5G NSA網(wǎng)絡(luò)端到端差異化QoS策略研究

李 一，劉光海，李 菲，龍青良（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 前言

目前流量經(jīng)營(yíng)已出現(xiàn)增量不增收瓶頸，同時(shí)由于不限流量用戶發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容壓力激增，運(yùn)營(yíng)商需要從流量經(jīng)營(yíng)向“流量+內(nèi)容”經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)聚焦戰(zhàn)略的再延伸。此外，現(xiàn)有用戶對(duì)流量、價(jià)格、服務(wù)品質(zhì)的需求有較大差異，僅以業(yè)務(wù)量的多少對(duì)全部客戶進(jìn)行簡(jiǎn)單化、單維度、普惠型的服務(wù)保障，已經(jīng)不能滿足發(fā)展和管理需要，必須從“質(zhì)”的維度增加服務(wù)保障策略。通過將不同的業(yè)務(wù)、用戶映射到不同的QCI 類型承載，并對(duì)不同的QCI 類型承載配置不同的QoS 參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)和用戶的網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)。

1 整體介紹

基于降低部署成本、盡快部署5G 的目的，在5G 建網(wǎng)初期先演進(jìn)無(wú)線接入網(wǎng)，而保持4G 系統(tǒng)核心網(wǎng)不動(dòng)，4G eNodeB 和5G gNodeB 用戶面可以直接連接到EPC，控制面則僅經(jīng)由4G eNodeB 連接到EPC。中國(guó)聯(lián)通5G NSA 網(wǎng)絡(luò)采用Opotion 3x 方式，數(shù)據(jù)在gNodeB PDCP 層進(jìn)行分流后，通過eNodeB 和gNodeB 同時(shí)傳送給用戶。網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 NSA網(wǎng)絡(luò)無(wú)線承載

圖1 NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

端到端QoS具體的流程為：PCRF 根據(jù)業(yè)務(wù)類型動(dòng)態(tài)生成QoS 策略，并將該策略下發(fā)給P-GW；P-GW 按照TFT 模板識(shí)別服務(wù)數(shù)據(jù)流（SDF），將同QCI 的多個(gè)SDF 服務(wù)數(shù)據(jù)流聚集映射到一個(gè)EPS 承載上，傳給SGW；S-GW 進(jìn)行包路由和轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳送給gNodeB，再由gNodeB 根據(jù)實(shí)際情況決定是否分流給eNodeB。

5G NSA 網(wǎng)絡(luò)包含3 種類型的無(wú)線承載，MCG Bearer、SCG Bearer 和SCG Split Bearer。MCG Bearer 表示該無(wú)線承載的RLC 實(shí)體只在MCG，即數(shù)據(jù)流只經(jīng)由eNodeB 傳輸；SCG Bearer 表示該無(wú)線承載的RLC 實(shí)體只在SCG，即數(shù)據(jù)流只經(jīng)由gNodeB 傳輸；SCG Split Bearer 表示該無(wú)線承載的PDCP 實(shí)體在SCG，但是RLC實(shí)體既存在于SCG，又存在于MCG，即數(shù)據(jù)流經(jīng)由gNodeB和eNodeB傳輸。

gNodeB、eNodeB 收到S-GW 傳送的數(shù)據(jù)后，根據(jù)當(dāng)前的空口和傳輸資源狀況，按照相應(yīng)的QoS 參數(shù)建立無(wú)線承載并調(diào)度UE 承載的數(shù)據(jù)，通過差異化的資源管理和分配策略保證UE承載的QoS水平。

1.2 QoS參數(shù)

QoS 參數(shù)主要包含QCI、ARP、UE-AMBR、APNAMBR、GBR、MBR 等6 個(gè)參數(shù)。其中，QCI 和ARP 是Non-GBR 承載和GBR 承載共有的參數(shù)，UE-AMBR 和APN-AMBR 是Non-GBR承載特有的參數(shù)，GBR 和MBR是GBR承載特有的參數(shù)。

其中，Non-GBR 承載為用于承載無(wú)穩(wěn)定帶寬資源要求的業(yè)務(wù)，承載的資源按需分配。GBR 承載為存活期間網(wǎng)絡(luò)為之分配并保持專用資源，用于承載需要帶寬保證的業(yè)務(wù)，GBR 業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)通常高于Non-GBR業(yè)務(wù)。

