垂直行业5G QoS解决方案研究*

2021-08-06刘重军

通信技术 2021年7期

陈林，刘重军，杨波

（京信网络系统股份有限公司，广东广州 510663）

0 引言

高可靠与低时延通信（Ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）是第三代合作伙伴计划（Third Generation Partnership Project，3GPP）标准定义的三大应用场景之一[1]。3GPP协议经过R15和R16版本的讨论，目前已具备部署及应用的条件。URLLC主要应用于垂直行业的增强现实（Augmented Reality，AR）和虚拟现实（Virtual Reality，VR）、工厂自动化、传输工业、远程驾驶和电力分配等行业[2]。由于应用场景的不同，垂直行业的业务特性千差万别，有的业务需要满足高可靠性（99.999 9%），有的业务需要满足低时延（1 ms空口延迟），使用标准5G服务质量标识符（5G QoS Identifier，5QI）（5QI取值1～86）的解决方案已不能满足垂直行业准确识别业务的需求[2]。本文通过分析3GPP标准的进展，提供一种满足垂直行业需求特性的QoS端到端解决方案。

1 QoS扩展5QI方案设计

1.1 垂直行业标准5QI进展

3GPP标准针对垂直行业的典型应用：工厂自动化-移动机器人、工厂自动化-运动控制、智能交通、电力配电和车用无线通信技术（Vehicleto-Everything，V2X）等场景[3]，新增标准5QI值82～86[4]。这些业务的资源类型统一定义为时延敏感（Delay Critical）保证比特率（G uaranteed Bit Rate，GBR）。标准5QI定义了缺省优先级等级、包延迟预算、包误码率、缺省最大数据大小和缺省平均时间窗大小等指标。目前标准TS 23.501中仅支持5种标准5QI时延敏感GBR业务，而工业应用场景具有大量的业务特性，如帧大小、包延迟、优先级等，但标准5QIs（5QI取值1～6）不能满足全部需求[5-7]。基于以上的原因，需要引入扩展5QIs来适应不同的时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）业务特性。

1.2 扩展5QI方案设计

1.2.1 智能矿井场景

智能矿井场景主要包括以下业务[8]：摄像头业务、采煤机惯导业务、掘进机控制业务和机器人巡检业务等。5G具有大带宽、低时延和高可靠性的特点。大带宽的特征能够解决矿井下大量视频数据的快速传输。低时延和高可靠性的特征能够满足矿井设备的远程控制。5G技术应用于煤矿井下，可以准确获取井下各种工作数据和环境视频。图1中为摄像头1和摄像头2采集环境视频数据，控制器向地面发送一些远程控制命令。摄像头1、摄像头2和控制器连接到工业无线客户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）的不同端口，终端CPE通过射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）和基站之间进行无线通信。终端CPE使用一个IP地址进行通信。

矿井场景典型应用5G网络需求如表1所示。

表1 智能矿井5G网络需求

1.2.2 扩展5QI方案

首先分析扩展5QI在终端、核心网和基站之间的信令交互流程[9]，如图2所示。方案主要包括14个步骤，本文主要分析和扩展5QI处理相关的几个步骤。

步骤1：用户设备（User Equipment，UE）发给核心网访问和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模块的 PDU Session Establishment Request是一条非接入层（Non-Access Stratum，NAS）消息，包含S-NSSAI（s）、UE Requested DNN、PDU Session ID、Request type和N1 SM container等。其中，UE Requested DNN用于触发不同的业务。该消息用于发起PDU会话建立请求。

步骤2：AMF模块收到终端发送的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话建立请求消息，选择会话管理的会话管理功能（Session Management Function，SMF）。

步骤3：AMF模块向SMF模块发送会话管理上下文创建请求。

步骤4：SMF模块和统一数据管理（U nified Data Management，UDM）模块进行信令交互，获得终端的签约信息，包括切片、数据网络名称（Data Network Name，DNN）、QoS档案和会话和服务连续性（Session and Service Continuity，SSC）模式等信息；其中，QoS档案信息包括5QI的取值、分配和保留优先级（Allocation and Retention Priority，ARP）、会话聚合速率等。

步骤5：在UDM完成PDU会话的连接管理注册和取回会话管理签约信息之后，SMF向AMF回送创建上下文的响应消息。

步骤6：PDU会话认证和授权过程。

步骤12：N2 PDU Session Request是一条NAS消息，包含在高层的PDU Session Resource Setup Request消息中[10]。该消息中包含PDU Session Resource Setup Request Transfer信元和NAS-PDU信元。其中，前者包含的QoS Flow Level QoS Parameters信元中包含5QI值，用于通知基站当前业务的5QI值；后者NAS-PDU具体为包含PDU Session Establishment Accept的NAS消息，其QoS Flow Level QoS Parameters信元中同样包含5QI值。

