張喜云，左利欽，歐紅玉，李文耀

(1.長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙410005；2.武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢430074)

1 引言

EPON是基于以太網(wǎng)的光接入網(wǎng)技術(shù)，其上、下行線路傳輸采用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM）方式，在這種方式下，具有突發(fā)性和流量分布不均衡性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及以視頻業(yè)務(wù)為代表的大帶寬業(yè)務(wù)流量，對EPON的網(wǎng)絡(luò)資源產(chǎn)生較大的沖擊，影響話音通信的質(zhì)量。在現(xiàn)有EPON接入網(wǎng)中，一般通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容、提升速率以及采用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）靜態(tài)規(guī)劃的方式應(yīng)對上述問題，缺乏對業(yè)務(wù)流量的有效管控，難以及時(shí)應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)流量需求的實(shí)時(shí)變化，也無法從根本上提升EPON的話音服務(wù)質(zhì)量。

策略與計(jì)費(fèi)控制（policy and charging control，PCC）是一種分組域業(yè)務(wù)承載控制與管理的架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)智能管道的關(guān)鍵技術(shù)。針對上述問題，本文提出了基于PCC架構(gòu)構(gòu)建EPON智能管道提升EPON話音服務(wù)質(zhì)量的解決方案，即以現(xiàn)有EPON接入網(wǎng)為基礎(chǔ)，結(jié)合“光進(jìn)銅退”部署方案，建立用戶終端—EPON接入網(wǎng)—IP核心承載網(wǎng)—業(yè)務(wù)平臺/終端的全程端到端、具有服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障的智能通道，實(shí)現(xiàn)EPON接入網(wǎng)和IP核心承載網(wǎng)帶寬資源的智能調(diào)度和按需匹配，提高EPON話音的服務(wù)質(zhì)量。

2 EPON智能管道的基本思想與研究思路

EPON智能管道的基本思想是將不可控制與不可管理的EPON“啞管道”變?yōu)榭煽?、可管的智能型管道，?shí)現(xiàn)EPON接入網(wǎng)的智能化。

以軟交換/IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）為核心的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）的核心思想是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與控制的分離、控制與接入/承載的分離。基于這一思想，將PCC定位于EPON接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)控制層和接入/承載層之間，將業(yè)務(wù)層需求與EPON承載層處理關(guān)聯(lián)起來，通過業(yè)務(wù)層和EPON承載層的聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)EPON資源的接納控制與管理，依據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，動態(tài)地控制EPON底層網(wǎng)絡(luò)資源的分配，提升EPON的服務(wù)質(zhì)量。

3 基于PCC架構(gòu)的EPON智能管道解決方案

基于PCC架構(gòu)的EPON智能管道解決方案如圖1所示。該解決方案在現(xiàn)有EPON系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了PCC，其核心是通過統(tǒng)一的控制與管理，完成從業(yè)務(wù)需求到EPON接入網(wǎng)和IP核心承載網(wǎng)的傳遞，實(shí)現(xiàn)EPON接入網(wǎng)和IP核心承載網(wǎng)帶寬資源的統(tǒng)一調(diào)度和分配。

PCC架構(gòu)主要由策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能 （policy and charging rules function，PCRF）、用戶屬性存儲（subscription profile repository，SPR）、策略和計(jì)費(fèi)執(zhí)行功能 （policy and charging enforcement function，PCEF）、深度報(bào)文檢測（deep packet inspection，DPI）、業(yè)務(wù)功能（application function，AF，與自有業(yè)務(wù)平臺合設(shè)）以及EPON接入系統(tǒng)和IP核心網(wǎng)的QoS控制功能等幾個(gè)部分構(gòu)成。

其中，PCRF和SPR可以獨(dú)立部署，也可以兩者功能合設(shè)，位于IP核心承載網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺（AF）之間。PCRF支持EPON系統(tǒng)的策略控制決策和下發(fā)，如根據(jù)EPON用戶的業(yè)務(wù)類型、累積使用量及簽約類型等信息，制定限速或QoS策略；SPR用以實(shí)現(xiàn)EPON的用戶數(shù)據(jù)管理。

