5G QoS優先級調度策略在5G 2B業務中的應用

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優先級調度策略在5G 2B業務中的可行性，首先對3GPP規范中5G QoS模型、QoS流規則及相關QoS參數進行了介紹，并分析了5QI在5G 2B業務中的應用場景，同時結合現網實際情況，介紹了5G SA環境下基站空口資源針對GBR和Non-GBR業務的優先級分配策略的具體實現方法，最后重點通過幾種差異化業務流的對比測試驗證了5G QoS優先級調度策略在5G 2B行業中的可行性。

【關鍵詞】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

文獻標志碼：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優先級調度策略在5G 2B業務中的應用[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 29-35.

0? ?引言

隨著5G的到來，產業端和消費端的價值創造模式將發生顛覆式改變，商業模式也不斷改變，2B的賦能服務價值凸顯。以運營商為例，現階段最大的轉型就是面向2B企業服務，而值得注意的是，每個垂直行業在帶寬、時延、抖動、丟包率等方面都有自己獨特的訴求，而不再是傳統的基于通道服務的固定收費模式，那么垂直行業的這種差異化需求就要求5G時代的運營商必須面向不同的行業客戶提供差異化的解決方案。

雖然網絡切片可以讓運營商實現在一個硬件基礎設施切分出多個虛擬邏輯上相互隔離的端到端網絡，可以適配各種類型服務的不同特征需求，但同一切片內的QoS要求也存在很大差異，同一切片內的不同需求的用戶需要定制不同的QoS，而且在之前的業務測試中發現整個端到端的切片中，空口部分的時延、丟包等數據在整個切片端到端的時延、丟包方面占比最大[1]。因此，5G空口側的QoS策略研究與驗證勢在必行。

4G與5G QoS機制不同點在于，4G中QoS控制的基本粒度是EPS承載[7]，粒度較粗，無法實現業務流粒度的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，而且同RAN側決定流到RAN側承載的映射關系，這樣就給RAN側更大的自由度，不同業務的QoS差異化管控就更加靈活。因此，在這個背景下，5G QoS優先級調度策略的研究與效果驗證在5G2B業務的設計和實現中顯得至關重要。

1? ? 5G QoS模型與5QI應用分析

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連接服務的數據網絡之間的關聯，此連接用來傳輸數據單元，一般是對一個業務建立一個PDU session。

3）QoS Flow：QoS流是5G系統中QoS轉發處理的最小粒度，也是5G網絡中實現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QFI不會重復，不同PDU會話內可以重復。

5）QoS rule：是UE用于執行上行用戶平面流量的分類和標記，主要用來關聯終端上行流量和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機制推導出來的。

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

（2）5G QoS流規則分析

在5G系統中，QoS流是實現差異化保障的最佳顆粒度，一條PDU session內要求有一條關聯默認QoS規則的QoS流，這個默認的QoS流在PDU的整個生命周期內存在，而且這個默認的QoS流是Non-GBR類型的。和4G類似，缺省QoS flow對應到缺省承載，匹配所有數據流量[8]，也就是默認所有的流量都在缺省QoS flow，后續建立的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轉發規則，QoS轉發規則由PCF控制，可以在PDU會話建立流程或者修改流程中形成，也可以預先配置。SMF是執行QoS控制的網絡功能實體，QoS規則信息由SMF從PCF中獲取[6]，然后下發給UE、AN、UPF。以視頻回傳應用為例，業務對應的專有QoS flow在PDU Session建立流程中建立，此QoS flow對應的QoS rule由SMF通過AMF提供給UE，那么PDU Session建立后UE產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標準定義的5G業務流量的分類和映射流程。如圖11所示，業務流量分為上行流量和下行流量[5]。上行方向的流量數據包由UE按QoS rule執行具體分類和映射，關聯到對應的QoS流，多個不同的QoS rule可以對應同一個QoS流。下行方向的流量由UPF根據SMF下發的包檢測規則（PDR）執行具體的分類映射任務，如果沒有匹配的PDR，UPF則將丟棄下行數據報文[2]。

