【5G核心网】Qos model Qos 模型

程序员文章站 2022-06-16 08:16:20

1. 概述...

TS 23501 5.7 章节

根据 Qos 和付费特在分类：

- 不额外付费：无额外 Qos 保障，通常时 Non-GBR（微信，QQ，抖音小视频，手机里 99% 都属于此类）

- 额外付费：有额外保障。可以时 GBR,

- 不额外付费也有 Qos 保障：通常是运营商希望大力扶持的自有业务。如 VoLTE

1. Qos Flow

5G QoS 模型基于 Qos 流，5G QoS 模型支持保证流比特速率（GBR QoS）和非保证流比特速率（Non-GBR），5G QoS 模型还支持反射 QoS（参考章节 5.7.5）

GBR QoS

Non-GBR

反射 QoS

QoS 流是 PDU 会话中 QoS 区分的最精细粒度，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 的用户平面流量收到相同的流量转发处理（如调度、准入阈值）。QFI 承载在 N3 （N9）上的封装头中。无需更改端到端的包头。QFI 用于所有 PDU 会话类型，QFI 在一个 PDU 会话中是唯一的，QFI 可以动态分配，或者等于 5QI

在 5GS，QoS 流由 SMF 控制，可以预配置或通过 PDU 会话建立和修改流程来建立

任何QoS流的特征在于

AN 配置 Qos，由 SMF 通过 AMF 在通过 N2 参考点到 AN，预先配置 AN

UE 配置 Qos，由 SMF 经由 AMF 透传，在经过 N1 参考点到 UE，或者通过发射 Qos 控制由 UE 得出的

UPD 配置 Qos，由 SMF 到 UPF 的一个或者多个 UL 和 DL PDR

在 5GS 中，一个 Qos 流关联的默认 Qos 规则在建立 PDU 会话是需要的，而且在整个 PDU 会话生命周期保持已经连接状态。这个 Oos 流必须是一个 Non-GBR Qos 流

5G 网络中实现 Qos 差异化保证的最佳粒度（4G 基于 EPS 承载）

不同的 Qos Flow 对应不同的 Qos 转发待遇

由运营商来决定如何 Qos Flow，通常同质 SDF 划分到一个 Qos Flow

2. Qos 配置文件

一个 Oos 流依据它的 Qos 配置文件可以是 “GBR” 或者非 “Non-GBR”。发送到（R）AN 的 Qos 流配置文件包含参数如下所示：

a. 对于每一个 Qos 流，Qos 配置文件包含的 Qos 参数：

5G QoS Identifier (5QI)

Allocation and Retention Priority (ARP)

b. 对于每一个 Non-GBR Qos 流，Qos 配置文件还可能包括 Qos 参数

Reflective QoS Attribute (RQA) 反射 Qos 属性

c. 对于每一个 GBR Qos 流，Qos 流好包含参数

Guaranteed Flow Bit Rate (GFBR) - UL and DL 保证流比特率

Maximum Flow Bit Rate (MFBR) - UL and DL 最大流比特率

d. GBR Qos 流，Qos 配置文件还可能包含参数

Notification control 通知控制

Maximum Packet Loss Rate - UL and DL 最大丢包率

每一个 Qos 配置文件有一个对应的 QFI（QoS Flow identifier），QFI 不包含在 Qos 配置文件中

3. Qos 流的控制

3.1 Non-GBR Qos 流

标准化或者预先配置 5QI 使用需要在 QFI 的范围内（值不超过 64），5QI 可用来作为 Qos 流的 QFI

在 AN 预先配置默认的 ARP

向 RAN 发送 ARP 和 QFI 通过 N2 在 PDU 会话建立或者 PDU 会话修改流程，每次激活 PDU 会话的用户平面时使用 NG-RAN

3.2 其他情况（包括 GBR 和 Non-GBR）

使用动态分配的 QFI，5QI 可以标准化，预先配置或者动态分配

4. Qos 规则

UE 执行分类并标记 UL 用户面流量，例如依据 Qos 规则关联 UL 流量到 Qos 流。这些 Qos 规则可明确提供给 UE（例如使用PDU 会话建立 / 修改显式发送 QoS 规则），预先配置 UE 或者通过反射 Qos 得出。一个 Qos 规则包含 Qos 流对应的 QFI，一个包过滤集合以及一个优先级值。一个显示发送的 Qos 规则包含一个 Qos 规则标识符，这个标识符在 PDU 会话是唯一的并且有 SMF 生成。

