垂直行業5G QoS解決方案研究*

陳 林，劉重軍，楊 波

（京信網絡系統股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

高可靠與低時延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）是第三代合作伙伴計劃（Third Generation Partnership Project，3GPP）標準定義的三大應用場景之一[1]。3GPP協議經過R15和R16版本的討論，目前已具備部署及應用的條件。URLLC主要應用于垂直行業的增強現實（Augmented Reality，AR）和虛擬現實（Virtual Reality，VR）、工廠自動化、傳輸工業、遠程駕駛和電力分配等行業[2]。由于應用場景的不同，垂直行業的業務特性千差萬別，有的業務需要滿足高可靠性（99.999 9%），有的業務需要滿足低時延（1 ms空口延遲），使用標準5G服務質量標識符（5G QoS Identifier，5QI）（5QI取值1～86）的解決方案已不能滿足垂直行業準確識別業務的需求[2]。本文通過分析3GPP標準的進展，提供一種滿足垂直行業需求特性的QoS端到端解決方案。

1 QoS擴展5QI方案設計

1.1 垂直行業標準5QI進展

3GPP標準針對垂直行業的典型應用：工廠自動化-移動機器人、工廠自動化-運動控制、智能交通、電力配電和車用無線通信技術（Vehicleto-Everything，V2X）等場景[3]，新增標準5QI值82～86[4]。這些業務的資源類型統一定義為時延敏感（Delay Critical）保證比特率（G uaranteed Bit Rate，GBR）。標準5QI定義了缺省優先級等級、包延遲預算、包誤碼率、缺省最大數據大小和缺省平均時間窗大小等指標。目前標準TS 23.501中僅支持5種標準5QI時延敏感GBR業務，而工業應用場景具有大量的業務特性，如幀大小、包延遲、優先級等，但標準5QIs（5QI取值1～6）不能滿足全部需求[5-7]。基于以上的原因，需要引入擴展5QIs來適應不同的時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking，TSN）業務特性。

1.2 擴展5QI方案設計

1.2.1 智能礦井場景

智能礦井場景主要包括以下業務[8]：攝像頭業務、采煤機慣導業務、掘進機控制業務和機器人巡檢業務等。5G具有大帶寬、低時延和高可靠性的特點。大帶寬的特征能夠解決礦井下大量視頻數據的快速傳輸。低時延和高可靠性的特征能夠滿足礦井設備的遠程控制。5G技術應用于煤礦井下，可以準確獲取井下各種工作數據和環境視頻。圖1中為攝像頭1和攝像頭2采集環境視頻數據，控制器向地面發送一些遠程控制命令。攝像頭1、攝像頭2和控制器連接到工業無線客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）的不同端口，終端CPE通過射頻拉遠單元（Radio Remote Unit，RRU）和基站之間進行無線通信。終端CPE使用一個IP地址進行通信。

礦井場景典型應用5G網絡需求如表1所示。

表1 智能礦井5G網絡需求

1.2.2 擴展5QI方案

首先分析擴展5QI在終端、核心網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個步驟，本文主要分析和擴展5QI處理相關的幾個步驟。

步驟1：用戶設備（User Equipment，UE）發給核心網訪問和移動管理功能（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用于觸發不同的業務。該消息用于發起PDU會話建立請求。

步驟2：AMF模塊收到終端發送的協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話建立請求消息，選擇會話管理的會話管理功能（Session Management Function，SMF）。

步驟3：AMF模塊向SMF模塊發送會話管理上下文創建請求。

步驟4：SMF模塊和統一數據管理（U nified Data Management，UDM）模塊進行信令交互，獲得終端的簽約信息，包括切片、數據網絡名稱（Data Network Name，DNN）、QoS檔案和會話和服務連續性（Session and Service Continuity，SSC）模式等信息；其中，QoS檔案信息包括5QI的取值、分配和保留優先級（Allocation and Retention Priority，ARP）、會話聚合速率等。

步驟5：在UDM完成PDU會話的連接管理注冊和取回會話管理簽約信息之后，SMF向AMF回送創建上下文的響應消息。

步驟6：PDU會話認證和授權過程。

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，用于通知基站當前業務的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透傳給UE，其中攜帶業務的5QI值；NAS消息包含在高層的RRC Reconfiguration消息中。

步驟14：基站對PDU會話進行資源分配，向AMF模塊回建立響應。

通過以上由UE觸發的PDU會話建立過程，UE、核心網和基站之間就建立了標識具體業務的擴展5QI值的傳遞。擴展5QI值的使用示例如表2所示，其中，擴展5QI的取值范圍為100～255。

表2 擴展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+IP地址的業務映射到對應的IP流，如：端口號1+IP地址映射到IP Flow1，端口號2+IP地址映射到IP Flow2。

