曹亞平 方宇 王飛飛 尹康杰

【摘? 要】5G時代2B賦能價值凸顯，為了驗證5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略在5G 2B業(yè)務(wù)中的可行性，首先對3GPP規(guī)范中5G QoS模型、QoS流規(guī)則及相關(guān)QoS參數(shù)進(jìn)行了介紹，并分析了5QI在5G 2B業(yè)務(wù)中的應(yīng)用場景，同時結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實際情況，介紹了5G SA環(huán)境下基站空口資源針對GBR和Non-GBR業(yè)務(wù)的優(yōu)先級分配策略的具體實現(xiàn)方法，最后重點(diǎn)通過幾種差異化業(yè)務(wù)流的對比測試驗證了5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略在5G 2B行業(yè)中的可行性。

【關(guān)鍵詞】5G QoS;QoS流;GBR;Non-GBR;5QI;5G 2B

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.006? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0029-07

引用格式：曹亞平，方宇，王飛飛，等. 5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略在5G 2B業(yè)務(wù)中的應(yīng)用[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 29-35.

0? ?引言

隨著5G的到來，產(chǎn)業(yè)端和消費(fèi)端的價值創(chuàng)造模式將發(fā)生顛覆式改變，商業(yè)模式也不斷改變，2B的賦能服務(wù)價值凸顯。以運(yùn)營商為例，現(xiàn)階段最大的轉(zhuǎn)型就是面向2B企業(yè)服務(wù)，而值得注意的是，每個垂直行業(yè)在帶寬、時延、抖動、丟包率等方面都有自己獨(dú)特的訴求，而不再是傳統(tǒng)的基于通道服務(wù)的固定收費(fèi)模式，那么垂直行業(yè)的這種差異化需求就要求5G時代的運(yùn)營商必須面向不同的行業(yè)客戶提供差異化的解決方案。

雖然網(wǎng)絡(luò)切片可以讓運(yùn)營商實現(xiàn)在一個硬件基礎(chǔ)設(shè)施切分出多個虛擬邏輯上相互隔離的端到端網(wǎng)絡(luò)，可以適配各種類型服務(wù)的不同特征需求，但同一切片內(nèi)的QoS要求也存在很大差異，同一切片內(nèi)的不同需求的用戶需要定制不同的QoS，而且在之前的業(yè)務(wù)測試中發(fā)現(xiàn)整個端到端的切片中，空口部分的時延、丟包等數(shù)據(jù)在整個切片端到端的時延、丟包方面占比最大[1]。因此，5G空口側(cè)的QoS策略研究與驗證勢在必行。

4G與5G QoS機(jī)制不同點(diǎn)在于，4G中QoS控制的基本粒度是EPS承載[7]，粒度較粗，無法實現(xiàn)業(yè)務(wù)流粒度的QoS控制，而且承載建立信令開銷較大、較慢，不夠靈活，而基于QoS flow的5G QoS，管控更加精細(xì)，而且同RAN側(cè)決定流到RAN側(cè)承載的映射關(guān)系，這樣就給RAN側(cè)更大的自由度，不同業(yè)務(wù)的QoS差異化管控就更加靈活。因此，在這個背景下，5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略的研究與效果驗證在5G2B業(yè)務(wù)的設(shè)計和實現(xiàn)中顯得至關(guān)重要。

1? ? 5G QoS模型與5QI應(yīng)用分析

1.1? 5G QoS模型

（1）5G QoS基本概念介紹

5G QoS模型中涉及的幾個重要概念主要有UE、PDU Session、QoS Flow、QFI、QoS rule和PDR，詳細(xì)介紹如下。

1）UE：指用戶終端。

2）PDU Session：即PDU會話，UE與提供PDU連接服務(wù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)，此連接用來傳輸數(shù)據(jù)單元，一般是對一個業(yè)務(wù)建立一個PDU session。

3）QoS Flow：QoS流是5G系統(tǒng)中QoS轉(zhuǎn)發(fā)處理的最小粒度，也是5G網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)QoS差異化保障的最佳顆粒度。

4）QFI：QoS流ID，用于識別PDU session中的QoS flow，同一個會話內(nèi)QFI不會重復(fù)，不同PDU會話內(nèi)可以重復(fù)。

