5G QoS优先级调度策略在5G 2B业务中的应用

曹亚平 方宇 王飞飞 尹康杰

【摘  要】5G时代2B赋能价值凸显，为了验证5G QoS优先级调度策略在5G 2B业务中的可行性，首先对3GPP规范中5G QoS模型、QoS流规则及相关QoS参数进行了介绍，并分析了5QI在5G 2B业务中的应用场景，同时结合现网实际情况，介绍了5G SA环境下基站空口资源针对GBR和Non-GBR业务的优先级分配策略的具体实现方法，最后重点通过几种差异化业务流的对比测试验证了5G QoS优先级调度策略在5G 2B行业中的可行性。

【关键词】5G QoS;QoS流;GBR;Non-GBR;5QI;5G 2B

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.006        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0029-07

引用格式：曹亚平，方宇，王飞飞，等. 5G QoS优先级调度策略在5G 2B业务中的应用[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 29-35.

0   引言

随着5G的到来，产业端和消费端的价值创造模式将发生颠覆式改变，商业模式也不断改变，2B的赋能服务价值凸显。以运营商为例，现阶段最大的转型就是面向2B企业服务，而值得注意的是，每个垂直行业在带宽、时延、抖动、丢包率等方面都有自己独特的诉求，而不再是传统的基于通道服务的固定收费模式，那么垂直行业的这种差异化需求就要求5G时代的运营商必须面向不同的行业客户提供差异化的解决方案。

虽然网络切片可以让运营商实现在一个硬件基础设施切分出多个虚拟逻辑上相互隔离的端到端网络，可以适配各种类型服务的不同特征需求，但同一切片内的QoS要求也存在很大差异，同一切片内的不同需求的用户需要定制不同的QoS，而且在之前的业务测试中发现整个端到端的切片中，空口部分的时延、丢包等数据在整个切片端到端的时延、丢包方面占比最大[1]。因此，5G空口侧的QoS策略研究与验证势在必行。

4G与5G QoS机制不同点在于，4G中QoS控制的基本粒度是EPS承载[7]，粒度较粗，无法实现业务流粒度的QoS控制，而且承载建立信令开销较大、较慢，不够灵活，而基于QoS flow的5G QoS，管控更加精细，而且同RAN侧决定流到RAN侧承载的映射关系，这样就给RAN侧更大的自由度，不同业务的QoS差异化管控就更加灵活。因此，在这个背景下，5G QoS优先级调度策略的研究与效果验证在5G2B业务的设计和实现中显得至关重要。

1    5G QoS模型与5QI应用分析

1.1  5G QoS模型

（1）5G QoS基本概念介绍

5G QoS模型中涉及的几个重要概念主要有UE、PDU Session、QoS Flow、QFI、QoS rule和PDR，详细介绍如下。

1）UE：指用户终端。

2）PDU Session：即PDU会话，UE与提供PDU连接服务的数据网络之间的关联，此连接用来传输数据单元，一般是对一个业务建立一个PDU session。

3）QoS Flow：QoS流是5G系统中QoS转发处理的最小粒度，也是5G网络中实现QoS差异化保障的最佳颗粒度。

4）QFI：QoS流ID，用于识别PDU session中的QoS flow，同一个会话内QFI不会重复，不同PDU会话内可以重复。

5）QoS rule：是UE用于执行上行用户平面流量的分类和标记，主要用来关联终端上行流量和QoS流，是SMF在PDU建立或修改流程中提供给UE的或UE通过反射QoS机制推导出来的。

6）PDR：分组检测规则（Packet Detection Rule），其包含对到达UPF的分组进行分类所需的信息，主要用于对下行数据包进行分类和映射，UPF上下行PDR都是在SMF中配置的。

