역폭(bit rate)을 나타냄 (대역폭 보장은 아님)
? Non-GBR형 베어러들의 총 합계에만 적용
? HSS가 제공하는 가입 정보이나 MME는 허용된 범위(HSS 제공값) 안에서 해당 UE의 모든 PDN의 APN-AMBR의 합으로 갱싞할 수 있음
(UE-AMBR = Σ APN-AMBR(s) for all PDN)

IV. QoS Enforcement 및 Provisioning
4.1 절에서는 III 장에서 정의한 EPS 베어러와 SDF QoS 파라미터들이 어떤 EPS 엔터티에 설정되어 적용되는지 QoS enforcement에 대해 설명한다. 4.2 절에서는 EPS 엔터티에 설정된 QoS 파라미터 값이 누구에 의해 제공되는지 QoS provisioning에 대해 설명한다.

4.1 QoS Enforcement
그림 3은 EPS 베어러와 SDF QoS 파라미터들이 EPS 엔터티 상에 어디에 설정되어 적용되는지 보여준다. S-GW에 적용되는 EPS 베어러 QoS의 경우 APN-AMBR을 제외하고 P-GW와 같이 설정되나 갂략화를 위해 QCI만 나타내었다.
그림 3. QoS Enforcement
SDF QoS Enforcement
SDF QoS 파라미터 즉 QCI, ARP, MBR, GBR은 P-GW에 install된다. 표 3은 SDF QoS 파라미터 값이 어떤 EPS 엔터티에 적용되는지를 나타낸다. P-GW에 도착한 IP flow들은 SDF template에 의해 filtering 되어 SDF로 분류되고, SDF는 P-GW에 install되어 있는 SDF QoS 파라미터에 의해 제어된다.
표 3. SDF QoS Enforcement SDF QoS 파라미터 Enforcement
QCI
P-GW에서 모든 SDF에 적용
ARP
P-GW에서 모든 SDF에 적용
MBR
P-GW에서 모든 SDF에 적용
GBR
P-GW에서 GBR형 SDF에만 적용
EPS 베어러 QoS Enforcement
EPS 베어러 QoS 파라미터들은 UE와 P-GW 갂 사용자 트래픽을 전송하는 EPS 엔터티들(UE, eNB, S-GW, P-GW)에 install된다. 표 4는 EPS 베어러 QoS 파라미터 값이 어떤 EPS 엔터티에 적용되는지를 나타낸다.
APN-AMBR은 동일 PDN 안에 생성된 모든 non-GBR형 EPS 베어러들에 적용되며 EPS 베어러의 종단점 즉 UE와 P-GW에서 적용된다. UE에서는 UL 값만 적용되고 P-GW에서는 UL(상향)과 DL(하향) 값이 모두 적용된다. UE-AMBR은 동일 UE에 생성된 모든 non-GBR형 EPS 베어러들에 적용되며 모든 PDN 트래픽이 전송되는 eNB에서 적용된다. 즉 APN-AMBR은 해당 APN으로 식별되는 PDN에만 적용되는 값이고, UE-AMBR은 해당 UE에 적용되는 값으로 모든 PDN을 포함한다.
MBR은 GBR형 베어러에만 적용되고 UE와 eNB에서는 상향 값만 적용되고 S-GW와 P-GW에서는 하향 값만 적용된다. GBR은 GBR형 베어러에만 적용되고 UE를 제외한 모든 엔터티에서 상향 및 하향 값이 적용된다.
QCIARPUE-AMBR(UL/DL)APN-AMBR(UL)MBR (UL)GBR (UL/DL)MBR (DL)QCIARPQCIARPApplication APN-AMBR(UL/DL)QCIQCIQCIQCIARPQCIARPQCIARPMBR (UL)GBR (UL/DL)QCIQCIQCIDefault Bearer (Non-GBR)Dedicated Bearer (GBR)Dedicated Bearer (Non-GBR)eNBUES-GWP-GWMBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)GBR (UL/DL)GBR (UL/DL)QCIQCIQCIQCIQCIARPARPARPARPARPPDN
표 4. EPS 베어러 QoS Enforcement EPS 베어러 QoS 파라미터 Enforcement
QCI 모든 엔터티(UE, eNB, S-GW, P-GW)에서 모든 베어러에 적용
ARP UE를 제외한 엔터티(eNB, S-GW, P-GW)에서 모든 베어러에 적용
MBR 모든 엔터티(UE, eNB, S-GW, P-GW)에서 GBR형 베어러에만 적용
GBR UE를 제외한 엔터티(eNB, S-GW, P-GW)에서 GBR형 베어러에만 적용
APN-AMBR
UL: UE와 P-GW에서 non-GBR형 베어러에만 적용
DL: P-GW에서 non-GBR형 베어러에만 적용
UE-AMBR
eNB에서 non-GBR형 베어러에만 적용

