基于5G SA云+VR端到端QoS應(yīng)用研究

陳大明，張 曦

（中國(guó)電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和普及，云+V R業(yè)務(wù)將在2C市場(chǎng)上扮演重要的角色。以韓國(guó)L G U+為例，2020年第二季度，5G用戶快速增長(zhǎng)至18 0萬(wàn)，5G DoU相比4G提升3倍，A RPU值相比4G提升37%，5G市場(chǎng)份額相比4G提升3. 5% 。這其中，韓國(guó)L G U+ 通過(guò)VR /AR業(yè)務(wù)，快速打開(kāi)2C市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶的快速提升。

從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展來(lái)看，截止2020年2月，中國(guó)5G用戶數(shù)達(dá)2 631萬(wàn)，占比全球81.7%；國(guó)內(nèi)云+V R 用戶也在快速提升，以電信天翼云VR為例，至2020 年10月，已有注冊(cè)用戶數(shù)1 300萬(wàn)。

為支撐云+V R業(yè)務(wù)的客戶感知，本文基于5G SA網(wǎng)絡(luò)，以電信天翼云V R業(yè)務(wù)為試點(diǎn)，探索端到端的支撐方案。本文首先研究天翼云VR的片源特點(diǎn)和視頻速率碼率關(guān)系明確網(wǎng)絡(luò)側(cè)保障目標(biāo)；接下來(lái)研究無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)、CDN服務(wù)器的端到端保障手段，并進(jìn)行總結(jié)，形成端到端的支撐方案。

1 云+VR業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求研究

本文以電信天翼云VR業(yè)務(wù)為試點(diǎn)，從兩個(gè)方面開(kāi)展云+VR業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)需求研究：一是深入剖析天翼云VR的片源特點(diǎn)，明確VR主要視頻片源的碼率特點(diǎn)；二是通過(guò)開(kāi)展VR碼率與網(wǎng)絡(luò)速率間的關(guān)系研究，明確VR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的需求。

1.1 天翼云VR片源剖析

本文通過(guò)對(duì)天翼云VR視頻文件進(jìn)行抓包分析，對(duì)index文件解析，發(fā)現(xiàn)天翼云VR視頻對(duì)應(yīng)主要碼率有4 M、8 M、12 M、18 M、30 M、60 Mb/s。

1.2 VR碼率與網(wǎng)絡(luò)速率關(guān)系研究

本文通過(guò)對(duì)天翼云不同碼率的視頻文件進(jìn)行速率碼率關(guān)系研究，目的是輸出在滿足用戶不卡頓需求的前提下，視頻碼率對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的最低要求。從測(cè)試結(jié)果上看，當(dāng)速率碼率比在1.5倍及以上時(shí)，可基本滿足不卡頓需求。按天翼云最高播放碼率（60 Mb/s）片源需要的網(wǎng)絡(luò)速率為90 Mb/s，故天翼云VR的網(wǎng)絡(luò)需求是要滿足VR用戶達(dá)到90 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)速率。

1.3 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)VR支撐能力研究

根據(jù)5G數(shù)傳公式（峰值速率=R B數(shù)×每RB子載波數(shù)×每時(shí)隙符號(hào)數(shù)×每子幀時(shí)隙數(shù)×編碼效率×調(diào)制階數(shù)×流數(shù)×（1-誤塊率）×（1- 控制信息開(kāi)銷比例）×?xí)r隙配比），當(dāng)前5G 100M帶寬資源的理論峰值速率可達(dá)1.7 Gb/s，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足90 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)速率需求，但隨著5G用戶的增加，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)高負(fù)荷等忙時(shí)現(xiàn)象時(shí)，5G帶寬資源會(huì)非常緊張，對(duì)VR業(yè)務(wù)會(huì)產(chǎn)生影響。

本文通過(guò)構(gòu)建5G高負(fù)荷場(chǎng)景，開(kāi)展5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)VR支撐能力研究，評(píng)估當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)在10 0 M帶寬資源的情況下支撐VR并發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)的能力。以合肥五里墩電信重點(diǎn)營(yíng)業(yè)廳理想覆蓋場(chǎng)景，以遞增并行接入60 Mb/s碼率的V R業(yè)務(wù)終端數(shù)量，記錄VR視頻并發(fā)用戶的卡頓情況，結(jié)果梳理如下：