（2）5G QoS流规则分析

在5G系统中，QoS流是实现差异化保障的最佳颗粒度，一条PDU session内要求有一条关联默认QoS规则的QoS流，这个默认的QoS流在PDU的整个生命周期内存在，而且这个默认的QoS流是Non-GBR类型的。和4G类似，缺省QoS flow对应到缺省承载，匹配所有数据流量[8]，也就是默认所有的流量都在缺省QoS flow，后续建立的QoS flow叫专有QoS flow，类似于4G的专载，里面会包含一个或者多个QoS转发规则，QoS转发规则由PCF控制，可以在PDU会话建立流程或者修改流程中形成，也可以预先配置。SMF是执行QoS控制的网络功能实体，QoS规则信息由SMF从PCF中获取[6]，然后下发给UE、AN、UPF。以视频回传应用为例，业务对应的专有QoS flow在PDU Session建立流程中建立，此QoS flow对应的QoS rule由SMF通过AMF提供给UE，那么PDU Session建立后UE产生的上行视频流量就会自动匹配到此专有QoS flow[1]。

图1是3GPP标准定义的5G业务流量的分类和映射流程。如图11所示，业务流量分为上行流量和下行流量[5]。上行方向的流量数据包由UE按QoS rule执行具体分类和映射，关联到对应的QoS流，多个不同的QoS rule可以对应同一个QoS流。下行方向的流量由UPF根据SMF下发的包检测规则（PDR）执行具体的分类映射任务，如果没有匹配的PDR，UPF则将丢弃下行数据报文[2]。

（3）5G QoS的基本參数

在对QoS进行管理时，5G QoS流被分为了GBR QoS流（即使用GBR资源类型且要求保证流量比特率的QoS流）、Non-GBR QoS流（即使用Non-GBR资源类型且不需要保证流量比特率的QoS流）和Delay Critical GBR（即使用延迟关键GBR资源类型且要求保证流量比特率的QoS流）三大资源类型，其中，Delay Critical GBR QoS流是一种对时延非常敏感的GBR类型业务，是为了满足5G特有的低时延特性而提出的一种新的资源类型。

QoS中最重要的两个参数是5QI和ARP（分配与保持优先级），其中5QI是一个标量，可用于索引一个5G QoS特性[2]，标准的5QI值与对应的一组QoS特性在3GPP中有明确定义，而ARP参数表示用户资源抢占与被抢占的特性，ARP包括三个参数：优先级、可抢占性（pre-emption capability）、可被抢占性（pre-emption vulnerability），优先级参数标识抢占优先级的值，数值越低，优先级越高[4]，可抢占性参数指一个业务流是否可以抢占低优先级的业务流的资源，可被抢占性参数指一个业务流的资源是否可以被高优先级的业务流抢占。除此之外，GBR的QoS流一般还会包含保证流比特率（GFBR）和最大流比特率（MFBR）两个必要参数，其中GFBR表示为单个QoS流分配到的可保证的比特率，而MFBR表示为单个QoS流分配到的最大比特率。Non-GBR的QoS流通常还会包含UE-AMBR和Session-AMBR两个必要参数，其中参数UE-AMBR表示单个UE发出的所有Non-GBR QoS流比特率总和的最大值，参数Session-AMBR表示单个PDU session内的所有Non-GBR QoS流比特率总和的最大值。

1.2  5QI在5G 2B业务中应用分析

在上文列举的所有参数中，5QI是本文重点研究的对象，3GPP TS23.501中详细定义了标准的5QI到5G QoS特性的映射。虽然5QI的概念是由4G中的QCI概念演变而来，但是相对于4G的9种QCI等级来说，5G又增添了十几个新的5QI等级。对于业务的分类粒度更加精细化。表1为典型的GBR业务的5QI QoS特性映射关系表，表2为典型的Non-GBR业务的5QI QoS特性映射关系表[2]。Delay Critical GBR业务本文暂时不做讨论。

上面两表格主要对比了GBR与Non-GBR资源类型中不同5QI值对应的不同QoS特性，这些特性可在5G 2B业务设计中参考使用。由表1和表2分析可知，在空口资源分配时，对于不需要严格保障带宽但又要求一定QoS保障的2B用户，运营商在业务设计时可将其业务类别配置成Non-GBR类型，而对于需要一定资源保障的2B用户，比如有保障带宽的5G上行业务，可将其业务类型配置成GBR类型。业务设计时可以通过设置不同的5QI参数来区分不同用户的SLA等级。