UE根據核心網NAS消息配置的QoS規則把IP flows映射到QoS流標識符（QoS Flow Identifier，QFIs），UE的服務發現應用規范（Service Discovery Application Profile，SDAP）模塊再根據gNB RRC消息配置的規則把QFI映射到對應的數據無線承載（Data Radio Bearer，DRB），多個QFI可以映射到一個DRB。5G基站（Generation NodeB，gNB）的SDAP模塊把QFI解出發給核心網的用戶面功能（User Plane Function，UPF）模塊，核心網的UPF模塊還原出IP flows。

1.2.4 控制信息調度

基站側根據核心網帶過來擴展5QI字段判決是下行遠程控制業務還是上行AI機器視覺。對下行遠程控制業務，基站側作為半靜態調度（Semi-persistent Scheduling，SP S） 業 務 進 行 調度；通過無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）參數對UE SPS-config中的mcs-Table字段配置為“qam64LowSE”，觸發物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）的物理下行控制信道（P hysical Downlink Control Channel，PDCCH）由配置調度無線網絡臨時標識符（Configured Scheduling Radio Network Temporary Identity，CS-RNTI）加擾；調度器分配空口資源時使用NR 38.214協議為URLLC業務設計的低碼率調制編碼方案（M odulation and Coding Scheme，MCS）表Table 5.1.3.1-3。對擴展5QI為102的上行AI機器視覺業務，在沒有使用傳輸預編碼且UE沒有配置MCS-C-RNTI，RRC層pusch-Config中的mcs-Table設置為“qam64LowSE”，調度PUSCH的PDCCH由C-RNTI或者SP-CSI-RNTI加擾，則調度PUSCH分配空口資源時使用38.214中定義的低碼率MCS表Table 5.1.3.1-3。如果PUSCH使用傳輸預編碼，則使用NR協議38.214中定義的MCS表Table 6.1.4.1-2[12]。

2 URLLC QoS監測和冗余設計

2.1 URLLC QoS監測

URLLC業務對傳輸時延要求較高，在R16協議中為了URLLC業務的時延進行監控，針對URLLC業務引入了QoS監測功能。QoS監測用于包延遲的測量，UE和錨點UPF之間的延遲由空口延遲和下一代無線接入網（Next Generation Radio Access Network，NG-RAN）和錨點UPF的包延遲組成。其中NG-RAN負責提供空口延遲的QoS監測。QoS監測可以基于不同等級的粒度，如UE級每個QoS流的粒度和用戶面通用分組無線業務隧道協議（General Packet Radio Service Tunnelling Protocol for User Plane，GTP-U）路徑級的粒度。下面以UE級每個QoS流的粒度進行描述[4]。

SMF在PDU會話建立或會話修改流程中激活UE和錨點UPF之間針對QoS流的端到端上行/下行數據包時延測量。SMF分別通過N2、N4接口向NG-RAN和錨點UPF發送QoS監測請求，QoS監測請求可以包含SMF根據從策略控制功能（Policy Control Function，PCF）接收的授權的QoS監測策略和本地配置確定的監測參數。NG-RAN根據SMF發送的QoS監測請求，發起Uu接口上行/下行包時延測量。

當NG-RAN和錨點UPF之間時間同步時，可以支持NG-RAN和錨點UPF之間的單向數據包時延測量。當NG-RAN和錨點UPF之間時間不同步時，則假定NG-RAN和錨點UPF之間的上行數據包時延和下行數據包時延相同。

計算時延的流程[13]如下：

（1）當錨點UPF要發送下行監測報文時，會在GTP-U頭中封裝QFI、隧道端點標識（Tunnel End Point Identifier，TEID）、QoS監測報文（QoS Monitoring Packet，QMP）指示以及下行監測報文發送的本地時間T1；

（2）NG-RAN記錄接收到的數據報文的GTP-U頭中的T1和接收到下行監測報文時的本地時間T2，并發起Uu接口上下行數據包時延測量；

（3）當NG-RAN收到UE發送的上行數據包或者NG-RAN發送偽裝的上行數據包作為監測響應時，NG-RAN將QMP指示、Uu接口上行/下行數據包時延結果、T1、T2以及NG-RAN發送該監測響應報文的本地時間T3封裝在GTP-U頭中發送給錨點UPF；

（4）NG-RAN發送偽裝的上行數據包的時機取決于NG-RAN的實現；

（5）錨點UPF記錄接收監測響應報文時的本地時間T4，并根據接收到的監測響應報文的GTP-U頭中攜帶的時間信息，計算NG-RAN與錨點UPF之間的往返時延（時間不同步）和上行/下行數據包時延（時間同步）；

