0 引言

    各種行業(yè)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，對移動網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量也呈現(xiàn)出多種個性化需求。傳統(tǒng)3/4G網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一時延、速率的服務(wù)方式很難滿足定制化需求，隨著5G獨(dú)立組網(wǎng)(StandAlone，SA)的發(fā)展，在協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)會話中，基于服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)流ID(QoS Flow ID，QFI)進(jìn)行最精細(xì)的、區(qū)分用戶業(yè)務(wù)流粒度的、能夠提供具備服務(wù)等級協(xié)議(Service-Level，SLA)的服務(wù)質(zhì)量保障能力的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，對比傳統(tǒng)“大鍋飯”式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為5G客戶提供了可定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在滿足客戶需求的同時，也打破了流量的單一計(jì)費(fèi)模式，將大量的小流量、高價(jià)值的業(yè)務(wù)引入了專有承載的快車道，提升了這部分流量原有價(jià)值的同時，也為運(yùn)營商提供了流量差異化經(jīng)營的能力。本文重點(diǎn)討論基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案及典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。

1 移動網(wǎng)QoS技術(shù)發(fā)展歷程

    QoS即業(yè)務(wù)質(zhì)量，是指對于特定的業(yè)務(wù)需求制定的服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)IP世界里，QoS是提供基于流量優(yōu)先級業(yè)務(wù)的基本要素。自從3G網(wǎng)絡(luò)之后，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將越來越多地被應(yīng)用，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的成熟和5G網(wǎng)絡(luò)的商用，QoS已經(jīng)成為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用感知的保障。

1.1 QoS的演進(jìn)

    R99及以后版本的設(shè)備開始支持QoS，在R99中，引入了通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)支持節(jié)點(diǎn)(Serving GPRS Support Node，SGSN)、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(Gateway GPRS Support Node，GGSN)和移動站(Mobile Station，MS)，SGSN和基站子系統(tǒng)(Base Station Subsystem，BSS)之間進(jìn)行QoS協(xié)商，并通過在核心網(wǎng)的傳輸控制和BSS的無線資源分配最終實(shí)現(xiàn)了QoS保障，如圖1所示。R4允許為上下行鏈路分別設(shè)置QoS。R5版本開始引入的IP多媒體業(yè)務(wù)子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem，IMS)，用多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)來保證控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，提供一個承載、會話和服務(wù)分離的分層機(jī)制來保證QoS。

    3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中主要定義了4種QoS業(yè)務(wù)類型：(1)Conversational Class：實(shí)時會話，R99不支持，如基于IP的語音傳輸(Voice over Internet Protocol，VoIP)，是當(dāng)前非常熱門的話題；(2)Streaming Class：流業(yè)務(wù)，如Video；(3)Interactive Class：交互式業(yè)務(wù)，包括傳統(tǒng)的Internet應(yīng)用，如Web瀏覽；(4)Background class：背景業(yè)務(wù)，如E-mail下載、短信服務(wù)(Short Message Service，SMS)或文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)下載。其他類型都可作為Best effort flow業(yè)務(wù)處理。

    在3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，主要使用DiffServ模型和MPLS技術(shù)來保證核心網(wǎng)的QoS，DiffServ模型被認(rèn)為是解決IP骨干網(wǎng)QoS問題最有效的技術(shù)，MPLS已被公認(rèn)為IP骨干網(wǎng)的最佳組網(wǎng)技術(shù)，服務(wù)質(zhì)量通過在GGSN/SGSN和無線網(wǎng)絡(luò)控制器(Radio Network Controller，RNC)中支持DiffServ及MPLS來提供給基于IP的3G核心網(wǎng)。在3G網(wǎng)絡(luò)邊界，GGSN必須執(zhí)行3G網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)和鄰近IP網(wǎng)絡(luò)QoS參數(shù)之間的映射。采用在代理呼叫會話控制功能(Proxy Call Session Control Function，PCSCF)/策略控制功能(Policy Control Function，PCF)和GGSN引入策略控制機(jī)制來使在傳輸層終端用戶需要的QoS和會話層批準(zhǔn)的QoS達(dá)到同步。

