陳 林，劉重軍，楊 波

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

高可靠與低時(shí)延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）是第三代合作伙伴計(jì)劃（Third Generation Partnership Project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)定義的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一[1]。3GPP協(xié)議經(jīng)過(guò)R15和R16版本的討論，目前已具備部署及應(yīng)用的條件。URLLC主要應(yīng)用于垂直行業(yè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、工廠自動(dòng)化、傳輸工業(yè)、遠(yuǎn)程駕駛和電力分配等行業(yè)[2]。由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)特性千差萬(wàn)別，有的業(yè)務(wù)需要滿足高可靠性（99.999 9%），有的業(yè)務(wù)需要滿足低時(shí)延（1 ms空口延遲），使用標(biāo)準(zhǔn)5G服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)符（5G QoS Identifier，5QI）（5QI取值1～86）的解決方案已不能滿足垂直行業(yè)準(zhǔn)確識(shí)別業(yè)務(wù)的需求[2]。本文通過(guò)分析3GPP標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展，提供一種滿足垂直行業(yè)需求特性的QoS端到端解決方案。

1 QoS擴(kuò)展5QI方案設(shè)計(jì)

1.1 垂直行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5QI進(jìn)展

3GPP標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)垂直行業(yè)的典型應(yīng)用：工廠自動(dòng)化-移動(dòng)機(jī)器人、工廠自動(dòng)化-運(yùn)動(dòng)控制、智能交通、電力配電和車用無(wú)線通信技術(shù)（Vehicleto-Everything，V2X）等場(chǎng)景[3]，新增標(biāo)準(zhǔn)5QI值82～86[4]。這些業(yè)務(wù)的資源類型統(tǒng)一定義為時(shí)延敏感（Delay Critical）保證比特率（G uaranteed Bit Rate，GBR）。標(biāo)準(zhǔn)5QI定義了缺省優(yōu)先級(jí)等級(jí)、包延遲預(yù)算、包誤碼率、缺省最大數(shù)據(jù)大小和缺省平均時(shí)間窗大小等指標(biāo)。目前標(biāo)準(zhǔn)TS 23.501中僅支持5種標(biāo)準(zhǔn)5QI時(shí)延敏感GBR業(yè)務(wù)，而工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景具有大量的業(yè)務(wù)特性，如幀大小、包延遲、優(yōu)先級(jí)等，但標(biāo)準(zhǔn)5QIs（5QI取值1～6）不能滿足全部需求[5-7]?；谝陨系脑颍枰霐U(kuò)展5QIs來(lái)適應(yīng)不同的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）業(yè)務(wù)特性。

1.2 擴(kuò)展5QI方案設(shè)計(jì)

1.2.1 智能礦井場(chǎng)景

智能礦井場(chǎng)景主要包括以下業(yè)務(wù)[8]：攝像頭業(yè)務(wù)、采煤機(jī)慣導(dǎo)業(yè)務(wù)、掘進(jìn)機(jī)控制業(yè)務(wù)和機(jī)器人巡檢業(yè)務(wù)等。5G具有大帶寬、低時(shí)延和高可靠性的特點(diǎn)。大帶寬的特征能夠解決礦井下大量視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸。低時(shí)延和高可靠性的特征能夠滿足礦井設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下，可以準(zhǔn)確獲取井下各種工作數(shù)據(jù)和環(huán)境視頻。圖1中為攝像頭1和攝像頭2采集環(huán)境視頻數(shù)據(jù)，控制器向地面發(fā)送一些遠(yuǎn)程控制命令。攝像頭1、攝像頭2和控制器連接到工業(yè)無(wú)線客戶終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）的不同端口，終端CPE通過(guò)射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）和基站之間進(jìn)行無(wú)線通信。終端CPE使用一個(gè)IP地址進(jìn)行通信。

礦井場(chǎng)景典型應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)需求如表1所示。

表1 智能礦井5G網(wǎng)絡(luò)需求

1.2.2 擴(kuò)展5QI方案

首先分析擴(kuò)展5QI在終端、核心網(wǎng)和基站之間的信令交互流程[9]，如圖2所示。方案主要包括14個(gè)步驟，本文主要分析和擴(kuò)展5QI處理相關(guān)的幾個(gè)步驟。

