基于弱網感知的5G QoS保障服務實現方案

【摘? 要】為了實現5G用戶的QoS保障，提升5G用戶的客戶感知水平，首先分析5G應用的網絡需求，然后分析用戶在弱網環境下的5G QoS保障問題，接著闡述5G弱網的定義及弱網感知的方法，最后提出基于弱網感知的5G QoS保障服務實現方案，以滿足5G用戶的差異化網絡需求，同時優化5G網絡資源分配。

【關鍵詞】弱網感知;弱網事件;服務質量保障;策略控制

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.003? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0013-06

引用格式：池煒成. 基于弱網感知的5G QoS保障服務實現方案[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 13-18.

0? ?引言

5G會使現有移動應用運行得更加流暢，亦會催生大量新型的移動應用，為用戶帶來全新的體驗，如VR（Virtual Reality，虛擬現實）/AR（Augmented Reality，增強現實）應用、超高清視頻應用、實時云游戲應用等。雖然5G網絡能力較4G有大幅的提升，但是，一方面移動應用特別是新型應用對移動網絡亦提出了更高的要求，另一方面5G網絡的部署和完善需要有一個過程，因此，在某些場景下，特別在人員大量聚集的用戶高密度分布場景下，仍然可能產生當前的5G網絡QoS（Quality of Service，服務質量）無法滿足用戶應用要求的情形。在這些情形下，用戶相對地處在弱網環境中，此時用戶將會產生5G QoS保障問題。因此，應對此問題的5G QoS保障服務實現方案值得進行研究。本文首先分析5G應用的網絡需求，然后分析用戶在弱網環境下的5G QoS保障問題，接著闡述5G弱網的定義及弱網感知的方法，最后提出基于弱網感知的5G QoS保障服務實現方案。

1? ?5G應用網絡需求

5G網絡將有力促進現有移動應用向前發展，同時激發產業新一輪創新升級，催生更多全新的移動應用，如VR/AR應用、4K/8K超高清視頻應用、工業互聯網應用、車聯網應用等。應用的演變和創新亦對5G網絡的連接質量提出了更高的的要求。根據ITU在IMT-2020中描述的愿景，5G網絡需要承載三大類應用場景，包括eMBB（enhanced Mobile Broadand，增強移動寬帶）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications）和mMTC（massive Machine Type Communications），其中eMBB主要針對人為中心的通信，mMTC主要針對以機器為中心的通信，URLLC則兩類通信都有涉及。不同5G應用的網絡需求是多樣化和差異化的，它們在帶寬、時延和連接數等方面的網絡需求側重點各有不同，有的側重高帶寬需求，比如大數據下載類應用、高清視頻類應用，有的側重低時延高可靠需求，如自動駕駛應用、工業自動化應用，而物聯網類應用側重大規模連接需求，如圖1所示：

為了落實5G網絡對不同應用網絡需求的支持，3GPP基于不同應用的網絡需求分析，制定了5G QoS標準，定義了資源類型、優先級水平、包時延預算、包錯誤率、默認最大數據突發量、默認平均窗口等QoS特性，指出了不同應用適合的網絡QoS待遇指標值，典型應用的QoS特性要求如表1所示。

在實際的5G運營層面，各運營商亦在仔細分析不同應用的5G網絡需求，以便制定適合的5G網絡產品。需求分析一般從垂直行業的應用方面入手，分析不同應用場景中的5G網絡需求，分析的行業包括警務、媒體、教育、交通、旅游、醫療、能源等，通過不同行業的需求分析，可以發現不同應用的網絡需求存在較大的差異，例如：警務無人機巡防應用的5G網絡需求可能是上行速率50 Mbit/s、下行速率10 Mbit/s、時延200 ms;遠程醫療會診應用的5G網絡需求可能是上行速率100 Mbit/s、下行速率100 Mbit/s、時延10 ms等。

為滿足5G應用的差異化QoS要求，現行主要應對策略包括：專屬網絡切片策略和差異化QoS控制策略。前者是為根據客戶QoS要求構建客戶專用的邏輯網絡（專屬網絡切片），包括無線網絡子切片、傳輸網絡子切片、核心網絡子切片三部分，專屬網絡切片構建成本比較高，一般針對較大型行業客戶。后者是指在5G公用網絡上基于PCC（Policy and Charging Control，策略與計費控制）架構對用戶進行差異化的QoS控制，不需要構建新的網絡切片，實現成本相對較低，本文的QoS保障方式屬于策略類別。

