5G Qos多维度创新研究分析
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目录
5G Qos多维度创新研究分析 .......................................................................................................... 3 一、 问题描述 ................................................................................................................................. 3 二、 SA架构下Qos管理分析 ....................................................................................................... 4
2.1 业务建立请求阶段的QoS管理 ....................................................................................... 4 2.2 QoS Flow到DRB的映射 .................................................................................................... 7 2.3 业务建立后的QoS管理 ................................................................................................... 9
2.3.1 下行调度Qos保障 ................................................................................................ 9 2.3.2 上行调度Qos保障 .............................................................................................. 10
三、 测试分析 ............................................................................................................................... 10
3.1 用户速率限制测试 .......................................................................................................... 10
3.1.1 用户速率限制（Non GBR） ................................................................................ 10 3.1.2 用户速率限制（GBR） ........................................................................................ 11 3.2 单用户Qos管理 ............................................................................................................. 12
3.2.1 单用户QoS（Non GBR和GBR承载） ............................................................... 12 3.2.2 单用户QoS（不同GBR承载） .......................................................................... 14 3.3 多用户Qos管理 ............................................................................................................. 16
3.3.1 多用户QoS（Non GBR和GBR承载） ............................................................... 16 3.3.2 多用户QoS（不同GBR承载） .......................................................................... 18
四、 经验总结 ............................................................................................................................... 20
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【摘要】QoS（Quality of Service）是指业务服务质量，决定了用户对运营商提供服务的满意程度。QoS管理是网络满足业务质量要求的控制机制，它是一个端到端的过程，即需要业务在发起者到响应者之间所经历的网络各节点的共同协作，保障服务质量。 【关键字】Qos管理、Non-GBR/GBR、性能 【业务类别】移动网、5G、SA
一、 问题描述
空口QoS管理针对各种业务和用户的不同需求，提供端到端的服务质量保证，允许不同业务不平等地竞争网络资源，以实现不同的体验保障。
NSA架构和SA架构下均支持QoS管理。在NSA架构下，核心网仍然是EPC，承载建立的信令面都依赖于eNodeB。NR系统作为SgNB（Secondary gNodeB）参与业务分流，因此NR的QoS配置信息来源于X2接口添加SgNB承载建立的请求信息（SGNB ADDITION REQUEST）或修改SgNB承载建立的请求消息（SGNB MODIFICATION REQUEST）。该消息会携带SgNB上建立承载所需要的QCI/ARP/MBR/GBR/UE-AMBR值等信息，NR根据这些信息提供差异化QoS保障。
但在SA架构下，核心网是5GC，QoS的架构发生了较大变化。
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图1 SA架构下的QoS图