相同的 Qos 流可以有多个 Qos 规则

对一个每个 PDU 会话建立，一个默认的 Qos 规则需要发送到 UE，并且关联到一个 Qos 流。对于 IP 类型或 ethenet 类型的PDU 会话，一个 PDU 会话只有一种默认规则，可以包含一个 Packet Filter Set 允许所有的 UL 包，这种情况高优先级值将被 Qos 规则使用。也就是默认 QoS 规则配置为允许通过所有上行包

无结构化类型的 PDU 会话，默认 QoS 规则不包含任何包过滤集（Packet Filter Set），这种情况默认 QoS 规则定义 PDU 会话内的所有包的处理方式

只要默认 QoS 规则不包含包过滤集合或包含一个允许所有 UL 数据包的包过滤集合，就不应将反射 QoS 应用于与默认 QoS 规则关联的 QoS 流，并且不应该为这个 QoS 流发送 RQA

5. Qos 流映射

SMF 依据 Qos 和服务的需求执行 SDF 绑定到 Qos 流， SMF 为一个新的 Qos 流分配 QFI 以及导出 Qos 配置文件，相应的 UPF 指令，从 PCC 规则得到的 Qos 规则，PCF 提供的其他信息

SMF -> (R)AN，SMF 向（R）AN 提供以下信息：

- QFI

- Qos 配置文件

SMF->UPF，SMF 向 UPF 提供如下信息来开启分类，带宽执行以及标记用户面流量：

- DL PDR / UL PDR

- PDR precedence value

- QoS related information（MBR for an SDF, GFBR and MFBR for a GBR QoS Flow）

- 对应的包标记信息（he QFI, the transport level packet marking value（the DSCP value of the outer IP header））

- 对于 DL PDR，Reflective QoS Indication 是可选的

SMF->UE

- 唯一的 Qos 规则标识符

- QoS 规则中的 QFI ，设置为 PCC规则绑定的 QoS 流的 QFI

- QoS 规则的包过滤集，是根据 PCC 规则的 UL SDF 过滤器和 DL SDF 过滤器生成的

- QoS 规则优先级值，设置为为其生成 QoS 规则的 PCC 规则的优先级值

- 动态分配的 QFI，除了与 QoS 流相关联的 QoS 规则外，还向 UE 发送 QoS 流级别 QoS 参数（例如 5QI, GFBR, MFBR, Averaging Window, see TS 24.501）

注意： SMF 不能提供更新或者移除为 UE 预先配置的 Qos 规则或者 UE 推导出的 Qos 规则

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Figure 5.7.1.5-1: The principle for classification and User Plane marking for QoS Flows and mapping to AN Resources

下行方向，UPF 基于 DL PDR 包过滤集以优先级序分类收到的数据包（无需发起额外的 N4 信令）。UPF 通过一个 N3（N9）使用 QFI 标记用户面，传达用户面流量属于一个 Qos 流的分类。AN 绑定 Qos 流到 AN 资源（例如 3GPP RAN场景下的数据无线承载）

如果没有匹配的 DL PDR，UPF 将丢弃 DL 数据包

上行方向，IP 类型或者以太网类型的 PDU 会话，UE 根据 QoS 规则的优先级值按升序，对 QoS 规则中包过滤集中的 UL 数据包评估，直到找到匹配的 QoS 规则

