QoS & Gerenciamento de Bearer

Visão Geral

O PGW-C implementa um sistema de gerenciamento de bearer e QoS orientado por políticas que coordena três interfaces principais:

Gx (Diameter) - Recebe decisões de política e parâmetros de QoS do PCRF
S5/S8 (GTP-C) - Gerencia contextos de bearer com SGW-C
Sxb (PFCP) - Programa regras de aplicação de QoS no PGW-U

Fluxo da Arquitetura

Conceitos Chave

Sessão: Contém informações do UE, mapa de bearer, mapas de PDR/FAR/QER/BAR e AMBR
Contexto de Bearer: Liga EBI (EPS Bearer ID) a PDRs, FARs e QERs específicos
QER (Regra de Aplicação de QoS): Impõe limites de MBR/GBR e status de gate no plano do usuário
Bearer Padrão: Sempre criado com a sessão PDN, fornece conectividade básica
Bearer Dedicado: Criado dinamicamente com base na política do PCRF, fornece garantias específicas de QoS

Configuração

Importante: Política de QoS Dinâmica

Todos os parâmetros de QoS são recebidos dinamicamente do PCRF via interface Diameter Gx e definidos no PCRF (Veja OmniHSS para mais informações).

Os operadores configuram a conexão PCRF em config/runtime.exs:

config :pgw_c,
  diameter: %{
    listen_ip: "0.0.0.0",
    host: "omni-pgw_c.epc.mnc999.mcc999.3gppnetwork.org",
    realm: "epc.mnc999.mcc999.3gppnetwork.org",
    peer_list: [
      %{
        host: "pcrf.epc.mnc999.mcc999.3gppnetwork.org",
        realm: "epc.mnc999.mcc999.3gppnetwork.org",
        ip: "192.168.1.100",
        initiate_connection: true
      }
    ]
  }

Políticas de QoS, regras de cobrança e limites de largura de banda são configurados no PCRF, não nos arquivos de configuração do PGW-C.

Ciclo de Vida do Bearer

Criação do Bearer Padrão

O bearer padrão é criado durante o estabelecimento da sessão PDN:

Fluxo de Trabalho:

SGW-C envia Create Session Request
PGW-C aloca o endereço IP do UE do pool configurado
PGW-C envia CCR-Initial ao PCRF com IMSI, APN, endereço IP
PCRF responde com CCA-Initial contendo parâmetros de QoS:
- Default-EPS-Bearer-QoS (QCI, ARP)
- QoS-Information (ajustes de AMBR)
PGW-C cria contexto de bearer com:
- IDs fixos: Downlink PDR=1, Uplink PDR=2, Downlink FAR=1, Uplink FAR=2, QER=1, BAR=1
- QER programado com MBR do QoS do bearer
PGW-C envia PFCP Session Establishment Request para PGW-U
PGW-C envia Create Session Response para SGW-C

Características do bearer padrão:

Sempre existe durante a vida útil da sessão PDN
Normalmente usa QCI 5 ou QCI 9 (não-GBR)
EBI rastreado no estado da sessão
Não pode ser excluído independentemente (excluí-lo termina a sessão)

Criação do Bearer Dedicado

Bearers dedicados são criados dinamicamente com base na política do PCRF:

Gatilho: Re-Auth Request (RAR) do PCRF com Charging-Rule-Install

Fluxo de Trabalho:

PCRF envia RAR com Charging-Rule-Definition contendo:
- Charging-Rule-Name (identificador da regra de política)
- Flow-Information (filtros de pacotes)
- QoS-Information (QCI, MBR, GBR, ARP)
- Precedence (prioridade de correspondência da regra)
PGW-C traduz a regra dinâmica para entidades PFCP:
- Cada entrada de Flow-Information → novo PDR com SDF Filter
- QoS-Information → novo QER com aplicação de MBR/GBR
- Flow-Description → regras de correspondência de IP 5-tuple
PGW-C envia PFCP Session Modification Request para adicionar PDRs/FARs/QERs
PGW-C inicia Create Bearer Request para SGW-C
SGW-C responde com Create Bearer Response confirmando o estabelecimento