1.2.1 QCI

QCI（QoS Class Identifier）控制承載級(jí)數(shù)據(jù)包forwarding treatment 的參數(shù)，由運(yùn)營(yíng)商提前設(shè)置。QCI 包含4 個(gè)性能參數(shù)：Resource Type（GBR or Non-GBR）、Priority、Packet Delay Budget、Packet Error Loss Rate。3GPP 定義的QCI 屬性如表1 所示（綜合廠商支持度和現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際暫不羅列擴(kuò)展QCI）。

表1 3GPP協(xié)議不同QCI類型對(duì)應(yīng)的性能要求

1.2.2 ARP

ARP 包含3 個(gè)參數(shù)：優(yōu)先級(jí)（the priority level）、搶占能力（the pre-emption capability）和被搶占能力（the pre-emption vulnerability）。

優(yōu)先級(jí)定義了資源請(qǐng)求的相對(duì)重要性，該參數(shù)決定了接受承載建立/修改請(qǐng)求，或者在資源受限的情況下拒絕承載建立/修改請(qǐng)求（主要應(yīng)用于GBR業(yè)務(wù)流的接入控制）。該參數(shù)也可以決定在資源受限的情況下?lián)屨寄膫€(gè)現(xiàn)有承載。優(yōu)先級(jí)的取值為1 到15，當(dāng)取值為1 時(shí)，優(yōu)先級(jí)最高。搶占能力決定一個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流是否可以得到較低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的資源。被搶占能力決定一個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流是否可以放棄現(xiàn)有資源以便其他高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流接入。

一旦ARP 成功建立，一般情況下承載的ARP 值對(duì)承載級(jí)數(shù)據(jù)包的傳輸不再有任何影響。數(shù)據(jù)包的傳輸將會(huì)由EPS承載的其他QoS參數(shù)決定。

1.2.3 UE-AMBR/APN-AMBR

APN-AMBR 是HSS 中存儲(chǔ)的每個(gè)APN 的簽約數(shù)據(jù)。APN-AMBR 限制了UE 到APN 的所有PDN Connection 的所有Non-GBR 承載的聚合比特速率。PGW 在下行執(zhí)行APN-AMBR。UE 在上行執(zhí)行APNAMBR。

UE-AMBR 是HSS 中存儲(chǔ)的簽約數(shù)據(jù)。UE-AMBR 限制了UE 所有Non-GBR 承載的聚合比特速率。MME 應(yīng)將UE-AMBR 的值設(shè)置為所有激活A(yù)PN 的APN-AMBR 的總和。E-UTRAN 在上/下行執(zhí)行UEAMBR。

1.2.4 GBR/MBR

GBR 指示了一個(gè)GBR 承載期望提供的比特速率。MBR 限制了一個(gè)GBR 承載期望提供的比特速率。一般情況下，MBR≥GBR。

2 業(yè)務(wù)差異化QoS

業(yè)務(wù)差異化QoS 研究，旨在面向游戲、直播、金融等典型應(yīng)用，推出基于時(shí)延、丟包、保障帶寬等差異化業(yè)務(wù)感知和業(yè)務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。

2.1 總體策略

2.1.1 核心網(wǎng)策略

網(wǎng)絡(luò)基于業(yè)務(wù)需求建立專載，專載的建立和釋放基于與APP服務(wù)器交互。網(wǎng)絡(luò)整體業(yè)務(wù)差異化QoS策略如表2所示。

表2 業(yè)務(wù)差異化QoS策略

2.1.2 無(wú)線網(wǎng)策略

a）無(wú)線承載策略。根據(jù)核心網(wǎng)下發(fā)的QoS 策略，gNodeB 建立相對(duì)應(yīng)的無(wú)線承載，無(wú)線網(wǎng)建立QCI1-9的無(wú)載策略建議如表3 所示。QCI1/QCI2/QCI5 涉及VoLTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)，只承載在4G網(wǎng)絡(luò)，即MCG Bearer，其他業(yè)務(wù)均建議承載在SCG Split Bearer。

b）無(wú)線分流策略。對(duì)于下行業(yè)務(wù)，需采用分流策略，即當(dāng)gNodeB 速率不足以滿足業(yè)務(wù)需求時(shí)開啟分流，gNodeB 和eNodeB 共同保證業(yè)務(wù)速率。對(duì)于上行業(yè)務(wù)，需支持基于gNodeB 信號(hào)質(zhì)量的主路徑轉(zhuǎn)換功能，即當(dāng)gNodeB 信號(hào)質(zhì)量不好時(shí)使用MCG Bearer 承載上行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以保證邊緣用戶的上行業(yè)務(wù)質(zhì)量。

