5G網(wǎng)絡(luò)差異化解決方案探討

陳婉珺，常 培，馬瑞濤（.中國聯(lián)通研究院，北京 0076；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

1 概述

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，以及各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，5G 網(wǎng)絡(luò)需要承載更多行業(yè)差異化的需求，通過策略控制為不同的用戶提供差異化的體驗已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)需求。而隨著策略控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種提供網(wǎng)絡(luò)差異化的實現(xiàn)方案，本文將著重分析各種網(wǎng)絡(luò)差異化方案的區(qū)別及特點(diǎn)，針對不同應(yīng)用場景給出使用建議。

2 5G網(wǎng)絡(luò)差異化需求分析

目前，大量行業(yè)客戶關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)差異化主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)安全以及網(wǎng)絡(luò)管理等方面。3GPP根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求，定義了5G三大應(yīng)用場景。表1 給出了標(biāo)準(zhǔn)定義的5G 三大應(yīng)用場景的舉例和具體指標(biāo)要求。

具體的網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、抖動等指標(biāo)要求，可以通過3GPP 的QoS 參數(shù)來體現(xiàn)。5G 網(wǎng)絡(luò)QoS 參數(shù)主要包括：

a）5QI：用于控制QoS 流轉(zhuǎn)發(fā)處理的一個標(biāo)量，5QI 具體規(guī)定了不同QoS 流的資源類型（GBR，延遲關(guān)鍵GBR 或非GBR）、優(yōu)先級、分組延遲預(yù)算、分組錯誤率、平均窗口、最大數(shù)據(jù)突發(fā)量（僅限延遲關(guān)鍵GBR 資源類型）。

b）ARP：QoS 參數(shù)ARP 包含有關(guān)優(yōu)先級，搶占能力和搶占漏洞的信息。優(yōu)先級定義資源請求的相對重要性。這允許在資源限制的情況下（通常用于GBR流量的準(zhǔn)入控制）決定是否可以接受新的QoS 流或者是否需要拒絕新的QoS 流。它還可以用于決定在資源限制期間要搶占哪個現(xiàn)有QoS 流。

表1 5G三大應(yīng)用場景舉例及指標(biāo)要求

c）RQA：反射QoS 屬性（RQA）是可選參數(shù)，其指示在該QoS 流上承載的某些業(yè)務(wù)（不一定全部）受到反射QoS 的影響。

d）流比特率：僅對于GBR QoS 流，5G QoS 配置文件還包括以下QoS 參數(shù)：保證流量比特率（GFBR）；最大流比特率（MFBR）。GFBR 表示由網(wǎng)絡(luò)保證在平均時間窗口上向QoS 流提供的比特率。MFBR 將比特率限制為QoS 流所期望的最高比特率。

e）匯總比特率，包括每會話聚合最大比特率（Session-AMBR）和每UE 聚合最大比特率（UE-AMBR）。Session-AMBR 限制了可以預(yù)期在特定PDU 會話的所有非GBR QoS流中提供的聚合比特率。UE-AMBR 限制了該UE 所有非GBR QoS 流中提供的聚合比特率。

f）默認(rèn)值：對于每個PDU 會話設(shè)置，SMF 都會從UDM 中檢索簽約用戶的Session-AMBR 值以及默認(rèn)的5QI 和ARP。

g）最大丟包率：最大分組丟失率（UL，DL）指示在上行鏈路和下行鏈路方向上可以容忍的QoS 流的丟失分組的最大速率。

3 5G差異化實現(xiàn)方案分析

3.1 基于PCC架構(gòu)的差異化QoS實現(xiàn)方案

3GPP最早在R7版本中定義了PCC架構(gòu)用來實現(xiàn)基于流的策略控制和計費(fèi)控制。隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)、策略控制技術(shù)不斷增強(qiáng)，PCF不僅可以為用戶提供QoS策略控制，還可以下發(fā)切片信息等其他參數(shù)、輔助完成網(wǎng)絡(luò)切片選擇等多種功能。本節(jié)重點(diǎn)分析基于PCC的差異化QoS實現(xiàn)方案。

如圖1 所示，PCC 架構(gòu)的核心控制網(wǎng)元是PCF，PCF負(fù)責(zé)各類策略的生成及下發(fā)，而AMF、SMF負(fù)責(zé)將用戶的簽約信息以及網(wǎng)絡(luò)、UE 的實時狀態(tài)上報給PCF，PCF 會綜合AMF、SMF 上報的信息及運(yùn)營商策略下發(fā)最終的策略。

圖1 5G PCC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

基于PCC架構(gòu)，可提供如下幾個級別的QoS控制。

a）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流級別/應(yīng)用級別的QoS 控制，允許PCC 架構(gòu)為SMF 提供為每個特定業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流（由IP 五元組標(biāo)識）/應(yīng)用（由7 層應(yīng)用ID 標(biāo)識）的QoS。PCF 可以基于QoS簽約信息以及本地配置的針對業(yè)務(wù)或者針對用戶的策略配置，派生出某一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流/七層應(yīng)用的授權(quán)QoS。

b）QoS 流級別的QoS 控制，一個QoS 流對應(yīng)一組5QI 和ARP 的值，PCF 還可以針對不同的QoS 流下發(fā)相應(yīng)的授權(quán)QoS，來實現(xiàn)QoS流級別的控制。

c）Session-AMBR的控制，PCF會向SMF下發(fā)每個會話的默認(rèn)值，包括針對PDU 會話授權(quán)的Session-AMBR和默認(rèn)的5QI/ARP。

d）UE-AMBR 的控制，AMF會將用戶在UDM中簽約的UE-AMBR 上報給PCF，PCF 會根據(jù)運(yùn)營商策略等其他信息，調(diào)整簽約的UE-AMBR，再將修改后的UE-AMBR 信息下發(fā)給AMF，進(jìn)而下發(fā)給（R）AN 實施UE-AMBR的控制。

