Quality of Service Control
- QoS
- QoS框架
- QFI
- Uplink/Downlink
- 用户平面协议框架
- DRB&QoS 映射
- 5QI与5G QoS特征
- QoS框架（整体过程一图说明）
这一篇博文默认您已经了解5GC 的架构与基本NF构造，如果对此块预备知识准备不充足，请移步该博文：[5G 核心网络架构] 5GC: Architecture。该博文对5GC的架构进行了详解，是本文的基本先修课程。
Qos是什么？用最简单的方式概括就是：事有缓急。数据包发送时，有根据某种规则制定的优先顺序，保证某些服务始终能够优先执行。本章则对5GC中QoS的实现进行说明。
QoS
能够对可能属于不同用户、不同应用程序甚至同一应用程序中的不同服务或媒体的数据提供差异化分组转发处理
区分处理: 区分数据之间的优先级，或保证数据流具有一定的性能。5GS(5G System)打算解决更广泛的用例
如网络、语音和视频，如4G
新兴垂直产业对可靠性、延迟等方面的要求越来越高。（灾难预防、建筑设计等）
5G QoS框架的设计目标
5GC旨在支持任何类型的访问和广泛的使用。
5GC和5G-AN是完全独立的两部分。如果要实现QoS需求，则取决于5G-AN如何实现这些需求。
减少QoS建立和修改所需要的信令例如，以前的系统在启用QoS区分时一般需要NAS信令。
5G QoS框架
基于QoS流，这是QoS区分的最细粒度，即QoS参数和特征绑定到一个QoS流。Qos的参数包括时延、比哪种类型的业务优先级更高、数据特殊表示等。这些参数共同决定一个QoS流的最终优先级。特征则是类似数据包头，如果将上述参数全部写入一个数据包内，会使得数据过于冗长，为此我们选择定义一种范式并将各种等级的参数事先定义好，只用简单的数据表达各种特征。即特征是个别参数的集合。
每个QoS流由一个QoS Flow ID (QFI)标识，该ID在一个PDU会话中是唯一的
NG-RAN可以根据NG-RAN中的逻辑，建立一个(数据)无线承载(bearer)，或者NG-RAN可以将多个QoS流组合成相同的(数据)无线承载。数据无线承载和QoS流之间没有严格的一对一关系。
ex)服务数据应用协议[SDAP]
无线承载:网关与终端之间定义了QoS的IP报文流
QoS流:QoS区分的最小粒度，绑定到QoS流的QoS参数和特征
Qos -flow-to-radio- bearing映射:不一定是一对一的映射
在如下图所示PDU会话期间的QoS流和无线电承载
QoS框架
如上图所示。UE-gNB的无线承载即是UE与基站之间建立可以数据通信的连接（在SMF控制下AN与UE的连接）。而gNB-UPF的连接就是5GC内部的无线承载（核心网内可以是有线的）。
而图中的IP数据包表示一个单独的用户服务程序，用户服务程序与承载的匹配或映射关系可以是一对一的，也可以是多对多的，而决定映射关系的是由RRC决定的，而本质上RRC是结果，实际上是基于SDAP协议决定的。
Qos流可以视为一种逻辑连接，
4G也有对应的技术，但是区别在于当NR连接到EPC时，不使用SDAP协议。并非所有的实体都适用于所有的情况，例如，不用于广播基本系统信息的加密
框架流程如上图所示。在实际通信之前，总是应用层先建立逻辑连接，然后建立传输层连接（TCP为主，UDP虽然无连接，但是也可以以UDP的形式互传数据，所以也可以是UDP的E2E相关连接方式）。在传输层建立连接后，开始进行无线逻辑连接。SMF会根据需求和命令分配隧道和无线承载给数据包，两者的分界点在于基站。对于用户而言感受不到分界点，而是非常直接顺利的一种数据连接。无线承载有SDAP协议控制，隧道由5GC调控，从而整体上构造出高质量的通信服务。
QFI
QoS流在决定后，对应QoS流的信息对于终端、基站、UPF都是事先得知的。因此QFI作为标识符就更加重要了。
