《电子技术应用》
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基于QoS流的5G定制化网络实现与应用
2019年电子技术应用第12期
李昆仑1,李 凯1,朱雪田2
1.中国电信股份快乐赛车战略与创新研究院,北京102209; 2.中国电信股份快乐赛车智能网络与终端研究院,北京102209
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。
中图分类号: TN915.09
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.191104
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.
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,QoS)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。

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    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。

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    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,也可以通过策略与计费规则功能(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)保证比特率(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]

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    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。

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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。

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    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。

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    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。

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    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.中国电信股份快乐赛车战略与创新研究院,北京102209;

2。中国电信股份快乐赛车智能网络与终端研究院,北京102209)

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