【摘 要】为了实现5G用户的QoS保障，提升5G用户的客户感知水平，首先分析5G应用的网络需求，然后分析用户在弱网环境下的5G QoS保障问题，接着阐述5G弱网的定义及弱网感知的方法，最后提出基于弱网感知的5G QoS保障服务实现方案，以满足5G用户的差异化网络需求，同时优化5G网络资源分配。
【关键词】弱网感知;弱网事件;服务质量保障;策略控制
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.003 中图分类号：TN929.5
文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2020）10-0013-06
引用格式：池炜成. 基于弱网感知的5G QoS保障服务实现方案[J]. 移动通信， 2020，44（10）：
13-18.
0 引言
5G会使现有移动应用运行得更加流畅，亦会催生大量新型的移動应用，为用户带来全新的体验，如VR（Virtual Reality，虚拟现实）/AR（Augmented Reality，增强现实）应用、超高清视频应用、实时云游戏应用等。虽然5G网络能力较4G有大幅的提升，但是，一方面移动应用特别是新型应用对移动网络亦提出了更高的要求，另一方面5G网络的部署和完善需要有一个过程，因此，在某些场景下，特别在人员大量聚集的用户高密度分布场景下，仍然可能产生当前的5G网络QoS（Quality of Service，服务质量）无法满足用户应用要求的情形。在这些情形下，用户相对地处在弱网环境中，此时用户将会产生5G QoS保障问题。因此，应对此问题的5G QoS保障服务实现方案值得进行研究。本文首先分析5G应用的网络需求，然后分析用户在弱网环境下的5G QoS保障问题，接着阐述5G弱网的定义及弱网感知的方法，最后提出基于弱网感知的5G QoS保障服务实现方案。
1 5G应用网络需求
5G网络将有力促进现有移动应用向前发展，同时激发产业新一轮创新升级，催生更多全新的移动应用，如VR/AR应用、4K/8K超高清视频应用、工业互联网应用、车联网应用等。应用的演变和创新亦对5G网络的连接质量提出了更高的的要求。根据ITU在IMT-2020中描述的愿景，5G网络需要承载三大类应用场景，包括eMBB（enhanced Mobile Broadand，增强移动宽带）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications）和mMTC（massive Machine Type Communications），其中eMBB主要针对人为中心的通信，mMTC主要针对以机器为中心的通信，URLLC则两类通信都有涉及。不同5G应用的网络需求是多样化和差异化的，它们在带宽、时延和连接数等方面的网络需求侧重点各有不同，有的侧重高带宽需求，比如大数据下载类应用、高清视频类应用，有的侧重低时延高可靠需求，如自动驾驶应用、工业自动化应用，而物联网类应用侧重大规模连接需求，如图1所示：
为了落实5G网络对不同应用网络需求的支持，3GPP基于不同应用的网络需求分析，制定了5G QoS标准，定义了资源类型、优先级水平、包时延预算、包错误率、默认最大数据突发量、默认平均窗口等QoS特性，指出了不同应用适合的网络QoS待遇指标值，典型应用的QoS特性要求如表1所示。
在实际的5G运营层面，各运营商亦在仔细分析不同应用的5G网络需求，以便制定适合的5G网络产品。需求分析一般从垂直行业的应用方面入手，分析不同应用场景中的5G网络需求，分析的行业包括警务、媒体、教育、交通、旅游、医疗、能源等，通过不同行业的需求分析，可以发现不同应用的网络需求存在较大的差异，例如：警务无人机巡防应用的5G网络需求可能是上行速率50 Mbit/s、下行速率10 Mbit/s、时延200 ms;远程医疗会诊应用的5G网络需求可能是上行速率100 Mbit/s、下行速率100 Mbit/s、时延10 ms等。