EPON系統(tǒng)與IP核心網(wǎng)之間的接入網(wǎng)關(guān)寬帶接入服務(wù)器（BRAS）或業(yè)務(wù)路由器（SR）是 PCC架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)感知點(diǎn)及策略執(zhí)行點(diǎn)，因此，PCEF及DPI功能模塊內(nèi)置在BRAS或SR上。PCEF用以實(shí)現(xiàn)限速與業(yè)務(wù)控制，或?qū)oS信息傳遞到EPON接入側(cè)進(jìn)行EPON系統(tǒng)的資源調(diào)度，EPON接入側(cè)按照下發(fā)的QoS參數(shù)進(jìn)行帶寬資源的調(diào)度和管理；DPI模塊的功能是通過DPI技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)的識別和上報(bào)，判斷用戶的類別，提供不同水平的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，其部署在BRAS或SR上，有利于統(tǒng)一進(jìn)行業(yè)務(wù)識別種類的擴(kuò)展和維護(hù)。

由于用戶簽約、業(yè)務(wù)訂購等信息是PCRF基于用戶及業(yè)務(wù)進(jìn)行策略決策的重要輸入信息，因此，需與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)進(jìn)行信息同步。業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)主要包括電信業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng) （BOSS）、業(yè)務(wù)平臺和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）3部分。上述業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)需要開通與PCRF/SPR之間的接口。

其中，BOSS與PCRF/SPR之間的接口可實(shí)現(xiàn)BOSS向PCRF下發(fā)用戶策略相關(guān)的簽約數(shù)據(jù)；AF與PCRF/SPR之間的接口用于AF向PCRF傳遞應(yīng)用層的會話信息，如用于QoS的媒體/應(yīng)用帶寬需求，可實(shí)現(xiàn)AF對用戶、業(yè)務(wù)信息的添加、修改、刪除及查詢等操作。

4 關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)及思路分析

在基于PCC架構(gòu)的EPON智能管道解決方案中，關(guān)鍵技術(shù)是PCC技術(shù)，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)PCC控制層與EPON承載層的聯(lián)動。由于該解決方案在EPON接入網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了PCC架構(gòu)，基于PCC的策略控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對EPON承載層的控制和管理，因此，需要將PCC的策略控制過程與EPON的信息承載過程有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)EPON資源的分配、控制和管理。

圖1 基于PCC架構(gòu)的EPON智能管道解決方案

PCC策略控制過程首先要感知用戶、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，根據(jù)該信息生成控制策略，然后提取用戶、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的參數(shù)，并將這些參數(shù)傳遞到EPON接入網(wǎng)，最后通過上述有關(guān)參數(shù)對EPON承載層進(jìn)行控制，依據(jù)話音和視頻業(yè)務(wù)的帶寬需求及QoS保證、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的峰值信息速率（PIR）及承諾信息速率（CIR）的不同，動態(tài)地指配EPON的網(wǎng)絡(luò)資源等。

5 基于PCC提升EPON話音服務(wù)質(zhì)量的方法

在EPON中影響話音業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的主要傳輸性能指標(biāo)是呼叫接通率、時(shí)延和抖動等，EPON系統(tǒng)對這些指標(biāo)有很高的要求。因此，基于PCC架構(gòu)提升EPON智能管道話音服務(wù)質(zhì)量，需要一方面在EPON上行信道進(jìn)行動態(tài)帶寬分配 （dynamic bandwidth allocation，DBA）時(shí)，通過PCC的策略控制能力提高EPON呼叫接通率，減小TDM業(yè)務(wù)的傳送時(shí)延和抖動；另一方面，在EPON下行信道的帶寬控制策略中，通過PCC的策略控制能力，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)及視頻業(yè)務(wù)的識別和區(qū)分、對流量的處理，實(shí)施有效管控，提高EPON呼叫接通率，以滿足TDM話音業(yè)務(wù)對時(shí)延和抖動等的嚴(yán)格要求。