2   5G QoS优先级调度策略的实现方法

在实际实现过程中，GBR业务和Non-GBR业务调度策略完全不同，GBR业务的保障带宽与GFBR和GFBR等预先设定的参数值有关，而Non-GBR业务中通常使用优先级调度加权因子参数用来差异化控制实现各承载间的调度优先级，在AN侧的QoS配置中，每个5QI对应一个加权因子值，是Non-GBR业务的优先级调度水平的最关键因素，在信道质量等其它因素相对稳定的情况下，加权因子值与空口拥塞情况下各业务速率分配有一定的线性关系。下面进行详细说明。

2.1  GBR类型调度策略

GBR业务流则按照核心网下发的策略中GFBR的值进行分配，不超过GFBR的部分全部可以得到保障，GFBR与MFBR之间的部分看空口资源占用情况，不拥塞的情况下可以保障，拥塞的情况下部分或者全部丢弃，此策略针对每个QoS流，而不是针对整个会话。

2.2  Non-GBR加權因子调度策略

gNodeB支持基于5QI配置的调度优先级，在空口质量、时延等因素基本一致的情况下，Non-GBR业务的实际上下行带宽分配与上下行调度优先级加权因子存在一定的线性关系。下面介绍以基站上行调度策略为例，Non-GBR用户在gNodeB拥塞情况下的带宽分配算法。

假设：gNodeB上行带宽为S，当前在线用户数为n，n个用户对应的5QI值分别为Q1， Q2， Q3， …， Qn，每个5QI对应的上行调度优先级加权因子值分别为W1， W2， W3， …， Wn，各用户当前实际产生的上行带宽是R1， R2， R3， …， Rn，如果将上行总速率完全按照加权因子进行分配的情况下，第i个用户应分配到的带宽Bi应为：

（1）

那么当空口资源发生拥塞时，用户在gNodeB实际获得的上行带宽Fi计算方法有以下两种：

（1）如果Ri

（2）如果Ri>Bi，则按（1）的算法，遍历所有用户，假设实际分配到的上行带宽与实际发生的上行带宽一致的用户有m， …， k，则其余用户在空口实际分配到的上行带宽小于用户实际发生的上行带宽，具体计算方法如下：

（2）

3  5G QoS优先级调度策略

实现方法的验证测试

通过前面的分析与介绍，GBR和Non-GBR在调度策略、参数配置等方面均存在一定的差异，故需要分GBR和Non-GBR两种场景进行测试，本节主要测试了5G QoS特性在现网基站空口侧的实际调度行为，验证了其与第2节中介绍的理论方法的一致性。

由于空口上行带宽资源保障情况是当前向客户提供端到端业务质量保障的重要部分，是SLA保障的关键点与瓶颈点，故进行空口资源分配策略行为的测试与验证非常有必要。本次测试的独特点在于测试环境是在现网搭建的端到端测的5G测试环境，无线网、承载网、核心网三部分网段涉及的软硬件版本均使用5G SA最新版本。

3.1  测试组网方案及原理

以下是本次测试拓扑图，此组网方案模拟5G端到端视频直播场景，详细如图2所示。

在上面组网图中，数据流量从A端主机至5G CPE，然后上传至gNB再经IPRAN承载网至5GC核心网，然后到5G外网段，最后到达Z端主机，PC1主机的流程到达PC11，PC2主机的流量到达PC22，PC3的流量到达PC33，对应三条端到端专线，三条专线分别建立三个PDU会话，分别对应三种QoS流，通过对三个QoS流设置不同的5QI及每个5QI对应的QoS参数特性来分析空口测带宽分配或保障行为，测试分GBR和Non-GBR两大类。

此测试环境中，所在基站小区上行带宽约为230Mbit/s，单CPE上行最大带宽约150 Mbit/s，此数据由专用空口测试仪及无线网管监控所得到。

3.2  GBR QoS流优先级调度测试

在GBR QoS流优先级调度测试中，在核心网侧对三条不同业务的QoS流配置不同的5QI，并且为不同的5QI配置不同GFBR、MFBR两个必选参数，本次测试验证相关参数配置在空口拥塞情况下的保障效果，观察拥塞情况下不同5QI承载QoS流的带宽分配情况，验证是否能够达到预期保障效果，凸显调度优先级用户差异化。此次测试中三路QoS流分别选取不同的5QI值，其中3、4、65、71为GBR类型，9为Non-GBR类型，测试用例及结果如表3至6所示。