10臺(tái)終端接入VR 60 Mb/s視頻完全無(wú)卡頓；11-14部，少量終端偶發(fā)1-2次卡頓，卡頓時(shí)長(zhǎng)占比在1%左右；在接入15部終端時(shí)候，多部終端出現(xiàn)2-3次卡頓，卡頓時(shí)長(zhǎng)占比大于6%。

為滿足VR用戶不卡頓需求，將14部終端并發(fā)60 Mb/s碼率視頻作為單小區(qū)支撐極限。

2 云+VR業(yè)務(wù)端到端QoS應(yīng)用研究

為確保在5G忙時(shí)，支撐云+VR業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，本文以天翼云VR為試點(diǎn)，開(kāi)展端到端QoS應(yīng)用研究。

2.1 SA網(wǎng)絡(luò)QoS原理

SA組網(wǎng)下，使用QoS Flow作為QoS控制的最小粒度，在相同的QoS Flow上所有數(shù)據(jù)流將獲得相同的QoS保障（如調(diào)度策略、緩沖隊(duì)列管理等）[1]。每一個(gè)QoS Flow用一個(gè)QoS Flow ID （QFI）來(lái)標(biāo)識(shí)，在一個(gè)PDU會(huì)話內(nèi)，每個(gè)QoS Flow的QFI都是惟一的。核心網(wǎng)會(huì)通知gNodeB每個(gè)QoS Flow對(duì)應(yīng)的5QI（5G QoS Identifier），用于確定其QoS屬性。

gNodeB將QoS Flow映射到DRB上，QoS Flow與空口DRB可以是多對(duì)一的映射關(guān)系，也可以是一對(duì)一的映射關(guān)系。邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 5GS QoS映射體系（兩級(jí)映射）

當(dāng)UE發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，gNodeB讀取N2接口INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST消息或

PDU SESSION RESOURCE SETUP REQUEST消息中各QoS Flow的QoS屬性值，將不同的5QI映

射到對(duì)應(yīng)的DRB上，為業(yè)務(wù)配置合適的無(wú)線承載參數(shù)、傳輸資源配置參數(shù)。

業(yè)務(wù)建立后，gNodeB的下行調(diào)度QoS保障和上行調(diào)度QoS保障需要根據(jù)QoS屬性（QCI/5QI、Packet Delay Budget等信息）、信道質(zhì)量信息、速率要求、承載的權(quán)重來(lái)計(jì)算承載的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，以保證用戶滿足QoS屬性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化。

2.2 端到端QoS應(yīng)用整體方案

當(dāng)前，天翼云VR CDN服務(wù)器在全國(guó)范圍內(nèi)共有5個(gè)部署區(qū)域，分別位于北京、上海、南昌、成都、杭州，安徽VR用戶默認(rèn)調(diào)度到上海CDN。

要實(shí)現(xiàn)天翼云VR QoS研究用戶的體驗(yàn)效果，端到端整體方案如下：

（1）信息、上海CDN服務(wù)器的地址信息（UPF）、QoS策略規(guī)則（PCF）、本地配置（SMF）。滿足當(dāng)天翼云VR QoS研究用戶做業(yè)務(wù)時(shí)，核心網(wǎng)識(shí)別并下發(fā)5QI=6的QoS流（5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)默認(rèn)的5QI=9），以區(qū)別普通用戶的默認(rèn)QoS流。

（2）核心網(wǎng)通過(guò)建立GTP隧道將5QI=6的QoS流發(fā)給無(wú)線網(wǎng)gNodeB。

（3）gNodeB配置針對(duì)5QI=6的無(wú)線側(cè)調(diào)度保障參數(shù)配置，完成將5QI=6的QoS流映射成DRB流。

圖2 端到端QoS整體方案流程圖

2.3 核心網(wǎng)方案

核心網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)天翼云VR的QoS支撐中，主要涉及3個(gè)NF[2]：PCF、SMF、UPF。其中，PCF擁有QoS參數(shù)的最高決策權(quán)；SMF根據(jù)PCF的指示進(jìn)行QoSFlow控制；UPF根據(jù)SMF指示，執(zhí)行用戶面操作。主要流程如下：