如果没有匹配的 Qos 规则，UE 将丢弃 UL 数据包

对于无结构化 PDU 会话，默认 Qos 规则没有包含一个包过滤集，将允许所有 UL 包

5.1 DL 流量

以下特征适用于 DL 流量的处理：

- UPF 基于 PDR 映射用户面流量到 Qos 流

- UPF 执行Session-AMBR 并计数要收费的数据包

- UPF 在 5GC 于 (R)AN 之间的隧道传输 PDU

- UPF 在 DL 每一个 Qos 流执行传输层包标记，使用 SMF 提供的传输层包标记值

- (R)AN 基于 QFI 以及 5G Qos 关联的配置文件，从 Qos 流到接入指定资源映射 PDU，也考虑 DL 包关联的 N3 隧道

5.2 UL 流量

以下特征适用于 UL 流量的处理：

- UE 使用已存储的 Qos 规则来决定在 UL 用户名流量和 Qos 流的映射。UE 以 Qos 规则（以下特征适用于 DL 流量的处理：）的 QFI 标记 UL PDU，以及使用相应的接入特定资源来传输 UL PDU

- (R)AN 通过 N3 隧道向 UPF 传输 PDU。在 UL PDU 包裹头李含有 QFI 值

- (R)AN 执行传输层包标记

- UPF 验证 UL PDU 中的 QFI 是否与提供给 UE 的 QoS 规则对齐，或者反射 Qos 情况由 UE 隐式推导

- UPF 和 UE 执行 Session-AMBR，以及 UPF 执行付费包的计数

5.3 AMBR/MFBR 执行和速率限制

5.3.1 UL Classifier PDU Sessions

5.3.2 multi-homed PDU Sessions

5.4 优先级值

6. 5G Qos 参数

6.1 5QI

5QI 是一个标量，用作 5G QoS 特性的一个参考。scheduling weights, admission thresholds, queue management thresholds, link layer protocol configuration

5G Qos 特性在 AN 预先配置 5QI

6.2 ARP

ARP 参数包含优先级、抢占能力、被抢占等信息。优先级定义了资源请求的重要性，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。它也可用于确定在资源限制期间要抢占哪个现有 QoS 流

ARP 优先级的范围 1~15，1 为最高优先级

ARP 优先级 1-8 应该只被分配给服务资源，这些被授权在运营商域内接受优先处理，ARP 优先级 9-15 可以被分配的资源，其由归属网络授权并因此在 UE 漫游时适用

ARP pre-emption capability： 定义一个 SDF 是否可以从低 ARP 优先级获取资源

ARP pre-emption vulnerability：定义了一个 SDF 是否可以被搞 ARP 优先级抢占资源

6.3 RQA

RQA 是一个可选参数，其指示了此 QoS 流上承载的某些流量受反射 QoS 的影响。仅当在 Qos 流中 RQA 被发送，(R)AN 为这个流对应的 AN 资源开启传输 RQI。在 Qos 流建立或者修改阶段，RQA 可以通过 N2 参考点以 UE 上下文建立发送到 NG-RAN

6.4 通知控制

通知控制参数指示当 GFBR 不再保证，是否从 NG-RAN 的请求通知，如果应用流量在 Qos 可以修改，通知控制可以用作一个 GBR Qos 流

对于给定的 GBR Qos 流，通知控制开启以及 NG-RAN 决定 GFBR 不能在保证，NG-RAN 将向 SMF 发送一个通知

一旦从 NG-RAN 接收一个 GFBR 不能在保证的通知，SMF 可转发通知到 PCF，5GC 可发起 N2 信令来修改或者移除 Qos 流

6.5 流比特率

对于 GBR QoS 流，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 表示将比特率限制为 QoS 流所期望的最高比特率（例如，超过流量可能被 UE/RAN/UPF 丢弃或者延时传输）。通过 QoS 流的优先级提供相应的优先级，比特率在 GFBR 和 MFBR 的范围内

6.6 聚合比特率

per Session Aggregate Maximum Bit Rate （Session-AMBR）会话聚合最大比特率

Session-AMBR 用户订阅数据，SMF 从 UDM 检索；SMF 可以使用订阅的 Session-AMBR，或者根据本地策略进行修改后，或使用从 PCF 获取授权的 Session-AMBR。

per UE Aggregate Maximum Bit Rate (UE-AMBR)