Exemplo de Charging-Rule-Definition:

Charging-Rule-Name: "video_streaming"
Flow-Information:
  - Flow-Description: "permit in ip from any to 10.0.0.1 5000-6000"
    Flow-Direction: 1 (downlink)
QoS-Information:
  QoS-Class-Identifier: 7
  Max-Requested-Bandwidth-UL: 5000000 (5 Mbps)
  Max-Requested-Bandwidth-DL: 10000000 (10 Mbps)
  Guaranteed-Bitrate-UL: 1000000 (1 Mbps)
  Guaranteed-Bitrate-DL: 2000000 (2 Mbps)
Precedence: 100
Flow-Status: 2 (ENABLED)

Modificação do Bearer

A QoS do bearer pode ser modificada via:

Gx RAR com a Charging-Rule-Definition atualizada
PFCP Session Modification para atualizar QERs existentes (alterar bitrates), FARs (alterar encaminhamento) ou PDRs (alterar filtros de pacotes)

Exclusão do Bearer

Gatilhos:

Delete Session Request (iniciado pelo SGW) - Exclui o bearer padrão e termina a sessão
Re-Auth Request com Charging-Rule-Remove (iniciado pelo PCRF) - Exclui o bearer dedicado

Fluxo de Trabalho:

Remover bearer do estado da sessão
Remover PDRs/FARs/QERs associados
Enviar Delete Bearer Request para SGW-C (se iniciado pelo PCRF)
Enviar PFCP Session Modification (remover regras) ou Session Deletion (se bearer padrão)

Parâmetros de QoS

QCI (Identificador de Classe de QoS)

Fonte: PCRF via Gx QoS-Class-Identifier AVP

Valores Padrão:

QCI 1: Voz Conversacional (GBR, 100ms de orçamento de atraso)
QCI 2: Vídeo Conversacional (GBR, 150ms de orçamento de atraso)
QCI 3: Jogos em Tempo Real (GBR, 50ms de orçamento de atraso)
QCI 4: Vídeo Não Conversacional (GBR, 300ms de orçamento de atraso)
QCI 5: Sinalização IMS (não-GBR, 100ms de orçamento de atraso) - Padrão para bearer padrão
QCI 6: Vídeo (baseado em TCP), Streaming Ao Vivo (não-GBR, 300ms de orçamento de atraso)
QCI 7: Voz, Jogos Interativos (não-GBR, 100ms de orçamento de atraso)
QCI 8: Vídeo (baseado em TCP), por exemplo, YouTube (não-GBR, 300ms de orçamento de atraso)
QCI 9: Internet Padrão (não-GBR, 300ms de orçamento de atraso)

Nota do Operador:

O QCI é recebido do PCRF e sinalizado para SGW-C no Bearer-Level-QoS IE
O PGW-C não aplica diretamente o comportamento do QCI - a aplicação real é via MBR/GBR nos QERs
Valores de QCI mais baixos geralmente indicam maior prioridade
O QCI determina o tratamento de encaminhamento de pacotes e a prioridade de agendamento

ARP (Prioridade de Alocação e Retenção)

Fonte: PCRF via Allocation-Retention-Priority grouped AVP

Componentes:

Priority-Level: 1 (maior prioridade) a 15 (menor prioridade)
Pre-emption-Capability: Este bearer pode preemptar bearers de menor prioridade?
- 0 = HABILITADO (pode preemptar outros)
- 1 = DESABILITADO (não pode preemptar)
Pre-emption-Vulnerability: Este bearer pode ser preemptado por bearers de maior prioridade?
- 0 = HABILITADO (pode ser preemptado)
- 1 = DESABILITADO (não pode ser preemptado)

Valores Padrão:

Priority-Level: 1
Pre-emption-Capability: HABILITADO (0)
Pre-emption-Vulnerability: DESABILITADO (1)

Nota do Operador:

O ARP é sinalizado para SGW-C e, em última instância, para eNodeB
Não é aplicado pelo PGW-C - a aplicação é tipicamente no eNodeB durante o controle de admissão de rádio
Usado durante a congestão da rede para determinar quais bearers admitir ou descartar
Crítico para serviços de emergência (nível de prioridade 1) e serviços de alto valor

MBR (Taxa Máxima de Bits)

Fonte: PCRF via Max-Requested-Bandwidth-UL e Max-Requested-Bandwidth-DL AVPs

Formato: Bytes por segundo (convertido para kbps internamente: bytes / 1000)

Aplicado a: Todos os bearers (padrão e dedicado)

Como funciona:

O PGW-C cria QER com mbr: %Bitrate{ul: kbps_ul, dl: kbps_dl}
QER enviado para PGW-U via PFCP
PGW-U aplica limitação de taxa (policiamento de tráfego)
Tráfego excessivo acima do MBR é descartado

Exemplo:

Max-Requested-Bandwidth-UL: 5000000 (5 Mbps)
Max-Requested-Bandwidth-DL: 10000000 (10 Mbps)

→ QER criado com mbr: {ul: 5000, dl: 10000} kbps
→ PGW-U descarta pacotes de uplink que excedem 5 Mbps
→ PGW-U descarta pacotes de downlink que excedem 10 Mbps

GBR (Taxa de Bits Garantida)

Fonte: PCRF via Guaranteed-Bitrate-UL e Guaranteed-Bitrate-DL AVPs

Formato: Bytes por segundo (convertido para kbps)

Aplicado a: Apenas bearers dedicados (bearers GBR)

Como funciona:

Se GBR for especificado na Charging-Rule-Definition, o bearer é do tipo GBR
O PGW-U aplica a garantia de taxa mínima via QER
Requer agendamento adequado no eNodeB para reservar recursos de rádio
Bearers GBR têm controle de admissão - podem ser rejeitados se os recursos não estiverem disponíveis

Exemplo:

Guaranteed-Bitrate-UL: 1000000 (1 Mbps)
Guaranteed-Bitrate-DL: 2000000 (2 Mbps)

→ QER criado com gbr: {ul: 1000, dl: 2000} kbps
→ A rede garante pelo menos 1 Mbps de uplink e 2 Mbps de downlink
→ Usado para VoIP, chamadas de vídeo, streaming ao vivo

Nota do Operador:

GBR requer planejamento de capacidade de rede suficiente
Sobrecarga de recursos GBR leva a falhas de admissão
Monitorar o uso de GBR via contagem de sessões e métricas de bearers

AMBR (Taxa Máxima Agregada de Bits)

Fonte: PCRF via APN-Aggregate-Max-Bitrate-UL e APN-Aggregate-Max-Bitrate-DL AVPs

Escopo: Aplica-se a todos os bearers não-GBR para o APN (não por bearer)

Como funciona:

AMBR é um limite agregado em todos os bearers não-GBR em uma sessão
Enviado para SGW-C na Create Session Response
A aplicação é tipicamente no eNodeB/SGW
PGW-C armazena AMBR no estado da sessão e sinaliza para SGW-C

Exemplo:

APN-Aggregate-Max-Bitrate-UL: 50000000 (50 Mbps)
APN-Aggregate-Max-Bitrate-DL: 100000000 (100 Mbps)

→ Todos os bearers não-GBR combinados não podem exceder 50 Mbps de uplink / 100 Mbps de downlink
→ Bearers individuais limitados pelo seu próprio MBR
→ AMBR fornece um limite adicional geral por UE/APN

Nota do Operador:

Definido via perfil de assinante no HSS/PCRF
Usado para aplicar níveis de assinatura (por exemplo, plano de 10 Mbps vs plano de 100 Mbps)
Não afeta bearers GBR