表3 QCI1-9無(wú)線承載映射

2.2 QoS參數(shù)配置

業(yè)務(wù)差異化服務(wù)的落地，需全網(wǎng)開展端到端QoS策略和參數(shù)的合理化、一致性。

2.2.1 核心網(wǎng)QoS參數(shù)

核心網(wǎng)基于業(yè)務(wù)需求將業(yè)務(wù)映射到某一QCI 等級(jí)，并根據(jù)業(yè)務(wù)特性制定與這一QCI 配套的QoS 差異化服務(wù)參數(shù)。核心網(wǎng)負(fù)責(zé)QoS 策略制定，因此其對(duì)應(yīng)的參數(shù)主要包括QCI、GBR/MBR、UE-AMBR/APNAMBR。表4為NSA網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置建議。

2.2.2 無(wú)線網(wǎng)QoS參數(shù)

本節(jié)主要介紹5G 側(cè)的無(wú)線網(wǎng)QoS 參數(shù)，無(wú)線網(wǎng)根據(jù)核心網(wǎng)下發(fā)的QoS參數(shù)，執(zhí)行具體資源調(diào)度和分配，具體涉及PDCP、RLC、MAC 等各層的相關(guān)映射參數(shù)。不同QCI涉及的關(guān)鍵參數(shù)如下：

PDCP 丟棄定時(shí)器：PDCP SDU 的丟棄定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)。PDCP 從高層接收到一個(gè)PDU，就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，若超時(shí)后而沒有收到底層（RLC）的指示，就會(huì)丟棄此SDU。該參數(shù)配置過大，則傳送時(shí)延較大，若配置過小，則容易發(fā)生丟棄，影響吞吐量。根據(jù)3GPP 定義的QCI 屬性Packet Delay Budget，考慮不同QCI 等級(jí)的PDCP丟棄定時(shí)器設(shè)置。

RLC 模式：線鏈路控制協(xié)議RLC 層位于MAC 層之上PDCP 層之下。RLC 實(shí)體由RRC 配置并且根據(jù)業(yè)務(wù)類型有3 種模式：透明模式（TM）、非確認(rèn)模式（UM）、確認(rèn)模式（AM）。3種工作模式的比較如表5所示。

對(duì)比工作模式的區(qū)別，不難發(fā)現(xiàn)，RLC UM 模式適合實(shí)時(shí)性要求高，但數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求并不高的業(yè)務(wù)，比如VoLTE 業(yè)務(wù)、互動(dòng)手游等；而RLC AM 模式對(duì)準(zhǔn)確性的要求非常高，為了保證數(shù)據(jù)的正確接收將會(huì)犧牲一些實(shí)時(shí)性，適用于普通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。

表4 NSA網(wǎng)絡(luò)下核心網(wǎng)參數(shù)配置建議

表5 RLC模式對(duì)比

TTI bundling：對(duì)上行的連續(xù)TTI進(jìn)行綁定，分配給同一UE 的一種方式。這些上行的TTI中，發(fā)送的是相同內(nèi)容的不同RV 版本。這樣可以提高數(shù)據(jù)解碼成功的概率，提高LTE的上行覆蓋范圍，代價(jià)是增加了一些時(shí)間延遲。TTI bundling 可用于VoLTE 上行補(bǔ)充語(yǔ)音覆蓋。

DRX：不連續(xù)接收（Discontinuous Reception）。由于UE 不是一直都有數(shù)據(jù)包需要收發(fā)，故協(xié)議規(guī)定了此項(xiàng)功能，只在一個(gè)周期的active 時(shí)間內(nèi)正常收發(fā)數(shù)據(jù)，而隨后進(jìn)入sleep 態(tài)則不再監(jiān)聽PDCCH，從而達(dá)到省電的目的。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)，建議關(guān)閉DRX開關(guān)。