UE-AMBR 限制了所有的 Non-GBR QoS 流比特率之和的上限。每一个 (R)AN 设置 UE-AMBR 为所有 Session-AMBR 总和。

UE-AMBR 是用户订阅数据，AMF 从UDM 检索出来提供给 RAN。UE-AMBR 应用于 Non-GBR QoS 流，不应用于 GBR QoS 流

6.7 默认值

对于每个 PDU 会话的建立，SMF 从 UDM 检索订阅的默认 5Q I和 ARP。订阅的默认 5QI 值是一个标准化范围的 Non-GRB 5QI

对于默认的 5QI 和 ARP 优先级，SMF 可基于本地配置或者与 PCF 交互更改 Qos 流的默认 Qos 参数订阅值

SMF 基于本地配置或者与 PCF 交互，可以设置 ARP pre-emption capability 和 ARP pre-emption vulnerability Qos 流

6.8 最大丢包率

最大丢包率（UL / DL）表示在上行或者下行方向可以容忍的最大丢包率，最大丢包率参数在 GFBR 的 QoS 流上提供

注：R15 最大丢包率（上行、下行）参数仅在属于语音媒体的 GBR QoS 流上提供

7. 5G Qos 特性

本节阐明了 5G Qos 特性以及关联的 5QI，特性描述了包转发处理，在 UE 和 UPF 接收的边到边的 Qos 流涉及以下性能特性：

Resource Type (GBR, Delay critical GBR or Non-GBR);

Priority Level;

Packet Delay Budget;

Packet Error Rate;

Averaging window (for GBR and Delay-critical GBR resource type only);

Maximum Data Burst Volume (for Delay-critical GBR resource type only).

7.1 Resource Type 资源类型

资源类型决定是否专用网络资源相关的 GFBR 值是永久分配的，GBR / Delay critical GBR / Non-GBR

7.2 Priority Level 优先级别

Priority Level 指明了在 Qos 流调度资源的优先级，最小的优先级值对应最高的优先级。

7.3 Packet Delay Budget 包延迟预算

PDB 定义了在 UE 和 UPF 终止点 N6 接口数据包传输时延的上限，

7.4 Packet Error Rate 误包率

7.5 Averaging Window 平均窗口

每一个 GBR Flow 对应一个平均窗口，平均窗口表示计算 GFBR 和 MFBR 的持续时间

7.6 Maximum Data Burst Volume 最大数据突发量

每一个带有 Delay-critical 资源类型的 GBR Qos 流都关联一个 MDBV （Maximum Data Burst Volume）

MDBV 标识 5G-AN 在一个 5G-AN PDB （Packet Delay Budget）时期内需要服务的最大数据量

8. Packet Filter Set 包过滤器集

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，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 ethenet 包过滤器集，分别对应于 PDU 会话类型

8.1 IP Packet Filter Set

IP 类型的 PDU 会话，包过滤集至少支持以下任意组合：

- Source/destination IP address or IPv6 prefix.

- Source / destination port number.

- Protocol ID of the protocol above IP/Next header type.

- Type of Service (TOS) (IPv4) / Traffic class (IPv6) and Mask.

- Flow Label (IPv6).

- Security parameter index.

- Packet Filter direction.

8.2 Ethernet Packet Filter Set

- Source/destination MAC address

- Ethertype as defined in IEEE 802.3 [yy]

- Customer-VLAN tag (C-TAG) and/or Service-VLAN tag (S-TAG) VID fields as defined in IEEE 802.1Q

- Customer-VLAN tag (C-TAG) and/or Service-VLAN tag (S-TAG) PCP/DEI fields as defined in IEEE 802.1Q

- IP Packet Filter Set, in the case that Ethertype indicates IPv4/IPv6 payload.

- Packet Filter direction.

名词缩写：

AMBR： Aggregated Maximum Bit Rate 聚合最大比特率

GBR QoS： guaranteed flow bit rate，保证比特速率。使用 GBR 资源类型或延迟关键 GBR 资源类型并要求保证流量比特率的 QoS 流

GFBR： Guaranteed Flow Bit Rate 保证流量比特率

MDBV： Maximum Data Burst Volume 最大数据突发量

MFBR： Maximum Flow Bit Rate 最大流量比特率

PDB：Packet Delay Budget 包延迟预算

PER：Packet Error Rate 误包率

QFI：Qos Flow Identifier QoS流标识符

SDF： Service Data Flow 服务数据流

参考：

TS 23501 5.7

TS 24.501

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