Status do Fluxo e Controle de Acesso

Mapeamento de Status do Fluxo (Gx) para Status do Gate (PFCP)

O PCRF controla se o tráfego é permitido via o AVP Flow-Status na Charging-Rule-Definition:

Flow-Status (Gx)	Gate-Status (PFCP QER)	Significado
0 = ENABLED-UPLINK	ul: OPEN, dl: CLOSED	Apenas tráfego de uplink permitido
1 = ENABLED-DOWNLINK	ul: CLOSED, dl: OPEN	Apenas tráfego de downlink permitido
2 = ENABLED	ul: OPEN, dl: OPEN	Ambas as direções permitidas
3 = DISABLED	ul: CLOSED, dl: CLOSED	Nenhum tráfego permitido
4 = REMOVED	ul: CLOSED, dl: CLOSED	Bearer sendo excluído

Casos de uso:

DISABLED: Usado para serviços estacionados ou exaustão de crédito (pacotes descartados, mas bearer mantido)
ENABLED-UPLINK: Incomum, mas pode ser usado para serviços apenas de upload
ENABLED-DOWNLINK: Serviços apenas de download ou cenários com crédito limitado
ENABLED: Operaç��o normal

Monitoramento & Observabilidade

Métricas do Prometheus

Métricas de nível de sessão:

session_registry_count        # Bearers ativos (pares IMSI, EBI)
address_registry_count        # IPs do UE alocados
charging_id_registry_count    # Sessões de cobrança ativas

Métricas da interface Gx:

gx_inbound_messages_total{message_type="gx_RAR"}     # Atualizações de política do PCRF
gx_outbound_messages_total{message_type="gx_CCR"}    # Solicitações de política ao PCRF
gx_outbound_transaction_duration_bucket              # Latência ao PCRF

Métricas da interface PFCP:

sxb_outbound_messages_total{message_type="pfcp_session_establishment_request"}
sxb_outbound_messages_total{message_type="pfcp_session_modification_request"}
sxb_outbound_transaction_duration_bucket

Métricas de criação de bearer:

s5s8_inbound_messages_total{message_type="create_session_request"}   # Bearers padrão
s5s8_outbound_messages_total{message_type="create_bearer_request"}   # Bearers dedicados

Monitoramento da Interface Web

Página de Sessões PGW (/pgw_sessions):

Pesquisar por IMSI, endereço IP, MSISDN ou APN
Visualizar bearers ativos por sessão
Inspecionar parâmetros de QoS do bearer (QCI, MBR, GBR, AMBR)
Atualização automática em tempo real (2 segundos)

Página Diameter (/diameter):

Status de conectividade do par PCRF
Contagem de sessões Gx
Estado do par (conectado/desconectado)

Página de Logs (/logs):

Streaming de logs em tempo real
Filtrar por "Controle de Crédito" para trocas CCR/CCA
Filtrar por "Re-Auth" para eventos RAR (mudanças de política)
Filtrar por "PFCP" para eventos de programação do plano do usuário

Mensagens de Log Chave

[debug] Sending Credit Control Request: ...          # CCR para PCRF
[debug] Handling Credit Control Answer: ...          # CCA do PCRF (contém QoS)
[debug] Handling Re-Auth Request                     # RAR do PCRF (mudança de política)
[debug] Sending Session Establishment Request        # PFCP para PGW-U (programar QERs)
[debug] Sending Session Modification Request         # PFCP para PGW-U (atualizar QERs)

Tarefas Operacionais

Verificar QoS Aplicada à Sessão

Acesse a Interface Web → página PGW Sessions
Pesquise por IMSI (por exemplo, 999000123456789)
Expanda os detalhes da sessão

Verifique a seção qer_map:

qer_id: 1
gate_status: {ul: OPEN, dl: OPEN}
mbr: {ul: 50000, dl: 100000}  # kbps
gbr: {ul: 10000, dl: 20000}   # kbps (ou nil para não-GBR)

