《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與應(yīng)用
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
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
摘要: 對移動網(wǎng)QoS機制及發(fā)展歷程進行了介紹,分析了3G的金銀銅,、4G的QCI在定制化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上的能力與不足,,介紹了5G網(wǎng)絡(luò)QoS設(shè)計思路、實現(xiàn)原理及突出優(yōu)勢,,同時結(jié)合4G QoS能力在To B模式運營的產(chǎn)品化經(jīng)驗,,對5G網(wǎng)絡(luò)的QoS能力進行面向行業(yè)客戶的端到端產(chǎn)品化化封裝,實現(xiàn)了基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)能力,。同時,,結(jié)合業(yè)務(wù)特征與需求,如:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),、增強現(xiàn)實,、自動駕駛、智慧交通等行業(yè)及應(yīng)用,,設(shè)計了5G QoS機制的典型應(yīng)用解決方案及產(chǎn)品化思路,。
中圖分類號: TN915.09
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191104
中文引用格式: 李昆侖,李凱,,朱雪田. 基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,45(12):29-33.
英文引用格式: Li Kunlun,,Li Kai,,Zhu Xuetian. Implementation and application of 5G customized network based on the QoS flow[J]. Application of Electronic Technique,2019,,45(12):29-33.
Implementation and application of 5G customized network based on the QoS flow
Li Kunlun1,,Li Kai1,Zhu Xuetian2
1.China Telecom Corporation Limited Strategy Innovate Research Institute,,Beijing 102209,,China; 2.China Telecom Corporation Limited Intelligence Network and Terminal Research Institute,,Beijing 102209,,China
Abstract: This paper presents the Quality of Service(QoS) mechanism and the development process of the mobile network. The ability and deficiency of both 3rd-Generation(3G) gold, silver and cooper and the 4rd-Generation(4G) QoS Class Identifier(QCI) in the implementation of customized network are analyzed, and the QoS design ideas, implementation principles and outstanding advantages of 5rd-Generation(5G) network are also introduced. Combined with the productized experience of 4G QoS capability operation in To B mode, the QoS capability of 5G network is end-to-end productized encapsulating for the industry customers to achieve the 5G customized network capability based on the QoS flow. Meanwhile, combined business characteristics with business requirements, e.g. industrial Internet, augmented reality, autonomous driving, intelligent transportation and other industries and applications, the typical application solutions and productized ideas of 5G QoS mechanism are designed.
Key words : QoS;policy and charging rules function,;guaranteed bit rate

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)進行最精細的、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費模式,,將大量的小流量,、高價值的業(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(luò)實現(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(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

    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(Serving GPRS Support Node,,SGSN)、網(wǎng)關(guān)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(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)分離的分層機制來保證QoS,。

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    3GPP標準規(guī)范中主要定義了4種QoS業(yè)務(wù)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(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模型被認為是解決IP骨干網(wǎng)QoS問題最有效的技術(shù),MPLS已被公認為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(luò)結(jié)構(gòu)上進行了扁平化設(shè)計,,4G的QoS結(jié)構(gòu)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(fù)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(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,。

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    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(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(wù)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(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接口實現(xiàn)了用戶業(yè)務(wù)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(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,,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(zhuǎn)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(fù),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]

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    在5G中,,一條PDU會話內(nèi)要求有一條關(guān)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(wù)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(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。

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3 基于QoS流的5G定制化網(wǎng)絡(luò)實現(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,。具體實現(xiàn)的業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

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    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(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(luò)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(gòu)下的QoS能力提供了一些可根據(jù)業(yè)務(wù)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(wù),。

    當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(luò)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(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,、超重度游戲、增強現(xiàn)實等業(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,實現(xiàn)用戶速率穩(wěn)定在10 Mb/s~20 Mb/s區(qū)間,,如表2所示。

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    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,。

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    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(shè)備能力的進一步開放而日臻成熟,,其必會成為運營商服務(wù)于5G多樣化行業(yè)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 3GPP.TS 23.203 V11.4.0,,Policy and charging control architecture[S].3GPP,,2011.

[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)

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