2? ?5G QoS保障問題

對于以人為中心的通信場景，在使用移動應用過程中，用戶面臨的移動網絡環境可能會不斷變化，用戶具體獲得的QoS待遇會受到位置、用戶密集程度、用戶移動性等因素的影響，特別在用戶大量聚集的地方，用戶的QoS待遇可能會下降。另一方面，5G網絡是否能滿足用戶的需求還跟用戶使用的具體應用有關，因為不同的應用對網絡的要求是不同的，當用戶面臨的網絡環境無法達到當前應用的網絡要求時，用戶就不能順暢地使用應用相關功能，從而產生QoS保障問題。典型的QoS保障場景包括突發性高帶寬保障需求場景、突發性低時延保障需求場景。前者可能發生在演唱會現場、體育賽事現場、熱門景點、大型活動現場等場景中，例如，在這些場景中，用戶可能想即時分享現場高清視頻等，但由于用戶密集，網絡帶寬不足，難以發送分享視頻，從而產生了特別的高帶寬保障需求。后者可能發生在使用關鍵實時業務中，例如網上搶票、在線實時對戰游戲等，這些應用對時延有較高的要求，而普通的網絡QoS待遇可能無法達到要求，從而產生了特別的低時延保障需求。

QoS保障需求通常由用戶使用網絡的具體場景觸發，具有一定的突發性或臨時性，即在某時某地產生，但時間過去或者用戶離開某地點，特別保障需求就可能會消失。另外，需要保障的QoS側重點可能也不同，有的需要高帶寬保障，包括下行速率保障、上行速率保障，有的需要低時延保障需求等，有的同時需要保障高帶寬和低時延。為了滿足應用的臨時性網絡需求，需要5G網絡提供一段時間的QoS保障服務，在保障期間QoS得到提高，保障期結束后，QoS恢復普通情況，5G QoS保障前后用戶的QoS變化如圖2所示：

其中，用戶在QoS保障前享有普通QoS（A）：上行速率30 Mbit/s，下行速率60 Mbit/s，單向時延100 ms，進入QoS保障期間（如3小時內），用戶的QoS待遇提升，享有保障QoS（B）：上行速率60 Mbit/s，下行速率200 Mbit/s，單向時延10 ms，QoS保障期結束后，用戶又恢復到原來普通的QoS待遇水平（C），與QoS待遇（A）相同。

3? ?5G弱網感知

弱網是指用戶所處的5G網絡環境不能滿足當前移動應用的網絡需求的情形。總體上，弱網跟兩個要素相關，第一是用戶使用的具體應用的網絡QoS需求，第二是用戶當前網絡環境的QoS，如果后者低于前者的要求，令用戶難以流暢地使用應用，就會觸發弱網事件的產生。弱網是一個相對概念，對每個應用而言，要順暢地使用應用的相關功能，網絡的帶寬、時延必須達到基本的要求，如果普適性的5G網絡待遇無法滿足用戶當前應用的網絡需求，那么用戶就相對處于弱網環境之中。

弱網感知是指運營商感知或實時獲取用戶處于弱網環境情況的過程。由于弱網事件的產生有一定的不確定性或臨時性，跟用戶使用的具體應用場景有關，故此，弱網感知需要運營商相關系統與移動應用系統之間的協作，通過移動應用客戶端與服務端進行弱網監測，實時發現弱網事件，并將弱網事件通知運營商相關系統，運營商相關系統獲取弱網信息后，就可以有針對性地提供特別的QoS保障服務。

具體地，在移動應用客戶端和服務端都設置一個弱網監測模塊，首先在客戶端模塊與服務端模塊之間進行模擬上行（upload）發包和下行（download）發包，然后由弱網監測服務端模塊進行網絡包的QoS數據分析，獲得上行速率、下行速率、網絡時延、抖動等QoS參數，接著弱網監測服務端模塊進行弱網狀態判斷，將當前的QoS數據與應用正常使用需求的QoS進行比較，若當前QoS不能滿足要求，則判定為弱網狀態，并生成弱網事件，最后將弱網事件報告通知運營商相關系統，報告中包含用戶當前的QoS參數、應用信息以及該應用正常使用的QoS要求信息，5G弱網感知方法如圖3所示。

總體而言，弱網感知與控制體系包括感知、傳輸、控制三部分。在感知部分，當用戶使用應用時，應用客戶端會首先發現網絡能力不足帶來的影響，如服務器連接時間過長、響應時間過長、視頻卡頓等，當出現這些情況時，應用客戶端發起弱網檢測，模擬向應用服務端上傳和下載少量數據、進行分組網間探測（PING）等，然后由應用服務端分析統計數據得出網絡QoS（上/下行速率、時延等），再將它與預先配置的應用基本QoS要求比較（如至少需要100 Mbit/s），若用戶當前QoS相對存在明顯差距（如只有30 Mbit/s），就將此情況判斷為弱網事件。接著，應用服務端將弱網事件信息報告到運營商相關系統，這屬于傳輸部分。最后，運營商采取相應控制措施，這屬于控制部分。

4? ?5G QoS保障方案

為了在5G用戶需要的時候及時提供相應的QoS保障服務，運營商可利用5G弱網感知的方法，獲取用戶弱網事件，然后基于弱網事件報告中QoS需求信息，提供相應的QoS保障服務?？紤]到5G QoS保障需求隨著應用不同而變化，而且具有臨時性，所以不適合讓用戶購買長期的、固定的QoS保障服務，而是讓用戶在需要的時候自主選擇相應的QoS保障服務，包括保障的QoS（如帶寬、時延等）、保障期限等。運營商需要提供切合用戶需求的業務推薦選項，讓用戶可以在一個合理的范圍內較容易地做出選擇。

