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【5G无线每日问答】5G QoS架构翻新,无线承载如何标记UE不同的业务流呢?

张巍巍 发表于 2021-9-10 09:40:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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问:5G QoS架构翻新,无线承载如何标记UE不同的业务流呢?

答:NR空口引入了SDAP协议层,引入该协议层的目的就是为了实现QoS流到空口DRB承载的映射。和LTE相比,NR的QoS流到承载映射更加灵活,映射的方式也更加复杂和多样。下面我们详细探讨一下NR中QoS流映射的机制。


图一.png

图一:4G 5G QoS架构对比


在介绍QoS流映射之前,我们首先来了解一下5G QoS管理的架构。5G和4G采用类似的QoS架构,4G以EPS承载作为QoS的管理的最小粒度而5G中以QoS流作为QoS的管理的最小粒度。

如图一所示,5GC会为每个 UE建立一个或多个 PDU会话。对于每个 UE,每个 PDU会话内可能会建立一个或多个 QoS流,。在一个会话中,SMF会给每条QoS流分配唯一的标识(QFI:QoS Flow ID)以及相应的QoS控制参数。


和4G网络相比,5G中的QoS流资源映射有两个明显的变化:

1. 隧道机制的变化:4G中每条EPS承载对应唯一一组TEID,而5G中一个PDU会话中所有的QoS流采用的是相同的隧道标识(TEID),因此RAN侧的QoS流识别不能通过传统的TEID直接区分。

2.QoS流到DRB映射方式的变化:4G中EPS承载和DRB必须是一对一的映射,而在 5G中QoS流和DRB既可以是一对一的映射,也可以是多对一的映射。一般情况下,当QoS流的数量没有超过DRB建立数量限制的时候,主要还是采用一对一的映射,这样更有利于QoS的保障。


QoS profile介绍:每条QoS流会绑定相应的QoS参数,这些参数需要传递给RAN侧进行QoS管理,这些参数就称之为QoS profile,主要包含如下参数:

1.  5QI(5G QoS Index):每条QoS流会会对应一系列的QoS要求,比如时延,丢包,速率要求等,为了简化参数的呈现,5G网络中采用5G QoS索引关联具体的参数,和LTE的QCI概念类似。和LTE相比,5QI的主要变化是引入了低时延类的承载类型,即delay critical GBR类的承载。规范中定义了标准的5QI的QoS要求,详见图二。5QI主要是用于业务阶段的QoS保障。

图二.png

图二: 标准5QI参数

2. ARP(Allocation Retenability Priority):分配保持优先级,该参数主要用于业务的准入控制以及拥塞控制,通过ARP的优先级实现相应的算法。ARP取值范围是1~15,取值越小表示优先级越高。

3. RQA(Reflective QoS Attribute):仅针对non-GBR的QoS流,用于指示上行采用反射QoS映射(可选)。

4. GFBR(Guaranteed Flow Bit Rate )和MFBR(Maximum Flow Bii Rate):仅针对GBR类型的业务流,用于速率控制。

5. UE-AMBR(UE Aggregation Maximum Bit Rate)和Session-AMBR:仅针对non-GBR类型的业务流,用于速率控制。

QoS流映射:5GC和 NG-RAN通过将报文映射到合适的 QoS流和 DRB上,来确保服务的质量。QoS流的映射包括NAS层映射和无线层映射两步,下行的映射由UPF和gNodeB分别完成,上行映射都在UE侧完成。

NAS层映射:NAS层映射的作用是将业务数据流(SDF)映射到到相应的QoS流,通过包过滤(Packet Filter)规则进行映射,如图三所示。一般配置下,包过滤规则通过IP五元组(源/目的 IP,源/目的 端口,数据方向)的方式进行数据包的识别,然后和对应的5QI和QFI进行关联,实现业务流到QoS流的映射。下行映射采用的是SDF模板中的PDR(Packet Description Rule),上行映射采用的是QoS rule。PDR规则直接由SMF传递给UPF使用,而QoS rule可以基于NAS信令由AMF下发给UE,也可以通过反射QoS的方式进行获取。关于反射QoS的实现,会在下文中详细介绍。下面我们来整理一下UPF和UE针对下行和上升数据流映射的过程:

当 UPF收到应用层的下行数据时, UPF会基于 SDF模板将用户面数据映射到 QoS流上,并通过N3隧道向gNodeB侧进行转发。前面我们提到过,一个PDU会话的下所有的QoS流都采用相同的隧道,因此为了标记不同的QoS流,UPF会在GTP-U的协议包头中封装QFI信息,gNodeB解析相应的包头就可以识别出当前业务流的QFI信息,根据QFI和5QI的对应关系,最终获取当前业务流的5QI。 

当UE收到应用层或服务层的上行数据时,会基于存储的 QoS rule来确定上行用户面数据与 QoS流之间的映射关系,并将上行 PDU标记上匹配的 QoS rule对应的 QFI。即 UE基于 QoS rule将用户面数据映射到 QoS流上。

图三.png

图三:QoS NAS层映射

图四.png

图四:上行QoS Rule配置实例


无线层映射:无线层映射的目的是将识别出来的QoS流向DRB做映射,可以是一对一映射或者是多对一映射。

下行映射:基于gNodeB的SDAP层的配置进行映射,具体实现方式和设备相关,下面介绍一下华为设备的实现。上文提到,gNodeB通过解析GTP-U的包头获取当前数据的QFI信息,通过QFI就可以得到对应的5QI。在华为基站内部,空口的DRB承载配置还是和LTE系统中的QCI是一一对应的。因此,为了实现QoS流到DRB的映射,我们必须配置一个新的映射关系,即5QI到QCI的映射,这个映射可以进行一对一的映射或者多对一的映射。

图五.png

 图五:QFI到DRB的映射过程


上图中的映射关系有两步映射是通过gNodeB的配置进行实现的,下面给大家介绍一下具体的实现原理。首先QCI和DRB在产品中就是一一映射,这一步的映射是为了确定不同QCI业务建立DRB时具体使用哪些参数,因此具体的配置就是把每个QCI和空口协议层相关的参数组进行绑定即可,包括PDCP,RLC和MAC层的三组参数,以QCI9为例,具体配置如下:

图六-1.jpg

图六-2.jpg

图六:具体配置命令


一般情况下,每个gNodeB内的每个QCI都已经绑定好了参数组,一般不用我们配置,如果需要修改参数,只需查询到相应的组后进行修改即可。下面我的们继续介绍一下5QI和QCI的映射,这一步的配置就是决定基站如何将不同的5QI流向DRB进行映射。假设现在有5QI8和5QI9两条QoS流,我们希望把这两个流映射到同一个DRB,并且DRB的参数就是采用QCI9对应的参数,在配置时只需要将这两个5QI同时映射到QCI9即可,具体配置如下:

图七-1.jpg

图七-2.jpg

图七:具体配置命令


上行映射:UE上行根据QoS rule识别出QFI后,可以基于如下三种方式进行映射:

1. 基于RRC信令配置进行映射:gNodeB通过RRC配置消息直接指示上行QFI和DRB的对应关系,如图八所示

                          

图八.png

图八: QFI和DRB映射配置


2. 反射QoS映射:通过下行规则进行放射映射,后面会详细介绍。

3. 基于default DRB的配置进行映射:如果以上两种规则都无法获取并且gNodeB配置的某条DRB的default DRB参数为ture,那么UE采用default DRB发送上行所有的QoS流。

反射QoS:针对上行的QoS流映射,5G网络中定义了一种反射QoS的方式,顾名思义,反射的意思就是终端根据下行的相关规则通过反射映射变成上行的规则。上行的反射映射也包括NAS层映射和无线层映射。

NAS层的反射映射:当NAS层采用反射映射时,AMF无需给UE下发QoS rule,UE基于下行收到业务数据,获取下行QFI的规则,直接推导上行的规则并使用。比如UE下行收到的数据包的特征为(src_ip=10.10.10.1 dst_ip=170.0.0.10 udp src_port=5000 dst_port=6000),那么通过反射映射,上行的数据包的过滤规则为(src_ip=170.0.0.10 dst_ip=10.10.10.1 udp src_port=6000 dst_port=5000)。

