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深入对比4/5G 网络Qos机制比较

一、LTE Qos

LTE是基于承载 Bearer的Qos策略设计。无线承载分为SRB(Signalling Radio Bearer)和DRB(Data Radio Bearer)。SRB用于信令的传输,DRB用于数据的传输,所有SRB的调度优先级要高于所有的DRB。

1.1.QCI

      QCI(QoS class identifier),是系统用于标识业务数据包传输特性的参数,协议23203定义了不同的承载业务对应的QCI值。需要特别注意的是QCI=5的IMS信令业务,属于Non-GBR,优先级设置为比GBR类承载高。

1.2.GBR和Non-GBR

      根据QCI的不同,承载(Bearer)可以划分为两大类:GBR(Guaranteed Bit Rate,保证比特速率)类承载和Non-GBR类承载。

      GBR类承载,用于对实时性要求较高的业务,需要调度器对该类承载保证最低的比特速率,其QCI的范围是1-4。有了这个最低速率外,还需要一个最高速率进行限制。对于GBR承载来说,使用MBR来限制该承载的最大速率。MBR(Maximum Bit Rate,最大比特速率)参数定义了GBR承载在RB资源充足的条件下,能够达到的速率上限。MBR的值大于或等于GBR的值。

      Non-GBR类承载,用于对实时性要求不高的业务,不需要调度器对该类承载保证最低的比特速率,其QCI的范围是5-9。在网络拥挤的情况下,业务需要承受降低速率的要求。对于Non-GBR,使用UE-AMBR(Aggregate Maximum Bit Rate,聚合最大比特速率)来限制所有Non-GBR承载的最大速率(注意,不是限制某个Non-GBR承载,而是针对UE级别的。The GBR denotes bit rate of traffic per bearer while UE-AMBR denotebit rate of trafficper groupof bearers.)。

 

1.3.默认承载和专用承载

      默认承载用于数据量小且实时性低的数据业务,属于Non-GBR。当UE完成ATTACH过程后,由核心网配置默认承载的AMBR、QCI等参数。当默认承载无法满足实时性要求时,网侧会新建一个GBR的专用承载,以满足速率和时延要求。当然,如果数据量大而实时性要求不高时,专用承载也可以使用QCI值较大的Non-GBR承载。(A dedicated bearer can either be a GBR or a Non-GBR bearer while adefault bearer shall be a Non-GBR bearer)

QCI、GBR、Non-GBR、MBR、AMBR之间的关系如下图所示:

 

无论是默认承载,还是专用承载,后续当eNB调度的时候,由资源调度器考虑AMBR值。eNB需要给UE发送指定逻辑信道的优先级、PBR(Prioritised Bit Rate)和BSD(Bucket Size Duration)参数。同样的,对于GBR,涉及最小速率和最大速率的GBR、MBR参数也需要由eNB侧调度时考虑。

 

  二、5G Qos

      5G采用数据流In-band QoS标记机制,基于业务的QoS需求,网关或APP Server对数据流标记相应的QoS处理标签,网络侧基于QoS标签,执行数据包转发;QoS标签可基于业务数据流的需求实时变化,实时满足业务需求。

      GW的NAS将多个有相同QoS需求的IP flow映射到同一个QoS flow;gNB将QoS flow映射到DRB,使无线侧适配QoS需求;

RAN侧有一定自由度,如gNB可将QoS流转换成DRB;下行映射属于网络实现;上行映射基于reflective QoS或RRC配置。
 

 

5G的Qos等级定义如下:

 

 5G QoS模型同样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,也同样用AMBR来钳制Non GBR总带宽,5G QoS模型还支持反射QoS。

     

2.1Qos参数

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。

2.1.15QI

5G Qulity identity ,用于索引一个5G QoS特性。

2.1.2ARP

      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。

2.1.3RQA 


       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。

2.1.4NotificationControl


       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。

2.1.5FlowBit 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

2.1.6AggregateBit Rate

    聚合最大比特率,AMBR定义了一个PDU/UE的所有non-GBR QoS流的比特率之和的上限,AMBR不应用于GBR QoS流。

2.1.7DefaultValue

      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。

2.1.8MaximumPacket 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GBR的QoS流上提供。

2.2、反射QoS


    反射QoS作为5G QoS引入的新功能,在没有SMF通过信令提供QoS规则的情况下,UE可以通过反射QoS将上行用户面数据映射到QoS流上;这仅用于IP和ethenet类型的PDU会话;这是UE基于接收到的下行数据进行推导出来的QoS规则;对于同一个PDU会话,反射QoS和非反射QoS可以同时并存。

      对于支持反射QoS功能的UE,如果5GC对下行数据使用反射QoS功能,UE要从收到的下行数据包中推导出上行的QoS规则,之后UE将推导出来的上行QoS规则用于对应的上行QoS流中。

      如果UE支持反射QoS功能,UE应该在每条PDU会话建立时告诉网络。

      在特殊情况下(这取决于UE的实现),UE可以通过PDU会话修改流程将其能力修改为不支持反射QoS(如果PDU会话建立时已经通知网络其支持反射QoS),同时UE应该删除其所有通过反射推导出来的QoS规则,网络应该停止这条PDU会话的所有和反射QoS有关的用户面操作。此外,网络可以通过信令将之前UE推导使用的QoS规则发给UE。UE在此后的整个PDU会话生命期内都不应该再通知网络其支持反射QoS功能了。

3、LTE/5G网络Qos机制比较

3.1、4G网络Qos机制

特点:

QoS控制的基本粒度是EPS承载(Bearer);
需要通过建立多个专用承载为UE提供具有不同QoS保障的业务。

缺点:

LTE QoS机制更适用于运营商内部应用;
基于承载的QoS管理机制粒度较粗,无法实现业务流粒度的QoS控制;
承载建立信令开销大、较慢,无法跟踪TCPsession变化。


3.2、5G网络Qos机制

特点:核心网取消承载概念,基于流QoS管控更精细;

RAN侧决定流→RAN侧承载的映射,给RAN侧更大自由度。


 

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