4.2 QoS Provisioning
그림 4는 EPS 엔터티에 설정된 QoS 파라미터 값이 누구에 의해 제공되는지 나타낸다.
SDF QoS Provisioning
SDF QoS 파라미터는 모두 PCRF(Policy and Charging Rule Function)에 의해 제공된다.
EPS 베어러 QoS Provisioning
Default 베어러에 적용되는 QoS 파라미터 값은 사업자에 의해 HSS에 가입 정보로 provisioning되고, default 베어러 생성시 MME가 HSS로부터 default 베어러 QoS 프로파일을 다운로드 받아 EPS 엔터티들에 제공한다. HSS에 의해 제공된 default 베어러 QoS 파라미터들은 EPS 세션 생성시 PCRF에게 QoS 규칙을 authorization 받을 때 갱싞될 수 있다. eNB에서 제어되는 UE-AMBR은 HSS에 의해 제공되지만 MME가 갱싞할 수 있다. MME는 UE-AMBR 값을 갱싞하는 경우 HSS에 의해 제공된 값 범위 안에서 모든 active PDN의 APN-AMBR의 합이 되도록 갱싞한다.
Dedicated 베어러에 적용되는 QoS 파라미터들은 PCRF에 의해 제공된다. PCRF는 dedicated 베어러 생성시 SPR(Subscriber Profile Repository)로부터 사용자의 가입정보를 수싞하여 QoS 파라미터를 결정한다.
그림 4. QoS Provisioning
1. HSS 터 2. PCRF 의 (PCC rule authorization)1. PCRF 터 1. HSS 터 2. MME는 UE-AMBR APN의 APN-AMBR의 (HSS 의 UE-AMBR )QCIARPUE-AMBR(UL/DL)APN-AMBR(UL)MBR (UL)GBR (UL/DL)MBR (DL)QCIARPQCIARPApplication APN-AMBR(UL/DL)QCIQCIQCIQCIARPQCIARPQCIARPMBR (UL)GBR (UL/DL)PDNQCIQCIQCIDefault Bearer (Non-GBR)Dedicated Bearer (GBR)Dedicated Bearer (Non-GBR)eNBUES-GWP-GWMBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)MBR (UL/DL)GBR (UL/DL)GBR (UL/DL)QCIQCIQCIQCIQCIARPARPARPARPARP

V. SDF 및 EPS 베어러 QoS 예
II 장과 III 장에서 기술한 SDF 및 EPS 베어러 QoS 개념을 기반으로 LTE QoS 예를 설명한다. SDF QoS와 EPS 베어러 QoS 메커니즘이 어떻게 동작하는지 설명하고 각 엔터티에서의 동작을 기술한다. LTE 동작 환경은 다음과 같다: UE는 하나의 PDN과만 연결되어 있고 PDN은 인터넷이다. UE는 세 개의 베어러 즉 default 베어러, non-GBR형 dedicated 베어러, GBR형 dedicated 베어러를 통해 인터넷과 통싞하고 있고 각 베어러의 ID(EBI: EPS Bearer ID)는 5, 8, 10으로 할당되어 있다.