1.2 4G時代的QoS發(fā)展

    4G系統(tǒng)在接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了扁平化設(shè)計(jì)，4G的QoS結(jié)構(gòu)相比3G的QoS也進(jìn)行了簡化, 同時也做了不少增強(qiáng)和改進(jìn)。如：由于希望更好地實(shí)現(xiàn)用戶的“永遠(yuǎn)在線”體驗(yàn), 故引入了默認(rèn)承載概念；為了取消3G系統(tǒng)復(fù)雜的QoS協(xié)商機(jī)制，放棄了專用信道概念，采用共享信道和配備靈活的動態(tài)調(diào)度機(jī)制。

    4G系統(tǒng)提供的端到端QoS，沿用與3G系統(tǒng)相似的QoS框架——分層次、分區(qū)域的QoS體系結(jié)構(gòu)，即上層的QoS要求分解為下層的QoS要求和QoS屬性，下層為上層提供承載業(yè)務(wù)。QoS承載業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

    4G系統(tǒng)QoS控制由UE(User Equipment)、eNodeB(Evolved Node B)、AGW(Access Gateway)共同參與完成，其基本粒度是承載，即相同承載上的所有流量將獲得相同的QoS保障，不同類型的承載提供不同的QoS保障：(1)默認(rèn)承載，是一種滿足默認(rèn)QoS的數(shù)據(jù)和信令的用戶承載，默認(rèn)承載的QoS參數(shù)可以來自于從歸屬用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server，HSS)中獲取的簽約數(shù)據(jù)，也可以通過策略與計(jì)費(fèi)規(guī)則功能(Policy and Charging Rules Function，PCRF)交互或基于本地配置；(2)專用承載，是對某些特定業(yè)務(wù)所使用的SAE承載，一般情況下專用SAE承載的QoS比默認(rèn)QoS的要求高，專用承載的QoS參數(shù)總是由分組核心網(wǎng)分配；(3)保證比特率(Guaranteed Bit Rate，GBR)承載，與GBR承載相關(guān)的專用網(wǎng)絡(luò)資源，該承載在比特速率上要求能夠保證不變；(4)Non-GBR承載，與GBR承載相反，網(wǎng)絡(luò)資源不能永久分配給某個承載，即不能保證該承載的比特速率不變。

    4G網(wǎng)絡(luò)引入了PCRF網(wǎng)元^[1]，利用Rx接口實(shí)現(xiàn)了用戶業(yè)務(wù)級的QoS能力開放。目前有些運(yùn)營商已經(jīng)嘗試?yán)眠@種方式建立QoS業(yè)務(wù)應(yīng)用的To B合作模式，為有業(yè)務(wù)保障需求的應(yīng)用提供高等級QCI或?qū)Ｓ谐休d服務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中具備大幅降低用戶卡頓和時延的能力。

2 QoS技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

    4G QoS技術(shù)盡管效果明顯，但管理顆粒度較粗，承載建立信令開銷大，無法跟蹤數(shù)據(jù)流QoS需求的變化，所以不能滿足5G眾多新應(yīng)用對QoS多樣化的要求。為此，5G系統(tǒng)引入兩級QoS映射，核心網(wǎng)取消承載概念，基于流QoS管控更為精細(xì)，無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)側(cè)決定流→RAN側(cè)承載的映射，給RAN側(cè)以更大自由度。GW的非接入層(Non-Access-Stratum，NAS)將多個有相同QoS需求的IP流映射到同一個QoS流；gNB將QoS流映射到數(shù)據(jù)無線承載(Data Radio Bearer，DRB)，使無線側(cè)NR(New Radio)適配QoS需求；RAN側(cè)有一定自由度，如gNB可將QoS流轉(zhuǎn)換成DRB；下行映射屬于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；上行映射基于Reflective QoS或無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)配置。

    5G QoS模型基于QoS流，如圖3所示。5G QoS模型支持GBR的QoS流和Non-GBR的QoS流，5G QoS模型還支持反射QoS。QoS流是PDU會話中最精細(xì)的QoS區(qū)分粒度，在由NG-RAN(Next Generation Radio Access Networks)與5GC(5G Core Network)組成的5G系統(tǒng)中，一個QFI用于標(biāo)識一條QoS流；PDU會話貫穿于無線承載與用戶面NG-U接口中，PDU會話中具有相同QFI的用戶平面數(shù)據(jù)會獲得相同的轉(zhuǎn)發(fā)處理(如：相同的調(diào)度和相同的準(zhǔn)入門限等)。QFI在一個PDU會話內(nèi)要唯一，也就是說一個PDU會話可以有多條(最多64條)QoS流，但每條QoS流的QFI都不同(取值范圍為0～63)，UE兩條PDU會話的QFI可能會重復(fù)，如圖4所示。QFI可以動態(tài)配置或等于5G QoS標(biāo)識(5G QoS Identifier，5QI)^[2]。