QFI以(GTP-U)封装头载于N3(及N9)，即端到端封头无任何更改
GTP=GPRS（General Packet Radio Service） +TP（Tunnelling Protocol）。通用分组无线业务，GPRS是GSM追加补完的版本，用于开始使用数据对音频通信的服务。GTP-U用于在GPRS核心网内以及无线接入网和核心网之间传输用户数据。
标记为相同QFI的数据包接收相同的流转发处理(例如:
调度，接纳阈值)，例如，
GBR QoS流:需要保证流比特率
非GBR QoS流:不需要保证流比特率
从而区分QoS流的优先级
GBR： EPS承载的最小保证数据率。GBR分别为上行链路和下行链路指定。GBR QoS参数的值是预先确定的，并关联到承载. …非GBR -没有每EPS承载的最小保证数据率。
Uplink/Downlink
UPF将数据包与SMF安装的数据包检测规则(PDR)进行比较，以便对数据包进行分类，例如PDR中的IP 5元组过滤器。
5元过滤器：
当外网数据到达UPF后，进行过滤从而得知对应的QoS参数。外网不一定是因特网，但是因特网的情况下，五元过滤是指目标、源IP地址/端口号，以及对应的通讯协议（TCP/IP .etc)这五个元素。
然后，每个PDR与一个或多个QoS实施规则(QER)相关联，其中包含如何实施诸如数据率率等信息。哪些可以缓缓再发，哪些紧急需要尽快转发等。
QER还包含要添加到GTP-U头(N3封装头)的QFI值。
终端应用层生成的数据包首先从终端的“包过滤集”中与已安装的包过滤集进行比较
包过滤集按优先顺序进行检查，当找到匹配的数据包时，将分配一个QFI
分配的QFI和数据包发送到终端的接入层(AS)
SDAP层：它使用可用的映射规则执行QFI到DRB（data radio bearer）的映射
匹配成功后，将数据包发送到相应的DRB
如果没有匹配，则在缺省DRB上发送数据包，并且SDAP报头指示QFI，NG-RAN可以决定是否将QFI转移到另一个DRB。
用户平面协议框架
下图是上行用户平面协议架构（下行的也很相似，区别在于传输格式选择和逻辑信道多路复用的控制）
用户平面协议中各阶层协议细节如下：
SDAP： 将Qos Flow与无线载波建立映射关系，从而完成无线传输的准备步骤。
PDCP： 包含加密解密，重传的协议。
- 加密和完整性保护
- 在切换、重传、顺序传递（并不是必须的，这个过程需要等待中间丢失的数据包，导致时延增加）和重复删除过程中
- 使用分离承载的双连接的路由和复制
- 为设备配置的每个无线电承载者一个PDCP实体
RLC： 在需要时将上层数据分段或组装
- 分段和重传处理
- 以RLC通道的形式服务PDCP，为设备配置每个RLC通道[RLC channel] (也就是每个无线电承载都有一个)一个RLC实体【本身是一个接口interface】
- 与LTE相比，NR RLC不支持将数据按顺序传递到更高的协议层，以减少延迟
MAC： 将上层数据需要时聚合，或使用ARQ进行冗余复合编码
- 多路复用逻辑通道，混合arq重传，调度和调度相关功能。
- 位于gNB的UL和DL调度功能，以逻辑通道[logical channel]的形式为RLC提供服务。这部分功能大多由基站提供，不过最近的最新终端也开始有这个功能了
- mac层报头结构在NR中改变，允许比在LT中更有效地支持低延迟处理
PHY： 物理层传输用协议
- 编码/解码，调制/解调，多天线映射，以及其他典型的物理层功能
- 以传输通道[transport channel]的形式服务于MAC层
DRB&QoS 映射
如图所示，下行链路中通过PDR,QER可以区分QFI，并通过QER向基站转发数据。基站通过SDAP识别这些QFI的信息，然后为他们配置DRB（承载），然后下发到UE，UE本地也会使用SDAP识别出QFI文件的各种应用信息，并转发给各种具体的应用程序。