（6）錨點UPF根據(T2-T1+T4-T3)/2計算基站-UPF時延；

（7）錨點UPF根據接收到的UE-基站時延結果，以及剛才計算的基站-UPF時延，計算UE與錨點UPF之間的上/下行數據包時延；

（8）錨點UPF可以根據SMF上報門限等條件向SMF上報QoS監測結果。如果N3/N9接口冗余傳輸被激活，UPF和NG-RAN將同時對兩條用戶面路徑進行QoS監測，UPF會將兩條用戶面路徑的數據包時延分別上報給SMF。

QoS監測過程信令流程圖參考協議23.725第6.8.2節。

2.2 核心網冗余設計

為了支持URLLC業務的高可靠性，核心網需要支持PDU會話的冗余傳輸功能。圖4是UE建立雙連接的端到端用戶面路徑冗余傳輸的示例[4]。

如圖4所示，UE建立的冗余PDU會話對應的用戶面連接互相獨立。一個PDU會話的用戶面對應UE、主 NG-RAN、UPF1，UPF1作為錨點 UPF；另一個PDU會話的用戶面對應UE、輔NG-RAN、UPF2，UPF2作為錨點UPF。NG-RAN可以通過兩個NG-RAN節點（主NG-RAN和輔NG-RAN）或者單一NG-RAN節點實現兩個PDU會話的冗余用戶面資源。

UE建立具有獨立的用戶面路徑的兩個PDU會話。這兩個PDU會話可以是基于IP的PDU會話或基于Ethernet的PDU會話。盡管經過UPF1和UPF2的數據可能會經過不同的用戶面節點路徑，UPF1和UPF2需要連接到相同的數據網絡。UE使用用戶路由選擇策略（UE Route Selection Policy，URSP）或本地配置實現兩個冗余的PDU會話，并且將來自相同應用的復制數據流關聯到這兩個PDU會話。

3 基于TSN的QoS設計

3.1 TSN網絡架構

5G系統支持傳輸時延敏感業務且允許5G系統作為一個橋透明地集成到一個IEEE TSN網絡中。時間敏感系統的相關技術在IEEE802.1AS中描述。時間同步的基本原理是：TSN GM對從時鐘（Slave Clocks）發送它的時間信息（using SYNC messages），沿途的每一個網絡元素接收同步消息且對同步消息增加一個修正（同步消息的延遲，即停留時間）。5GS作為單個時間敏感系統，其停留時間通過外部接口間進行計算。5GS以用戶面數據的方式透明地傳遞外部的點對點（Point to Point，P2P）消息。假定5GS系統內的結點都是同步的，則就可以知道PTP消息在5G系統內的停留時間且把停留時間“correctionField”加到PTP消息的頭部[4]。

接入網對TSN網絡的支持主要包括NR TSN增強相關的準確參考時間傳送、QoS/調度增強和以太網頭壓縮等技術。

3.2 QoS方案設計

TSN工業場景業務和傳統的無線業務有所區別。當使用TSC業務模式時滿足無線Ethernet QoS的增強和支持TSC消息周期為NR支持的配置授權或半靜態調度（Configured Grant/Semi-persistent Scheduling，CG/SPS）周期非整數倍的場景。TS N場景，支持多SPS和多CG配置。

3.2.1 TSN QoS flow業務模型

IEEE 802.1Qbv是最通用的TSN網絡調度機理，如圖5所示[14]。

從圖5可看出輸出的業務是在時間上是調度循環的，循環時間由GCL的執行周期決定。

3.2.2 TSN業務輔助標識

對TSN業務，控制信息是一種非常重要的業務。對下行控制信令用SPS業務表示，對上行控制信令用CG業務表示。在標準5QI表中，對傳輸時延敏感的業務只引入了4種標準5QI，對一些不同周期的控制信息，就無法用標準5QI表的某一個值來表示特定周期的業務。協議23.501中引入了TSC輔助信息來表示某種具體的業務，TSC輔助信息（Time Sensitive Communication Assistance Information，TSCAI）見表 3。

表3 TSC輔助信息

如URLLC場景5G+自動引導車（A utomated Guided Vehicle，AGV），傳輸間隔10～100 ms、消息大小15～250 kB的高可靠性業務，可以用標準5QI值為82、TSCAI（流方向為上行，周期為10 ms，突發到達時間為0 ms）來表示。

4 結 語

本文對垂直行業的QoS在5G中如何實現進行系統地研究，提出了基于擴展5QI的具體解決方案。并對URLLC業務的QoS監測功能和核心網的冗余設計進行了初步分析。5G QoS解決方案取得的進展必將大力推動5G URLLC技術在未來垂直行業領域的落地實施。