綜上所述，不同QCI 無(wú)線網(wǎng)QoS 關(guān)鍵參數(shù)的配置建議如表6所示。

表6 NSA網(wǎng)絡(luò)下不同QCI無(wú)線網(wǎng)QoS關(guān)鍵參數(shù)配置建議

2.2.3 傳輸QoS參數(shù)

傳輸網(wǎng)的QoS 保障，需要通過IP 層的DSCP 實(shí)現(xiàn)，因此需要在傳輸網(wǎng)兩端做QCI-DSCP 映射。表7 示出的是NSA網(wǎng)絡(luò)下傳輸網(wǎng)QoS參數(shù)配置建議。

3 用戶差異化QoS

由于不限量用戶發(fā)展迅速，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容壓力激增，對(duì)部分用戶已經(jīng)低于成本線，網(wǎng)絡(luò)的高利用率直接影響NPS。另外，現(xiàn)有用戶對(duì)流量、價(jià)格、服務(wù)品質(zhì)的需求有較大差異，僅以業(yè)務(wù)量的多少對(duì)全部客戶進(jìn)行簡(jiǎn)單化、單維度、普惠型的服務(wù)保障，已經(jīng)不能滿足發(fā)展和管理需要，必須從“質(zhì)”的維度增加服務(wù)保障策略。

表7 NSA網(wǎng)絡(luò)下傳輸網(wǎng)QoS參數(shù)配置建議

用戶差異化研究，旨在實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)用戶的感知優(yōu)先保障，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)資源向高價(jià)值用戶聚焦的效果。

3.1 總體策略

高端用戶是重要的基石用戶，也是主要的利潤(rùn)之源，需要高度重視其用戶體驗(yàn)，建議進(jìn)行如下高品質(zhì)保障。

a）網(wǎng)絡(luò)仍需要持續(xù)面向整體用戶保障，做好持續(xù)擴(kuò)容和覆蓋優(yōu)化。

b）建立市場(chǎng)+網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)的用戶分等級(jí)、差異化服務(wù)與保障體系。

c）在無(wú)線接入階段，進(jìn)行差異化接入控制，允許高等級(jí)用戶優(yōu)先接入，甚至搶占；并為之建立更高等級(jí)的默認(rèn)承載；在業(yè)務(wù)建立持續(xù)階段，優(yōu)先分配資源，保障最低速率等。

d）對(duì)低價(jià)值極致用戶，采取必要的限速措施。

網(wǎng)絡(luò)整體用戶差異化QoS策略如表8所示。

表8 NSA網(wǎng)絡(luò)下用戶差異化QoS策略

3.2 核心網(wǎng)策略

承載建立規(guī)則根據(jù)下發(fā)的QoS參數(shù)進(jìn)行映射。

對(duì)于默認(rèn)承載，基于用戶ARP 等級(jí)建立，具體優(yōu)先級(jí)為：VVIP用戶＞VIP用戶＞普通用戶＞限速用戶。

對(duì)于專用承載，基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行專載的建立、改變和釋放。VVIP 用戶的專載使用自定義QCI，接入網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)建立。

3.3 無(wú)線網(wǎng)策略

無(wú)線網(wǎng)策略包括準(zhǔn)入控制規(guī)則和調(diào)度策略。

3.3.1 準(zhǔn)入控制規(guī)則

準(zhǔn)入控制規(guī)則可以根據(jù)用戶等級(jí)區(qū)分用戶承載的接入順序。高等級(jí)用戶享受承載優(yōu)先接入、優(yōu)先分配資源。