5）QoS rule：是UE用于執(zhí)行上行用戶平面流量的分類和標(biāo)記，主要用來關(guān)聯(lián)終端上行流量和QoS流，是SMF在PDU建立或修改流程中提供給UE的或UE通過反射QoS機(jī)制推導(dǎo)出來的。

6）PDR：分組檢測規(guī)則（Packet Detection Rule），其包含對到達(dá)UPF的分組進(jìn)行分類所需的信息，主要用于對下行數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類和映射，UPF上下行PDR都是在SMF中配置的。

（2）5G QoS流規(guī)則分析

在5G系統(tǒng)中，QoS流是實現(xiàn)差異化保障的最佳顆粒度，一條PDU session內(nèi)要求有一條關(guān)聯(lián)默認(rèn)QoS規(guī)則的QoS流，這個默認(rèn)的QoS流在PDU的整個生命周期內(nèi)存在，而且這個默認(rèn)的QoS流是Non-GBR類型的。和4G類似，缺省QoS flow對應(yīng)到缺省承載，匹配所有數(shù)據(jù)流量[8]，也就是默認(rèn)所有的流量都在缺省QoS flow，后續(xù)建立的QoS flow叫專有QoS flow，類似于4G的專載，里面會包含一個或者多個QoS轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，QoS轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則由PCF控制，可以在PDU會話建立流程或者修改流程中形成，也可以預(yù)先配置。SMF是執(zhí)行QoS控制的網(wǎng)絡(luò)功能實體，QoS規(guī)則信息由SMF從PCF中獲取[6]，然后下發(fā)給UE、AN、UPF。以視頻回傳應(yīng)用為例，業(yè)務(wù)對應(yīng)的專有QoS flow在PDU Session建立流程中建立，此QoS flow對應(yīng)的QoS rule由SMF通過AMF提供給UE，那么PDU Session建立后UE產(chǎn)生的上行視頻流量就會自動匹配到此專有QoS flow[1]。

圖1是3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的5G業(yè)務(wù)流量的分類和映射流程。如圖11所示，業(yè)務(wù)流量分為上行流量和下行流量[5]。上行方向的流量數(shù)據(jù)包由UE按QoS rule執(zhí)行具體分類和映射，關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的QoS流，多個不同的QoS rule可以對應(yīng)同一個QoS流。下行方向的流量由UPF根據(jù)SMF下發(fā)的包檢測規(guī)則（PDR）執(zhí)行具體的分類映射任務(wù)，如果沒有匹配的PDR，UPF則將丟棄下行數(shù)據(jù)報文[2]。

（3）5G QoS的基本參數(shù)

在對QoS進(jìn)行管理時，5G QoS流被分為了GBR QoS流（即使用GBR資源類型且要求保證流量比特率的QoS流）、Non-GBR QoS流（即使用Non-GBR資源類型且不需要保證流量比特率的QoS流）和Delay Critical GBR（即使用延遲關(guān)鍵GBR資源類型且要求保證流量比特率的QoS流）三大資源類型，其中，Delay Critical GBR QoS流是一種對時延非常敏感的GBR類型業(yè)務(wù)，是為了滿足5G特有的低時延特性而提出的一種新的資源類型。

QoS中最重要的兩個參數(shù)是5QI和ARP（分配與保持優(yōu)先級），其中5QI是一個標(biāo)量，可用于索引一個5G QoS特性[2]，標(biāo)準(zhǔn)的5QI值與對應(yīng)的一組QoS特性在3GPP中有明確定義，而ARP參數(shù)表示用戶資源搶占與被搶占的特性，ARP包括三個參數(shù)：優(yōu)先級、可搶占性（pre-emption capability）、可被搶占性（pre-emption vulnerability），優(yōu)先級參數(shù)標(biāo)識搶占優(yōu)先級的值，數(shù)值越低，優(yōu)先級越高[4]，可搶占性參數(shù)指一個業(yè)務(wù)流是否可以搶占低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流的資源，可被搶占性參數(shù)指一個業(yè)務(wù)流的資源是否可以被高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流搶占。除此之外，GBR的QoS流一般還會包含保證流比特率（GFBR）和最大流比特率（MFBR）兩個必要參數(shù)，其中GFBR表示為單個QoS流分配到的可保證的比特率，而MFBR表示為單個QoS流分配到的最大比特率。Non-GBR的QoS流通常還會包含UE-AMBR和Session-AMBR兩個必要參數(shù)，其中參數(shù)UE-AMBR表示單個UE發(fā)出的所有Non-GBR QoS流比特率總和的最大值，參數(shù)Session-AMBR表示單個PDU session內(nèi)的所有Non-GBR QoS流比特率總和的最大值。