（3）5G QoS的基本參數

在對QoS進行管理時，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類型業務，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是5QI和ARP（分配與保持優先級），其中5QI是一個標量，可用于索引一個5G QoS特性[2]，標準的5QI值與對應的一組QoS特性在3GPP中有明確定義，而ARP參數表示用戶資源搶占與被搶占的特性，ARP包括三個參數：優先級、可搶占性（pre-emption capability）、可被搶占性（pre-emption vulnerability），優先級參數標識搶占優先級的值，數值越低，優先級越高[4]，可搶占性參數指一個業務流是否可以搶占低優先級的業務流的資源，可被搶占性參數指一個業務流的資源是否可以被高優先級的業務流搶占。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，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，其中參數UE-AMBR表示單個UE發出的所有Non-GBR QoS流比特率總和的最大值，參數Session-AMBR表示單個PDU session內的所有Non-GBR QoS流比特率總和的最大值。

1.2? 5QI在5G 2B業務中應用分析

在上文列舉的所有參數中，5QI是本文重點研究的對象，3GPP TS23.501中詳細定義了標準的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。對于業務的分類粒度更加精細化。表1為典型的GBR業務的5QI QoS特性映射關系表，表2為典型的Non-GBR業務的5QI QoS特性映射關系表[2]。Delay Critical GBR業務本文暫時不做討論。

上面兩表格主要對比了GBR與Non-GBR資源類型中不同5QI值對應的不同QoS特性，這些特性可在5G 2B業務設計中參考使用。由表1和表2分析可知，在空口資源分配時，對于不需要嚴格保障帶寬但又要求一定QoS保障的2B用戶，運營商在業務設計時可將其業務類別配置成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上行業務，可將其業務類型配置成GBR類型。業務設計時可以通過設置不同的5QI參數來區分不同用戶的SLA等級。

2? ?5G QoS優先級調度策略的實現方法

在實際實現過程中，GBR業務和Non-GBR業務調度策略完全不同，GBR業務的保障帶寬與GFBR和GFBR等預先設定的參數值有關，而Non-GBR業務中通常使用優先級調度加權因子參數用來差異化控制實現各承載間的調度優先級，在AN側的QoS配置中，每個5QI對應一個加權因子值，是Non-GBR業務的優先級調度水平的最關鍵因素，在信道質量等其它因素相對穩定的情況下，加權因子值與空口擁塞情況下各業務速率分配有一定的線性關系。下面進行詳細說明。

2.1? GBR類型調度策略

GBR業務流則按照核心網下發的策略中GFBR的值進行分配，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加權因子調度策略

gNodeB支持基于5QI配置的調度優先級，在空口質量、時延等因素基本一致的情況下，Non-GBR業務的實際上下行帶寬分配與上下行調度優先級加權因子存在一定的線性關系。下面介紹以基站上行調度策略為例，Non-GBR用戶在gNodeB擁塞情況下的帶寬分配算法。

假設：gNodeB上行帶寬為S，當前在線用戶數為n，n個用戶對應的5QI值分別為Q1， Q2， Q3， …， Qn，每個5QI對應的上行調度優先級加權因子值分別為W1， W2， W3， …， Wn，各用戶當前實際產生的上行帶寬是R1， R2， R3， …， Rn，如果將上行總速率完全按照加權因子進行分配的情況下，第i個用戶應分配到的帶寬Bi應為：

（1）

那么當空口資源發生擁塞時，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，假設實際分配到的上行帶寬與實際發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生的上行帶寬，具體計算方法如下：

