【学术论文】基于QoS流的5G定制化网络实现与应用

　　导读：“2019年是5G元年。 ”2019年2月18日，上海移动和华为在虹桥火车站正式启动建设5G网络，计划在2019年内完成5G网络深度覆盖。 时隔不久，在2月25日开幕的2019世界移动通信大会上，5G成为整场会展的关键词，全球各大手机厂商争相发布旗下首款5G手机，以5G为主题的论坛和研讨会就超过了20场。 目前，我国在5G研发和部署方面处于全球前列，在3月举办的全国两会上，5G更是被带入两会新闻中心。 为了促进5G通信的技术交流，推动我国5G通信技术的发展，《电子技术应用》杂志拟于2019年第8期（8月6日出刊）开始陆续推出“5G通信”相关主题专栏。 现特面向国内外相关领域专家、学者、工程技术人员征集相关主题稿件。

特约主编：朱雪田，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，北京邮电大学通信与信息专业工程硕士导师，现就职于中国电信智能网络与终端研究院。长期从事4G/5G移动通信和互联网技术创新与研发工作，作为项目组长先后负责多个4G/5G领域的移动通信国家重大项目，发表学术论文超过50篇，发明专利100余篇，个人专著3本。摘要：对移动网QoS机制及发展历程进行了介绍，分析了3G的金银铜、4G的QCI在定制化网络实现上的能力与不足，介绍了5G网络QoS设计思路、实现原理及突出优势，同时结合4G QoS能力在To B模式运营的产品化经验，对5G网络的QoS能力进行面向行业客户的端到端产品化化封装，实现了基于QoS流的5G定制化网络能力。同时，结合业务特征与需求，如：工业互联网、增强现实、自动驾驶、智慧交通等行业及应用，设计了5G QoS机制的典型应用解决方案及产品化思路。中文引用格式：李昆仑，李凯，朱雪田. 基于QoS流的5G定制化网络实现与应用[J].电子技术应用，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.

　　0 引言

　　各种行业应用的迅猛发展，对移动网络的传输质量也呈现出多种个性化需求。传统3/4G网络提供统一时延、速率的服务方式很难满足定制化需求，随着5G独立组网(StandAlone，SA)的发展，在协议数据单元(Protocol Data Unit，PDU)会话中，基于服务质量(Quality of Service， )流ID(QoS Flow ID，QFI)进行最精细的、区分用户业务流粒度的、能够提供具备服务等级协议(Service-Level，SLA)的服务质量保障能力的实现与应用，对比传统“大锅饭”式的网络服务，为5G客户提供了可定制化的网络服务，在满足客户需求的同时，也打破了流量的单一计费模式，将大量的小流量、高价值的业务引入了专有承载的快车道，提升了这部分流量原有价值的同时，也为运营商提供了流量差异化经营的能力。本文重点讨论基于QoS流的5G定制化网络实现方案及典型的业务应用场景。

　　1 移动网QoS技术发展历程

　　
QoS即业务质量，是指对于特定的业务需求制定的服务质量标准，在数据IP世界里，QoS是提供基于流量优先级业务的基本要素。自从3G网络之后，无线数据业务将越来越多地被应用，随着4G网络的成熟和5G网络的商用，QoS已经成为高速数据业务使用感知的保障。

　　1.1 QoS的演进

　　R99及以后版本的设备开始支持QoS，在R99中，引入了通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)支持节点(Serving GPRS Support Node，SGSN)、网关GPRS支持节点(Gateway GPRS Support Node，GGSN)和移动站(Mobile Station，MS)，SGSN和基站子系统(Base Station Subsystem，BSS)之间进行QoS协商，并通过在核心网的传输控制和BSS的无线资源分配最终实现了QoS保障，如图1所示。R4允许为上下行链路分别设置QoS。R5版本开始引入的IP多媒体业务子系统(IP Multimedia Subsystem，IMS)，用多协议标签交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)来保证控制数据和用户数据的传输质量，提供一个承载、会话和服务分离的分层机制来保证QoS。