具體說來，PCC將來自AF的話音、數(shù)據(jù)及視頻等業(yè)務(wù)的關(guān)鍵參數(shù)（如時(shí)延、抖動、帶寬及QoS等級等）提取出來，并傳遞到PCC策略控制層的PCRF，PCRF根據(jù)這些關(guān)鍵參數(shù)以及認(rèn)證系統(tǒng)的各類信息請求，生成相應(yīng)的控制策略并下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)層的IP核心網(wǎng)和EPON接入網(wǎng)設(shè)備，IP核心網(wǎng)和EPON接入網(wǎng)設(shè)備感知到這些關(guān)鍵參數(shù)后，對特定流量進(jìn)行動態(tài)的控制和處理，包括按需分配網(wǎng)絡(luò)資源、設(shè)定QoS等級、準(zhǔn)入控制、靈活計(jì)費(fèi)等，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的目的。

上述方案可以分為策略生成、策略下發(fā)及策略執(zhí)行3個(gè)主要階段，如圖2所示?；谠摷夹g(shù)方案提升EPON話音服務(wù)質(zhì)量的方法詳細(xì)描述如下。

（1）策略生成階段

首先由BOSS向PCRF下發(fā)EPON用戶簽約信息，AF向PCRF下發(fā)EPON的話音、數(shù)據(jù)及視頻等業(yè)務(wù)信息，DPI向PCRF上報(bào)EPON用戶的狀態(tài)信息；然后，PCRF根據(jù)EPON用戶簽約信息、業(yè)務(wù)信息及用戶狀態(tài)信息等輸入進(jìn)行決策，生成控制策略。例如根據(jù)用戶訪問的話音、數(shù)據(jù)及視頻業(yè)務(wù)的不同，實(shí)施不同的QoS策略，根據(jù)用戶的簽約信息，對不同的用戶和業(yè)務(wù)實(shí)施不同的計(jì)費(fèi)策略。

（2）策略下發(fā)階段

由PCRF將QoS及計(jì)費(fèi)策略等控制策略通過PCRF與PCEF之間的接口下發(fā)給PCEF，動態(tài)控制PCEF中的PCC行為，傳遞PCC決策信令。EPON接入網(wǎng)與IP核心網(wǎng)共同進(jìn)行端到端的承載資源控制，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)粒度的帶寬管理。

圖2 PCC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

（3）策略執(zhí)行階段

該階段是整個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案的關(guān)鍵階段，涉及整個(gè)控制策略的執(zhí)行過程?？刂撇呗栽谠撾A段的具體執(zhí)行過程又可以分為如下4個(gè)步驟。

步驟1：PCEF基于EPON用戶和業(yè)務(wù)類型進(jìn)行限速和門控，制定QoS控制策略

控制策略包含限速、門控和QoS控制。為了保證EPON話音服務(wù)質(zhì)量，PCEF可以對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行限速，對P2P視頻業(yè)務(wù)進(jìn)行門控。例如，針對P2P下載的視頻業(yè)務(wù)，PCC根據(jù)AF的指示決策對應(yīng)的門控，如在軟交換或IMS應(yīng)用中會話協(xié)商完畢后，AF會通過授權(quán)修改消息進(jìn)行一次開門或關(guān)門操作，PCC將指示EPON系統(tǒng)打開或關(guān)閉對應(yīng)的門控，決定是否允許P2P視頻業(yè)務(wù)流通過。這樣可以解決由于P2P視頻業(yè)務(wù)流的大帶寬沖擊帶來的EPON話音服務(wù)質(zhì)量下降的問題。

QoS控制策略包括業(yè)務(wù)流級別的QoS控制和IP承載網(wǎng)承載級別的QoS控制。業(yè)務(wù)流級別的QoS控制指針對單個(gè)業(yè)務(wù)流向PCEF下發(fā)授權(quán)QoS信息，這些授權(quán)QoS信息由QoS簽約信息以及已定義的策略規(guī)則綜合得出，其中的規(guī)則可基于業(yè)務(wù)定義、簽約信息定義或者在PCRF上進(jìn)行預(yù)定義；IP承載網(wǎng)承載級別的QoS控制，即以PDP上下文級別進(jìn)行控制。

步驟2：PCEF將控制策略映射到QoS參數(shù)中

PCEF分別對話音、數(shù)據(jù)和視頻等不同類型業(yè)務(wù)設(shè)定不同等級的QoS，業(yè)務(wù)類型可按端口、VLAN ID或MAC地址劃分。以64 kbit/s為顆粒，設(shè)置CIR和PIR，然后將QoS控制策略分別映射到相應(yīng)等級的QoS參數(shù)中。

