0 引言

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

1 移動網(wǎng)QoS技術發(fā)展歷程

    QoS即業(yè)務質量，是指對于特定的業(yè)務需求制定的服務質量標準,，在數(shù)據(jù)IP世界里,，QoS是提供基于流量優(yōu)先級業(yè)務的基本要素。自從3G網(wǎng)絡之后,，無線數(shù)據(jù)業(yè)務將越來越多地被應用,，隨著4G網(wǎng)絡的成熟和5G網(wǎng)絡的商用，QoS已經(jīng)成為高速數(shù)據(jù)業(yè)務使用感知的保障,。

1.1 QoS的演進

    R99及以后版本的設備開始支持QoS,，在R99中，引入了通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service,，GPRS)支持節(jié)點(Serving GPRS Support Node,，SGSN)、網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點(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現(xiàn)了QoS保障，如圖1所示,。R4允許為上下行鏈路分別設置QoS,。R5版本開始引入的IP多媒體業(yè)務子系統(tǒng)(IP Multimedia Subsystem，IMS),，用多協(xié)議標簽交換(Multi-Protocol Label Switching,，MPLS)來保證控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的傳輸質量，提供一個承載,、會話和服務分離的分層機制來保證QoS,。

    3GPP標準規(guī)范中主要定義了4種QoS業(yè)務類型：(1)Conversational Class：實時會話，R99不支持,，如基于IP的語音傳輸(Voice over Internet Protocol,，VoIP),，是當前非常熱門的話題；(2)Streaming Class：流業(yè)務,，如Video,；(3)Interactive Class：交互式業(yè)務，包括傳統(tǒng)的Internet應用,，如Web瀏覽,；(4)Background class：背景業(yè)務，如E-mail下載,、短信服務(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)務處理,。

    在3G網(wǎng)絡建設中，主要使用DiffServ模型和MPLS技術來保證核心網(wǎng)的QoS,，DiffServ模型被認為是解決IP骨干網(wǎng)QoS問題最有效的技術,，MPLS已被公認為IP骨干網(wǎng)的最佳組網(wǎng)技術，服務質量通過在GGSN/SGSN和無線網(wǎng)絡控制器(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)絡邊界，GGSN必須執(zhí)行3G網(wǎng)絡QoS參數(shù)和鄰近IP網(wǎng)絡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引入策略控制機制來使在傳輸層終端用戶需要的QoS和會話層批準的QoS達到同步,。

1.2 4G時代的QoS發(fā)展

    4G系統(tǒng)在接入網(wǎng)絡結構上進行了扁平化設計,，4G的QoS結構相比3G的QoS也進行了簡化, 同時也做了不少增強和改進。如：由于希望更好地實現(xiàn)用戶的“永遠在線”體驗, 故引入了默認承載概念,；為了取消3G系統(tǒng)復雜的QoS協(xié)商機制,，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體系結構,，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。QoS承載業(yè)務架構如圖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)默認承載，是一種滿足默認QoS的數(shù)據(jù)和信令的用戶承載,，默認承載的QoS參數(shù)可以來自于從歸屬用戶服務器(Home Subscriber Server,，HSS)中獲取的簽約數(shù)據(jù)，也可以通過策略與計費規(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)務所使用的SAE承載,，一般情況下專用SAE承載的QoS比默認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承載相關的專用網(wǎng)絡資源，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)絡引入了PCRF網(wǎng)元^[1],，利用Rx接口實現(xiàn)了用戶業(yè)務級的QoS能力開放,。目前有些運營商已經(jīng)嘗試利用這種方式建立QoS業(yè)務應用的To B合作模式，為有業(yè)務保障需求的應用提供高等級QCI或專有承載服務,，在實際應用中具備大幅降低用戶卡頓和時延的能力,。

2 QoS技術在5G網(wǎng)絡的發(fā)展

    4G QoS技術盡管效果明顯，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,，無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)側決定流→RAN側承載的映射,，給RAN側以更大自由度,。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NR(New Radio)適配QoS需求；RAN側有一定自由度,，如gNB可將QoS流轉換成DRB,；下行映射屬于網(wǎng)絡實現(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)會獲得相同的轉發(fā)處理(如：相同的調(diào)度和相同的準入門限等),。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，如圖4所示,。QFI可以動態(tài)配置或等于5G QoS標識(5G QoS Identifier,，5QI)^[2]。

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

    5QI是一個標量,，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)務可以受到反射QoS的影響,，當核心網(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)絡實現(xiàn)方案

    利用SA架構下的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)務應用的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)的設備廠商按照規(guī)劃的QoS優(yōu)先級映射表,。具體實現(xiàn)的業(yè)務流程如圖5所示。

    控制面：會話管理功能(Session Management Function,，SMF)確定使用QoS控制機制時,，SMF發(fā)送包含服務數(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驗證,，將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至DN(Data Network),；AN根據(jù)QoS profile建立DRB或DRB與QoS流的綁定關系，進一步執(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：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,，可達到用戶/數(shù)據(jù)流粒度。但也存在如下一些缺點：同一切片內(nèi)用戶對網(wǎng)絡資源的使用機會不均等,，高等級QoS用戶可能會影響低等級用戶,。

    基于5G SA架構下的QoS能力提供了一些可根據(jù)業(yè)務需求進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,。

    當AF或業(yè)務應用向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Namf_EventExposure_Subscribe響應或后續(xù)Namf_EventExposure_Notify服務操作中攜帶的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,。

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

    當AF向NEF發(fā)起QoS請求后,，NEF將針對各網(wǎng)元依次向網(wǎng)絡注冊功能(Network Registration Function,，NRF)發(fā)起Nnrf_NFDiscovery_Request請求，當針對任何一個網(wǎng)元的Nnrf_NFDiscovery_Request響應中攜帶的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,。

4 基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡業(yè)務場景

    因此,，基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡適用于以下業(yè)務場景：

    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,、超重度游戲、增強現(xiàn)實等業(yè)務形態(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,，可以提供專用的QoS配置模板，實現(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)務需求,。提供低延時、低丟包,、穩(wěn)定連接的網(wǎng)絡服務,，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。針對這類業(yè)務,，可以提供專用的QoS配置模板,，實現(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)務配置模板可以預配置在PCF網(wǎng)元,，并與5G用戶做一對一綁定,，當用戶上線時，即可享受定制化的網(wǎng)絡服務,；也可以通過NEF接口下發(fā)給PCF網(wǎng)元,，并增加指定業(yè)務流的描述，針對這些指定的業(yè)務流進行定制化的專網(wǎng)服務,。

5 結論

    基于QoS流的定制化網(wǎng)絡概念目前還處于研究試驗階段,，將隨著5G行業(yè)標準，尤其是3GPP R16標準的進一步演進和設備能力的進一步開放而日臻成熟,，其必會成為運營商服務于5G多樣化行業(yè)應用的重要基礎,。

參考文獻

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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)絡與終端研究院，北京102209)