在SA架构下，gNodeB与UE之间仍然采用承载的概念，但gNodeB与核心网之间不再采用承载的概念, 由NSA架构中的EPS Bearer变成了QoS Flow。QoS Flow是QoS控制的最细粒度，类似于NSA架构中的EPS Bearer。每一个QoS Flow用一个QoS Flow ID (QFI)来标识。在一个PDU会话内，每个QoS Flow的QFI都是唯一的。核心网会通知gNodeB每个QoS Flow对应的5QI(5G QoS Indicator)，用于确定其QoS属性。
gNodeB需要将QoS Flow映射到承载上。QoS Flow与空口Radio Bearer可以是多对一的映射关系，也可以是一对一的映射关系。
二、 SA架构下Qos管理分析
2.1 业务建立请求阶段的QoS管理
业务建立请求阶段，无论在NSA架构还是在SA架构下，业务最终映射到gNodeB的QCI承载上，由承载的差异化调度实现各业务差异化服务。
（1）如果一个业务被固定分配专用网络资源以保障这个业务的GBR，则这个业务对应的承载称为GBR承载。GBR承载主要用于实时业务，例如语音、视频、实时游戏等。
（2）如果一个业务没有被固定分配专用网络资源以保障这个业务的GBR，则这个业务对应的承载称为Non-GBR承载。Non-GBR承载主要用于非实时业务，例如email、FTP、HTTP等。
当UE发起业务请求时，gNodeB读取N2接口中各QoS Flow的QoS属性值，根据MML界面配置，将不同的QoS Flow（不同的5QI）映射到对应的承载上，为业务配置合适的无线承载参数、传输资源配置参数。
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图2 网元接口示意图
SA架构下，各标准5QI对应的QoS属性按照3GPP TS 23.501协议确定，具体如下表所示：
表1 Standardized 5QI to QoS characteristics mapping（GBR）
5QI Default Packet Packet Default Default Value Priority Delay Error Maximum Averaging Level Budget Rate Data Burst Volume 1 2 20 40 100 ms 10-2 150 ms 10-3 N/A N/A 2000 ms 2000 ms Window Example Services Conversational Voice Conversational Video (Live Streaming) 3 30 50 ms 10-3 N/A 2000 ms Real Time Gaming, V2X messages Electricity distribution – 未经许可不得扩散 第1页, 共1页
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5QI Default Packet Packet Default Default Value Priority Delay Error Maximum Averaging Level Budget Rate Data Burst Volume Window Example Services medium voltage, Process automation - monitoring 4 50 300 ms 10-6 N/A 2000 ms Non-Conversational Video (Buffered Streaming) 65 7 75 ms 10-2 N/A 2000 ms Mission Critical user plane Push To Talk voice (e.g., MCPTT) 66 20 100 ms 10 -2N/A 2000 ms Non-Mission-Critical user plane Push To Talk voice 67 15 100 ms 10-3 N/A 2000 ms Mission Critical Video user plane 75 25 50 ms 10-2 N/A 2000 ms V2X messages 表2 Standardized 5QI to QoS characteristics mapping（Non-GBR）
5QI Default Packet Packet Value Priority Delay Error Level Default Maximum Default Averaging Window Example Services Budget Rate Data Burst Volume 5 10 100 ms 10-6 N/A N/A IMS Signalling 未经许可不得扩散 第1页, 共1页
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5QI Default Packet Packet Value Priority Delay Error Level Default Maximum Default Averaging Window Example Services Budget Rate Data Burst Volume 6 60 300 ms 10-6 N/A N/A Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.) 7 70 100 ms 10-3 N/A N/A Voice, Video (Live Streaming) Interactive Gaming 8 9 80 90 300 ms 10-6 300 ms 10-6 N/A N/A N/A N/A Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, e-mail, chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.) 未经许可不得扩散 第1页, 共1页
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5QI Default Packet Packet Value Priority Delay Error Level Default Maximum Default Averaging Window Example Services Budget Rate Data Burst Volume 69 5 60 ms 10-6 N/A N/A Mission Critical delay sensitive signalling (e.g., MC-PTT signalling) 70 55 200 ms 10-6 N/A N/A Mission Critical Data (e.g. example services are the same as QCI 6/8/9) 79 80 65 68 50 ms 10 ms 10-2 10-6 N/A N/A N/A N/A V2X messages Low Latency eMBB applications Augmented Reality 表3 Standardized 5QI to QoS characteristics mapping（Delay Critical GBR）