步驟1：用戶設(shè)備（User Equipment，UE）發(fā)給核心網(wǎng)訪問(wèn)和移動(dòng)管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF） 模 塊 的 PDU Session Establishment Request是一條非接入層（Non-Access Stratum，NAS）消息，包含S-NSSAI（s）、UE Requested DNN、PDU Session ID、Request type和N1 SM container等。其中，UE Requested DNN用于觸發(fā)不同的業(yè)務(wù)。該消息用于發(fā)起PDU會(huì)話建立請(qǐng)求。

步驟2：AMF模塊收到終端發(fā)送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會(huì)話建立請(qǐng)求消息，選擇會(huì)話管理的會(huì)話管理功能（Session Management Function，SMF）。

步驟3：AMF模塊向SMF模塊發(fā)送會(huì)話管理上下文創(chuàng)建請(qǐng)求。

步驟4：SMF模塊和統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（U nified Data Management，UDM）模塊進(jìn)行信令交互，獲得終端的簽約信息，包括切片、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）、QoS檔案和會(huì)話和服務(wù)連續(xù)性（Session and Service Continuity，SSC）模式等信息；其中，QoS檔案信息包括5QI的取值、分配和保留優(yōu)先級(jí)（Allocation and Retention Priority，ARP）、會(huì)話聚合速率等。

步驟5：在UDM完成PDU會(huì)話的連接管理注冊(cè)和取回會(huì)話管理簽約信息之后，SMF向AMF回送創(chuàng)建上下文的響應(yīng)消息。

步驟6：PDU會(huì)話認(rèn)證和授權(quán)過(guò)程。

步驟12：N2 PDU Session Request是一條NAS消息，包含在高層的PDU Session Resource Setup Request消息中[10]。該消息中包含PDU Session Resource Setup Request Transfer信元和NAS-PDU信元。其中，前者包含的QoS Flow Level QoS Parameters信元中包含5QI值，用于通知基站當(dāng)前業(yè)務(wù)的5QI值；后者NAS-PDU具體為包含PDU Session Establishment Accept的NAS消 息， 其QoS Flow Level QoS Parameters信元中同樣包含5QI值。

步驟13：基站把NAS消息PDU Session Establishment Accept透?jìng)鹘oUE，其中攜帶業(yè)務(wù)的5QI值；NAS消息包含在高層的RRC Reconfiguration消息中。

步驟14：基站對(duì)PDU會(huì)話進(jìn)行資源分配，向AMF模塊回建立響應(yīng)。

通過(guò)以上由UE觸發(fā)的PDU會(huì)話建立過(guò)程，UE、核心網(wǎng)和基站之間就建立了標(biāo)識(shí)具體業(yè)務(wù)的擴(kuò)展5QI值的傳遞。擴(kuò)展5QI值的使用示例如表2所示，其中，擴(kuò)展5QI的取值范圍為100～255。

表2 擴(kuò)展5QI使用示例

1.2.3 上行QoS框架

上行5QI端到端QoS映射的框架如圖3所示[11]。端口號(hào)+IP地址的業(yè)務(wù)映射到對(duì)應(yīng)的IP流，如：端口號(hào)1+IP地址映射到IP Flow1，端口號(hào)2+IP地址映射到IP Flow2。

UE根據(jù)核心網(wǎng)NAS消息配置的QoS規(guī)則把IP flows映射到QoS流標(biāo)識(shí)符（QoS Flow Identifier，QFIs），UE的服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范（Service Discovery Application Profile，SDAP）模塊再根據(jù)gNB RRC消息配置的規(guī)則把QFI映射到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)無(wú)線承載（Data Radio Bearer，DRB），多個(gè)QFI可以映射到一個(gè)DRB。5G基站（Generation NodeB，gNB）的SDAP模塊把QFI解出發(fā)給核心網(wǎng)的用戶面功能（User Plane Function，UPF）模塊，核心網(wǎng)的UPF模塊還原出IP flows。