　　3GPP标准规范中主要定义了4种QoS业务类型：(1)Conversational Class：实时会话，R99不支持，如基于IP的语音传输(Voice over Internet Protocol，VoIP)，是当前非常热门的话题；(2)Streaming Class：流业务，如Video；(3)Interactive Class：交互式业务，包括传统的Internet应用，如Web浏览；(4)Background class：背景业务，如E-mail下载、短信服务(Short Message Service，SMS)或文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)下载。其他类型都可作为Best effort flow业务处理。 在3G网络建设中，主要使用DiffServ模型和MPLS技术来保证核心网的QoS，DiffServ模型被认为是解决IP骨干网QoS问题最有效的技术，MPLS已被公认为IP骨干网的最佳组网技术，服务质量通过在GGSN/SGSN和无线网络控制器(Radio Network Controller，RNC)中支持DiffServ及MPLS来提供给基于IP的3G核心网。在3G网络边界，GGSN必须执行3G网络QoS参数和邻近IP网络QoS参数之间的映射。采用在代理呼叫会话控制功能(Proxy Call Session Control Function，PCSCF)/策略控制功能(Policy Control Function，PCF)和GGSN引入策略控制机制来使在传输层终端用户需要的QoS和会话层批准的QoS达到同步。

　　1.2 4G时代的QoS发展

　　4G系统在接入网络结构上进行了扁平化设计，4G的QoS结构相比3G的QoS也进行了简化, 同时也做了不少增强和改进。如：由于希望更好地实现用户的“永远在线”体验, 故引入了默认承载概念；为了取消3G系统复杂的QoS协商机制，放弃了专用信道概念，采用共享信道和配备灵活的动态调度机制。 4G系统提供的端到端QoS，沿用与3G系统相似的QoS框架——分层次、分区域的QoS体系结构，即上层的QoS要求分解为下层的QoS要求和QoS属性，下层为上层提供承载业务。QoS承载业务架构如图2所示。

　　4G系统QoS控制由UE(User Equipment)、eNodeB(Evolved Node B)、AGW(Access Gateway)共同参与完成，其基本粒度是承载，即相同承载上的所有流量将获得相同的QoS保障，不同类型的承载提供不同的QoS保障：(1)默认承载，是一种满足默认QoS的数据和信令的用户承载，默认承载的QoS参数可以来自于从归属用户服务器(Home Subscriber Server，HSS)中获取的签约数据，也可以通过 (Policy and Charging Rules Function，PCRF)交互或基于本地配置；(2)专用承载，是对某些特定业务所使用的SAE承载，一般情况下专用SAE承载的QoS比默认QoS的要求高，专用承载的QoS参数总是由分组核心网分配；(3) (Guaranteed Bit Rate，GBR)承载，与GBR承载相关的专用网络资源，该承载在比特速率上要求能够保证不变；(4)Non-GBR承载，与GBR承载相反，网络资源不能永久分配给某个承载，即不能保证该承载的比特速率不变。 4G网络引入了PCRF网元 [1]，利用Rx接口实现了用户业务级的QoS能力开放。目前有些运营商已经尝试利用这种方式建立QoS业务应用的To B合作模式，为有业务保障需求的应用提供高等级QCI或专有承载服务，在实际应用中具备大幅降低用户卡顿和时延的能力。

