5G系统——5G QoS

时间:2024-04-10 08:05:59

1 概述

1.1 QoS流(QoS Flow)

5G QoS模型基于Qos流,5G QoS模型支持保障流比特速率(GBR QoS)的QoS流和非保障流比特速率(Non-GBR)的QoS流,5G QoS模型还支持反射QoS。

QoS流是PDU会话中最精细的QoS区分粒度,这就是说两个PDU会话的区别就在于它们的QoS流不一样(具体一般就是QoS流的TFT参数不同);在5G系统中一个QoS流ID(QFI)用于标识一条QoS流;PDU会话中具有相同QFI的用户平面数据会获得相同的转发处理(如相同的调度、相同的准入门限等);QFI在一个PDU会话内要唯一,也就是说一个PDU会话可以有多条(最多64条)QoS流,但每条QoS流的QFI都是不同的(取值范围0~63),UE的两条PDU会话的QFI是可能会重复的;QFI可以动态配置或等于5QI。

在5GS,QoS流是被SMF控制的,其可以是预配置或通过PDU会话建立和修改流程来建立。

QoS流的特征在于:

-AN侧的QoS配置,这些配置可以是SMF通过AMF给AN提供给AN的或者是在AN上预置的

-UE侧的QoS规则(rule),这些规则是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

-UPF侧的上行和下行PDR(s),这些PDR(s)是SMF配置的

在5GS,一条PDU会话内要求有一条关联默认QoS规则的QoS流,在PDU的整个生命周期内这个默认QoS流保持存在,且这个默认的QoS流要是Non-GBR QoS流。

注:上面的默认QoS流在整个PDU会话生命周期内都给UE提供了连接;由于可能需要和EPS交互,所以要求这个默认QoS流为Non-GBR。

1.2 QoS配置(QoS Profile)

一个QoS流是“GBR”还是“Non-GBR”取决于它的QoS配置;一个QoS流的QoS配置包含的QoS参数如下:

- 每条QoS流的QoS配置都会包含的QoS参数:5QI、ARP

- 每条Non-GBR QoS流的QoS配置可能还会包含参数:反射Qos属性(RQA)

- 每条GBR QoS流的QoS配置还会包含参数:保证流比特率(GFBR)、最大流比特率(MFBR)

- 每条GBR QoS流的QoS配置可能还会包含:指示控制、最大丢包率

 

每条QoS配置有一个与之对应的QFI,QFI包含在QoS配置中。

1.4 QoS规则(QoS Rules)

UE执行上行用户面数据业务的分类和标记,也就是根据QoS规则将上行数据关联到对应的QoS流去。这些QoS规则可以是显示提供给UE的(也就是在PDU会话建立/修改流程中通过信令显示配置给UE),或者在UE上预配置,或者UE使用反射QoS机制隐式推导出来。

一个QoS规则包含:关联的QoS流的QFI、数据包过滤器集(一个过滤器列表)、优先级。

一个QoS流可以有多个QoS规则。

每个PDU会话都要配置一个默认的QoS规则,默认的QoS规则关联到一条QoS流上。

对于IP类型ethenet类型的PDU会话,默认QoS规则是在PDU会话中唯一的一个包过滤集可以包含允许所有UL的包过滤器的QoS规则,协议上这句话说得非常拗口,可以用类比路由表的方式去理解,就是默认QoS就可配成和默认路由一样,一个数据包所有路由都不满足时,就从默认路由走。默认QoS规则是可以配置为允许通过所有上行包,不是必须配置为允许通过所有上行包。

注:默认QoS规则的允许所有上行包通过的包过滤器就是所谓的“匹配所有”过滤器(match-all filter)

对于Unstructured类型的PDU会话,默认QoS规则不包含任何包过滤器集(Packet Filter Set),默认QoS规则定义PDU会话内的所有包的处理方式。