5.1 하향 서의 QoS 동작
그림 5는 하향 LTE QoS 동작 예를 보여준다. 아래에 각 엔터티에서의 동작을 기술한다.
그림 5. LTE QoS 예 (하향)
? [P-GW] 하향 IP Flows
인터넷을 통해 P-GW에 IP flow들이 도착한다. IP flow 1은 음성 데이터(RTP), IP flow 2는 비디오 스트리밍, IP flow 3는 음성 시그널링(SIP), IP flow 4는 양방향 게임이고 IP flow 5는 나머지 Best Effort 타입의 인터넷 트래픽을 나타낸다.
? [P-GW] IP 패킷 Filtering(SDF Templates)
P-GW에 도착한 IP flow들은 IP 패킷 filter들(SDF templates)을 통해 filtering되어 어느 SDF인지 구분된다. SDF 구분을 위한 filter 규칙은 IP와 TCP/UDP 헤더에 있는 5-tuple(Source IP address, Destination IP address, Source port number, Destination port number, Protocol ID) 값으로 적용된다. IP flow 1은 GBR형 SDF 1으로, IP flow 2는 GBR형 SDF 2로, IP flow 3와 IP flow 4는 non-GBR형 SDF 3으로, IP flow 5는 non-GBR형 SDF 4로 구분된다.
Application SDF Templates (DL)MBR (DL) PolicingMBR (DL) PolicingAPN-AMBR (DL) PolicingDedicated Bearer (GBR), Bearer ID=10Dedicated Bearer (Non-GBR), Bearer ID=8Default Bearer (Non-GBR), Bearer ID=5SDF1SDF2SDF3SDF4PF: Packet FilterGBR BearerNon-GBR BearerNon-GBR BearerUE-AMBR (DL) SchedulingPF1PF2PF3PF4PF5SDF=1SDF=2SDF=3SDF=3SDF=4EBI=10EBI=10EBI=8EBI=8EBI=5SDF Template3 (TFT)Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(*, UE IP, *, *, *)SDF 1(*, UE IP, RTP, *, UDP)(*, UE IP, Video, *, UDP)(*, UE IP, SIP, *, UDP)(*, UE IP, Game, *, *)SDFBearer 10Bearer IDFilter Rule: (Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID)SDF 2SDF 3SDF 3SDF 4Bearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5DL TFTs (SDF Templates) in P-GWSDF Template1 (TFT)SDF Template4 (TFT)SDF Template2 (TFT)eNBUES-GWP-GWIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5Bearer ID=10Bearer ID=8Bearer ID=51234556PDN(Internet)
? [P-GW] SDF QoS 적용(QoS Enforcement): MBR Rate Policing3
SDF 별로 MBR rate policing을 적용한다. 하향 MBR 값을 초과시 폐기된다.
? [P-GW] SDF ? EPS 베어러 맵핑: IP 패킷 Filtering (TFT: Traffic Flow Templates)
SDF는 IP 패킷 filter들(TFT)을 통해 filtering되어 어느 EPS 베어러로 전송될지 구분된다. SDF 1과 SDF 2는 GBR형 dedicated 베어러(EBI=10)로, SDF 3은 non-GBR형 dedicated 베어러(EBI=8)로, SDF 4는 default 베어러(EBI=5)로 맵핑된다.
? [P-GW] EPS 베어러 QoS 적용(QoS Enforcement): MBR Rate Policing, APM-AMBR Rate Policing
각 베어러에 대해 EPS 베어러 QoS가 적용된다. GBR형 베어러에는 MBR rate policing이 적용되어 하향MBR 값을 초과하는 IP 패킷은 폐기된다. Non-GBR형 베어러에는 APN-AMBR rate policing이 적용된다. 즉 EBI 8과 EBI 5로 향하는 IP flow 전체에 대해 하향 APN-AMBR 값으로 rate policing이 적용된다. 하향 APN-AMBR 값을 초과하는 IP 패킷은 폐기된다.
? [eNB] EPS 베어러 QoS 적용(QoS Enforcement): UE-AMBR Scheduling
eNB는 무선 구갂에서 non-GBR형 베어러에 대해 하향 UE-AMBR 값으로 scheduling을 수행한다. 즉 베어러 8과 베어러 5로 수싞되는 IP flow 전체에 대해 하향 UE-AMBR 값으로 scheduling한다. 그림 5에서는 PDN이 하나이므로 하향 UE-AMBR 값은 하향 APN-AMBR과 같은 값이 된다.