3.2 基于切片的差異化實現(xiàn)方案

3GPP在5G時代，引入了網(wǎng)絡(luò)切片的概念，簡單來講，就是將5G 網(wǎng)絡(luò)切出多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，從而支持更多業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)勢在于其能讓運(yùn)營商自己選擇每個切片所需的特性，例如低延遲、高吞吐量、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率，也就是說每個切片都可以提供一張QoS完全不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)。同時還可以提供單獨(dú)的對于UE 的認(rèn)證授權(quán)和對于該切片網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營、管理。

5G 網(wǎng)絡(luò)通過S-NSSAI來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)切片，標(biāo)準(zhǔn)中定義的基本切片類型包括eMBB、uRLLC、MIoT、V2X 4類，但運(yùn)營商還可以根據(jù)需求定義更多的非標(biāo)切片類型來標(biāo)識不同的QoS要求、客戶需求的網(wǎng)絡(luò)。UE 在建立會話的過程中，選擇不同的S-NSSAI，就可以將不同的會話對應(yīng)到不同的網(wǎng)絡(luò)切片所定義的QoS中。注冊流程中，終端向網(wǎng)絡(luò)提供希望接入的網(wǎng)絡(luò)切片信息，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)簽約、配置等信息決定最終允許用戶接入的網(wǎng)絡(luò)切片。PDU 會話建立的時候，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端請求的網(wǎng)絡(luò)切片信息，選擇切片內(nèi)的網(wǎng)元為其服務(wù)。也就是說，不同的切片可以選擇不同的網(wǎng)絡(luò)路由、不同的虛擬網(wǎng)元，從而提供有特色的網(wǎng)元功能。比如5G網(wǎng)絡(luò)中的UPF，對于時延要求比較敏感的uRLLC 切片，可能會選擇位于邊緣的UPF 縮短時延。而MIoT 切片可能會選擇專門針對物聯(lián)網(wǎng)的UPF，提供一些附加的設(shè)備認(rèn)證等功能。

3.3 基于DNN的差異化實現(xiàn)方案

相同用戶，基于不同的DNN，同樣可以建立不同的會話，比如運(yùn)營商通常會為IMS 業(yè)務(wù)單獨(dú)設(shè)置一個DNN，來滿足IMS業(yè)務(wù)的差異化需求。不同的會話，意味著可以使用不同的默認(rèn)值（包括簽約的該會話的Session-AMBR 值以及默認(rèn)的5QI和ARP）。

同時，不同的DNN 也意味著可以選擇不同的UPF，這點(diǎn)與切片較為類似，通過不同的UPF，可以在一定程度上提供不同的功能及業(yè)務(wù)體驗。

3.4 方案對比分析

上面介紹的5G 網(wǎng)絡(luò)中3 種網(wǎng)絡(luò)差異化解決方案，因?qū)崿F(xiàn)原理不同，能提供的差異化能力也各有側(cè)重，表2從3種方案能提供的差異化QoS、差異化網(wǎng)元功能（主要指UPF）、網(wǎng)絡(luò)隔離可靠程度、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維難度等方面進(jìn)行對比，為后續(xù)方案選擇提供參考。

通過上述對比，可以看出：

a）基于PCC 的QoS 方案，主要為不同用戶或同一用戶的不同業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)，本質(zhì)上是定義優(yōu)先級搶占資源，無法提供確切的保障；即便GBR 業(yè)務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)極度擁塞的情況下，也是無法保障業(yè)務(wù)體驗的。

b）基于DNN 的解決方案主要是將會話分流到不同的SMF/UPF，核心網(wǎng)側(cè)獨(dú)有的概念，該方案無法做到QoS 的保障以及端到端隔離，只能提供有限的運(yùn)營和運(yùn)維能力。

表2 網(wǎng)絡(luò)差異化實現(xiàn)方案對比

c）切片方案可以為特定的業(yè)務(wù)、特定的用戶群體創(chuàng)建一個端到端的專用網(wǎng)絡(luò)，保障用戶體驗、做到完全隔離，此外還可疊加QoS和DNN能力。

4 5G網(wǎng)絡(luò)差異化方案應(yīng)用建議

綜上所述，針對5G網(wǎng)絡(luò)差異化解決方案給出應(yīng)用建議如下。

a）對于2C 網(wǎng)絡(luò)，考慮到個體用戶差異化需求，建議使用PCC針對單個用戶進(jìn)行靈活的QoS調(diào)度。

b）對于2B 用戶，可以根據(jù)其對于安全隔離性的需求，考慮采用不同的切片方式，提供更好的安全性和穩(wěn)定性。由PCF 先為其選擇網(wǎng)絡(luò)切片，再根據(jù)具體需求，考慮疊加PCC 的QoS 策略或者靜態(tài)配置部分簡易策略滿足其內(nèi)部個體用戶的差異化需求。

c）部分行業(yè)應(yīng)用，僅有簡單的路由需求或者用戶面隔離需求，可以采用DNN方案。