0 引言

    各種行業應用的迅猛發展，對移動網絡的傳輸質量也呈現出多種個性化需求。傳統3/4G網絡提供統一時延、速率的服務方式很難滿足定制化需求，隨著5G獨立組網(StandAlone，SA)的發展，在協議數據單元(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、區分用戶業務流粒度的、能夠提供具備服務等級協議(Service-Level，SLA)的服務質量保障能力的實現與應用，對比傳統“大鍋飯”式的網絡服務，為5G客戶提供了可定制化的網絡服務，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營的能力。本文重點討論基于QoS流的5G定制化網絡實現方案及典型的業務應用場景。

1 移動網QoS技術發展歷程

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

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)支持節點(Serving GPRS Support Node，SGSN)、網關GPRS支持節點(Gateway GPRS Support Node，GGSN)和移動站(Mobile Station，MS)，SGSN和基站子系統(Base Station Subsystem，BSS)之間進行QoS協商，并通過在核心網的傳輸控制和BSS的無線資源分配最終實現了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多媒體業務子系統(IP Multimedia Subsystem，IMS)，用多協議標簽交換(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)來保證控制數據和用戶數據的傳輸質量，提供一個承載、會話和服務分離的分層機制來保證QoS。

    3GPP標準規范中主要定義了4種QoS業務類型：(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：流業務，如Video；(3)Interactive Class：交互式業務，包括傳統的Internet應用，如Web瀏覽；(4)Background class：背景業務，如E-mail下載、短信服務(Short Message Service，SMS)或文件傳輸協議(File Transfer Protocol，FTP)下載。其他類型都可作為Best effort flow業務處理。

    在3G網絡建設中，主要使用DiffServ模型和MPLS技術來保證核心網的QoS，DiffServ模型被認為是解決IP骨干網QoS問題最有效的技術，MPLS已被公認為IP骨干網的最佳組網技術，服務質量通過在GGSN/SGSN和無線網絡控制器(Radio Network Controller，RNC)中支持DiffServ及MPLS來提供給基于IP的3G核心網。在3G網絡邊界，GGSN必須執行3G網絡QoS參數和鄰近IP網絡QoS參數之間的映射。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發展

    4G系統在接入網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系統復雜的QoS協商機制，放棄了專用信道概念，采用共享信道和配備靈活的動態調度機制。

    4G系統提供的端到端QoS，沿用與3G系統相似的QoS框架——分層次、分區域的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務。QoS承載業務架構如圖2所示。

    4G系統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的數據和信令的用戶承載，默認承載的QoS參數可以來自于從歸屬用戶服務器(Home Subscriber Server，HSS)中獲取的簽約數據，也可以通過策略與計費規則功能(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參數總是由分組核心網分配；(3)保證比特率(Guaranteed Bit Rate，GBR)承載，與GBR承載相關的專用網絡資源，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網絡引入了PCRF網元^[1]，利用Rx接口實現了用戶業務級的QoS能力開放。目前有些運營商已經嘗試利用這種方式建立QoS業務應用的To B合作模式，為有業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網絡的發展

    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，無法跟蹤數據流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系統引入兩級QoS映射，核心網取消承載概念，基于流QoS管控更為精細，無線接入網(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流映射到數據無線承載(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；下行映射屬于網絡實現；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區分粒度，在由NG-RAN(Next Generation Radio Access Networks)與5GC(5G Core Network)組成的5G系統中，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的用戶平面數據會獲得相同的轉發處理(如：相同的調度和相同的準入門限等)。QFI在一個PDU會話內要唯一，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可以動態配置或等于5G QoS標識(5G QoS Identifier，5QI)^[2]。

    在5G中，一條PDU會話內要求有一條關聯默認QoS規則的QoS流，在PDU的整個生命周期內這個默認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，其參數包括：

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

    (2)反射QoS屬性(Reflective QoS Attribute，RQA)：RQA是一個可選參數，其指示了在該QoS流上的某些業務可以受到反射QoS的影響，當核心網通過信令將一個QoS流的RQA參數配給接入網時，接入網才會使能反射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，核心網通過該參數控制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。

    (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，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定制化網絡實現方案

    利用SA架構下的NEF(Network Exposure Function)網元，搭建QoS能力開放平臺，通過Nnef接口接收來自AF或業務應用的QoS請求，經過平臺自身的智能邏輯處理，通過Npcf接口下發給PCF，實現對在線用戶的QoS參數配置。在這個流程下，還需要無線與核心網的設備廠商按照規劃的QoS優先級映射表。具體實現的業務流程如圖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發送包含服務數據流(Service Data Flow，SDF)QoS控制信息給用戶面功能(User Plane Function，UPF)，發送包含QoS profile給AN(Access Network)，并向UE發送對應的QoS規則。

    用戶面：UPF根據SDF的QoS控制信息執行下行數據包的QoS控制和上行數據包的QoS驗證，將數據包轉發至DN(Data Network)；AN根據QoS profile建立DRB或DRB與QoS流的綁定關系，進一步執行數據包的傳輸控制；UE根據QoS規則執行上行數據包的傳輸控制。

    基于數據流粒度的QoS能力開放的方式具有如下優點：不占用額外的底層物理資源，可根據需要靈活變更QoS，控制粒度精細，可達到用戶/數據流粒度。但也存在如下一些缺點：同一切片內用戶對網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業務需求進行定制化的智能解決方案，如：

    場景一：根據區域內用戶數量決定是否提供該區域內的QoS能力服務。

    當AF或業務應用向NEF發起QoS請求后，NEF將向接入和移動性管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)發起Namf_EventExposure_Subscribe請求，其攜帶的AmfEvent參數的type屬性值為"UES_IN_AREA_REPORT"，immediateFlag屬性值為true，areaList屬性中包含需要監測的區域。當Namf_EventExposure_Subscribe響應或后續Namf_EventExposure_Notify服務操作中攜帶的AmfEventReport參數的numberOfUes屬性值大于某個門限值時NEF將停用該區域的QoS服務。

    場景二：根據網內各網元負載決定是否停用QoS。

    當AF向NEF發起QoS請求后，NEF將針對各網元依次向網絡注冊功能(Network Registration Function，NRF)發起Nnrf_NFDiscovery_Request請求，當針對任何一個網元的Nnrf_NFDiscovery_Request響應中攜帶的NFProfile參數的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定制化網絡業務場景

    因此，基于QoS流的5G定制化網絡適用于以下業務場景：

    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、虛擬現實、超重度游戲、增強現實等業務形態，需要提供固定速率范圍的承載，只要速率滿足需求，帶寬穩定即可。針對這類業務，可以提供專用的QoS配置模板，實現用戶速率穩定在10 Mb/s～20 Mb/s區間，如表2所示。

    場景二：低時延類業務需求。提供低延時、低丟包、穩定連接的網絡服務，包括語音、視頻通話、物聯網、車聯網等工業控制類的時延敏感性業務。針對這類業務，可以提供專用的QoS配置模板，實現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業務配置模板可以預配置在PCF網元，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絡服務；也可以通過NEF接口下發給PCF網元，并增加指定業務流的描述，針對這些指定的業務流進行定制化的專網服務。

5 結論

    基于QoS流的定制化網絡概念目前還處于研究試驗階段，將隨著5G行業標準，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多樣化行業應用的重要基礎。

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略與創新研究院，北京102209；

2.中國電信股份有限公司智能網絡與終端研究院，北京102209)