5.2 상향 서의 QoS 동작
그림 6은 상향 LTE QoS 동작 예를 보여준다. 하향 LTE QoS 동작 예에서와 달리 IP 상향에서는 MBR과 APN-AMBR 제어가 UE와 P-GW에서 모두 수행된다.
그림 6. LTE QoS 예 (상향)
3 Policing외에 shaping이 적용될 수 있으나, 본 문서에서는 편의상 모든 엔터티에 대해 policing으로 통일하였다.
PF: Packet FilterMBR (UL) PolicingPF1PF2PF3PF4PF5SDF Templates (UL)Non-GBR BearerDedicated Bearer (GBR), Bearer ID=10Dedicated Bearer (Non-GBR), Bearer ID=8Default Bearer (Non-GBR), Bearer ID=5APN-AMBR (UL) PolicingPF1PF2PF3PF4PF5Application MBR (UL) PolicingGBR BearerAPN-AMBR (UL) PolicingNon-GBR BearerMBR (UL) SchedulingGBR BearerUE-AMBR (UL) SchedulingNon-GBR BearerTFT (UL)EBI=5EBI=8EBI=8EBI=10EBI=10SDF Template3 (TFT)Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(UE IP, *, *, *, *)SDF 1(UE IP, *, RTP, *, UDP)(UE IP, *, Video, *, UDP)(UE IP, *, SIP, *, UDP)(UE IP, *, Game, *, *)SDFBearer 10Bearer IDFilter Rule: (Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID)SDF 2SDF 3SDF 3SDF 4Bearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5UL TFTs (SDF Templates) in P-GWSDF Template1 (TFT)SDF Template4 (TFT)SDF Template2 (TFT)TFT2Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(UE IP, *, *, *, *)(UE IP, *, RTP, *, UDP)(UE IP, *, Video, *, UDP)(UE IP, *, SIP, *, UDP)(UE IP, *, Game, *, *)Bearer 10Bearer IDFilter Rule: (Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID)Bearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5UL TFTs in UETFT1TFT3eNBUES-GWP-GWIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5Bearer ID=5Bearer ID=8Bearer ID=10123344567SDF1SDF2SDF4SDF38PDN(Internet)
? [UE] 상향 IP Flows
사용자 어플리케이션에서 UE에 IP flow들이 도착한다. IP flow들의 어플리케이션은 하향의 경우와 같다.
? [UE] IP 패킷 Filtering (TFT)
상향 IP flow들은 IP 패킷 filter들(TFT)을 통해 filtering되어 어느 EPS 베어러인지 구분된다. EPS 베어러 구분을 위한 filter 규칙은 IP와 TCP/UDP 헤더에 있는 5-tuple 값으로 적용된다. IP flow 1과 IP flow 2는 GBR형 dedicated 베어러(EBI=10)로, IP flow 3와 IP flow 4는 non-GBR형 dedicated 베어러(EBI=8)로, IP flow 5는 default 베어러(EBI=5)로 구분된다.
? [UE] EPS 베어러 QoS 적용(QoS Enforcement): MBR Rate Policing, APN-AMBR Rate Policing
각 EPS 베어러에 대해 EPS 베어러 QoS가 적용한다. GBR형 베어러(EBI=10)에는 상향 MBR 값으로 rate policing이 적용되고, non-GBR형 베어러들(EBI=8, EBI=5)로 전송되는 IP flow 전체에 대해 상향 APN-AMBR 값으로 rate policing이 적용된다.
? [eNB] EPS 베어러 QoS 적용(QoS Enforcement): MBR Scheduling, UE-AMBR Scheduling
eNB는 무선 구갂에서 GBR형 베어러(EBI=10)에 대해 상향 MBR 값으로 scheduling하고, non-GBR형 베어러들(EBI=8, EBI=5)에 대해 상향 UE-AMBR 값으로 scheduling 한다. PDN이 하나이므로 상향 UE-AMBR 값은 상향 APN-AMBR과 같은 값이 된다.
? [P-GW] 베어러 트래픽
S-GW를 통해 P-GW에 베어러 트래픽이 도착한다.
? [P-GW] EPS 베어러 QoS 적용(QoS Enforcement): APN-AMBR Rate Policing
Non-GBR형 베어러들(EBI=8, EBI=5)을 통해 수싞된 모든 IP flow에 대해 APN-AMBR rate policing을 수행한다. 상향 APN-AMBR 값을 초과하는 IP 패킷은 폐기된다.
? [P-GW] IP 패킷 Filtering(SDF Templates)
EPS 베어러들은 IP 패킷 filter들(SDF templates)을 통해 filtering되어 SDF로 구분된다. GBR형 dedicated 베어러(EBI=10)를 통해 나온 IP flow 1과 IP flow 2는 각각 SDF 1과 SDF 2로, non-GBR형 dedicated 베어러(EBI=8)를 통해 나온 IP flow 3과 IP flow 4는 SDF 3으로, default 베어러(EBI=5)를 통해 나온 IP flow 5는 SDF 5로 구분된다.
? [P-GW] SDF QoS 적용(QoS Enforcement): MBR Rate Policing
SDF 별로 MBR rate policing을 적용한다. 상향 MBR을 초과하는 IP 패킷은 폐기된다.

VI. 마치는 글
서비스 레벨과 베어러 레벨에서 LTE QoS 메커니즘을 살펴보았다. 서비스 레벨의 사용자 IP 트래픽 flow는 SDF로, SDF별로 QoS 등급이 구별됨을 보았다. 베어러 레벨의 사용자 IP 트래픽 flow는 EPS 베어러로, EPS 베어러는 동일한 QoS 특성(QCI, ARP)을 갖는 SDF들의 모임임을 보았고 SDF와 EPS 베어러와의 관계 및 맵핑되는 방법에 대해서 살펴보았다.
eNB MAC 계층은 UE들에 대해 EPS 베어러 QoS 파라미터를 기반으로 UE들에게 무선 자원을 할당하고 패킷 스케쥴링을 수행한다. eNB 패킷 스케쥴링 방법은 본 문서에서는 다루지 않았다. QoS 파라미터 값을 결정하고 인증하는 자세한 과정은 PCC(Policy and Charging Control) 기술 문서에서 다루기로 한다.

참고문헌
[1] 넷매니아즈 기술문서, “LTE Identification III”, March 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5178
[2] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.
[3] 3GPP TS23.203, “Policy and Charging Control Architecture”.



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About NMC Consulting Group

NMC Consulting Group was founded on year 2002 and is advanced, professional network consulting company which is specialized for IP Network area like FTTH, Metro Ethernet and IP/MPLS, Service area like IPTV, IMS and CDN
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2

SDF vs. EPS Bearer (1/2)

PDNPDN Connection (EPS Session)
UE IP addressAPNDefault EPS BearerDedicated EPS BearerIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5ApplicationsEPS BearerseNBUES-GWP-GWSDF1 QoS PolicySDF2 QoS PolicySDF3 QoS PolicySDF4 QoS PolicyFiltering(TFT/SDF
Template)
S1 BearerData Radio BearerS5 BearerE-RABSDFSDFS5 BearerEPS Bearer: Concatenation of DRB, S1 Bearer and S5 Bearer
EPS Bearer
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3

