基于4/5G 融合網(wǎng)絡QoS 差異化服務關鍵技術研究

朱佳琳 ，張 敏 ，李 凱 ，劉 心 ，張麗偉

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國電信股份有限公司，北京 100010）

0 引言

聚焦“十四五”規(guī)劃，我國將以“新基建”的持續(xù)深化發(fā)展作為未來五年發(fā)展的主要目標之一，其中加快5G網(wǎng)絡的建設和部署已成為工作重心。自2019 年工信部宣布5G 正式商用以來，四大運營商開始紛紛聚焦5G 網(wǎng)絡規(guī)模化部署，已累計建成基站110 多萬個，終端連接數(shù)超過4 億個。在現(xiàn)網(wǎng)移動通信過程中，考慮到通信現(xiàn)網(wǎng)存量狀況以及未來網(wǎng)絡發(fā)展趨勢等因素，在5G 部署不完善的情況下還需要長時間通過4/5G 網(wǎng)絡融合來保障用戶具有連續(xù)的業(yè)務體驗。4G 和5G 融合網(wǎng)絡的建設不但可以提升網(wǎng)絡的運營能力，還可以進一步縮短5G網(wǎng)絡的建設時間，為5G 網(wǎng)絡的普及打下堅實的基礎。

隨著5G 網(wǎng)絡技術的不斷成熟，眾多通信場景如增強移動帶寬（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超高可靠低時延通信（URLLC）等紛紛呈現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡需求[1]。在現(xiàn)網(wǎng)部署和運營過程中，設計4/5G 融合組網(wǎng)條件下QoS的差異化服務方案，以便為一些特定的用戶群體、應用、垂直企業(yè)等提供差異化的網(wǎng)絡保障能力已成為業(yè)內的聚焦點。一些運營商采用AF 直接與4G 的PCRF 交互，然后通過PCRF 與PCF 的交互間接實現(xiàn)混合組網(wǎng)條件下AF 與PCF 交互，從而實現(xiàn)QoS 服務。根據(jù)現(xiàn)有的協(xié)議和標準，上述技術方案是可行的。但考慮到AF 作為給第三方提供網(wǎng)絡能力的直接對接平臺，需要具備主動識別用戶接入形態(tài)的能力。同時5G 用戶通過4G 的PCRF 網(wǎng)元實現(xiàn)QoS 的能力調用增加了4/5G 網(wǎng)絡網(wǎng)元間的耦合，不利于網(wǎng)絡的長期演進?？紤]到現(xiàn)存技術方案存在的不足，本文提出了一種實現(xiàn)4/5G 網(wǎng)絡QoS 差異化服務融合部署和統(tǒng)一調用的方案，實現(xiàn)了全網(wǎng)根據(jù)業(yè)務按需部署、路由靈活調配、資源智能分配、能力開放調度等多樣、個性化的網(wǎng)絡能力。

1 移動通信網(wǎng)絡中的4/5G QoS 技術

1.1 4G 網(wǎng)絡中的QoS 原理

4G 網(wǎng)絡中的QoS 架構基于扁平化的網(wǎng)絡結構設計提供了端到端的QoS 保障。區(qū)別于3G 時代的QoS，4G中的QoS 雖然保留了分層次、分區(qū)域的體系設計，但是上層QoS 需求會被分解至下層QoS，上層僅使用下層的服務而并不關心下層的實現(xiàn)細節(jié)。

基于EPS 承載的4G QoS 架構圖如圖1 所示[2]。其網(wǎng)絡提供的差異化QoS 能力由UE（User Equipment）、eNodeB（Evolved Node B）、S-GW（Serving Gateway）、PGW（PDN Gateway）共同保障，通過QCI 來區(qū)分不同保障等級的QoS 承載。根據(jù)處理范圍，EPS 分為處理無線接入網(wǎng)相關技術的LTE 部分和處理核心網(wǎng)相關技術的EPC 部分；根據(jù)建立時間，可以分類為默認承載與專用承載；根據(jù)業(yè)務類型分類，則可將EPS 分類為保證比特率（Guaranteed Bit Rate，GBR）承載與Non-GBR 承載[3]。

圖1 4G QoS 承載架構

1.2 5G 網(wǎng)絡中的QoS

5G 網(wǎng)絡的QoS 模型是以QoS 流為基礎，支持GBR、non-GBR 以及Delay Critical GBR。在非接入層（Non-Access-Stratum，NAS）層面，QoS 流在PDU 會話內部通過一個封裝在NG-U 頭部的參數(shù)QoS Flow ID（即QFI）來標識。與4G 網(wǎng)絡的QCI 相似，5G 網(wǎng)絡中使用5QI 區(qū)分不同的QoS 等級，其值代表標準的或者預設的5G QoS 特性。