上行链路就是一个反向的过程。UE发送数据给基站，发送时确认这些应用是否能够匹配本地有的QFI，有的话则根据QFI发送到指定DRB，没有则发送默认到DRB（没有明确的QFI）。基站会处理UE未处理的QFI文件并生成对应的QFI，然后根据SDAP对Qos流进行处理并转发。转发到UPF后也会根据QFI进行向外不同IP流的转发。
5G QoS参数和5G QoS特征向相关实体发出信号，用于描述QoS要求和要启用的QoS特征。
5G QoS参数数据报中的参数：
5QI (5G QoS标识符)，延迟、比较优先级等基本信息。
流比特率、最大丢包率等作为追加信息存在于数据包中
QoS参数经常与QoS流有绑定的映射关系。
5G QoS特性
5G QoS特征与5QI相关联，这是一个整数值。
5G QoS特征描述了QoS流在UE和终止N6的UPF之间端到端接受的报文转发处理
5G QoS特征被用作网络中实体和连接的配置输入，以处理每个QoS流
5QI与5G QoS特征
举个例子，5QI的值为1： 音频通话用。GBR类型, 要求保证EPS承载的最小保证数据率。
端到端QoS业务包括外部承载业务和EPS承载业务。前者用于在UMTS核心网与外部网络节点之间开展业务;后者又进一步细分为EPS无线承载(RB)业务和EPS接入承载(AB)业务。
EPS:演进分组系统-Evolved Packet System
这些都是一些偏标准化的东西，下面就直接贴图了。注意的是如下图的1标识了GBR，但是实际上不仅是1，1-3都是GBR，在Resource Type的值变化之前，上面的空值继承前一个值。
QoS框架（整体过程一图说明）
- 通信首先是应用层之间建立的逻辑连接。即CS系统中的应用层交互。交互完毕后建立传输层连接，然后到网络层。
- 在5G系统中，可以分为UE-gNB，gNB-UPF，UPF-DN三个过程。分别是设备到基站，基站到外网网关，外网网关到外网。这里的外网不一定互联网，5G中存在非因特网以外的网络，如仅限二阶层数据链路层通信的企业内网，非格式化的物联网等，这些网络并非基于IP地址通信或有更复杂的要求范式。
- 以因特网为例的通信中。在用户与基站建立起连接后，设备回发送数据给基站，用户发送数据时会根据SDAP协议为每个应用程序的QoS流赋予QFI标识符，前提是本地有对应服务流的优先级，如果没有则使用默认的载波发送给基站，基站会对载波进行后续处理。整体过程在用户数据报文基础上追加DRB载波博文格式，以方便多种数据多类型的传输，此时QFI信息存于DRB头部。
- 到达基站后，去掉DRB相关头部并向核心网络传输数据，在核心网络内添加隧道，将从DRB中剔除的QFI信息作为隧道头部外包于数据报文。就像信封装各种各样花哨的贺卡一样，这样能够提高中转机构的转发效率，因为花哨的贺卡、复杂的数据类型很难被统一的划分和转发。
- 在5GC内部传输时，由于是基于IP地址传输的，且5GC内部是网络运营商内网，这里的网络非常稳定，一般不需要像互联网一样去设置拥塞控制，因此比起TCP，UDP效率更高。网内使用UDP传输基于IP的数据报，交换控制信息并对用户数据进行一定的控制处理。
- 数据报到达UPF，作为5GC的外网出口，此时去掉5GC内部追加的各种头部，包括QFI相关的信息，全部剔除后发入因特网。QFI，即QoS服务在5G的领域范围内已经全部结束，因特网的QoS控制不归5GS（5G System）管。
- 如果数据报到达UPF，即下行数据，则完全与该过程相反。
- 期间作用的协议有很多，还包括RLC/PDCP/RLC/MAC/PHY等多种协议，这里重点强调的是5GS的QoS系统，因此对这些过程不再赘述。对上述4协议过程有兴趣的请参考博文：5G NR: 无线网络协议结构