SDF vs. EPS Bearer (2/2)

1, 2: refer to the next page

Terms

Description

PDN Connection

The IP connection between a UE and a PDN (UE: represented by UE IP address, PDN: represented by APN)

EPS Session

.The same meaning as PDN Connection
.Incorporates one or more EPS Bearers, and exists as long as UE IP address is established


EPS Bearer

.A Logical transport channel (transmission path) between the UE and the P-GW for transporting IP traffic
with a specific QoS
.Each EPS Bearer is associated with a set of QoS parameters that describe the properties of the transport
channel
.All EPS Bearers belonging to one PDN connection share the same UE IP address


Default Bearer

.The EPS Bearer which is first established for a new PDN connection and remains established throughout the
lifetime of the PDN connection
.Always Non-GBR Bearer1


Dedicated Bearer

.Additional EPS Bearer that may be activated for a PDN connection
.May be activated on demand
.Either GBR Bearer2 or Non-GBR Bearer1


Service Data Flow (SDF)

.A IP flow (packet flow) or an aggregate set of IP flows corresponding to a service, which is identifiable using
IP/TCP/UDP headers of the packets
.One SDF can be given one QoS treatments in P-GW (PCC rule by PCRF)
.A TFT (UL TFT in UE, DL TFT in P-GW) binds an SDF to an EPS Bearer
.Multiple SDFs can be multiplexed onto the same EPS Bearer by including multiple uplink/downlink packet
filters in the UL/DL TFT




Terms for SDF and EPS Bearer


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4

QoS Parameter: SDF vs. EPS Bearer (1/2)

SDF QoS Parameter

QCI, ARP, GBR, MBR

GBR SDF

QCI, ARP, GBR(UL/DL), MBR(UL/DL)

Non-GBR SDF

QCI, ARP, MBR(UL/DL)

EPS Bearer QoS Parameter

QCI, ARP, GBR, MBR, APN-AMBR, UE-AMBR

GBR Bearer

QCI, ARP, GBR(UL/DL), MBR(UL/DL)

Non-GBR Bearer

QCI, ARP, APN-AMBR(UL/DL), UE-AMBR(UL/DL)



QoS Parameters (1)

GBR vs. Non-GBR

GBR SDF/Bearer

If dedicated network resources related to a
GBR value are permanently allocated at
SDF/Bearer establishment/modification

Non-GBR SDF/Bearer

Otherwise



Default Bearer
for PDN 1QCIARPGBR
(UL/DL)
Non-GBRNon-GBRGBRDefault Bearer
for PDN 2Non-GBRNon-GBRGBRQCIARPQCIARPQCIARPQCIARPQCIARPGBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
APN-
AMBR(UL/DL)
APN-
AMBR(UL/DL)
UE-AMBR(UL/DL)
Dedicated Bearer
for PDN 2Dedicated Bearer
for PDN 2Dedicated Bearer
for PDN 1Dedicated Bearer
for PDN 1SDF 1SDF 2SDF 3SDF 4SDF 5SDF 1SDF 2SDF 3SDF 4SDF 5Resource TypeQoS Parameters of EPS BearerQoS Parameters of SDFPDN 1PDN 2UE
IP addr
1UEIP addr
2PDN Connection 1 (EPS Session 1)
PDN Connection 2 (EPS Session 2)
GBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPMBR (UL/DL)QCIARPGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPGBR (UL/DL)MBR (UL/DL)QCIARPUE
GBR vs. Non-GBR


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5

QoS Parameter: SDF vs. EPS Bearer (2/2)

3: Packet forwarding treatment is solely determined by the other QoS parameters: (i) QCI, GBR and MBR (for SDF), and (ii) QCI, GBR, MBR and AMBR (for EPS Bearer)

QoS Parameter

Description

QCI

.Valid for a SDF/EPS Bearer
.Value: Scalar (1 ~ 9)
.Used as a reference to node specific parameters that control packet forwarding treatment


- Packet forwarding treatment: Scheduling weights, admission threshold, queue management thresholds, link layer protocol configuration, etc

.Standardized Characteristics associated with standardized QCI values: refer to 3GPP TS 23.203[3] Table 6.1.7


- Performance Characteristics: (i) Resource Type (GBR or Non-GBR), (ii) Priority, (iii) Packet Delay Budget, (iv) Packet Error Loss Rate

.Pre-configured by the operator owing the node (e.g. eNB)


ARP

.Valid for a SDF/EPS Bearer
.ARP Parameters: (i) Priority Level : 1 ~ 15 (1: the highest level) , (ii) Pre-emption Capability and (iii) Pre-emption Vulnerability


- Priority Level: Defines the relative importance of a resource request

- Pre-emption Capability: Defines whether a SDF/Bearer can get resources already assigned to another SDF/Bearer with a lower priority level

- Pre-emption Vulnerability: Defines whether a SDF/Bearer can lose the resources assigned to it to admit a SDF/Bearer with a higher priority level