圖2 所示為3GPP 標準定義的5G QoS 端到端模型架構[4-5]。對于每個UE，5GC 可以建立一個或者多個PDU 會話，對于每個UE 的每個PDU 會話，NG-RAN 建立一個或者多個DRB，NG-RAN 能夠將數(shù)據(jù)包映射到不同PDU 會話的不同DRB上，NG-RAN 至少為每個PDU會話建立一個缺省DRB。UE 和5GC 中的NAS 級的包過濾器都能把上下行數(shù)據(jù)包和特定的QoS Flow 關聯(lián)，UE和NG-RAN 中的AS 應用級映射規(guī)則能夠將上下行QoS Flow 和DRB 關聯(lián)。NG-RAN 和5G-C通過將數(shù)據(jù)包映射到相關的QoS Flow 和DRB 來執(zhí)行QoS 配置，包含如下兩個步驟[4]：一是將IP-Flow 映射到QoS Flow，二是將QoS Flow 映射到DRB。

圖2 5G QoS 端到端模型架構

1.3 4/5G QoS 差異性分析

在現(xiàn)有的協(xié)議標準中，5G 網(wǎng)絡相比于4G 網(wǎng)絡中的QoS 存在很大的不同：（1）4G 中EPS 承載和DRB 是一一對應的，而5G 中QoS 流和DRB 可以存在多對一的映射關系，降低了交互流程；（2）5G 中新引入了Reflective QoS機制，大大減少了信令開銷；（3）在用戶面隧道方面，4G中S1 口隧道基于每個EPS 承載創(chuàng)建，而5G 則基于每個會話建立隧道；（4）5G 中引入了新的QoS 參數(shù)（RQA、Notification control）以及新的資源類型（delay critical GBR）；（5）4G 使用一層映射實現(xiàn)TFT 直接映射到DRB上，5G由于模型特點采用兩層映射，先根據(jù)TFT 映射到QoS流，再根據(jù)QoS 流ID 映射到RAN DRB。

從實際的差異化保障實現(xiàn)方式上看，4/5G 網(wǎng)絡也有所區(qū)別。在4G 移動網(wǎng)絡中，QoS 平臺（AF/SCEF）與核心網(wǎng)PCRF 建立基于Diameter 協(xié)議的Rx 會話，通過Rx 會話下發(fā)QoS 策略到EPC 核心網(wǎng)，進而觸發(fā)建立對應QoS策略的專有承載，通過在無線側執(zhí)行核心網(wǎng)下發(fā)的QoS策略，從而實現(xiàn)4G 網(wǎng)絡的QoS 差異化服務。而在5G 移動網(wǎng)絡中，QoS 平臺（AF/NEF）與核心網(wǎng)PCF 建立基于HTTP2 協(xié)議的N5 會話，通過N5 會話下發(fā)QoS 策略到5GC 核心網(wǎng)，5GC 核心網(wǎng)觸發(fā)建立對應策略的QoS流，在無線側執(zhí)行對應的QoS 策略，從而實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡的差異化服務。

1.4 4/5G 融合網(wǎng)絡QoS 技術關鍵研究問題

基于現(xiàn)階段對4/5G 融合網(wǎng)絡建設的迫切需求，結合4/5G 網(wǎng)絡QoS 機制的差異性，在研究4/5G 融合的移動網(wǎng)絡QoS 能力開放架構和部署時應重點關注如下幾個方面：

對發(fā)電機整體在安裝彈性支撐為12 kN/mm的彈性支撐時進行模態(tài)仿真分析，彈性支撐主要參數(shù)如表7和表8所示，前9階振動頻率如表9所示，其中前9階靜態(tài)剛度時振型如圖4所示(由于前9階振型一致只是頻率不一致，動態(tài)剛度振型圖在此省略)。

（1）自動識別用戶網(wǎng)絡狀態(tài)：現(xiàn)有技術是已知4G 或5G 用戶的條件下分別執(zhí)行QoS 策略的下發(fā)和能力調度，但在4/5G 融合網(wǎng)絡中考慮到終端用戶可能是在無線側通過4G LTE 網(wǎng)絡接入的5G 用戶，僅從無線側無法判斷用戶真實的網(wǎng)絡狀態(tài)，即需要QoS 平臺具備主動識別用戶網(wǎng)絡狀態(tài)的能力，內部及時區(qū)分4G、5G 網(wǎng)絡用戶并進行差異化處理。

（2）集約部署、統(tǒng)一調度：面對4/5G 網(wǎng)絡架構的差異性，應設計集約型的融合網(wǎng)絡架構，使得在用戶面可以屏蔽4/5G 網(wǎng)絡的差異享受無感知的定制化網(wǎng)絡保障能力。同時應設計一套融合化接口供全網(wǎng)統(tǒng)一調度，達到全網(wǎng)體驗一致的效果。

（3）4/5G 融合的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)感知功能：該功能可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動收集、智能分析網(wǎng)絡狀態(tài)、感知網(wǎng)絡性能，進而輔助QoS 平臺對差異化網(wǎng)絡保障能力做動態(tài)調整，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的高效利用。