5QI Default Packet Packet Value Priority Delay Error Level Default Maximum Default Averaging Window Example Services Budget Rate Data Burst Volume 81 82 11 12 5 ms 10 ms 10-5 10-5 160 B 320 B 2000 ms 2000 ms Remote control Intelligent 未经许可不得扩散 第1页, 共1页
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5QI Default Packet Packet Value Priority Delay Error Level Default Maximum Default Averaging Window Example Services Budget Rate Data Burst Volume transport systems 83 13 20 ms 10-5 640 B 2000 ms Intelligent Transport Systems 84 19 10 ms 10-4 255 B 2000 ms Discrete Automation 85 22 10 ms 10-4 1358 B 2000 ms Discrete Automation 2.2 QoS Flow到DRB的映射
5G新增的协议层SDAP（Service Data Adaptation Protocol）用于此功能。SDAP层主要负责：
（1）在上下行数据包中添加QoS Flow的标识，即QFI (QoS Flow ID)值，UE从下行数据包的SDAP头中读取该值。
（2）将一个或多个QoS Flow映射到一个DRB (Data Radio Bearer)上。
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图3 5G用户面协议栈
QoS Flow映射到DRB的原理描述如下： （1）下行数据
基站侧需要将QoS Flow映射到相应的DRB上，以便下行数据可用通过对应的承载发送给UE。针对下行数据，QoS Flow经过SDAP层时，SDAP层根据gNB5qiConfig.Nr5qi的配置值与QCI映射关系，将各QoS Flow映射到相应DRB上，DRB的等级用QCI来索引。默认QoS Flow与DRB一一映射，当出现大于或等于2个QoS Flow映射到相同等级的DRB时，QoS Flow映射到DRB上的原则如下：
A.多个QoS Flow分别映射到独立的DRB上 a.业务类型为GBR对应的所有5QI的QoS Flow。 b.5QI值为5或69的QoS Flow。
这些QoS Flow映射到DRB后，其DRB等级是相同的，但DRB ID不同。 B.多个QoS Flow映射到同一个DRB上5QI值不为5或不为69的QoS Flow。 （2）上行数据
UE为了将数据发送给基站，也需要找到相应的DRB承载，UE找到相应的DRB有两种方式，无论使用哪种方式，UE侧均应使用最新更新的QoS Flow与DRB的映射关系。
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图4 QoS Flow映射到承载的示意图
2.3 业务建立后的QoS管理
业务建立后，gNodeB的下行调度QoS保障和上行调度QoS保障需要根据以下信息计算承载的调度优先级，以保证用户满足QoS属性的同时实现系统吞吐量最大化。
（1）QoS属性（QCI/5QI、Packet Delay Budget等信息） （2）信道质量信息 （3）速率要求 （4）承载的权重 2.3.1 下行调度Qos保障
在下行调度QoS保障中，gNodeB可以获得下行各承载业务的数据量，并根据输入的QoS参数、信道质量、历史速率等因素综合确定承载的调度优先级和选定需要调度的承载。下行调度QoS保障可由gNodeB独立完成。
下行调度QoS保障包括Non-GBR业务的UE-AMBR限速、Non-GBR业务的最小速率保障、
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GBR业务的最小速率保障以及GBR业务最大速率限制。 2.3.2 上行调度Qos保障
与下行调度QoS保障不同，在上行调度QoS保障中，gNodeB无法准确获得UE上行各承载上需要发送业务的数据量，因此上行调度QoS保障需要UE和gNodeB共同完成。
（1）UE侧QoS保障
gNodeB通过综合考虑信道质量，历史传输速率以及业务的QCI级别计算出UE的调度优先级。UE获得到上行调度机会后，被调度的UE根据以下信息进行二次调度，从而控制UE各承载的差异化。
（2）gNodeB侧QoS保障
gNodeB侧的QoS保障主要是通过综合考虑信道质量，历史传输速率以及业务的QCI级别确定UE的调度优先级。
三、 测试分析
3.1 用户速率限制测试
3.1.1 用户速率限制（Non GBR）
测试条件：
1.设置某业务对应专用5QI = 8；
2.更改用户属性为AMBR=DL 100Mbps/UL 10Mbps； 测试结果：
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图5 基站侧log图
图6 UE侧log图
测试结论：
（1）基站侧log可以看出上下文请求可以看到5QI 8的AMBR设置生效；
（2）UE侧log可以看出上行灌包200m最大速率被限制在10mbps，下行灌包1G最大速率被限制在100mbps 3.1.2 用户速率限制（GBR）
测试条件：
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1.设置某业务对应专用5QI = 4；
2.更改用户属性为MBR= GBR=DL 100Mbps/UL 10Mbps； 测试结果：
图7 基站侧log图
图8 UE侧log图
测试结论：
（1）基站侧log可以看出上下文请求可以看到5QI 4的MBR & GBR设置生效； （2）UE侧log可以看出上行灌包200m最大速率被限制在20mbps，下行灌包1G最大