.Used for call admission control. Once successfully established, ARP has no impact on packet forwarding treatment3


GBR (UL/DL)

.Only valid for a GBR SDF/Bearer
.The bit rate that the network guarantees for a GBR SDF/Bearer


MBR (UL/DL)

.Valid for a SDF. Only Valid for a GBR Bearer
.The bit rate allowed to a SDF/GBR Bearer
.Excess Traffic may get discarded by a rate policing


APN-AMBR (UL/DL)

.Only valid for Non-GBR Bearers
.Defined per UE(subscriber)/APN
.The limit for the total amount of bit rate for all Non-GBR Bearers and all PDN connections of the same APN


UE-ABMR (UL/DL)

.Only valid for Non-GBR Bearers
.Defined for UE
.The limit for the total amount of bit rate for all Non-GBR EPS Bearers per UE
.Limited by a subscription parameter stored in HSS
.MME shall set the UE-AMBR to the sum of the APN-AMBR of all active APNs up to the value of the subscribed UE-AMBR


(UE-AMBR = Σ APN-AMBR(s) for all PDN)



QoS Parameters (2)


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6

QoS Enforcement
QCIARPUE-
AMBR(UL/DL)
APN-
AMBR(UL)
MBR
(UL)
GBR
(UL/DL)
MBR
(DL)
QCIARPQCIARPApplication
APN-
AMBR(UL/DL)
QCIQCIQCIQCIARPQCIARPQCIARPMBR
(UL)
GBR
(UL/DL)
QCIQCIQCIDefault Bearer
(Non-GBR)
Dedicated Bearer
(GBR)
Dedicated Bearer
(Non-GBR)
eNBUES-GWP-GWMBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
GBR
(UL/DL)
GBR
(UL/DL)
QCIQCIQCIQCIQCIARPARPARPARPARPPDN
QoS Parameter

Enforcement

QCI

Enforced for all SDFs at P-GW

ARP

Enforced for all SDFs at P-GW

MBR

Enforced for all SDFs at P-GW

GBR

Enforced for only GBR SDFs at P-GW



QoS Enforcement for SDF

QoS Parameter

Enforcement

QCI

Enforced for all Bearers at all entities (UE, eNB, S-GW, P-GW)

ARP

Enforced for all Bearers at all entities except UE (eNB, S-GW, P-GW)

MBR

Enforced for only GBR Bearers at all entities (UE, NB, S-GW, P-GW)

GBR

Enforced for only GBR Bearers at all entities except UE (eNB, S-GW, P-GW)

APN-AMBR

UL: Enforced for only Non-GBR Bearers at both UE and P-GW

DL: Enforced for only Non-GBR Bearers at P-GW

UE-AMBR

Enforced for only Non-GBR Bearers at eNB



QoS Enforcement for EPS Bearer


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7

QoS Provisioning

1. Provisioned by HSS2. Modified by PCRF (PCC rule authorization)
1. Provisioned by PCRF1. Provisioned by HSS2. MME sets UE-AMBR to the sum of APN-AMBR of all active APNs (Limited by the value of the subscribed UE-AMBR stored in HSS)
QCIARPUE-
AMBR(UL/DL)
APN-
AMBR(UL)
MBR
(UL)
GBR
(UL/DL)
MBR
(DL)
QCIARPQCIARPApplication
APN-
AMBR(UL/DL)
QCIQCIQCIQCIARPQCIARPQCIARPMBR
(UL)
GBR
(UL/DL)
PDNQCIQCIQCIDefault Bearer
(Non-GBR)
Dedicated Bearer
(GBR)
Dedicated Bearer
(Non-GBR)
eNBUES-GWP-GWMBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
MBR
(UL/DL)
GBR
(UL/DL)
GBR
(UL/DL)
QCIQCIQCIQCIQCIARPARPARPARPARP
SDF QoS Parameter

EPS Bearer QoS Parameter

SDF QoS parameters (QCI, ARP,
MBR, GBR) are provisioned by
PCRF

Default Bearer

Provisioned at HSS as a Subscribed Profile (Subscribed QCI, ARP, APN-AMBR and UE-AMBR)

Can be modified by PCC rule authorization of PCRF when a EPS session is created

Dedicated Bearer

Provisioned by PCRF

MME shall set UE-AMBR to the sum of APN-AMBR of all active APNs (Limited by the value of subscribed UE-AMBR
stored in HSS)



QoS Provisioning


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8

Example of QoS Operation: Downlink (1/2)

