基于弱網(wǎng)感知的5G QoS保障服務實現(xiàn)方案

【摘? 要】為了實現(xiàn)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(wǎng)絡需求，然后分析用戶在弱網(wǎng)環(huán)境下的5G QoS保障問題，接著闡述5G弱網(wǎng)的定義及弱網(wǎng)感知的方法，最后提出基于弱網(wǎng)感知的5G QoS保障服務實現(xiàn)方案，以滿足5G用戶的差異化網(wǎng)絡需求，同時優(yōu)化5G網(wǎng)絡資源分配。

【關鍵詞】弱網(wǎng)感知;弱網(wǎng)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(wǎng)感知的5G QoS保障服務實現(xiàn)方案[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 13-18.

0? ?引言

5G會使現(xiàn)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(xiàn)實）/AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實）應用、超高清視頻應用、實時云游戲應用等。雖然5G網(wǎng)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(wǎng)絡亦提出了更高的要求，另一方面5G網(wǎng)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(chǎn)生當前的5G網(wǎng)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(wǎng)環(huán)境中，此時用戶將會產(chǎn)生5G QoS保障問題。因此，應對此問題的5G QoS保障服務實現(xiàn)方案值得進行研究。本文首先分析5G應用的網(wǎng)絡需求，然后分析用戶在弱網(wǎng)環(huán)境下的5G QoS保障問題，接著闡述5G弱網(wǎng)的定義及弱網(wǎng)感知的方法，最后提出基于弱網(wǎng)感知的5G QoS保障服務實現(xiàn)方案。

1? ?5G應用網(wǎng)絡需求

5G網(wǎng)絡將有力促進現(xiàn)有移動應用向前發(fā)展，同時激發(fā)產(chǎn)業(yè)新一輪創(chuàng)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用、車聯(lián)網(wǎng)應用等。應用的演變和創(chuàng)新亦對5G網(wǎng)絡的連接質量提出了更高的的要求。根據(jù)ITU在IMT-2020中描述的愿景，5G網(wǎng)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(wǎng)絡需求是多樣化和差異化的，它們在帶寬、時延和連接數(shù)等方面的網(wǎng)絡需求側重點各有不同，有的側重高帶寬需求，比如大數(shù)據(jù)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(yè)自動化應用，而物聯(lián)網(wǎng)類應用側重大規(guī)模連接需求，如圖1所示：

為了落實5G網(wǎng)絡對不同應用網(wǎng)絡需求的支持，3GPP基于不同應用的網(wǎng)絡需求分析，制定了5G QoS標準，定義了資源類型、優(yōu)先級水平、包時延預算、包錯誤率、默認最大數(shù)據(jù)突發(fā)量、默認平均窗口等QoS特性，指出了不同應用適合的網(wǎng)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(wǎng)絡需求，以便制定適合的5G網(wǎng)絡產(chǎn)品。需求分析一般從垂直行業(yè)的應用方面入手，分析不同應用場景中的5G網(wǎng)絡需求，分析的行業(yè)包括警務、媒體、教育、交通、旅游、醫(yī)療、能源等，通過不同行業(yè)的需求分析，可以發(fā)現(xiàn)不同應用的網(wǎng)絡需求存在較大的差異，例如：警務無人機巡防應用的5G網(wǎng)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(yī)療會診應用的5G網(wǎng)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(xiàn)行主要應對策略包括：專屬網(wǎng)絡切片策略和差異化QoS控制策略。前者是為根據(jù)客戶QoS要求構建客戶專用的邏輯網(wǎng)絡（專屬網(wǎng)絡切片），包括無線網(wǎng)絡子切片、傳輸網(wǎng)絡子切片、核心網(wǎng)絡子切片三部分，專屬網(wǎng)絡切片構建成本比較高，一般針對較大型行業(yè)客戶。后者是指在5G公用網(wǎng)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(wǎng)絡切片，實現(xiàn)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(wǎng)絡環(huán)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(wǎng)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(wǎng)絡的要求是不同的，當用戶面臨的網(wǎng)絡環(huán)境無法達到當前應用的網(wǎng)絡要求時，用戶就不能順暢地使用應用相關功能，從而產(chǎn)生QoS保障問題。典型的QoS保障場景包括突發(fā)性高帶寬保障需求場景、突發(fā)性低時延保障需求場景。前者可能發(fā)生在演唱會現(xiàn)場、體育賽事現(xiàn)場、熱門景點、大型活動現(xiàn)場等場景中，例如，在這些場景中，用戶可能想即時分享現(xiàn)場高清視頻等，但由于用戶密集，網(wǎng)絡帶寬不足，難以發(fā)送分享視頻，從而產(chǎn)生了特別的高帶寬保障需求。后者可能發(fā)生在使用關鍵實時業(yè)務中，例如網(wǎng)上搶票、在線實時對戰(zhàn)游戲等，這些應用對時延有較高的要求，而普通的網(wǎng)絡QoS待遇可能無法達到要求，從而產(chǎn)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(wǎng)絡的具體場景觸發(fā)，具有一定的突發(fā)性或臨時性，即在某時某地產(chǎn)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(wǎng)絡需求，需要5G網(wǎng)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(nèi)），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(wǎng)感知

弱網(wǎng)是指用戶所處的5G網(wǎng)絡環(huán)境不能滿足當前移動應用的網(wǎng)絡需求的情形?？傮w上，弱網(wǎng)跟兩個要素相關，第一是用戶使用的具體應用的網(wǎng)絡QoS需求，第二是用戶當前網(wǎng)絡環(huán)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(fā)弱網(wǎng)事件的產(chǎn)生。弱網(wǎng)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(wǎng)絡的帶寬、時延必須達到基本的要求，如果普適性的5G網(wǎng)絡待遇無法滿足用戶當前應用的網(wǎng)絡需求，那么用戶就相對處于弱網(wǎng)環(huán)境之中。