　　2 QoS技术在5G网络的发展

　　
4G QoS技术尽管效果明显，但管理颗粒度较粗，承载建立信令开销大，无法跟踪数据流QoS需求的变化，所以不能满足5G众多新应用对QoS多样化的要求。为此，5G系统引入两级QoS映射，核心网取消承载概念，基于流QoS管控更为精细，无线接入网(Radio Access Network，RAN)侧决定流→RAN侧承载的映射，给RAN侧以更大自由度。GW的非接入层(Non-Access-Stratum，NAS)将多个有相同QoS需求的IP流映射到同一个QoS流；gNB将QoS流映射到数据无线承载(Data Radio Bearer，DRB)，使无线侧NR(New Radio)适配QoS需求；RAN侧有一定自由度，如gNB可将QoS流转换成DRB；下行映射属于网络实现；上行映射基于Reflective QoS或无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)配置。 5G QoS模型基于QoS流，如图3所示。5G QoS模型支持GBR的QoS流和Non-GBR的QoS流，5G QoS模型还支持反射QoS。QoS流是PDU会话中最精细的QoS区分粒度，在由NG-RAN(Next Generation Radio Access Networks)与5GC(5G Core Network)组成的5G系统中，一个QFI用于标识一条QoS流；PDU会话贯穿于无线承载与用户面NG-U接口中，PDU会话中具有相同QFI的用户平面数据会获得相同的转发处理(如：相同的调度和相同的准入门限等)。QFI在一个PDU会话内要唯一，也就是说一个PDU会话可以有多条(最多64条)QoS流，但每条QoS流的QFI都不同(取值范围为0～63)，UE两条PDU会话的QFI可能会重复，如图4所示。QFI可以动态配置或等于5G QoS标识(5G QoS Identifier，5QI) [2]。

　　在5G中，一条PDU会话内要求有一条关联默认QoS规则的QoS流，在PDU的整个生命周期内这个默认QoS流保持存在，且这个默认的QoS流要是Non-GBR QoS流。 5QI是一个标量，用于索引一个5G QoS特性，其参数包括： (1)分配和保留优先级(Allocation and Retention Priority，ARP)：ARP参数包含优先级、抢占能力、可被抢占等信息；优先级定义了UE资源请求的重要性，在系统资源受限时，ARP参数决定了一个新的QoS流是被接受还是被拒绝。ARP优先级的取值范围是1～15，1为最高优先级。 (2)反射QoS属性(Reflective QoS Attribute，RQA)：RQA是一个可选参数，其指示了在该QoS流上的某些业务可以受到反射QoS的影响，当核心网通过信令将一个QoS流的RQA参数配给接入网时，接入网才会使能反射QoS指示（Reflective QoS Indication，RQI）在这条流的无线资源上传输。 (3)通知控制：对于GBR的QoS流，核心网通过该参数控制NG-RAN是否在该GBR QoS流的保证流比特率(Guaranteed Flow Bit Rate，GFBR)无法满足时上报消息通知核心网。 (4)Flow Bit Rate：对于GBR QoS流，分为GFBR-上/下行和最大流比特率(Maximum Flow Bit Rate，MFBR)-上/下行。GFBR表示由网络保证在平均时间窗口上向QoS流提供的比特率；MFBR将比特率限制为QoS流所期望的最高比特率。 (5)会话聚合最大比特率(per Session Aggregate Maximum Bit Rate，Session-AMBR)：每个PDU Session都有一个Session-AMBR，Session-AMBR是用户订阅参数，其定义了一个PDU会话的所有Non-GBR QoS流的比特率之和的上限，Session-AMBR不适用于GBR QoS流。 (6)UE聚合最大比特率(per UE Aggregate Maximum Bit Rate，UE-AMBR)：每个UE都有一个UE-AMBR，UE-AMBR定义了一个UE所有的Non-GBR QoS流比特率之和的上限，UE-AMBR不适用于GBR QoS流。 5G QoS和4G QoS的对比分析如表1所示。

　　3 基于QoS流的5G定制化网络实现方案

　　
利用SA架构下的NEF(Network Exposure Function)网元，搭建QoS能力开放平台，通过Nnef接口接收来自AF或业务应用的QoS请求，经过平台自身的智能逻辑处理，通过Npcf接口下发给PCF，实现对在线用户的QoS参数配置。在这个流程下，还需要无线与核心网的设备厂商按照规划的QoS优先级映射表。具体实现的业务流程如图5所示。