Verifique se os valores correspondem à política esperada do PCRF

Solucionar Problemas de QoS Ausente

Sintoma: Sessão criada, mas QoS não aplicada

Passos:

Verifique a conectividade do PCRF:
- Acesse a Interface Web → página Diameter
- Verifique se o status do par PCRF = "conectado"
- Se desconectado, verifique a conectividade da rede e a configuração do Diameter
Verifique a troca CCR/CCA:
- Acesse a Interface Web → página Logs
- Pesquise por "Credit Control Answer"
- Verifique se o AVP QoS-Information está presente no log da CCA
- Verifique se há erros na CCA (Result-Code deve ser 2001 = SUCESSO)
Verifique a programação do PFCP:
- Pesquise logs por "PFCP Session Establishment Request"
- Verifique se o QER está incluído na mensagem
- Verifique os logs do PGW-U para erros de processamento do PFCP
Verifique a configuração da política do PCRF:
- Verifique o perfil do assinante no PCRF
- Confirme se as regras de política específicas do APN existem
- Verifique os logs do PCRF para erros de avaliação de política

Monitorar Taxa de Criação de Bearer

Consultas do Prometheus:

# Taxa de criação de bearer padrão (sessões/segundo)
rate(s5s8_inbound_messages_total{message_type="create_session_request"}[5m])

# Taxa de criação de bearer dedicado
rate(s5s8_outbound_messages_total{message_type="create_bearer_request"}[5m])

# Taxa de atualização de política do PCRF
rate(gx_inbound_messages_total{message_type="gx_RAR"}[5m])

Planejamento de Capacidade

Métricas chave a serem monitoradas:

# Utilização do endereço IP do UE (porcentagem)
(address_registry_count / <configured_pool_size>) * 100

# Contagem de bearers ativos
session_registry_count

# Latência da consulta do PCRF (P95)
histogram_quantile(0.95, gx_outbound_transaction_duration_bucket)

Limites de capacidade:

Tamanho do pool de endereços: configurado em config/runtime.exs sob ue.subnet_map
Espaço TEID: 32 bits (4 bilhões de identificadores únicos, gerenciados automaticamente)
Sessões concorrentes: tipicamente limitadas pelo tamanho do pool de endereços

Diretrizes de planejamento:

Monitore a utilização de endereços IP - amplie o pool antes de exceder 80%
Monitore a latência do PCRF - alta latência impacta o tempo de configuração da sessão
Monitore a taxa de criação de bearers dedicados - indica a complexidade da política

Documentação Relacionada

Gerenciamento de Sessão - Ciclo de vida da sessão PDN
Interface Diameter Gx - Detalhes do protocolo de política do PCRF
Interface PFCP - Programação do plano do usuário
Guia de Configuração - Configuração do sistema
Guia de Monitoramento - Métricas e observabilidade

Visão Geral​

Fluxo da Arquitetura​

Conceitos Chave​

Configuração​

Importante: Política de QoS Dinâmica​

Ciclo de Vida do Bearer​

Criação do Bearer Padrão​

Criação do Bearer Dedicado​

Modificação do Bearer​

Exclusão do Bearer​

Parâmetros de QoS​

QCI (Identificador de Classe de QoS)​

ARP (Prioridade de Alocação e Retenção)​

MBR (Taxa Máxima de Bits)​

GBR (Taxa de Bits Garantida)​

AMBR (Taxa Máxima Agregada de Bits)​

Status do Fluxo e Controle de Acesso​

Mapeamento de Status do Fluxo (Gx) para Status do Gate (PFCP)​

Monitoramento & Observabilidade​

Métricas do Prometheus​

Monitoramento da Interface Web​

Mensagens de Log Chave​

Tarefas Operacionais​

Verificar QoS Aplicada à Sessão​

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Monitorar Taxa de Criação de Bearer​

Planejamento de Capacidade​

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