1.2? 5QI在5G 2B業(yè)務(wù)中應(yīng)用分析

在上文列舉的所有參數(shù)中，5QI是本文重點(diǎn)研究的對象，3GPP TS23.501中詳細(xì)定義了標(biāo)準(zhǔn)的5QI到5G QoS特性的映射。雖然5QI的概念是由4G中的QCI概念演變而來，但是相對于4G的9種QCI等級來說，5G又增添了十幾個新的5QI等級。對于業(yè)務(wù)的分類粒度更加精細(xì)化。表1為典型的GBR業(yè)務(wù)的5QI QoS特性映射關(guān)系表，表2為典型的Non-GBR業(yè)務(wù)的5QI QoS特性映射關(guān)系表[2]。Delay Critical GBR業(yè)務(wù)本文暫時不做討論。

上面兩表格主要對比了GBR與Non-GBR資源類型中不同5QI值對應(yīng)的不同QoS特性，這些特性可在5G 2B業(yè)務(wù)設(shè)計中參考使用。由表1和表2分析可知，在空口資源分配時，對于不需要嚴(yán)格保障帶寬但又要求一定QoS保障的2B用戶，運(yùn)營商在業(yè)務(wù)設(shè)計時可將其業(yè)務(wù)類別配置成Non-GBR類型，而對于需要一定資源保障的2B用戶，比如有保障帶寬的5G上行業(yè)務(wù)，可將其業(yè)務(wù)類型配置成GBR類型。業(yè)務(wù)設(shè)計時可以通過設(shè)置不同的5QI參數(shù)來區(qū)分不同用戶的SLA等級。

2? ?5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略的實現(xiàn)方法

在實際實現(xiàn)過程中，GBR業(yè)務(wù)和Non-GBR業(yè)務(wù)調(diào)度策略完全不同，GBR業(yè)務(wù)的保障帶寬與GFBR和GFBR等預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值有關(guān)，而Non-GBR業(yè)務(wù)中通常使用優(yōu)先級調(diào)度加權(quán)因子參數(shù)用來差異化控制實現(xiàn)各承載間的調(diào)度優(yōu)先級，在AN側(cè)的QoS配置中，每個5QI對應(yīng)一個加權(quán)因子值，是Non-GBR業(yè)務(wù)的優(yōu)先級調(diào)度水平的最關(guān)鍵因素，在信道質(zhì)量等其它因素相對穩(wěn)定的情況下，加權(quán)因子值與空口擁塞情況下各業(yè)務(wù)速率分配有一定的線性關(guān)系。下面進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1? GBR類型調(diào)度策略

GBR業(yè)務(wù)流則按照核心網(wǎng)下發(fā)的策略中GFBR的值進(jìn)行分配，不超過GFBR的部分全部可以得到保障，GFBR與MFBR之間的部分看空口資源占用情況，不擁塞的情況下可以保障，擁塞的情況下部分或者全部丟棄，此策略針對每個QoS流，而不是針對整個會話。

2.2? Non-GBR加權(quán)因子調(diào)度策略

gNodeB支持基于5QI配置的調(diào)度優(yōu)先級，在空口質(zhì)量、時延等因素基本一致的情況下，Non-GBR業(yè)務(wù)的實際上下行帶寬分配與上下行調(diào)度優(yōu)先級加權(quán)因子存在一定的線性關(guān)系。下面介紹以基站上行調(diào)度策略為例，Non-GBR用戶在gNodeB擁塞情況下的帶寬分配算法。

假設(shè)：gNodeB上行帶寬為S，當(dāng)前在線用戶數(shù)為n，n個用戶對應(yīng)的5QI值分別為Q1， Q2， Q3， …， Qn，每個5QI對應(yīng)的上行調(diào)度優(yōu)先級加權(quán)因子值分別為W1， W2， W3， …， Wn，各用戶當(dāng)前實際產(chǎn)生的上行帶寬是R1， R2， R3， …， Rn，如果將上行總速率完全按照加權(quán)因子進(jìn)行分配的情況下，第i個用戶應(yīng)分配到的帶寬Bi應(yīng)為：