    在5G中，一條PDU會話內(nèi)要求有一條關(guān)聯(lián)默認(rèn)QoS規(guī)則的QoS流，在PDU的整個生命周期內(nèi)這個默認(rèn)QoS流保持存在，且這個默認(rèn)的QoS流要是Non-GBR QoS流。

    5QI是一個標(biāo)量，用于索引一個5G QoS特性，其參數(shù)包括：

    (1)分配和保留優(yōu)先級(Allocation and Retention Priority，ARP)：ARP參數(shù)包含優(yōu)先級、搶占能力、可被搶占等信息；優(yōu)先級定義了UE資源請求的重要性，在系統(tǒng)資源受限時，ARP參數(shù)決定了一個新的QoS流是被接受還是被拒絕。ARP優(yōu)先級的取值范圍是1～15，1為最高優(yōu)先級。

    (2)反射QoS屬性(Reflective QoS Attribute，RQA)：RQA是一個可選參數(shù)，其指示了在該QoS流上的某些業(yè)務(wù)可以受到反射QoS的影響，當(dāng)核心網(wǎng)通過信令將一個QoS流的RQA參數(shù)配給接入網(wǎng)時，接入網(wǎng)才會使能反射QoS指示（Reflective QoS Indication，RQI）在這條流的無線資源上傳輸。

    (3)通知控制：對于GBR的QoS流，核心網(wǎng)通過該參數(shù)控制NG-RAN是否在該GBR QoS流的保證流比特率(Guaranteed Flow Bit Rate，GFBR)無法滿足時上報(bào)消息通知核心網(wǎng)。

    (4)Flow Bit Rate：對于GBR QoS流，分為GFBR-上/下行和最大流比特率(Maximum Flow Bit Rate，MFBR)-上/下行。GFBR表示由網(wǎng)絡(luò)保證在平均時間窗口上向QoS流提供的比特率；MFBR將比特率限制為QoS流所期望的最高比特率。

    (5)會話聚合最大比特率(per Session Aggregate Maximum Bit Rate，Session-AMBR)：每個PDU Session都有一個Session-AMBR，Session-AMBR是用戶訂閱參數(shù)，其定義了一個PDU會話的所有Non-GBR QoS流的比特率之和的上限，Session-AMBR不適用于GBR QoS流。

    (6)UE聚合最大比特率(per UE Aggregate Maximum Bit Rate，UE-AMBR)：每個UE都有一個UE-AMBR，UE-AMBR定義了一個UE所有的Non-GBR QoS流比特率之和的上限，UE-AMBR不適用于GBR QoS流。

    5G QoS和4G QoS的對比分析如表1所示。

3 基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案

    利用SA架構(gòu)下的NEF(Network Exposure Function)網(wǎng)元，搭建QoS能力開放平臺，通過Nnef接口接收來自AF或業(yè)務(wù)應(yīng)用的QoS請求，經(jīng)過平臺自身的智能邏輯處理，通過Npcf接口下發(fā)給PCF，實(shí)現(xiàn)對在線用戶的QoS參數(shù)配置。在這個流程下，還需要無線與核心網(wǎng)的設(shè)備廠商按照規(guī)劃的QoS優(yōu)先級映射表。具體實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

    控制面：會話管理功能(Session Management Function，SMF)確定使用QoS控制機(jī)制時，SMF發(fā)送包含服務(wù)數(shù)據(jù)流(Service Data Flow，SDF)QoS控制信息給用戶面功能(User Plane Function，UPF)，發(fā)送包含QoS profile給AN(Access Network)，并向UE發(fā)送對應(yīng)的QoS規(guī)則。