2.3.1 規(guī)則配置

（1）PCF下發(fā)安徽QoS研究用戶訪問(wèn)天翼云VR（上海服務(wù)器）時(shí)QoS參數(shù)規(guī)則，通過(guò)Rule ID分別給SMF、UPF。Rule ID是顯性Qos rule時(shí)分配的一個(gè)規(guī)則ID在一個(gè)PDU Session里惟一。

（2）UPF配 置DPI規(guī)則，這是一種深度報(bào)文檢測(cè)，對(duì)天翼云V R（上海服務(wù)器）I P包頭的五元組（IP地址、掩碼、協(xié)議、端口、起始端口、終止端口）進(jìn)行檢測(cè)，然后把 這個(gè)包放到具體的QoS流（5QI=6）上，屬于UPF的PDR（分組描述規(guī)則，packet description rule）。

2.3.2 用戶做業(yè)務(wù)時(shí)

（1）UPF通過(guò)DPI規(guī)則，比對(duì)訪問(wèn)業(yè)務(wù)的APP ID，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶訪問(wèn)了天翼云VR的上海服務(wù)器地址，即發(fā)探針I(yè)D給SMF。

（2）SMF根據(jù)PCF的規(guī)則，針對(duì)滿足QoS研究用戶訪問(wèn)天翼云VR的條件，通過(guò)AMF要求無(wú)線側(cè)反向建立5QI=6的專載。

2.4 無(wú)線網(wǎng)方案

無(wú)線網(wǎng)需保障5QI=6的DRB速率不低于90 Mb/s。經(jīng)查閱[3]，可以通過(guò)配置“下行保證速率”參數(shù)為90 Mb/s，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的保障。

圖3 核心網(wǎng)配置方案

3 云+VR業(yè)務(wù)端到端QoS應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 核心網(wǎng)配置及效果驗(yàn)證

核心網(wǎng)通過(guò)加載PCF、SMF、UPF配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)QoS研究用戶訪問(wèn)天翼云VR服務(wù)器的QoS管理。經(jīng)過(guò)信令跟蹤，當(dāng)QoS應(yīng)用用戶訪問(wèn)天翼云V R業(yè)務(wù)時(shí)Na m f _C om mu n icat ion _ N1N2 MessageTransfer Request消息指示核心網(wǎng)下發(fā)的5QI=6，達(dá)成核心網(wǎng)配置目標(biāo)。

3.2 無(wú)線網(wǎng)配置及效果驗(yàn)證

無(wú)線網(wǎng)通過(guò)將配置5QI=6的DRB“下行保證速率”參數(shù)為90 Mb/s，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保障。

3.3 系統(tǒng)集成測(cè)試

驗(yàn)證選擇在理想5G SA網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下進(jìn)行業(yè)務(wù)壓力測(cè)試，經(jīng)驗(yàn)證，普通用戶終端觀看VR視頻均出現(xiàn)不同程度的卡頓現(xiàn)象，QoS研究客戶觀看始終流暢。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以電信天翼云V R業(yè)務(wù)作為試點(diǎn)，通過(guò)研究云+VR業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求，明確云VR 5G網(wǎng)絡(luò)的支撐目標(biāo)。再分別通過(guò)核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、VR CDN服務(wù)器展開(kāi)5G端到端QoS應(yīng)用研究。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，順利的實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)，仍能滿足天翼云VR的QoS研究用戶在觀看VR視頻時(shí)“播放快”“不卡頓”“體驗(yàn)好”的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。研究表明，本文的研究順利地打通了5G端到端QoS應(yīng)用流程，并且可通過(guò)該技術(shù)支撐5G重點(diǎn)業(yè)務(wù)在5G網(wǎng)絡(luò)忙時(shí)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。