（1）

那么當(dāng)空口資源發(fā)生擁塞時，用戶在gNodeB實際獲得的上行帶寬Fi計算方法有以下兩種：

（1）如果Ri

（2）如果Ri>Bi，則按（1）的算法，遍歷所有用戶，假設(shè)實際分配到的上行帶寬與實際發(fā)生的上行帶寬一致的用戶有m， …， k，則其余用戶在空口實際分配到的上行帶寬小于用戶實際發(fā)生的上行帶寬，具體計算方法如下：

（2）

3? 5G QoS優(yōu)先級調(diào)度策略

實現(xiàn)方法的驗證測試

通過前面的分析與介紹，GBR和Non-GBR在調(diào)度策略、參數(shù)配置等方面均存在一定的差異，故需要分GBR和Non-GBR兩種場景進(jìn)行測試，本節(jié)主要測試了5G QoS特性在現(xiàn)網(wǎng)基站空口側(cè)的實際調(diào)度行為，驗證了其與第2節(jié)中介紹的理論方法的一致性。

由于空口上行帶寬資源保障情況是當(dāng)前向客戶提供端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量保障的重要部分，是SLA保障的關(guān)鍵點(diǎn)與瓶頸點(diǎn)，故進(jìn)行空口資源分配策略行為的測試與驗證非常有必要。本次測試的獨(dú)特點(diǎn)在于測試環(huán)境是在現(xiàn)網(wǎng)搭建的端到端測的5G測試環(huán)境，無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)三部分網(wǎng)段涉及的軟硬件版本均使用5G SA最新版本。

3.1? 測試組網(wǎng)方案及原理

以下是本次測試拓?fù)鋱D，此組網(wǎng)方案模擬5G端到端視頻直播場景，詳細(xì)如圖2所示。

在上面組網(wǎng)圖中，數(shù)據(jù)流量從A端主機(jī)至5G CPE，然后上傳至gNB再經(jīng)IPRAN承載網(wǎng)至5GC核心網(wǎng)，然后到5G外網(wǎng)段，最后到達(dá)Z端主機(jī)，PC1主機(jī)的流程到達(dá)PC11，PC2主機(jī)的流量到達(dá)PC22，PC3的流量到達(dá)PC33，對應(yīng)三條端到端專線，三條專線分別建立三個PDU會話，分別對應(yīng)三種QoS流，通過對三個QoS流設(shè)置不同的5QI及每個5QI對應(yīng)的QoS參數(shù)特性來分析空口測帶寬分配或保障行為，測試分GBR和Non-GBR兩大類。

此測試環(huán)境中，所在基站小區(qū)上行帶寬約為230Mbit/s，單CPE上行最大帶寬約150 Mbit/s，此數(shù)據(jù)由專用空口測試儀及無線網(wǎng)管監(jiān)控所得到。

3.2? GBR QoS流優(yōu)先級調(diào)度測試

在GBR QoS流優(yōu)先級調(diào)度測試中，在核心網(wǎng)側(cè)對三條不同業(yè)務(wù)的QoS流配置不同的5QI，并且為不同的5QI配置不同GFBR、MFBR兩個必選參數(shù)，本次測試驗證相關(guān)參數(shù)配置在空口擁塞情況下的保障效果，觀察擁塞情況下不同5QI承載QoS流的帶寬分配情況，驗證是否能夠達(dá)到預(yù)期保障效果，凸顯調(diào)度優(yōu)先級用戶差異化。此次測試中三路QoS流分別選取不同的5QI值，其中3、4、65、71為GBR類型，9為Non-GBR類型，測試用例及結(jié)果如表3至6所示。

綜上，表3、表4和表6說明在所有GBR的QoS流的GFBR值之和小于空口總上行帶寬時，GBR的QoS流在空口擁塞情況下也會得到絕對保障，會大量搶占Non-GBR類型的空口資源，表5說明GFBR與MFBR之間的部分無法得到保障，會有大量丟包。