1.2.4 控制信息調(diào)度

基站側(cè)根據(jù)核心網(wǎng)帶過(guò)來(lái)擴(kuò)展5QI字段判決是下行遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)還是上行AI機(jī)器視覺(jué)。對(duì)下行遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)，基站側(cè)作為半靜態(tài)調(diào)度（Semi-persistent Scheduling，SP S） 業(yè) 務(wù) 進(jìn) 行 調(diào)度；通過(guò)無(wú)線資源控制（Radio Resource Control，RRC）參數(shù)對(duì)UE SPS-config中的mcs-Table字段配置為“qam64LowSE”，觸發(fā)物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）的物理下行控制信道（P hysical Downlink Control Channel，PDCCH）由配置調(diào)度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)符（Configured Scheduling Radio Network Temporary Identity，CS-RNTI）加擾；調(diào)度器分配空口資源時(shí)使用NR 38.214協(xié)議為URLLC業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的低碼率調(diào)制編碼方案（M odulation and Coding Scheme，MCS）表Table 5.1.3.1-3。對(duì)擴(kuò)展5QI為102的上行AI機(jī)器視覺(jué)業(yè)務(wù)，在沒(méi)有使用傳輸預(yù)編碼且UE沒(méi)有配置MCS-C-RNTI，RRC層pusch-Config中的mcs-Table設(shè)置為“qam64LowSE”，調(diào)度PUSCH的PDCCH由C-RNTI或者SP-CSI-RNTI加擾，則調(diào)度PUSCH分配空口資源時(shí)使用38.214中定義的低碼率MCS表Table 5.1.3.1-3。如果PUSCH使用傳輸預(yù)編碼，則使用NR協(xié)議38.214中定義的MCS表Table 6.1.4.1-2[12]。

2 URLLC QoS監(jiān)測(cè)和冗余設(shè)計(jì)

2.1 URLLC QoS監(jiān)測(cè)

URLLC業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延要求較高，在R16協(xié)議中為了URLLC業(yè)務(wù)的時(shí)延進(jìn)行監(jiān)控，針對(duì)URLLC業(yè)務(wù)引入了QoS監(jiān)測(cè)功能。QoS監(jiān)測(cè)用于包延遲的測(cè)量，UE和錨點(diǎn)UPF之間的延遲由空口延遲和下一代無(wú)線接入網(wǎng)（Next Generation Radio Access Network，NG-RAN）和錨點(diǎn)UPF的包延遲組成。其中NG-RAN負(fù)責(zé)提供空口延遲的QoS監(jiān)測(cè)。QoS監(jiān)測(cè)可以基于不同等級(jí)的粒度，如UE級(jí)每個(gè)QoS流的粒度和用戶面通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)隧道協(xié)議（General Packet Radio Service Tunnelling Protocol for User Plane，GTP-U）路徑級(jí)的粒度。下面以UE級(jí)每個(gè)QoS流的粒度進(jìn)行描述[4]。

SMF在PDU會(huì)話建立或會(huì)話修改流程中激活UE和錨點(diǎn)UPF之間針對(duì)QoS流的端到端上行/下行數(shù)據(jù)包時(shí)延測(cè)量。SMF分別通過(guò)N2、N4接口向NG-RAN和錨點(diǎn)UPF發(fā)送QoS監(jiān)測(cè)請(qǐng)求，QoS監(jiān)測(cè)請(qǐng)求可以包含SMF根據(jù)從策略控制功能（Policy Control Function，PCF）接收的授權(quán)的QoS監(jiān)測(cè)策略和本地配置確定的監(jiān)測(cè)參數(shù)。NG-RAN根據(jù)SMF發(fā)送的QoS監(jiān)測(cè)請(qǐng)求，發(fā)起Uu接口上行/下行包時(shí)延測(cè)量。

當(dāng)NG-RAN和錨點(diǎn)UPF之間時(shí)間同步時(shí)，可以支持NG-RAN和錨點(diǎn)UPF之間的單向數(shù)據(jù)包時(shí)延測(cè)量。當(dāng)NG-RAN和錨點(diǎn)UPF之間時(shí)間不同步時(shí)，則假定NG-RAN和錨點(diǎn)UPF之間的上行數(shù)據(jù)包時(shí)延和下行數(shù)據(jù)包時(shí)延相同。

計(jì)算時(shí)延的流程[13]如下：

（1）當(dāng)錨點(diǎn)UPF要發(fā)送下行監(jiān)測(cè)報(bào)文時(shí)，會(huì)在GTP-U頭中封裝QFI、隧道端點(diǎn)標(biāo)識(shí)（Tunnel End Point Identifier，TEID）、QoS監(jiān)測(cè)報(bào)文（QoS Monitoring Packet，QMP）指示以及下行監(jiān)測(cè)報(bào)文發(fā)送的本地時(shí)間T1；