步骤13：基站把NAS消息PDU Session Establishment Accept透传给UE，其中携带业务的5QI值；NAS消息包含在高层的RRC Reconfiguration消息中。

步骤14：基站对PDU会话进行资源分配，向AMF模块回建立响应。

通过以上由UE触发的PDU会话建立过程，UE、核心网和基站之间就建立了标识具体业务的扩展5QI值的传递。扩展5QI值的使用示例如表2所示，其中，扩展5QI的取值范围为100～255。

表2 扩展5QI使用示例

1.2.3 上行QoS框架

上行5QI端到端QoS映射的框架如图3所示[11]。端口号+IP地址的业务映射到对应的IP流，如：端口号1+IP地址映射到IP Flow1，端口号2+IP地址映射到IP Flow2。

UE根据核心网NAS消息配置的QoS规则把IP flows映射到QoS流标识符（QoS Flow Identifier，QFIs），UE的服务发现应用规范（Service Discovery Application Profile，SDAP）模块再根据gNB RRC消息配置的规则把QFI映射到对应的数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB），多个QFI可以映射到一个DRB。5G基站（Generation NodeB，gNB）的SDAP模块把QFI解出发给核心网的用户面功能（User Plane Function，UPF）模块，核心网的UPF模块还原出IP flows。

1.2.4 控制信息调度

基站侧根据核心网带过来扩展5QI字段判决是下行远程控制业务还是上行AI机器视觉。对下行远程控制业务，基站侧作为半静态调度（Semi-persistent Scheduling，SP S）业务进行调度；通过无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）参数对UE SPS-config中的mcs-Table字段配置为“qam64LowSE”，触发物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）的物理下行控制信道（P hysical Downlink Control Channel，PDCCH）由配置调度无线网络临时标识符（Configured Scheduling Radio Network Temporary Identity，CS-RNTI）加扰；调度器分配空口资源时使用NR 38.214协议为URLLC业务设计的低码率调制编码方案（M odulation and Coding Scheme，MCS）表Table 5.1.3.1-3。对扩展5QI为102的上行AI机器视觉业务，在没有使用传输预编码且UE没有配置MCS-C-RNTI，RRC层pusch-Config中的mcs-Table设置为“qam64LowSE”，调度PUSCH的PDCCH由C-RNTI或者SP-CSI-RNTI加扰，则调度PUSCH分配空口资源时使用38.214中定义的低码率MCS表Table 5.1.3.1-3。如果PUSCH使用传输预编码，则使用NR协议38.214中定义的MCS表Table 6.1.4.1-2[12]。

2 URLLC QoS监测和冗余设计

2.1 URLLC QoS监测

URLLC业务对传输时延要求较高，在R16协议中为了URLLC业务的时延进行监控，针对URLLC业务引入了QoS监测功能。QoS监测用于包延迟的测量，UE和锚点UPF之间的延迟由空口延迟和下一代无线接入网（Next Generation Radio Access Network，NG-RAN）和锚点UPF的包延迟组成。其中NG-RAN负责提供空口延迟的QoS监测。QoS监测可以基于不同等级的粒度，如UE级每个QoS流的粒度和用户面通用分组无线业务隧道协议（General Packet Radio Service Tunnelling Protocol for User Plane，GTP-U）路径级的粒度。下面以UE级每个QoS流的粒度进行描述[4]。

SMF在PDU会话建立或会话修改流程中激活UE和锚点UPF之间针对QoS流的端到端上行/下行数据包时延测量。SMF分别通过N2、N4接口向NG-RAN和锚点UPF发送QoS监测请求，QoS监测请求可以包含SMF根据从策略控制功能（Policy Control Function，PCF）接收的授权的QoS监测策略和本地配置确定的监测参数。NG-RAN根据SMF发送的QoS监测请求，发起Uu接口上行/下行包时延测量。

当NG-RAN和锚点UPF之间时间同步时，可以支持NG-RAN和锚点UPF之间的单向数据包时延测量。当NG-RAN和锚点UPF之间时间不同步时，则假定NG-RAN和锚点UPF之间的上行数据包时延和下行数据包时延相同。

计算时延的流程[13]如下：

（1）当锚点UPF要发送下行监测报文时，会在GTP-U头中封装QFI、隧道端点标识（Tunnel End Point Identifier，TEID）、QoS监测报文（QoS Monitoring Packet，QMP）指示以及下行监测报文发送的本地时间T1；