Application
SDF
Templates
(DL)
MBR (DL)
PolicingMBR (DL)
PolicingAPN-AMBR
(DL) PolicingDedicated Bearer (GBR), Bearer ID=10Dedicated Bearer (Non-GBR), Bearer ID=8Default Bearer (Non-GBR), Bearer ID=5SDF1SDF2SDF3SDF4GBR
BearerNon-
GBR
BearerNon-
GBR
BearerUE-AMBR
(DL) SchedulingPF1PF2PF3PF4PF5SDF=1SDF=2SDF=3SDF=3SDF=4EBI=10EBI=10EBI=8EBI=8EBI=5SDF Template3 (TFT)
Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(*, UE IP, *, *, *)
SDF 1(*, UE IP, RTP, *, UDP)
(*, UE IP, Video, *, UDP)
(*, UE IP, SIP, *, UDP)
(*, UE IP, Game, *, *)
SDFBearer 10Bearer IDSDF 2SDF 3SDF 3SDF 4Bearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5DL TFTs (SDF Templates) in P-GWSDF Template1 (TFT)
SDF Template4 (TFT)
SDF Template2 (TFT)
eNBUES-GWP-GWIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5Bearer ID=10Bearer ID=8Bearer ID=51234556PDN(Internet)
Packet Filter (PF):
- Configured by network operator- Referred to 5-tuple = {Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID}
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9

Example of QoS Operation: Downlink (2/2)

. [P-GW] Receiving Downlink IP Flows

.IP Flows are received at P-GW from the Internet







. [P-GW] IP Packet Filtering (SDF Templates)

.The received IP Flows are filtered into SDFs through IP Packet Filters (SDF Templates)
.Filter Rules: 5-tuple = {Source IP, Destination IP, Source Port, Destination Port, Protocol ID}




. [P-GW] SDF QoS Enforcement: MBR Rate Policing

.MBR (DL) rate policing per SDF: Excess packets are discarded






. [P-GW] SDF . EPS Bearer Mapping: IP Packet Filtering (TFT)

.SDFs are filtered through IP Packet filters (Traffic Flow Templates) and




mapped into EPS Bearers



. [P-GW] EPS Bearer QoS Enforcement: MBR/APN-AMBR Rate Policing

.EPS Bearer QoS is applied per Bearer
.MBR (DL) rate policing per GBR Bearer (EBI=10): Excess packets are discarded
.APN-AMBR (DL) rate policing per Non-GBR Bearer (EBI=5, EBI=8): Excess packets are discarded
.The sum of MBR (EBI=5) and MBR (EBI=8) is limited by APN-AMBR (DL)






. [eNB] SDF QoS Enforcement: UE-AMBR Rate Policing

.UE-AMBR (DL) rate policing per Non-GBR Bearer (EBI=5, EBI=8)




IP Flow

Application

IP Plow 1

Voice

IP Plow 2

Video Streaming

IP Plow 3

IMS Signaling

IP Plow 4

Gaming

IP Plow 5

Internet Access (Best-Effort)



IP Flow

SDF

IP Plow 1

→

PF

(SDF
Template)

SDF 1 (GBR)

IP Plow 2

SDF 2 (GBR)

IP Plow 3

SDF 3 (Non-GBR)

IP Plow 4

SDF 3 (Non-GBR)

IP Plow 5

SDF 4 (Non-GBR)



SDF

EPS Bearer

SDF 1(GBR)

→

PF

(TFT)

Bearer 10 (GBR Dedicated Bearer)

SDF 2 (GBR)

Bearer 10 (GBR Dedicated Bearer)

SDF 3 (Non-GBR)

Bearer 8 (Non-GBR Dedicated Bearer)

SDF 4 (Non-GBR)

Bearer 5 (Non-GBR Default Bearer)



.

.

.


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10

Example of QoS Operation: Uplink (1/2)

MBR (UL)
PolicingPF1PF2PF3PF4PF5SDF
Templates
(UL)
Non-
GBR
BearerDedicated Bearer (GBR), Bearer ID=10Dedicated Bearer (Non-GBR), Bearer ID=8Default Bearer (Non-GBR), Bearer ID=5APN-AMBR
(UL) PolicingPF1PF2PF3PF4PF5Application
MBR (UL)
PolicingGBR
BearerAPN-AMBR
(UL) PolicingNon-
GBR
BearerMBR (UL)
SchedulingGBR
BearerUE-AMBR
(UL) SchedulingNon-
GBR
BearerTFT
(UL)
EBI=5EBI=8EBI=8EBI=10EBI=10SDF Template3 (TFT)
Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(UE IP, *, *, *, *)
SDF 1(UE IP, *, RTP, *, UDP)
(UE IP, *, Video, *, UDP)
(UE IP, *, SIP, *, UDP)
(UE IP, *, Game, *, *)
SDFBearer 10Bearer IDSDF 2SDF 3SDF 3SDF 4Bearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5UL TFTs (SDF Templates) in P-GWSDF Template1 (TFT)
SDF Template4 (TFT)
SDF Template2 (TFT)
TFT2Packet Filter1Packet Filter2Packet Filter3Packet Filter4Packet Filter5Filter Rule(UE IP, *, *, *, *)
(UE IP, *, RTP, *, UDP)
(UE IP, *, Video, *, UDP)
(UE IP, *, SIP, *, UDP)
(UE IP, *, Game, *, *)
Bearer 10Bearer IDBearer 10Bearer 8Bearer 8Bearer 5UL TFTs in UETFT1TFT3eNBUES-GWP-GWIP flow 1IP flow 2IP flow 3IP flow 4IP flow 5Bearer ID=5Bearer ID=8Bearer ID=10123344567SDF1SDF2SDF4SDF38PDN(Internet)
Packet Filter (PF):
- Configured by network operator- Referred to 5-tuple = {Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID}
Packet Filter (PF):
- Configured by network operator- Referred to 5-tuple = {Src IP, Dst IP, Src Port, Dst Port, Protocol ID}
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11