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速率被限制在200mbps。
3.2 单用户Qos管理
3.2.1 单用户QoS（Non GBR和GBR承载）
测试条件：
1.设置业务1对应专用5QI = 8；
2.设置业务2对应专用5QI = 4，MBR= GBR=DL 100Mbps； 测试结果：
图9 基站侧log图
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、
图10 UE侧log图
测试结论：系统应优先保证GBR业务速率
（1）基站侧log可以看出上下文请求可以看到，建立了2个DRB承载，5QI 8的AMBR设置生效不限速；5QI 4的MBR & GBR设置生效；
（2）UE侧log可以看出5QI 8，下行灌包1G，速率受限于空口；5QI 4，下行灌包1G速率被限制在100mbps。
3.2.2 单用户QoS（不同GBR承载）
测试条件：
1.设置某业务1对应专用5QI = 1，MBR= GBR=DL 20kbps/UL 20kbps； 2.设置某业务2对应专用5QI = 4，MBR= GBR=DL 100Mbps/UL 10Mbps； 测试结果：
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图11 基站侧log图
图12 UE侧下行log图
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图13 UE侧上行log图
测试结论：
（1）基站侧log可以看出上下文请求可以看到，建立了3个DRB承载（1个默认DRB+2个专用DRB），5QI 8的AMBR设置生效不限速；5QI 1和5QI 4的MBR & GBR设置生效
（2）UE侧下行log可以看出5QI 1，下行灌包1G，速率被限制在20kbps；5QI 4，下行灌包1G，速率被限制在200mbps。
（3）UE侧上行log可以看出5QI 1，上行灌包1G，速率被限制在20kbps；5QI 4，上行灌包1G，速率被限制在20kbps。
3.3 多用户Qos管理
3.3.1 多用户QoS（Non GBR和GBR承载）
测试条件：
1.设置业务1对应专用5QI = 8；
2.设置业务2对应专用5QI = 4，MBR= GBR=DL 100Mbps；
3.UE1发起业务2（5QI = 4）的下行数据连接，保持数据下载三分钟。同时UE2发起业务2（5QI = 8）的BE类下行数据连接，也保持数据下载三分钟；
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4.UE1和UE2应尽量接近，使两者处于同一波束内。 测试结果：
图14 近点结果
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图15 中点结果
图16 远点结果
测试结论：
（1）系统优先保证GBR业务速率
（2）UE侧log可以看出5QI 8的Non-GBR业务，近/中/远点速率变化较大，由500Mbps下降至250Mbps，速率受限于空口；
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（3）UE侧log可以看出UE1 5QI = 4，MBR= GBR=DL 100Mbps，近/中/远点下行速率基本稳定在100Mbps。
3.3.2 多用户QoS（不同GBR承载）
测试条件：
1.设置业务1对应专用5QI = 1，MBR= GBR=DL 20kbps/UL 20kbps； 2.设置业务2对应专用5QI = 4，MBR= GBR=DL 100Mbps/UL 10Mbps；
3.UE1发起业务1（5QI = 1，MBR= GBR=DL 20kbps）的下行数据连接，保持数据下载三分钟。同时UE2发起业务2（5QI = 4，MBR= GBR=DL 150Mbps）下行数据连接，也保持数据下载三分钟；
4.UE1发起业务1（5QI = 1，MBR= GBR=DL 15Mbps）的上行数据连接，UE2发起业务2（5QI = 4，MBR= GBR=DL 15Mbps）上行数据连接，待UE1、UE2速率稳定后保持数据上传三分钟；
测试结果：
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图17 下行灌包
图18 上行灌包
测试结论：
（1）UE1发起业务1（5QI = 1，MBR= GBR=DL 20kbps）的下行数据连接，保持数据下载三分钟。同时UE2发起业务2（5QI = 4，MBR= GBR=DL 150Mbps）下行数据连接。
可见UE1下行灌包1Gbps速率被限制在20Kbps，UE2下行灌包1Gbps速率被限制在100Mbps。
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（2）UE1发起业务1（5QI = 1，MBR= GBR=DL 15Mbps）的上行数据连接，UE2发起业务2（5QI = 4，MBR= GBR=DL 15Mbps）上行数据连接。
可见UE1上行灌包100mbps速率被限制在20kbps，UE2 上行灌包100mbps速率被限制在10mbps。
四、 经验总结
由上述测试结果可以看出
1、调度QoS保障包括Non-GBR业务的UE-AMBR限速、Non-GBR业务的最小速率保障、GBR业务的最小速率保障以及GBR业务最大速率限制。其中：
（1）Non-GBR业务的UE-AMBR速率限制，是针对一个UE下所有Non-GBR承载的。UE-AMBR通过eNodeB或者5G核心网配置给gNodeB。
（2）Non-GBR业务的最小速率保障，是针对承载来配置的，用来保障一个Non-GBR承载的下行最小速率。
（3）GBR业务的最小速率保障，是针对一个承载的。gNodeB通过eNodeB或者5G核心网获取GBR业务的最小速率保障值。
（4）GBR业务的最大速率限制，是针对一个承载限制的。gNodeB通过eNodeB或者5G核心网获取GBR业务的最大速率限制值。对于GBR业务，会将无线资源优先分配给该承载使用，尽量保障该承载的速率达到GBR业务的最小速率保障值。
2、上行调度QoS在保证上行覆盖和解决上行干扰的前提下，可以满足用户差异化需求，实现上行容量最大化。
下行调度QoS在保证下行覆盖的前提下，可以满足用户差异化需求，实现下行容量最大化。
3、用户速率控制中，如果AMBR设置小于空口能力速率，会限制小区吞吐率低于小区实际能力，导致容量下降。
如果用户处于小区边缘，但设置的GBR/GFBR值较大，资源都会集中到此类用户去保障达到最小速率，会降低小区吞吐率。
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