只要默认QoS规则不包含数据包过滤器集或包含允许所有UL数据包的数据包过滤器集,就不应将反射性QoS应用于与默认QoS规则关联的QoS流,并且不应该给此QoS流发送RQA。

1.5 QoS映射

SMF负责QoS的控制,建立一条PDU会话时,SMF会给UPF、AN、UE配置响应的Qos参数。下图展示了用户面数据的分类和标记与QoS流映射到AN资源的规则流程。

5G系统——5G QoS

对于上行数据,UE根据QoS规则对数据包进行匹配,数据包从匹配上的QoS流以及其对应的AN通道(对应的RB)向上传输;对于下行数据,UPF根据PDR对数据进行匹配,数据包从匹配上的QoS流以及其对应的AN通道下下传输。如果一个数据包没有匹配上任何一个QoS规则(上行)或PDR(下行),则该数据包会被UE或UPF丢弃。

SMF给AN配置QoS参数如下(TS38.413  9.10.4.9),QoS特性可以选择静态5QI(也就是标准化5QI映射表)和动态配置5QI。

5G系统——5G QoS

5G系统——5G QoS

 

5G系统——5G QoS

SMF给UE配置的QoS规则(TS23.501)如下,QoS规则包含一个QoS项列表,每个QoS项包含一个包过滤器列表、参数列表、QFI、优先级等参数。

5G系统——5G QoS

 

5G系统——5G QoS

 

5G系统——5G QoS

5G系统——5G QoS

 


2 Qos参数

2.1 5QI

5QI是一个标量,用于索引一个5G QoS特性。TS23.501 Table 5.7.4-1有标准化的5QI映射关系。

2.2 ARP

ARP参数包含优先级、抢占能力、可被抢占等信息;优先级定义了UE资源请求的重要性,在系统资源受限时,ARP参数决定了一个新的QoS流是被接受还是被拒绝。

“pre-emption capability”信息定了一个业务流是否可以抢占低优先级的业务流的资源。

“pre-emption vulnerability”信息定义一个业务流的资源是否可以被高优先级的业务流抢占。

arp优先级的取值范围1~15,1为最高优先级;

5G系统——5G QoS

2.3 RQA

RQA(Reflective QoS Attribute)是一个可选参数,其指示了在该QoS流上的某些业务可以受到反射QoS的影响。仅当核心网通过信令将一个QoS流的RQA参数配给接入网时,接入网才会使能RQI在这条流的无线资源上传输;RQA可以通过N2接口在UE上下文建立和QoS流建立/修改时携带给NG-RAN。

如核心网在“PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST”消息的QoS参数中将RQA参数带给ngNB:

5G系统——5G QoS

 

2.4 Notification Control

通知控制;对于GBR的QoS流,核心网通过该参数控制NG-RAN是否在该GBR QoS流的GFBR无法满足时上报消息通知核心网;如果网络使能通知控制,则NG-RAN发现该流的GFBR无法满足时就要给SMF发送通知,同时继续保持该QoS流的正常运作;至于收到通知后SMF如何处理则属于网络配置的策略。

核心网在“PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST”消息的GBR QoS Flow Information中配置通知控制参数。

5G系统——5G QoS

2.5 Flow Bit Rate

对于GBR QoS流,其5G QoS参数还会包含如下参数:

- 保证流比特率(GFBR) -上行和下行

- 最大流比特率(MFBR)-上行和下行

GFBR表示由网络保证在平均时间窗口上向QoS流提供的比特率;MFBR将比特率限制为QoS流所期望的最高比特率(例如,超过MFBR时数据包可能被UE/RAN/UPF丢弃、延时传输、......);网络通过QoS流的优先级调度处理来使比特率在GFBR和MFBR的范围内。

 

2.6 Aggregate Bit Rate

    会话聚合最大比特率(Session-AMBR)