综上，表3、表4和表6说明在所有GBR的QoS流的GFBR值之和小于空口总上行带宽时，GBR的QoS流在空口拥塞情况下也会得到绝对保障，会大量抢占Non-GBR类型的空口资源，表5说明GFBR与MFBR之间的部分无法得到保障，会有大量丢包。

3.3  Non-GBR QoS流优先级调度测试

在Non-GBR QoS流优先级调度测试中，在核心网侧对三条不同业务的QoS流配置不同的5QI参数，并且在基站侧为不同的5QI配置相应的调度优先级加权因子，本次测试验证相关参数配置在空口拥塞情况下的保障效果，观察拥塞情况下不同5QI对应的QoS流的带宽分配情况，验证是否能够达到预期保障效果，凸显调度优先级用户差异化。此次测试中三条QoS流分别选取不同的5QI值，其中6、7、8、9均为Non-GBR类型，假设某一路业务流的实际上行带宽大于在空口侧按加权因子比例计算应得的带宽，则称此业务流达到拥塞情况，测试用例及结果如表7到表10所示：

由以上测试用例可以看出，其结果完全符合2.2节中的Non-GBR加权因子调度策略的计算公式。测试结果表明，在空口质量，时延等因素一致或者基本一致情况下，Non-GBR用户的优先级调度与上行调度优先级加权因子成正比关系，当加权因子值调整时，带宽分配比例也随之调整。

4   结束语

5G行业应用的核心是2B应用，那么如何面向垂直行业实现差异化的业务创新，获取价值的不断增长，满足用户体验，是当前运营商面临的重要挑战。无线网络作为5G终端大规模接入的关键点与瓶颈点，差异化的等级保障策略至关重要，而5G商用初期，QoS策略将是无线侧实现不同等级业务差异化设计的关键手段。本文创新性地结合5G QoS理论模型和现网5G SA实际网络环境，提出在5G SA环境下GBR业务调度策略和Non-GBR业务加权因子调度策略的实现方法，设计了不同的测试用例，对比测试并验证了不同等级GBR业务和Non-GBR业务在空口侧的不同带宽调度行为和保障效果。对比分析可知，GBR业务在空口拥塞情况下也可得到绝对保障，而Non-GBR则是尽力而为，且空口资源紧张时，GBR业务会大量抢占Non-GBR业务的空口资源，Non-GBR用户之间按照调度优先级加权比例进行空口资源分配，以及5G QoS策略可实现业务流级的SLA等级划分。

在后续的5G 2B业务研发方面，可以依据不同5QI的保障特性，设计满足不同业务需求的差异化服务，从而充分发挥5G新型网络能力，创新商业模式。为5G 2B业务在空口侧的带宽保障等级规划和设计提供了借鉴。

参考文献：

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[4]    杜安静. NGBR和GBR在高话务保障场景中的比较分析[J]. 信息通信， 2019（8）： 238-240.

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[6]    3GPP. 3GPP TS 23.503 V15.1.0： Policy and charging control framework for the 5G System （5GS）;Stage2 （Release 15）[S]. 2018.

[7]    陳嘉明. 基于Non-GBR与ARP优先级的QoS管控研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2019，32（4）： 81-87.

[8]    3GPP. 3GPP TS 23.203 V16.2.0： Policy and charging control architecture;（Release 16）[S]. 2019.

[9]    3GPP. 3GPP TS 23.107 V15.0.0： Quality of Service （QoS） concept and architecture; （Release 15）[S]. 2018.

[10]  3GPP. 3GPP TS 29.502 V2.0.0： 5G System; Session Management Services; （Release 15）[S]. 2018. ★

收稿日期：2020-05-27

作者简介

曹亚平（orcid.org/0000-0002-8428-9977）：中级科研工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信集团有限公司研究院，目前从事政企产品开发工作。

方宇：中级科研工程师，硕士毕业于北京大学，现任职于中国电信股份有限公司，目前从事政企产品开发工作。

王飞飞：科研工程师，学士毕业于湖南大学，现任职于于中国电信集团有限公司研究院，目前从事政企产品开发工作。