準(zhǔn)入控制規(guī)則主要包括：基本準(zhǔn)入控制、基于用戶ARP等級(jí)的準(zhǔn)入控制和基于GBR的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)入控制。

a）基本準(zhǔn)入控制。License數(shù)量限制，優(yōu)先本地網(wǎng)共享，不能本地網(wǎng)共享時(shí)，基站內(nèi)共享；License 不受限時(shí)，所有用戶均可接入。

b）基于用戶ARP 等級(jí)的準(zhǔn)入控制。License 數(shù)量達(dá)上限時(shí)，基于ARP 優(yōu)先級(jí)配置的搶占、被搶占開關(guān)設(shè)置，高ARP 等級(jí)用戶具備搶占能力，從最低等級(jí)ARP用戶起釋放所需連接資源。

c）基于GBR 的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)入控制。GBR 接入上限占比靜態(tài)配置，如總無(wú)線資源的50%等，可以基于小區(qū)忙閑等級(jí)設(shè)置不同基準(zhǔn)數(shù)值（見圖2（a））；進(jìn)一步，占比基于小區(qū)負(fù)荷情況自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整（如基于小區(qū)PRB利用率或時(shí)段，設(shè)置多個(gè)上限階梯）（見圖2（b））。

圖2 GBR動(dòng)態(tài)策略

3.3.2 調(diào)度策略

調(diào)度策略旨在根據(jù)用戶等級(jí)區(qū)分用戶的調(diào)度優(yōu)先級(jí)和調(diào)度資源。高等級(jí)用戶優(yōu)先進(jìn)行資源調(diào)度?，F(xiàn)網(wǎng)需調(diào)度的業(yè)務(wù)類型主要包括SPS 調(diào)度、GBR 業(yè)務(wù)調(diào)度和Non-GBR 業(yè)務(wù)調(diào)度。幾種業(yè)務(wù)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)和資源分配原則如下：

a）SPS調(diào)度。如果有SPS調(diào)度，SPS調(diào)度優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先為SPS調(diào)度分配資源。

b）Non-GBR 承載的PBR 調(diào)度。完成SPS 調(diào)度若仍有剩余資源，分配給默認(rèn)信道邏輯信道優(yōu)先速率（PBR，現(xiàn)網(wǎng)一般配置為8 kbit/s）。所謂PBR，是為避免高優(yōu)先級(jí)的邏輯信道始終占有資源，而低優(yōu)先級(jí)的邏輯信道無(wú)法發(fā)送數(shù)據(jù)而引入的概念。即在給邏輯信道分配資源之前，配置好各個(gè)邏輯信道的數(shù)據(jù)速率，從而為每個(gè)邏輯信道提供最小數(shù)據(jù)速率保證，避免低優(yōu)先級(jí)的邏輯信道無(wú)法分配資源。

c）GBR 調(diào)度。完成PBR 調(diào)度之后若仍有剩余資源，進(jìn)行GBR業(yè)務(wù)調(diào)度。此時(shí)，若GBR業(yè)務(wù)資源不足，可以分3步走。

第1 步：在GBR 資源占比達(dá)限之前，可以搶占Non-GBR資源。

第2步：當(dāng)GBR資源占比達(dá)限時(shí)，查看動(dòng)態(tài)上限規(guī)則。

第3 步：最大GBR 占比達(dá)限時(shí)，基于ARP 搶占低等級(jí)用戶GBR資源。

d）Non-GBR 調(diào)度。完成GBR 業(yè)務(wù)調(diào)度若剩余資源，進(jìn)行Non-GBR 業(yè)務(wù)調(diào)度。此時(shí)，Non-GBR 業(yè)務(wù)的調(diào)度，可以分為2步走。

第1 步，進(jìn)行基于ARP 等級(jí)的Non-GBR 業(yè)務(wù)調(diào)度，即首先調(diào)度ARP等級(jí)高的Non-GBR承載。

第2 步：剩余的Non-GBR 承載，按照比例公平方式進(jìn)行調(diào)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于業(yè)務(wù)差異化、用戶差異化開展網(wǎng)絡(luò)深入研究，制定5G NSA 網(wǎng)絡(luò)端到端差異化QoS 策略，使不同的業(yè)務(wù)、不同的用戶承載在不同的QCI 承載。同時(shí)對(duì)每種QCI 承載對(duì)應(yīng)的無(wú)線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一梳理，給出關(guān)鍵的QoS 參數(shù)配置建議，實(shí)現(xiàn)5G NSA 網(wǎng)絡(luò)端到端差異化QoS 參數(shù)的合理化、標(biāo)準(zhǔn)化。