无线层反射映射:当无线层采用反射映射时,gNodeB无需指示上行的映射配置,UE根据下行数据包获得下行QFI和DRB的映射规则,UE将下行规则直接应用为上行的规则。

无论是NAS层还是无线层的反射映射,都涉及到一个很关键的步骤,即UE要通过下行的数据包识别出当前数据包的QFI信息。那么UE是如何获取下行数据包的QFI信息呢?其实,实现的方法很简单,当上行采用反射QoS映射方式时,gNodeB的SDAP协议层就会在下行的数据包封装SDAP的包头,包头里面就包含QFI以及RQI(Reflective QoS Indication),RDI(Relfective QoS Flow to DRB mapping Indication)。QFI的作用是让UE获取当前下行数据的QFI信息,UE就可以获取下行NAS层和无线层的映射规则。RQI和RDI就是指示UE上行NAS层和无线层都是采用反射QoS映射。由此可见,gNodeB在进行SDAP层处理的时候包头的封装是可选的,如果不采用反射映射,那么gNodeB无需封装包头。SDAP层的处理过程如下图所示:

图九.png

图九:SDAP层处理流程

图十.png

图十:不包含SDAP头部的PDU格式

图十一.png


图十一: 包含SDAP头部的PDU格式(下行)

 

UE上行发送数据是是否要添加SDAP包头取决于RRC消息里的sdap-HeaderUL配置,如果配置为absent则不用添加包头,如果配置为present则需要添加包头,如图十所示

图十二.png

图十二: 上行SDAP包头携带指示


从上图配置可以看出,UE只是遵循RRC的配置来确定上行SDAP是否封装包头,真正的控制者还是在gNodeB侧。上行是否需要携带包头和上行是否采用反射映射与否没有关系,主要是看上行的QoS流和DRB是否是一一映射,如果是那么UE无需添加SDAP包头,gNodeB通过相应的DRB就可以立即识别数据包的QFI信息;如果上行多个QoS流映射到了同一个DRB,那么UE上行就必须添加SDAP包头,这样gNodeB才能识别上行数据的QFI。因此,如果UE上行需要封装SDAP包头,那么在上行包头中就只需要封装QFI信息即可,和下行包头的格式略有差异,如下图所示。

图十三.png

图十三:包含SDAP头部的PDU格式(上行)


最后,我们结合前面QoS流的映射总结一下UE SDAP层的处理过程。

UE下行SDAP层处理过程:UE会基于sdap-Header-DL的配置,来确定接收到的下行SDAP PDU对应的DRB是否配置了存在SDAP头部。如果存在 SDAP头部,那么SDAP实体会进行反射式 QoS流到 DRB的映射(当 SDAP头部的 RDI字段设置为 1时)并在SDAP头部的RQI字段设置为1时,将RQI和QFI告诉NAS层,以便NAS层进行反射式QoS处理(创建或更新 QoS rule);然后剥离SDAP头部将生成的 SDAP SDU递送给上层。 如果不存在 SDAP头部,则直接将 SDAP SDU递送给上层。   

UE上行SDAP层处理过程:当UE的SDAP实体从上层接收到某个QoS流的一个 SDAP SDU时,发送端会先查看是否存在该 QoS流到DRB的映射规则如果存在,则根据该规则将SDAP SDU映射到对应的DRB上;如果不存在则将SDAP SDU映射到默认DRB上。接下来,UE会根据sdap-Header-UL的配置 确定上行发送的SDAP PDU是否包含了SDAP头部。如果 sdap-Header-UL设置为 present,则生成一个包含SDAP头部的SDAP PDU,并递送给 PDCP层;否则生成一个不包含 SDAP头部的SDAP PDU,并递送给 PDCP层。

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11.png【5G无线每日问答】2021期发布与汇总!!!


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