    用戶面：UPF根據(jù)SDF的QoS控制信息執(zhí)行下行數(shù)據(jù)包的QoS控制和上行數(shù)據(jù)包的QoS驗(yàn)證，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至DN(Data Network)；AN根據(jù)QoS profile建立DRB或DRB與QoS流的綁定關(guān)系，進(jìn)一步執(zhí)行數(shù)據(jù)包的傳輸控制；UE根據(jù)QoS規(guī)則執(zhí)行上行數(shù)據(jù)包的傳輸控制。

    基于數(shù)據(jù)流粒度的QoS能力開放的方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：不占用額外的底層物理資源，可根據(jù)需要靈活變更QoS，控制粒度精細(xì)，可達(dá)到用戶/數(shù)據(jù)流粒度。但也存在如下一些缺點(diǎn)：同一切片內(nèi)用戶對網(wǎng)絡(luò)資源的使用機(jī)會不均等，高等級QoS用戶可能會影響低等級用戶。

    基于5G SA架構(gòu)下的QoS能力提供了一些可根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行定制化的智能解決方案，如：

    場景一：根據(jù)區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量決定是否提供該區(qū)域內(nèi)的QoS能力服務(wù)。

    當(dāng)AF或業(yè)務(wù)應(yīng)用向NEF發(fā)起QoS請求后，NEF將向接入和移動性管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)發(fā)起Namf_EventExposure_Subscribe請求，其攜帶的AmfEvent參數(shù)的type屬性值為"UES_IN_AREA_REPORT"，immediateFlag屬性值為true，areaList屬性中包含需要監(jiān)測的區(qū)域。當(dāng)Namf_EventExposure_Subscribe響應(yīng)或后續(xù)Namf_EventExposure_Notify服務(wù)操作中攜帶的AmfEventReport參數(shù)的numberOfUes屬性值大于某個門限值時NEF將停用該區(qū)域的QoS服務(wù)。

    場景二：根據(jù)網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)元負(fù)載決定是否停用QoS。

    當(dāng)AF向NEF發(fā)起QoS請求后，NEF將針對各網(wǎng)元依次向網(wǎng)絡(luò)注冊功能(Network Registration Function，NRF)發(fā)起Nnrf_NFDiscovery_Request請求，當(dāng)針對任何一個網(wǎng)元的Nnrf_NFDiscovery_Request響應(yīng)中攜帶的NFProfile參數(shù)的load屬性值大于某個門限值時將酌情考慮停用QoS服務(wù)。

4 基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場景

    因此，基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)適用于以下業(yè)務(wù)場景：

    場景一：固定帶寬需求。針對一些超高清(Ultra High Definition，UHD)視頻流暢播放(如vCDN、云端渲染)，包括高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、超重度游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)形態(tài)，需要提供固定速率范圍的承載，只要速率滿足需求，帶寬穩(wěn)定即可。針對這類業(yè)務(wù)，可以提供專用的QoS配置模板，實(shí)現(xiàn)用戶速率穩(wěn)定在10 Mb/s～20 Mb/s區(qū)間，如表2所示。

    場景二：低時延類業(yè)務(wù)需求。提供低延時、低丟包、穩(wěn)定連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括語音、視頻通話、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)控制類的時延敏感性業(yè)務(wù)。針對這類業(yè)務(wù)，可以提供專用的QoS配置模板，實(shí)現(xiàn)用戶速率最低保障為2 Mb/s，但是由于5QI提升至3，用戶時延會較低，如表3所示。

    以上QoS業(yè)務(wù)配置模板可以預(yù)配置在PCF網(wǎng)元，并與5G用戶做一對一綁定，當(dāng)用戶上線時，即可享受定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；也可以通過NEF接口下發(fā)給PCF網(wǎng)元，并增加指定業(yè)務(wù)流的描述，針對這些指定的業(yè)務(wù)流進(jìn)行定制化的專網(wǎng)服務(wù)。

5 結(jié)論

    基于QoS流的定制化網(wǎng)絡(luò)概念目前還處于研究試驗(yàn)階段，將隨著5G行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步演進(jìn)和設(shè)備能力的進(jìn)一步開放而日臻成熟，其必會成為運(yùn)營商服務(wù)于5G多樣化行業(yè)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 3GPP.TS 23.502 V16.1.1，Procedures for the 5G system[S].3GPP，2019.

作者信息:

李昆侖1，李  凱1，朱雪田2

(1.中國電信股份有限公司戰(zhàn)略與創(chuàng)新研究院，北京102209；

2.中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，北京102209)