步驟3：PCEF將QoS參數(shù)傳遞到EPON接入網(wǎng)

PCEF將 CIR、PIR、WRED等 QoS參數(shù)傳遞給 EPON系統(tǒng)的OLT及ONU設(shè)備。

步驟4：EPON將QoS參數(shù)映射到資源調(diào)度優(yōu)先級，保證話音業(yè)務(wù)帶寬

EPON將QoS參數(shù)映射到資源調(diào)度優(yōu)先級，將不同優(yōu)先級的EPON業(yè)務(wù)封裝到不同VLAN中，基于VLAN ID或VLAN PRI識別業(yè)務(wù)，通過業(yè)務(wù)流分類和業(yè)務(wù)優(yōu)先級標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)EPON接入速率控制，確保話音業(yè)務(wù)帶寬。

對于時(shí)延要求較高的話音業(yè)務(wù)，采用EF（快速轉(zhuǎn)發(fā)）策略，在配置CIR、PIR時(shí)設(shè)置成相等，即CIR=PIR=2 Mbit/s；在隊(duì)列調(diào)度方面，采用PQ（嚴(yán)格優(yōu)先級）或者較高的WRQ（加權(quán)公平算法）保證話音業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

6 方案可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文方案的可行性，本文對圖2所示的PCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了驗(yàn)證該解決方案的管控效果，實(shí)驗(yàn)中對IPTV視頻業(yè)務(wù)進(jìn)行了限速控制，IPTV視頻速率由2 Mbit/s分別限速為 128 kbit/s、256 kbit/s及 384 kbit/s。當(dāng)管控速率為128 kbit/s時(shí)，視頻播放出現(xiàn)緩存現(xiàn)象；當(dāng)管控速率為256kbit/s時(shí)，視頻播放出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象；當(dāng)管控速率達(dá)到384 kbit/s時(shí)，可以流暢地觀看IPTV視頻，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解決方案的管控效果比較明顯。

圖3 PCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案的管控效果

為了驗(yàn)證該解決方案能提升EPON話音服務(wù)質(zhì)量，對P2P下載視頻業(yè)務(wù)的大帶寬沖擊下的話音呼叫接通率、端到端時(shí)延、分組丟失率等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。其中，話音呼叫接通率測試結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，話音呼叫接通率為100%，呼叫完成后不影響下次呼叫；任何流量條件下的時(shí)延都基本固定，維持在1 ms以下；無論負(fù)載多大，均能保證話音業(yè)務(wù)的分組丟失率為0。

綜上所述，基于PCC架構(gòu)構(gòu)建的EPON智能管道，可以提升EPON話音服務(wù)質(zhì)量，是切實(shí)可行的解決方案。

圖4 P2P下載視頻業(yè)務(wù)的大帶寬沖擊下的話音呼叫接通率

7 結(jié)束語

PCC是國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP從R7版本開始定義的動態(tài)策略和計(jì)費(fèi)控制標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。目前，該標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)主要應(yīng)用于2G/3G、LTE/SAE與WLAN等無線接入網(wǎng)解決無線網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)指配問題，實(shí)現(xiàn)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的差異化與精細(xì)化管控，為市場營銷及運(yùn)營策略提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。本文將該標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)應(yīng)用于EPON接入網(wǎng)，全面提升基于EPON技術(shù)的FTTx的智能化水平，較好地解決了EPON話音的服務(wù)質(zhì)量問題。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究固網(wǎng)與移動接入網(wǎng)融合的控制策略，實(shí)現(xiàn)EPON/GPON、NG-PON、LAN、2G/3G、LTE/SAE 與 WLAN 等有線與無線接入的統(tǒng)一策略控制，探索多網(wǎng)協(xié)同融合的智能管道解決方案。

1 3GPP TS 23.203.Policy and Charging Control Architecture，2009

2 3GPP TS 29.213.Policy and Charging Control Signalling Flows and QoS Parameter Mapping，2009

3 ETSI ES 282.003 V3.4.1.Resource and Admission Control Sub-sytem(RACS):Functional Architecture,2009