为满足5G应用的差异化QoS要求，现行主要应对策略包括：专属网络切片策略和差异化QoS控制策略。前者是为根据客户QoS要求构建客户专用的逻辑网络（专属网络切片），包括无线网络子切片、传输网络子切片、核心网络子切片三部分，专属网络切片构建成本比较高，一般针对较大型行业客户。后者是指在5G公用网络上基于PCC（Policy and Charging Control，策略与计费控制）架构对用户进行差异化的QoS控制，不需要构建新的网络切片，实现成本相对较低，本文的QoS保障方式属于策略类别。
2 5G QoS保障问题
对于以人为中心的通信场景，在使用移动应用过程中，用户面临的移动网络环境可能会不断变化，用户具体获得的QoS待遇会受到位置、用户密集程度、用户移动性等因素的影响，特别在用户大量聚集的地方，用户的QoS待遇可能会下降。另一方面，5G网络是否能满足用户的需求还跟用户使用的具体应用有关，因为不同的应用对网络的要求是不同的，当用户面临的网络环境无法达到当前应用的网络要求时，用户就不能顺畅地使用应用相关功能，从而产生QoS保障问题。典型的QoS保障场景包括突发性高带宽保障需求场景、突发性低时延保障需求场景。前者可能发生在演唱会现场、体育赛事现场、热门景点、大型活动现场等场景中，例如，在这些场景中，用户可能想即时分享现场高清视频等，但由于用户密集，网络带宽不足，难以发送分享视频，从而产生了特别的高带宽保障需求。后者可能发生在使用关键实时业务中，例如网上抢票、在线实时对战游戏等，这些应用对时延有较高的要求，而普通的网络QoS待遇可能无法达到要求，从而产生了特别的低时延保障需求。
QoS保障需求通常由用户使用网络的具体场景触发，具有一定的突发性或临时性，即在某时某地产生，但时间过去或者用户离开某地点，特别保障需求就可能会消失。另外，需要保障的QoS侧重点可能也不同，有的需要高带宽保障，包括下行速率保障、上行速率保障，有的需要低时延保障需求等，有的同时需要保障高带宽和低时延。为了满足应用的临时性网络需求，需要5G网络提供一段时间的QoS保障服务，在保障期间QoS得到提高，保障期结束后，QoS恢复普通情况，5G QoS保障前后用户的QoS变化如图2所示：
其中，用户在QoS保障前享有普通QoS（A）：上行速率30 Mbit/s，下行速率60 Mbit/s，单向时延100 ms，进入QoS保障期间（如3小时内），用户的QoS待遇提升，享有保障QoS（B）：上行速率60 Mbit/s，下行速率200 Mbit/s，单向时延10 ms，QoS保障期结束后，用户又恢复到原来普通的QoS待遇水平（C），与QoS待遇（A）相同。
3 5G弱网感知
弱网是指用户所处的5G网络环境不能满足当前移动应用的网络需求的情形。总体上，弱网跟两个要素相关，第一是用户使用的具体应用的网络QoS需求，第二是用户当前网络环境的QoS，如果后者低于前者的要求，令用户难以流畅地使用应用，就会触发弱网事件的产生。弱网是一个相对概念，对每个应用而言，要顺畅地使用应用的相关功能，网络的带宽、时延必须达到基本的要求，如果普适性的5G网络待遇无法满足用户当前应用的网络需求，那么用户就相对处于弱网环境之中。
弱网感知是指运营商感知或实时获取用户处于弱网环境情况的过程。由于弱网事件的产生有一定的不确定性或临时性，跟用户使用的具体应用场景有关，故此，弱网感知需要运营商相关系统与移动应用系统之间的协作，通过移动应用客户端与服务端进行弱网监测，实时发现弱网事件，并将弱网事件通知运营商相关系统，运营商相关系统获取弱网信息后，就可以有针对性地提供特别的QoS保障服务。
具体地，在移动应用客户端和服务端都设置一个弱网监测模块，首先在客户端模块与服务端模块之间进行模拟上行（upload）发包和下行（download）发包，然后由弱网监测服务端模块进行网络包的QoS数据分析，获得上行速率、下行速率、网络时延、抖动等QoS参数，接着弱网监测服务端模块进行弱网状态判断，将当前的QoS数据与应用正常使用需求的QoS进行比较，若当前QoS不能满足要求，则判定为弱网状态，并生成弱网事件，最后将弱网事件报告通知运营商相关系统，报告中包含用户当前的QoS参数、应用信息以及该应用正常使用的QoS要求信息，5G弱网感知方法如图3所示。