（2）NG-RAN記錄接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文的GTP-U頭中的T1和接收到下行監(jiān)測(cè)報(bào)文時(shí)的本地時(shí)間T2，并發(fā)起Uu接口上下行數(shù)據(jù)包時(shí)延測(cè)量；

（3）當(dāng)NG-RAN收到UE發(fā)送的上行數(shù)據(jù)包或者NG-RAN發(fā)送偽裝的上行數(shù)據(jù)包作為監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)，NG-RAN將QMP指示、Uu接口上行/下行數(shù)據(jù)包時(shí)延結(jié)果、T1、T2以及NG-RAN發(fā)送該監(jiān)測(cè)響應(yīng)報(bào)文的本地時(shí)間T3封裝在GTP-U頭中發(fā)送給錨點(diǎn)UPF；

（4）NG-RAN發(fā)送偽裝的上行數(shù)據(jù)包的時(shí)機(jī)取決于NG-RAN的實(shí)現(xiàn)；

（5）錨點(diǎn)UPF記錄接收監(jiān)測(cè)響應(yīng)報(bào)文時(shí)的本地時(shí)間T4，并根據(jù)接收到的監(jiān)測(cè)響應(yīng)報(bào)文的GTP-U頭中攜帶的時(shí)間信息，計(jì)算NG-RAN與錨點(diǎn)UPF之間的往返時(shí)延（時(shí)間不同步）和上行/下行數(shù)據(jù)包時(shí)延（時(shí)間同步）；

（6）錨點(diǎn)UPF根據(jù)(T2-T1+T4-T3)/2計(jì)算基站-UPF時(shí)延；

（7）錨點(diǎn)UPF根據(jù)接收到的UE-基站時(shí)延結(jié)果，以及剛才計(jì)算的基站-UPF時(shí)延，計(jì)算UE與錨點(diǎn)UPF之間的上/下行數(shù)據(jù)包時(shí)延；

（8）錨點(diǎn)UPF可以根據(jù)SMF上報(bào)門限等條件向SMF上報(bào)QoS監(jiān)測(cè)結(jié)果。如果N3/N9接口冗余傳輸被激活，UPF和NG-RAN將同時(shí)對(duì)兩條用戶面路徑進(jìn)行QoS監(jiān)測(cè)，UPF會(huì)將兩條用戶面路徑的數(shù)據(jù)包時(shí)延分別上報(bào)給SMF。

QoS監(jiān)測(cè)過(guò)程信令流程圖參考協(xié)議23.725第6.8.2節(jié)。

2.2 核心網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)

為了支持URLLC業(yè)務(wù)的高可靠性，核心網(wǎng)需要支持PDU會(huì)話的冗余傳輸功能。圖4是UE建立雙連接的端到端用戶面路徑冗余傳輸?shù)氖纠齕4]。

如圖4所示，UE建立的冗余PDU會(huì)話對(duì)應(yīng)的用戶面連接互相獨(dú)立。一個(gè)PDU會(huì)話的用戶面對(duì)應(yīng)UE、主 NG-RAN、UPF1，UPF1作為錨點(diǎn) UPF；另一個(gè)PDU會(huì)話的用戶面對(duì)應(yīng)UE、輔NG-RAN、UPF2，UPF2作為錨點(diǎn)UPF。NG-RAN可以通過(guò)兩個(gè)NG-RAN節(jié)點(diǎn)（主NG-RAN和輔NG-RAN）或者單一NG-RAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PDU會(huì)話的冗余用戶面資源。

UE建立具有獨(dú)立的用戶面路徑的兩個(gè)PDU會(huì)話。這兩個(gè)PDU會(huì)話可以是基于IP的PDU會(huì)話或基于Ethernet的PDU會(huì)話。盡管經(jīng)過(guò)UPF1和UPF2的數(shù)據(jù)可能會(huì)經(jīng)過(guò)不同的用戶面節(jié)點(diǎn)路徑，UPF1和UPF2需要連接到相同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。UE使用用戶路由選擇策略（UE Route Selection Policy，URSP）或本地配置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)冗余的PDU會(huì)話，并且將來(lái)自相同應(yīng)用的復(fù)制數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)到這兩個(gè)PDU會(huì)話。