3.3? Non-GBR QoS流優(yōu)先級調(diào)度測試

在Non-GBR QoS流優(yōu)先級調(diào)度測試中，在核心網(wǎng)側(cè)對三條不同業(yè)務(wù)的QoS流配置不同的5QI參數(shù)，并且在基站側(cè)為不同的5QI配置相應(yīng)的調(diào)度優(yōu)先級加權(quán)因子，本次測試驗證相關(guān)參數(shù)配置在空口擁塞情況下的保障效果，觀察擁塞情況下不同5QI對應(yīng)的QoS流的帶寬分配情況，驗證是否能夠達(dá)到預(yù)期保障效果，凸顯調(diào)度優(yōu)先級用戶差異化。此次測試中三條QoS流分別選取不同的5QI值，其中6、7、8、9均為Non-GBR類型，假設(shè)某一路業(yè)務(wù)流的實際上行帶寬大于在空口側(cè)按加權(quán)因子比例計算應(yīng)得的帶寬，則稱此業(yè)務(wù)流達(dá)到擁塞情況，測試用例及結(jié)果如表7到表10所示：

由以上測試用例可以看出，其結(jié)果完全符合2.2節(jié)中的Non-GBR加權(quán)因子調(diào)度策略的計算公式。測試結(jié)果表明，在空口質(zhì)量，時延等因素一致或者基本一致情況下，Non-GBR用戶的優(yōu)先級調(diào)度與上行調(diào)度優(yōu)先級加權(quán)因子成正比關(guān)系，當(dāng)加權(quán)因子值調(diào)整時，帶寬分配比例也隨之調(diào)整。

4? ?結(jié)束語

5G行業(yè)應(yīng)用的核心是2B應(yīng)用，那么如何面向垂直行業(yè)實現(xiàn)差異化的業(yè)務(wù)創(chuàng)新，獲取價值的不斷增長，滿足用戶體驗，是當(dāng)前運(yùn)營商面臨的重要挑戰(zhàn)。無線網(wǎng)絡(luò)作為5G終端大規(guī)模接入的關(guān)鍵點(diǎn)與瓶頸點(diǎn)，差異化的等級保障策略至關(guān)重要，而5G商用初期，QoS策略將是無線側(cè)實現(xiàn)不同等級業(yè)務(wù)差異化設(shè)計的關(guān)鍵手段。本文創(chuàng)新性地結(jié)合5G QoS理論模型和現(xiàn)網(wǎng)5G SA實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出在5G SA環(huán)境下GBR業(yè)務(wù)調(diào)度策略和Non-GBR業(yè)務(wù)加權(quán)因子調(diào)度策略的實現(xiàn)方法，設(shè)計了不同的測試用例，對比測試并驗證了不同等級GBR業(yè)務(wù)和Non-GBR業(yè)務(wù)在空口側(cè)的不同帶寬調(diào)度行為和保障效果。對比分析可知，GBR業(yè)務(wù)在空口擁塞情況下也可得到絕對保障，而Non-GBR則是盡力而為，且空口資源緊張時，GBR業(yè)務(wù)會大量搶占Non-GBR業(yè)務(wù)的空口資源，Non-GBR用戶之間按照調(diào)度優(yōu)先級加權(quán)比例進(jìn)行空口資源分配，以及5G QoS策略可實現(xiàn)業(yè)務(wù)流級的SLA等級劃分。

在后續(xù)的5G 2B業(yè)務(wù)研發(fā)方面，可以依據(jù)不同5QI的保障特性，設(shè)計滿足不同業(yè)務(wù)需求的差異化服務(wù)，從而充分發(fā)揮5G新型網(wǎng)絡(luò)能力，創(chuàng)新商業(yè)模式。為5G 2B業(yè)務(wù)在空口側(cè)的帶寬保障等級規(guī)劃和設(shè)計提供了借鑒。

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收稿日期：2020-05-27

作者簡介

曹亞平（orcid.org/0000-0002-8428-9977）：中級科研工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信集團(tuán)有限公司研究院，目前從事政企產(chǎn)品開發(fā)工作。

方宇：中級科研工程師，碩士畢業(yè)于北京大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司，目前從事政企產(chǎn)品開發(fā)工作。

王飛飛：科研工程師，學(xué)士畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)任職于于中國電信集團(tuán)有限公司研究院，目前從事政企產(chǎn)品開發(fā)工作。