总体而言，弱网感知与控制体系包括感知、传输、控制三部分。在感知部分，当用户使用应用时，应用客户端会首先发现网络能力不足带来的影响，如服务器连接时间过长、响应时间过长、视频卡顿等，当出现这些情况时，应用客户端发起弱网检测，模拟向应用服务端上传和下载少量数据、进行分组网间探测（PING）等，然后由应用服务端分析统计数据得出网络QoS（上/下行速率、时延等），再将它与预先配置的应用基本QoS要求比较（如至少需要100 Mbit/s），若用戶当前QoS相对存在明显差距（如只有30 Mbit/s），就将此情况判断为弱网事件。接着，应用服务端将弱网事件信息报告到运营商相关系统，这属于传输部分。最后，运营商采取相应控制措施，这属于控制部分。
4 5G QoS保障方案
为了在5G用户需要的时候及时提供相应的QoS保障服务，运营商可利用5G弱网感知的方法，获取用户弱网事件，然后基于弱网事件报告中QoS需求信息，提供相应的QoS保障服务。考虑到5G QoS保障需求随着应用不同而变化，而且具有临时性，所以不适合让用户购买长期的、固定的QoS保障服务，而是让用户在需要的时候自主选择相应的QoS保障服务，包括保障的QoS（如带宽、时延等）、保障期限等。运营商需要提供切合用户需求的业务推荐选项，让用户可以在一个合理的范围内较容易地做出选择。
基于弱网感知的5G QoS保障服务需要应用域、5G网络域和BOSS（Business & Operation Support System，业务与运营支撑系统）域紧密协同工作。在应用域，主要涉及弱网监测模块、业务推荐弹窗模块、业务订购代理模块，相应功能需要移动应用客户端与服务端配合完成;在BOSS域，主要涉及业务推荐服务模块、业务受理服务模块、业务开通服务模块及业务计费服务模块，相关服务通过能力开放平台提供给应用域调用;在5G网络域，主要涉及PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）等与PCC相关的网元，基于弱网感知的5G QoS保障服务的实现方案如图4所示。
其中，弱网监测模块主要负责上下行模拟发包、QoS数据分析、弱网状态判断及弱网事件报告;业务推荐弹窗模块主要负责将运营商提供的业务推荐选项呈现给用户;业务订购代理模块主要负责将用户选定的业务订购信息发送给运营商;业务推荐服务主要负责弱网事件接收、推荐业务匹配、推荐列表提供;业务受理服务、业务开通服务、业务计费服务分别负责5G QoS保障业务在运营商内部的受理、开通和计费;PCF主要负责PCC决策和PCC规则生成;SMF主要负责接受PCC规则并进行QoS控制执行。5G QoS保障服务流程主要包括以下环节：
（1）移动应用客户端与移动应用服务端进行弱网监测，模拟客户端与服务端基于5G网络的上下行数据包的收发。
（2）移动应用服务端收集并分析模拟监测数据，确定5G网络实际的QoS情况，包括上行速率、下行速率、网络时延、抖动等信息。
（3）移动应用服务端进行弱网状态的判断，将实际的QoS与应用正常使用的QoS进行比较，若判断为弱网状态，则生成用户的弱网事件，并向业务推荐服务模块报告事件，事件报告中包括用户当前QoS信息及应用目标QoS信息。
（4）业务推荐服务模块接收弱网事件，然后进行实时业务推荐匹配，并生成能够满足用户需求的QoS保障业务推荐列表。
（5）业务推荐列表通过移动应用呈现给用户，用户选择自己需要的保障业务选项，包括保障的QoS、保障的期限等，然后向业务受理服务模块提交业务订购请求。
（6）业务受理服务模块接收保障业务订购请求后完成运营商订单的生成，然后向业务开通服务模块发送QoS保障开通请求，同时将订单数据发往业务计费服务模块完成相关计费处理。