（2）

3? 5G QoS優先級調度策略

實現方法的驗證測試

通過前面的分析與介紹，GBR和Non-GBR在調度策略、參數配置等方面均存在一定的差異，故需要分GBR和Non-GBR兩種場景進行測試，本節主要測試了5G QoS特性在現網基站空口側的實際調度行為，驗證了其與第2節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前向客戶提供端到端業務質量保障的重要部分，是SLA保障的關鍵點與瓶頸點，故進行空口資源分配策略行為的測試與驗證非常有必要。本次測試的獨特點在于測試環境是在現網搭建的端到端測的5G測試環境，無線網、承載網、核心網三部分網段涉及的軟硬件版本均使用5G SA最新版本。

3.1? 測試組網方案及原理

以下是本次測試拓撲圖，此組網方案模擬5G端到端視頻直播場景，詳細如圖2所示。

在上面組網圖中，數據流量從A端主機至5G CPE，然后上傳至gNB再經IPRAN承載網至5GC核心網，然后到5G外網段，最后到達Z端主機，PC1主機的流程到達PC11，PC2主機的流量到達PC22，PC3的流量到達PC33，對應三條端到端專線，三條專線分別建立三個PDU會話，分別對應三種QoS流，通過對三個QoS流設置不同的5QI及每個5QI對應的QoS參數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。

此測試環境中，所在基站小區上行帶寬約為230Mbit/s，單CPE上行最大帶寬約150 Mbit/s，此數據由專用空口測試儀及無線網管監控所得到。

3.2? GBR QoS流優先級調度測試

在GBR QoS流優先級調度測試中，在核心網側對三條不同業務的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，本次測試驗證相關參數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，驗證是否能夠達到預期保障效果，凸顯調度優先級用戶差異化。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流優先級調度測試

在Non-GBR QoS流優先級調度測試中，在核心網側對三條不同業務的QoS流配置不同的5QI參數，并且在基站側為不同的5QI配置相應的調度優先級加權因子，本次測試驗證相關參數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對應的QoS流的帶寬分配情況，驗證是否能夠達到預期保障效果，凸顯調度優先級用戶差異化。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，假設某一路業務流的實際上行帶寬大于在空口側按加權因子比例計算應得的帶寬，則稱此業務流達到擁塞情況，測試用例及結果如表7到表10所示：

由以上測試用例可以看出，其結果完全符合2.2節中的Non-GBR加權因子調度策略的計算公式。測試結果表明，在空口質量，時延等因素一致或者基本一致情況下，Non-GBR用戶的優先級調度與上行調度優先級加權因子成正比關系，當加權因子值調整時，帶寬分配比例也隨之調整。

4? ?結束語

5G行業應用的核心是2B應用，那么如何面向垂直行業實現差異化的業務創新，獲取價值的不斷增長，滿足用戶體驗，是當前運營商面臨的重要挑戰。無線網絡作為5G終端大規模接入的關鍵點與瓶頸點，差異化的等級保障策略至關重要，而5G商用初期，QoS策略將是無線側實現不同等級業務差異化設計的關鍵手段。本文創新性地結合5G QoS理論模型和現網5G SA實際網絡環境，提出在5G SA環境下GBR業務調度策略和Non-GBR業務加權因子調度策略的實現方法，設計了不同的測試用例，對比測試并驗證了不同等級GBR業務和Non-GBR業務在空口側的不同帶寬調度行為和保障效果。對比分析可知，GBR業務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業務會大量搶占Non-GBR業務的空口資源，Non-GBR用戶之間按照調度優先級加權比例進行空口資源分配，以及5G QoS策略可實現業務流級的SLA等級劃分。

在后續的5G 2B業務研發方面，可以依據不同5QI的保障特性，設計滿足不同業務需求的差異化服務，從而充分發揮5G新型網絡能力，創新商業模式。為5G 2B業務在空口側的帶寬保障等級規劃和設計提供了借鑒。

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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，碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國電信集團有限公司研究院，目前從事政企產品開發工作。

方宇：中級科研工程師，碩士畢業于北京大學，現任職于中國電信股份有限公司，目前從事政企產品開發工作。

王飛飛：科研工程師，學士畢業于湖南大學，現任職于于中國電信集團有限公司研究院，目前從事政企產品開發工作。