【5G QoS】详解5G QoS端到端工作机制

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G技术研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G QoS端到端工作机制

QoS：Quality of Service

       LTE主要针对eMBB应用，而NR则是针对eMBB、mMTC、URLLC等多种应用而设计的单一协议。因此，QoS架构更灵活，可以为所有这些应用程序提供适当的服务。您可能会注意到一个明显的区别，NR 5QI的表比LTE QCI的表要长很多。

一、QoS 结构

       事实上，QoS几乎由通信双方之间涉及的每个组件决定或者说影响，但确定QoS的主要参与者是下图中UE和网络架构中的RAN、UPF和DN（数据网）。在这幅图中，展示了一个特定的QoS流示例，以便可以从中获得更具体的含义。

       如下所示，用户数据将从源（本例中是DN）和最终目的地（本例中是UE）流出。每个数据包都会经过一个特定的PDU和数据无线承载（data Radio Bearer, DRB）。在这些流水线中可以有一个或多个具有不同优先级、数据速率、延迟等的虚拟流，这些虚拟流称为QoS流。这些QoS流中的每个都将最终映射到5QI表中的特定项目。为了满足所选5QI的要求，从无线物理资源到核心网接口上的所有物理资源，网络都需要配置。

二、信令消息中的QoS映射

       从无线物理层到数据路径上的每个核心网网元，每个数据流都要应用QoS。如上所述，QoS最基本的单位是QoS流。但是QoS流是为核心网数据流（更具体地说是为RAN和UPF之间的数据流，也就是N3接口）定义的逻辑管道。在无线部分，采用DRB对数据流进行管理。为了形成一个完整的从数据源到最终目的地的QoS管道，核心网络的QoS管道（即QoS Flow）和RAN管道（即DRB）之间应该有一些映射，这些映射需要通过信令消息通知到UE。创建和映射QoS管道所涉及的信令消息如下所示。核心网侧QoS管道的创建是通过PDU会话建立Accept完成的，核心网QoS管道与无线QoS管道（DRB）之间的映射是通过RRC消息（RRCSetup或RRCReconfiguration）中的SDAP配置完成的。在每一层之间连接整个QoS管道的标识称为QFI （QoS Flow Identifier）。

三、IP数据包与QoS流之间的映射

       在上面描述的内容中，相对较好地描述了如何创建QoS流以及QoS流由什么组成。但是对于不同类型的原始用户数据（大多是IP包）是如何映射到不同类型的QoS流上的，并没有给出详细的解释。例如，看一下博客开头的插图。如果你开始流式播放YouTube，首先数据包会经过internet PDU，在internet PDU中，数据包应该映射到QoS Flow3。然后你可能会问“YouTube IP包如何被定向（映射）到QoS Flow3”。在上行IP分组中也会有类似的问题。这种映射同时在下行和上行IP分组中进行，如下所述。

3.1 下行数据包映射

       下行数据包的QoS流和IP数据包之间的映射由UPF完成。在UPF中有一个特殊的映射算法，称为PDR（Packet Detection Rule）。对于每个IP包，PDR检查包过滤器配置中定义的包的信息（源和目的IP地址和端口、协议ID、服务类型等定义在38.501-5.7.6.2,5.7.6.3），并将包重定向到特定的QoS流。PDR是由SMF与PCF相互获取的，并由SMF提供给UPF。

3.2 上行数据包映射

       上行数据包的IP报文与QoS流之间的映射是通过终端完成的。UE根据QoS规则进行映射。UE如何获得这些QoS规则？通过以下方式为终端提供大致的QoS规则（详见38.501 - 5.7.1.4）

• 通过信令消息：网络可以在NAS消息的PDU Session Establishment / Modification流程中通知UE QoS规则；
• 预先配置
• UE通过Reflective QoS隐式生成；

QoS规则包含关联的QoS流的QFI、包过滤集和优先级值，示例如下：

四、QoS 参数

       NR QoS涉及多个不同的参数。根据23.501-5.7.2，NR QoS参数列表如下。其中一些参数很容易理解（例如5QI、比特率、包丢失率），但我需要更多的时间来清楚地理解其他一些参数（例如ARP、RQA、Notification Control）。

• 5QI
• ARP (Allocation and Retention Priority)
• RQA (Reflective QoS Attribute)
• Notification Control
• Flow Bit Rates
  • Guaranteed Flow Bit Rate (GFBR)
  • Maximum Flow Bit Rate (MFBR)
• Aggregate Bit Rates
  • per Session Aggregate Maximum Bit Rate (Session-AMBR)
  • per UE Aggregate Maximum Bit Rate (UE-AMBR)
• Maximum Packet Loss Rate

其中许多参数是在创建QoS流时在发信消息中明确指定的。以下*PDU Session Establishment Accept *消息的示例显示了其中的QoS参数。

PDU Session Resource Setup Request (NGAP : RAN <- 5GC)

PDU Session Establishment Accept/DL NAS Transport (NAS : UE <- 5GC)

rrcReconfiguration

PDU SessionResource Setup Response (NGAP : RAN -> 5GC)