2 4/5G 網(wǎng)絡差異化服務方案的設計

2.1 4/5G 融合的QoS 組網(wǎng)架構

圖3 所示為本文設計的4/5G 融合的QoS 組網(wǎng)架構圖，其充分體現(xiàn)了融合部署和集約部署的組網(wǎng)架構優(yōu)勢，解決了QoS 業(yè)務對歸屬核心網(wǎng)網(wǎng)元的路由尋址問題。QoS 平臺同時對接4G 的EPC 核心網(wǎng)和5GC 核心網(wǎng)，對4G 用戶通過UE 號碼中的H 碼來尋址用戶歸屬省份的PCRF 網(wǎng)元，對5G 用戶通過大區(qū)HNRF 來尋址和發(fā)現(xiàn)用戶歸屬的PCF 網(wǎng)元，不僅解決了平臺QoS 策略下發(fā)時的路由和網(wǎng)元尋址問題，還對外屏蔽了4/5G 網(wǎng)絡層接口協(xié)議，實現(xiàn)一套接口調用全國各省網(wǎng)元進行QoS 差異化服務保障。

圖3 4/5G 融合的QoS 組網(wǎng)架構

2.2 QoS 平臺自動識別4/5G 用戶技術方案

在4/5G 融合組網(wǎng)的建設部署中，QoS 能力開放平臺需要具備主動識別用戶是4G 用戶還是5G 用戶的能力，以便將信令消息傳輸?shù)綄暮诵木W(wǎng)網(wǎng)元執(zhí)行相應的QoS 策略。由于5G 用戶可以是4G 無線接入也可以是5G 無線接入，故無法在無線側識別用戶形態(tài)。為此，本文設計當QoS 保障請求報文經(jīng)過PGW 或UPF 網(wǎng)元時，在用戶業(yè)務HTTP/HTTPS 報文中插入一個特有的標識，該標識隨著QoS 保障請求傳遞給QoS 平臺，從而使得QoS 平臺具有自動識別4/5G 用戶的能力。

2.3 4/5G 融合QoS 端到端業(yè)務流程設計

基于圖3 所示的組網(wǎng)架構，當終端用戶發(fā)起QoS 保障請求時，QoS 平臺通過鑒別是4G 用戶還是5G 用戶將請求消息傳遞給對應的核心網(wǎng)進而完成QoS 保障業(yè)務。下面以用于戶外直播或視頻播放等場景的終端APP 請求穩(wěn)定帶寬保障的QoS 業(yè)務為例，將流程設計如下[6-8]：

（1）終端APP 向QoS 平臺請求token；

（2）token 請求會經(jīng)過核心網(wǎng)網(wǎng)關，如果是4G 用戶，token 請求經(jīng)過PGW 網(wǎng)關，PGW 執(zhí)行頭增強插入4G 網(wǎng)絡標識；如果是5G 用戶，token 請求會經(jīng)過UPF 網(wǎng)關，UPF執(zhí)行頭增強插入5G 網(wǎng)絡標識；

（3）QoS 平臺接收到token 請求后，生成token，token中攜帶用戶4/5G 網(wǎng)絡標識等信息，并將token 加密發(fā)送給終端APP；

（4）終端APP 發(fā)起QoS 保障請求，保障請求中攜帶前述步驟獲得的token 以及需要保障的GBR 帶寬等信息。

（5）QoS 平臺收到保障請求后，解密token，并根據(jù)token中攜帶的網(wǎng)絡標識區(qū)分用戶是4G 還是5G 用戶，若是4G 用戶執(zhí)行步驟（6），若是5G 用戶執(zhí)行步驟（7）；

（6）若識別為4G 用戶，QoS 平臺根據(jù)用戶的H 碼路由用戶歸屬的PCRF 網(wǎng)元，并向PCRF 發(fā)起AAR 保障請求，建立GBR 專有承載，并向終端APP 發(fā)送保障成功響應。

（7）若識別為5G 用戶，QoS 平臺向HNRF 尋址用戶的歸屬PCF 網(wǎng)元，向獲取到的PCF 發(fā)送Npcf_PolicyAuthorization 服務請求，建立GBR 的QoS Flow 流用于承載用戶保障的業(yè)務，并向終端APP 發(fā)起保障成功的響應。

具體業(yè)務流程如圖4 所示，通過上述的業(yè)務流程，可以實現(xiàn)4/5G 用戶對不同網(wǎng)絡能力需求的配置，保障了QoS 業(yè)務的施行，對于運營商網(wǎng)絡功能的擴展具有重要意義。

圖4 QoS 端到端業(yè)務流程圖

3 結論

本文創(chuàng)新性地提出4/5G 網(wǎng)絡中差異化服務融合部署和統(tǒng)一調用的方法，填補了當前技術以及行業(yè)標準中的空白。該方法不僅為用戶提供可靠的低時延、穩(wěn)定的大帶寬等QoS 服務，同時面向ToB、ToC 市場打造行業(yè)級的全網(wǎng)個性化服務保障體驗?；诒疚奶岢龅腝oS 架構，未來可以結合網(wǎng)絡切片、MEC、流量引導、通知控制等技術實現(xiàn)支持人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多場景下的能力開放，這也必將為運營商的發(fā)展迎來新的契機和挑戰(zhàn)。