基于弱網感知的5G QoS保障服務需要應用域、5G網絡域和BOSS（Business & Operation Support System，業務與運營支撐系統）域緊密協同工作。在應用域，主要涉及弱網監測模塊、業務推薦彈窗模塊、業務訂購代理模塊，相應功能需要移動應用客戶端與服務端配合完成;在BOSS域，主要涉及業務推薦服務模塊、業務受理服務模塊、業務開通服務模塊及業務計費服務模塊，相關服務通過能力開放平臺提供給應用域調用;在5G網絡域，主要涉及PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、SMF（Session Management Function，會話管理功能）等與PCC相關的網元，基于弱網感知的5G QoS保障服務的實現方案如圖4所示。

其中，弱網監測模塊主要負責上下行模擬發包、QoS數據分析、弱網狀態判斷及弱網事件報告;業務推薦彈窗模塊主要負責將運營商提供的業務推薦選項呈現給用戶;業務訂購代理模塊主要負責將用戶選定的業務訂購信息發送給運營商;業務推薦服務主要負責弱網事件接收、推薦業務匹配、推薦列表提供;業務受理服務、業務開通服務、業務計費服務分別負責5G QoS保障業務在運營商內部的受理、開通和計費;PCF主要負責PCC決策和PCC規則生成;SMF主要負責接受PCC規則并進行QoS控制執行。5G QoS保障服務流程主要包括以下環節：

（1）移動應用客戶端與移動應用服務端進行弱網監測，模擬客戶端與服務端基于5G網絡的上下行數據包的收發。

（2）移動應用服務端收集并分析模擬監測數據，確定5G網絡實際的QoS情況，包括上行速率、下行速率、網絡時延、抖動等信息。

（3）移動應用服務端進行弱網狀態的判斷，將實際的QoS與應用正常使用的QoS進行比較，若判斷為弱網狀態，則生成用戶的弱網事件，并向業務推薦服務模塊報告事件，事件報告中包括用戶當前QoS信息及應用目標QoS信息。

（4）業務推薦服務模塊接收弱網事件，然后進行實時業務推薦匹配，并生成能夠滿足用戶需求的QoS保障業務推薦列表。

（5）業務推薦列表通過移動應用呈現給用戶，用戶選擇自己需要的保障業務選項，包括保障的QoS、保障的期限等，然后向業務受理服務模塊提交業務訂購請求。

（6）業務受理服務模塊接收保障業務訂購請求后完成運營商訂單的生成，然后向業務開通服務模塊發送QoS保障開通請求，同時將訂單數據發往業務計費服務模塊完成相關計費處理。

（7）業務開通服務模塊將QoS保障的開通請求發給PCF，PCF進行PCC決策，并生成提升QoS的PCC規則，然后向SMF下發相關PCC規則，最后由SMF執行新PCC規則，從而完成用戶QoS待遇的調整，使用戶的QoS待遇達到預期的要求。

5G QoS保障服務流程的實現流程如圖5所示。

以移動視頻應用場景為例，某用戶在普通QoS待遇下觀看電影，可以正常觀看普通清晰度版本，但是當用戶點擊觀看4K高清版本時，影像出現卡頓，此時應用客戶端觸發弱網檢測流程，應用服務端分析得到用戶當前QoS數據后，將它與預先配置的4K高清版本QoS要求對比，若用戶QoS明顯不足，就產生并報告弱網事件，業務推薦模塊收到報告后，依據弱網事件信息及用戶數據，向用戶推薦滿足當前需要的高QoS保障產品（如2小時高速流量包等），用戶選擇訂購適合自己的保障產品后，運營商側通過保障業務開通流程完成QoS的提升操作，從而讓用戶順利觀看4K版本電影，觀看結束后（如2小時后），用戶QoS待遇恢復到普通QoS水平。

5? ?結束語

在5G弱網場景中，用戶享有的5G網絡QoS與移動應用要求的網絡QoS有一定差距，導致應用難以正常運行或內容難以流暢瀏覽，通過基于弱網感知的5G QoS保障服務可以及時捕抓并響應用戶的QoS保障需求，有針對性地地提供QoS保障，及時解決用戶網絡能力臨時性不足的問題，從而使用戶可以繼續順暢地使用應用，這不但有利于提高用戶的5G體驗水平，也有利于提高5G網絡資源效率。展望未來，有兩方面的內容值得進一步研究和思考，一方面是如何提高推薦業務匹配的精準性，提供更加合理的、與用戶匹配的推薦列表，使用戶可以快捷地選擇適合的5G QoS保障業務，另一方面是如何提高QoS保障服務的有效性和實時性，使訂購保障業務的用戶能夠及時提高相應的QoS待遇，滿足用戶突發性的網絡需求。

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