（7）业务开通服务模块将QoS保障的开通请求发给PCF，PCF进行PCC决策，并生成提升QoS的PCC规则，然后向SMF下发相关PCC规则，最后由SMF执行新PCC规则，从而完成用户QoS待遇的调整，使用户的QoS待遇达到预期的要求。
5G QoS保障服务流程的实现流程如图5所示。
以移动视频应用场景为例，某用户在普通QoS待遇下观看电影，可以正常观看普通清晰度版本，但是当用户点击观看4K高清版本时，影像出现卡顿，此时应用客户端触发弱网检测流程，应用服务端分析得到用户当前QoS数据后，将它与预先配置的4K高清版本QoS要求对比，若用户QoS明显不足，就产生并报告弱网事件，业务推荐模块收到报告后，依据弱网事件信息及用户数据，向用户推荐满足当前需要的高QoS保障产品（如2小时高速流量包等），用户选择订购适合自己的保障产品后，运营商侧通过保障业务开通流程完成QoS的提升操作，从而让用户顺利观看4K版本电影，观看结束后（如2小时后），用户QoS待遇恢复到普通QoS水平。
5 结束语
在5G弱网场景中，用户享有的5G网络QoS与移动应用要求的网络QoS有一定差距，导致应用难以正常运行或内容难以流畅浏览，通过基于弱网感知的5G QoS保障服务可以及时捕抓并响应用户的QoS保障需求，有针对性地地提供QoS保障，及时解决用户网络能力临时性不足的问题，从而使用户可以继续顺畅地使用应用，这不但有利于提高用户的5G体验水平，也有利于提高5G网络资源效率。展望未来，有两方面的内容值得进一步研究和思考，一方面是如何提高推荐业务匹配的精准性，提供更加合理的、与用户匹配的推荐列表，使用户可以快捷地选择适合的5G QoS保障业务，另一方面是如何提高QoS保障服务的有效性和实时性，使订购保障业务的用户能够及时提高相应的QoS待遇，满足用户突发性的网络需求。
参考文献：
[1] 3GPP. System Architecture for the 5G System （TS 23.501 R16）[EB/OL]. （2019-12-22）[2020-02-10]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.501/23501-g30.zip.
[2] 3GPP. Policy and Charging Control Framework for the 5G System （TS 23.503 R16）[EB/OL]. （2019-12-22）[2020-02-10]. http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.503/23503-g30.zip.
[3] ITU-R. IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond [EB/OL]. （2015-10-12）[2020-02-10]. https：//www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I！！MSW-E.docx.
[4] 聶衡，赵慧玲， 毛聪杰，等. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信， 2019，43（1）：
2-14.
[5] 刘柳，李文苡. 基于业务感知和用户行为分析的服务调度系统[J]. 移动通信， 2019，43（4）：
43-46.
[6] 冯征. 面向应用的5G核心网组网关键技术研究[J]. 移动通信， 2019，43（6）：
2-9.
[7] 肖子玉，韩研. 5G 网络面向垂直行业业务模型[J]. 电信科学， 2019（6）：
132-140.
[8] 丁亦志，肖子玉. 高性能4K直播在5G网络中的应用[J]. 电信科学， 2019（6）：
150-156.
[9] 李韶英，邢亮. 手机游戏业务4G QoS部署策略研究[J]. 移动通信， 2018（7）：
68-72.
[10] 池炜成. 基于移动用户画像的个性化PCC决策技术[J]. 移动通信， 2019，43（7）：
72-77.