（2）NG-RAN记录接收到的数据报文的GTP-U头中的T1和接收到下行监测报文时的本地时间T2，并发起Uu接口上下行数据包时延测量；

（3）当NG-RAN收到UE发送的上行数据包或者NG-RAN发送伪装的上行数据包作为监测响应时，NG-RAN将QMP指示、Uu接口上行/下行数据包时延结果、T1、T2以及NG-RAN发送该监测响应报文的本地时间T3封装在GTP-U头中发送给锚点UPF；

（4）NG-RAN发送伪装的上行数据包的时机取决于NG-RAN的实现；

（5）锚点UPF记录接收监测响应报文时的本地时间T4，并根据接收到的监测响应报文的GTP-U头中携带的时间信息，计算NG-RAN与锚点UPF之间的往返时延（时间不同步）和上行/下行数据包时延（时间同步）；

（6）锚点UPF根据(T2-T1+T4-T3)/2计算基站-UPF时延；

（7）锚点UPF根据接收到的UE-基站时延结果，以及刚才计算的基站-UPF时延，计算UE与锚点UPF之间的上/下行数据包时延；

（8）锚点UPF可以根据SMF上报门限等条件向SMF上报QoS监测结果。如果N3/N9接口冗余传输被激活，UPF和NG-RAN将同时对两条用户面路径进行QoS监测，UPF会将两条用户面路径的数据包时延分别上报给SMF。

QoS监测过程信令流程图参考协议23.725第6.8.2节。

2.2 核心网冗余设计

为了支持URLLC业务的高可靠性，核心网需要支持PDU会话的冗余传输功能。图4是UE建立双连接的端到端用户面路径冗余传输的示例[4]。

如图4所示，UE建立的冗余PDU会话对应的用户面连接互相独立。一个PDU会话的用户面对应UE、主 NG-RAN、UPF1，UPF1作为锚点 UPF；另一个PDU会话的用户面对应UE、辅NG-RAN、UPF2，UPF2作为锚点UPF。NG-RAN可以通过两个NG-RAN节点（主NG-RAN和辅NG-RAN）或者单一NG-RAN节点实现两个PDU会话的冗余用户面资源。

UE建立具有独立的用户面路径的两个PDU会话。这两个PDU会话可以是基于IP的PDU会话或基于Ethernet的PDU会话。尽管经过UPF1和UPF2的数据可能会经过不同的用户面节点路径，UPF1和UPF2需要连接到相同的数据网络。UE使用用户路由选择策略（UE Route Selection Policy，URSP）或本地配置实现两个冗余的PDU会话，并且将来自相同应用的复制数据流关联到这两个PDU会话。

3 基于TSN的QoS设计

3.1 TSN网络架构

5G系统支持传输时延敏感业务且允许5G系统作为一个桥透明地集成到一个IEEE TSN网络中。时间敏感系统的相关技术在IEEE802.1AS中描述。时间同步的基本原理是：TSN GM对从时钟（Slave Clocks）发送它的时间信息（using SYNC messages），沿途的每一个网络元素接收同步消息且对同步消息增加一个修正（同步消息的延迟，即停留时间）。5GS作为单个时间敏感系统，其停留时间通过外部接口间进行计算。5GS以用户面数据的方式透明地传递外部的点对点（Point to Point，P2P）消息。假定5GS系统内的结点都是同步的，则就可以知道PTP消息在5G系统内的停留时间且把停留时间“correctionField”加到PTP消息的头部[4]。

接入网对TSN网络的支持主要包括NR TSN增强相关的准确参考时间传送、QoS/调度增强和以太网头压缩等技术。

3.2 QoS方案设计

TSN工业场景业务和传统的无线业务有所区别。当使用TSC业务模式时满足无线Ethernet QoS的增强和支持TSC消息周期为NR支持的配置授权或半静态调度（Configured Grant/Semi-persistent Scheduling，CG/SPS）周期非整数倍的场景。TS N场景，支持多SPS和多CG配置。

3.2.1 TSN QoS flow业务模型

IEEE 802.1Qbv是最通用的TSN网络调度机理，如图5所示[14]。

从图5可看出输出的业务是在时间上是调度循环的，循环时间由GCL的执行周期决定。

3.2.2 TSN业务辅助标识

对TSN业务，控制信息是一种非常重要的业务。对下行控制信令用SPS业务表示，对上行控制信令用CG业务表示。在标准5QI表中，对传输时延敏感的业务只引入了4种标准5QI，对一些不同周期的控制信息，就无法用标准5QI表的某一个值来表示特定周期的业务。协议23.501中引入了TSC辅助信息来表示某种具体的业务，TSC辅助信息（Time Sensitive Communication Assistance Information，TSCAI）见表 3。