弱網(wǎng)感知是指運營商感知或實時獲取用戶處于弱網(wǎng)環(huán)境情況的過程。由于弱網(wǎng)事件的產(chǎn)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(wǎng)感知需要運營商相關系統(tǒng)與移動應用系統(tǒng)之間的協(xié)作，通過移動應用客戶端與服務端進行弱網(wǎng)監(jiān)測，實時發(fā)現(xiàn)弱網(wǎng)事件，并將弱網(wǎng)事件通知運營商相關系統(tǒng)，運營商相關系統(tǒng)獲取弱網(wǎng)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(wǎng)監(jiān)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(fā)包和下行（download）發(fā)包，然后由弱網(wǎng)監(jiān)測服務端模塊進行網(wǎng)絡包的QoS數(shù)據(jù)分析，獲得上行速率、下行速率、網(wǎng)絡時延、抖動等QoS參數(shù)，接著弱網(wǎng)監(jiān)測服務端模塊進行弱網(wǎng)狀態(tài)判斷，將當前的QoS數(shù)據(jù)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(wǎng)狀態(tài)，并生成弱網(wǎng)事件，最后將弱網(wǎng)事件報告通知運營商相關系統(tǒng)，報告中包含用戶當前的QoS參數(shù)、應用信息以及該應用正常使用的QoS要求信息，5G弱網(wǎng)感知方法如圖3所示。

總體而言，弱網(wǎng)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(fā)現(xiàn)網(wǎng)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(xiàn)這些情況時，應用客戶端發(fā)起弱網(wǎng)檢測，模擬向應用服務端上傳和下載少量數(shù)據(jù)、進行分組網(wǎng)間探測（PING）等，然后由應用服務端分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出網(wǎng)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(wǎng)事件。接著，應用服務端將弱網(wǎng)事件信息報告到運營商相關系統(tǒng)，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(wǎng)感知的方法，獲取用戶弱網(wǎng)事件，然后基于弱網(wǎng)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(yè)務推薦選項，讓用戶可以在一個合理的范圍內(nèi)較容易地做出選擇。

基于弱網(wǎng)感知的5G QoS保障服務需要應用域、5G網(wǎng)絡域和BOSS（Business & Operation Support System，業(yè)務與運營支撐系統(tǒng)）域緊密協(xié)同工作。在應用域，主要涉及弱網(wǎng)監(jiān)測模塊、業(yè)務推薦彈窗模塊、業(yè)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(yè)務推薦服務模塊、業(yè)務受理服務模塊、業(yè)務開通服務模塊及業(yè)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(wǎng)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(wǎng)元，基于弱網(wǎng)感知的5G QoS保障服務的實現(xiàn)方案如圖4所示。

其中，弱網(wǎng)監(jiān)測模塊主要負責上下行模擬發(fā)包、QoS數(shù)據(jù)分析、弱網(wǎng)狀態(tài)判斷及弱網(wǎng)事件報告;業(yè)務推薦彈窗模塊主要負責將運營商提供的業(yè)務推薦選項呈現(xiàn)給用戶;業(yè)務訂購代理模塊主要負責將用戶選定的業(yè)務訂購信息發(fā)送給運營商;業(yè)務推薦服務主要負責弱網(wǎng)事件接收、推薦業(yè)務匹配、推薦列表提供;業(yè)務受理服務、業(yè)務開通服務、業(yè)務計費服務分別負責5G QoS保障業(yè)務在運營商內(nèi)部的受理、開通和計費;PCF主要負責PCC決策和PCC規(guī)則生成;SMF主要負責接受PCC規(guī)則并進行QoS控制執(zhí)行。5G QoS保障服務流程主要包括以下環(huán)節(jié)：

（1）移動應用客戶端與移動應用服務端進行弱網(wǎng)監(jiān)測，模擬客戶端與服務端基于5G網(wǎng)絡的上下行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

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

（3）移動應用服務端進行弱網(wǎng)狀態(tài)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(wǎng)狀態(tài)，則生成用戶的弱網(wǎng)事件，并向業(yè)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(yè)務推薦服務模塊接收弱網(wǎng)事件，然后進行實時業(yè)務推薦匹配，并生成能夠滿足用戶需求的QoS保障業(yè)務推薦列表。

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

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

（7）業(yè)務開通服務模塊將QoS保障的開通請求發(fā)給PCF，PCF進行PCC決策，并生成提升QoS的PCC規(guī)則，然后向SMF下發(fā)相關PCC規(guī)則，最后由SMF執(zhí)行新PCC規(guī)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(xiàn)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(xiàn)卡頓，此時應用客戶端觸發(fā)弱網(wǎng)檢測流程，應用服務端分析得到用戶當前QoS數(shù)據(jù)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(chǎn)生并報告弱網(wǎng)事件，業(yè)務推薦模塊收到報告后，依據(jù)弱網(wǎng)事件信息及用戶數(shù)據(jù)，向用戶推薦滿足當前需要的高QoS保障產(chǎn)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(chǎn)品后，運營商側通過保障業(yè)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(wǎng)場景中，用戶享有的5G網(wǎng)絡QoS與移動應用要求的網(wǎng)絡QoS有一定差距，導致應用難以正常運行或內(nèi)容難以流暢瀏覽，通過基于弱網(wǎng)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(wǎng)絡能力臨時性不足的問題，從而使用戶可以繼續(xù)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(wǎng)絡資源效率。展望未來，有兩方面的內(nèi)容值得進一步研究和思考，一方面是如何提高推薦業(yè)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(yè)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(yè)務的用戶能夠及時提高相應的QoS待遇，滿足用戶突發(fā)性的網(wǎng)絡需求。

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