3 基于TSN的QoS設(shè)計(jì)

3.1 TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G系統(tǒng)支持傳輸時(shí)延敏感業(yè)務(wù)且允許5G系統(tǒng)作為一個(gè)橋透明地集成到一個(gè)IEEE TSN網(wǎng)絡(luò)中。時(shí)間敏感系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)在IEEE802.1AS中描述。時(shí)間同步的基本原理是：TSN GM對(duì)從時(shí)鐘（Slave Clocks）發(fā)送它的時(shí)間信息（using SYNC messages），沿途的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素接收同步消息且對(duì)同步消息增加一個(gè)修正（同步消息的延遲，即停留時(shí)間）。5GS作為單個(gè)時(shí)間敏感系統(tǒng)，其停留時(shí)間通過(guò)外部接口間進(jìn)行計(jì)算。5GS以用戶面數(shù)據(jù)的方式透明地傳遞外部的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point to Point，P2P）消息。假定5GS系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)點(diǎn)都是同步的，則就可以知道PTP消息在5G系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間且把停留時(shí)間“correctionField”加到PTP消息的頭部[4]。

接入網(wǎng)對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)的支持主要包括NR TSN增強(qiáng)相關(guān)的準(zhǔn)確參考時(shí)間傳送、QoS/調(diào)度增強(qiáng)和以太網(wǎng)頭壓縮等技術(shù)。

3.2 QoS方案設(shè)計(jì)

TSN工業(yè)場(chǎng)景業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的無(wú)線業(yè)務(wù)有所區(qū)別。當(dāng)使用TSC業(yè)務(wù)模式時(shí)滿足無(wú)線Ethernet QoS的增強(qiáng)和支持TSC消息周期為NR支持的配置授權(quán)或半靜態(tài)調(diào)度（Configured Grant/Semi-persistent Scheduling，CG/SPS）周期非整數(shù)倍的場(chǎng)景。TS N場(chǎng)景，支持多SPS和多CG配置。

3.2.1 TSN QoS flow業(yè)務(wù)模型

IEEE 802.1Qbv是最通用的TSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)理，如圖5所示[14]。

從圖5可看出輸出的業(yè)務(wù)是在時(shí)間上是調(diào)度循環(huán)的，循環(huán)時(shí)間由GCL的執(zhí)行周期決定。

3.2.2 TSN業(yè)務(wù)輔助標(biāo)識(shí)

對(duì)TSN業(yè)務(wù)，控制信息是一種非常重要的業(yè)務(wù)。對(duì)下行控制信令用SPS業(yè)務(wù)表示，對(duì)上行控制信令用CG業(yè)務(wù)表示。在標(biāo)準(zhǔn)5QI表中，對(duì)傳輸時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)只引入了4種標(biāo)準(zhǔn)5QI，對(duì)一些不同周期的控制信息，就無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)5QI表的某一個(gè)值來(lái)表示特定周期的業(yè)務(wù)。協(xié)議23.501中引入了TSC輔助信息來(lái)表示某種具體的業(yè)務(wù)，TSC輔助信息（Time Sensitive Communication Assistance Information，TSCAI）見(jiàn)表 3。

表3 TSC輔助信息

如URLLC場(chǎng)景5G+自動(dòng)引導(dǎo)車（A utomated Guided Vehicle，AGV），傳輸間隔10～100 ms、消息大小15～250 kB的高可靠性業(yè)務(wù)，可以用標(biāo)準(zhǔn)5QI值為82、TSCAI（流方向?yàn)樯闲校芷跒?0 ms，突發(fā)到達(dá)時(shí)間為0 ms）來(lái)表示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)垂直行業(yè)的QoS在5G中如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)地研究，提出了基于擴(kuò)展5QI的具體解決方案。并對(duì)URLLC業(yè)務(wù)的QoS監(jiān)測(cè)功能和核心網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步分析。5G QoS解決方案取得的進(jìn)展必將大力推動(dòng)5G URLLC技術(shù)在未來(lái)垂直行業(yè)領(lǐng)域的落地實(shí)施。