每个PDU Session都会有一个会话聚合最大比特率,Session-AMBR是用户订阅数据,SMF从UDM获取;SMF可以直接使用订阅数据的Session-AMBR,或者根据本地策略进行相应修改后再使用,或使用从PCF获取的该PDU会话的Session-AMBR。

Session-AMBR定义了一个PDU会话的所有non-GBR QoS流的比特率之和的上限,也就是说一个PDU会话的所有non-GBR QoS流的比特速率之和不能大于该PDU的Session-AMBR。

Session-AMBR不应用于GBR QoS流。

    UE聚合最大比特率(UE-AMBR)

每个UE都有一个聚合最大比特率(UE-AMBR),一个UE-AMBR定义了一个UE所有的non-GBR QoS流比特率之和的上限,也就是一个UE的所有non-GBR QoS流的比特率之和不能大于UE-AMBR。UE-AMBR是用户订阅数据,AMF可从UDM获取出来给RAN使用。

UE-AMBR仅应用于non-GBR QoS流,不应用于GBR QoS流。

AMBR平均窗口,其用于统计Session-AMBR和UE-AMBR,且用于Session-AMBR和UE-AMBR的AMBR平均窗口参数是一个标准化值,且是相同的。

 

2.7 (默认值)Default Value

对于每条PDU会话的建立,SMF从UDM获取订阅的默认5QI和ARP值。SMF使用授权的默认5QI和ARP值去设置默认QoS流的QoS参数。

2.8 Maximum Packet Loss Rate(最大丢包率)

最大丢包率表示一条QoS流可以忍受的最大丢包率;最大丢包率参数只可能会在GFBR的QoS流上提供。

注:当前版本(TS23.501 f20),最大丢包率(上行、下行)参数仅在属于语音媒体的GBR QoS流上使用。


3 Qos特性

本节规定了和5QI相关的5G QoS特性。

Resource Type

资源类型

GBR, Delay critical GBR or Non-GBR

Priority Level

优先级水平

表示5G QoS流间的资源调度优先级;该参数用于区分一个UE的各个QoS流,也用于区分不同终端的QoS流。该参数值越小表示优先级越高

Packet Delay Budget(PDB)

包时延预算

PDB定义了UE和锚点NPF之间数据包传输的时延上限;

Packet Error Rate(PER)

误包率

误包率定了一个上限,也就是数据包已经被发送端的链路层(如3GPP接入网的RLC层)处理了,但没有被对应的接收端提交给上层(如3GPP接入网的PDCP层)的比率上限。PER参数的作用是让网络配置合适的链路层参数(如3GPP接入网的RLC和HARQ配置)。

Averaging Window

平均窗口

平均窗口是给GBR QoS Flow定义的,用于相关网元统计GFBR和MFBR。

Maximum Data Burst Volume(MDBV)

最大数据突发量

具有延迟关键资源类型的每个GBR QoS流应与一个MDBV相关联;MDBV表示5G-AN在一个5G-AN PDB期间需要服务的最大数据量。

4 标准5QI到5G Qos特性的映射

5G系统——5G QoS

5 反射QoS

反射QoS作为5G QoS引入的新功能,其内容比较多,不宜放在此文展开来讲了,否则此博文就太长了,后续我会专门开一篇文章来详细介绍。简而言之,反射QoS的功能就是网络通过用户面packet的相关头域(SDAP头)的设置,UE SDAP实体收到后进行分析推导出一个上行的QoS规则进行使用。

 

6 包过滤器集(Packet  Filter Set)

QoS规则(UE侧)或PDR(UPF侧)的包过滤器集是用于标识数据(IP或ethenet)流的,一个包过滤器集可以包含多个包过滤器(这个可从上文1.5节的协议格式图明显看出来),每个包过滤器可以是下行或上行或双向的。

有两种类型的包过滤器集:IP包过滤器集合ethenet包过滤器集,分别对应于它们的PDU会话类型。

 


参考

TS23.501

TS24.501

TS38.413