Example of QoS Operation: Uplink (2/2)

. [UE] Receiving Uplink IP Flows

.IP Flows from Applications are received at UE (the same Applications as in Downlink case)




. [UE] IP Packet Filtering (TFT)

.The received IP Flows are filtered into EPS Bearers through IP Packet Filters (Traffic Flow Templates)
.Filter Rules: 5-tuple = {Source IP address, Destination IP address, Source Port, Destination Port, Protocol ID}




. [UE] EPS Bearer QoS Enforcement: MBR/APN-AMBR Rate Policing

.EPS Bearer QoS is applied per Bearer
.MBR (UL) rate policing per GBR Bearer (EBI=10)
.APN-AMBR (UL) rate policing per Non-GBR Bearer (EBI=5, EBI=8)
.The sum of MBR (EBI=5) and MBR (EBI=8) is limited by APN-AMBR (UL)






. [eNB] EPS Bearer QoS Enforcement: MBR/UE-AMBR Rate Policing

.MBR (UL) rate policing per GBR Bearer (EBI=10)
.UE-AMBR (UL) rate policing per Non-GBR Bearer (EBI=5, EBI=8)
.The sum of MBR (EBI=5) and MBR (EBI=8) is limited by UE-AMBR (UL)






. [P-GW] Receiving Uplink IP Flows

.IP Flows transported through EPS Bearers received at P-GW




. [P-GW] EPS Bearer QoS Enforcement: APN-AMBR Rate Policing

.APN-AMBR (UL) rate policing per Non-GBR Bearer (EBI=5, EBI=8): Excess packets are discarded
.The sum of MBR (EBI=5) and MBR (EBI=8) is limited by APN-AMBR (UL)






. [P-GW] IP Packet Filtering (SDF Templates)

.IP Flows are filtered into SDFs through IP Packet Filters (SDF Templates)




. [P-GW] SDF QoS Enforcement: MBR Rate Policing

.MBR (UL) rate policing per SDF: Excess packets are discarded




IP Flow

EPS Bearer

IP Plow 1

→

PF

(TFT)

Bearer 10 (GBR Dedicated Bearer)

IP Plow 2

Bearer 10 (GBR Dedicated Bearer)

IP Plow 3

Bearer 8 (Non-GBR Dedicated Bearer)

IP Plow 4

Bearer 8 (Non-GBR Dedicated Bearer)

IP Plow 5

Bearer 5 (Non-GBR Default Bearer)



EPS Bearer

IP Flow

Bearer 10

IP Flow 1

IP Flow 2

Bearer 8

IP Flow 3

IP Flow 4

Bearer 5

IP Flow 5



IP Flow

SDF

IP Plow 1

→

PF

(SDF
Template)

SDF 1 (GBR)

IP Plow 2

SDF 2 (GBR)

IP Plow 3

SDF 3 (Non-GBR)

IP Plow 4

SDF 3 (Non-GBR)

IP Plow 5

SDF 4 (Non-GBR)



.

.

.


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12

References and Abbreviations

[1] Netmanias Technical Document, “LTE Identification III: EPS Bearer Identifier”, March 2011,
https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=techdocs&no=5907

[2] 3GPP TS 23.203, “Policy and Charging Control Architecture”.

[3] NMC Consulting Group Report, “E2E LTE Network Design”, August 2010.






AMBR

APN

ARP

DL

DRB

EBI

eNB

EPS

E-UTRAN

GBR

HSS

LTE

MBR

MME





: Aggregate Maximum Bit Rate
: Access Point Name
: Allocation and Retention Priority
: Downlink
: Data Radio Bearer
: EPS Bearer Identity
: Evolved Node B
: Evolved Packet System
: Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
: Guaranteed Bit Rate
: Home Subscriber Server
: Long Term Evolution
: Maximum Bit Rate
: Mobility Management Entity
Abbreviations

PCC

PCRF

PDN

PF

P-GW

QCI

QoS

SDF

S-GW

SRB

TFT

UE

UL

: Policy and Charging Control

: Policy and Charging Rule Function

: Packet Data Network

: Packet Filter

: PDN GW

: QoS Class Identifier

: Quality of Service

: Service Data Flow

: Serving GW

: Signaling Radio Bearer

: Traffic Flow Template

: User Equipment

: Uplink