　　控制面：会话管理功能(Session Management Function，SMF)确定使用QoS控制机制时，SMF发送包含服务数据流(Service Data Flow，SDF)QoS控制信息给用户面功能(User Plane Function，UPF)，发送包含QoS profile给AN(Access Network)，并向UE发送对应的QoS规则。 用户面：UPF根据SDF的QoS控制信息执行下行数据包的QoS控制和上行数据包的QoS验证，将数据包转发至DN(Data Network)；AN根据QoS profile建立DRB或DRB与QoS流的绑定关系，进一步执行数据包的传输控制；UE根据QoS规则执行上行数据包的传输控制。 基于数据流粒度的QoS能力开放的方式具有如下优点：不占用额外的底层物理资源，可根据需要灵活变更QoS，控制粒度精细，可达到用户/数据流粒度。但也存在如下一些缺点：同一切片内用户对网络资源的使用机会不均等，高等级QoS用户可能会影响低等级用户。 基于5G SA架构下的QoS能力提供了一些可根据业务需求进行定制化的智能解决方案，如： 场景一：根据区域内用户数量决定是否提供该区域内的QoS能力服务。 当AF或业务应用向NEF发起QoS请求后，NEF将向接入和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)发起Namf_EventExposure_Subscribe请求，其携带的AmfEvent参数的type属性值为"UES_IN_AREA_REPORT"，immediateFlag属性值为true，areaList属性中包含需要监测的区域。当Namf_EventExposure_Subscribe响应或后续Namf_EventExposure_Notify服务操作中携带的AmfEventReport参数的numberOfUes属性值大于某个门限值时NEF将停用该区域的QoS服务。 场景二：根据网内各网元负载决定是否停用QoS。 当AF向NEF发起QoS请求后，NEF将针对各网元依次向网络注册功能(Network Registration Function，NRF)发起Nnrf_NFDiscovery_Request请求，当针对任何一个网元的Nnrf_NFDiscovery_Request响应中携带的NFProfile参数的load属性值大于某个门限值时将酌情考虑停用QoS服务。

　　4 基于QoS流的5G定制化网络业务场景

　　
因此，基于QoS流的5G定制化网络适用于以下业务场景： 场景一：固定带宽需求。针对一些超高清(Ultra High Definition，UHD)视频流畅播放(如vCDN、云端渲染)，包括高清视频、虚拟现实、超重度游戏、增强现实等业务形态，需要提供固定速率范围的承载，只要速率满足需求，带宽稳定即可。针对这类业务，可以提供专用的QoS配置模板，实现用户速率稳定在10 Mb/s～20 Mb/s区间，如表2所示。

　　场景二：低时延类业务需求。提供低延时、低丢包、稳定连接的网络服务，包括语音、视频通话、物联网、车联网等工业控制类的时延敏感性业务。针对这类业务，可以提供专用的QoS配置模板，实现用户速率最低保障为2 Mb/s，但是由于5QI提升至3，用户时延会较低，如表3所示。

　　以上QoS业务配置模板可以预配置在PCF网元，并与5G用户做一对一绑定，当用户上线时，即可享受定制化的网络服务；也可以通过NEF接口下发给PCF网元，并增加指定业务流的描述，针对这些指定的业务流进行定制化的专网服务。

　　5 结论

　　
基于QoS流的定制化网络概念目前还处于研究试验阶段，将随着5G行业标准，尤其是3GPP R16标准的进一步演进和设备能力的进一步开放而日臻成熟，其必会成为运营商服务于5G多样化行业应用的重要基础。

　　参考文献

　　[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:

　　李昆仑1，李 凯1，朱雪田2

　　(1.中国电信股份有限公司战略与创新研究院，北京102209；

　　2.中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，北京102209)