基于5G SA云+VR端到端QoS應用研究

陳大明，張 曦

（中國電信股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著5G網絡的建設和普及，云+V R業務將在2C市場上扮演重要的角色。以韓國L G U+為例，2020年第二季度，5G用戶快速增長至18 0萬，5G DoU相比4G提升3倍，A RPU值相比4G提升37%，5G市場份額相比4G提升3. 5% 。這其中，韓國L G U+ 通過VR /AR業務，快速打開2C市場，實現用戶的快速提升。

從國內市場的發展來看，截止2020年2月，中國5G用戶數達2 631萬，占比全球81.7%；國內云+V R 用戶也在快速提升，以電信天翼云VR為例，至2020 年10月，已有注冊用戶數1 300萬。

為支撐云+V R業務的客戶感知，本文基于5G SA網絡，以電信天翼云V R業務為試點，探索端到端的支撐方案。本文首先研究天翼云VR的片源特點和視頻速率碼率關系明確網絡側保障目標；接下來研究無線網、核心網、CDN服務器的端到端保障手段，并進行總結，形成端到端的支撐方案。

1 云+VR業務網絡需求研究

本文以電信天翼云VR業務為試點，從兩個方面開展云+VR業務網絡需求研究：一是深入剖析天翼云VR的片源特點，明確VR主要視頻片源的碼率特點；二是通過開展VR碼率與網絡速率間的關系研究，明確VR業務對網絡速率的需求。

1.1 天翼云VR片源剖析

本文通過對天翼云VR視頻文件進行抓包分析，對index文件解析，發現天翼云VR視頻對應主要碼率有4 M、8 M、12 M、18 M、30 M、60 Mb/s。

1.2 VR碼率與網絡速率關系研究

本文通過對天翼云不同碼率的視頻文件進行速率碼率關系研究，目的是輸出在滿足用戶不卡頓需求的前提下，視頻碼率對網絡速率的最低要求。從測試結果上看，當速率碼率比在1.5倍及以上時，可基本滿足不卡頓需求。按天翼云最高播放碼率（60 Mb/s）片源需要的網絡速率為90 Mb/s，故天翼云VR的網絡需求是要滿足VR用戶達到90 Mb/s的網絡速率。

1.3 5G網絡對VR支撐能力研究

根據5G數傳公式（峰值速率=R B數×每RB子載波數×每時隙符號數×每子幀時隙數×編碼效率×調制階數×流數×（1-誤塊率）×（1- 控制信息開銷比例）×時隙配比），當前5G 100M帶寬資源的理論峰值速率可達1.7 Gb/s，可遠遠滿足90 Mb/s的網絡速率需求，但隨著5G用戶的增加，當網絡出現高負荷等忙時現象時，5G帶寬資源會非常緊張，對VR業務會產生影響。

本文通過構建5G高負荷場景，開展5G網絡對VR支撐能力研究，評估當前5G網絡在10 0 M帶寬資源的情況下支撐VR并發業務數的能力。以合肥五里墩電信重點營業廳理想覆蓋場景，以遞增并行接入60 Mb/s碼率的V R業務終端數量，記錄VR視頻并發用戶的卡頓情況，結果梳理如下：

10臺終端接入VR 60 Mb/s視頻完全無卡頓；11-14部，少量終端偶發1-2次卡頓，卡頓時長占比在1%左右；在接入15部終端時候，多部終端出現2-3次卡頓，卡頓時長占比大于6%。

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

2 云+VR業務端到端QoS應用研究

為確保在5G忙時，支撐云+VR業務的網絡體驗，本文以天翼云VR為試點，開展端到端QoS應用研究。

2.1 SA網絡QoS原理

SA組網下，使用QoS Flow作為QoS控制的最小粒度，在相同的QoS Flow上所有數據流將獲得相同的QoS保障（如調度策略、緩沖隊列管理等）[1]。每一個QoS Flow用一個QoS Flow ID （QFI）來標識，在一個PDU會話內，每個QoS Flow的QFI都是惟一的。核心網會通知gNodeB每個QoS Flow對應的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可以是多對一的映射關系，也可以是一對一的映射關系。邏輯關系如圖1所示。

圖1 5GS QoS映射體系（兩級映射）

當UE發起業務請求時，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

射到對應的DRB上，為業務配置合適的無線承載參數、傳輸資源配置參數。

業務建立后，gNodeB的下行調度QoS保障和上行調度QoS保障需要根據QoS屬性（QCI/5QI、Packet Delay Budget等信息）、信道質量信息、速率要求、承載的權重來計算承載的調度優先級，以保證用戶滿足QoS屬性的同時實現系統吞吐量最大化。

2.2 端到端QoS應用整體方案

當前，天翼云VR CDN服務器在全國范圍內共有5個部署區域，分別位于北京、上海、南昌、成都、杭州，安徽VR用戶默認調度到上海CDN。

要實現天翼云VR QoS研究用戶的體驗效果，端到端整體方案如下：

（1）信息、上海CDN服務器的地址信息（UPF）、QoS策略規則（PCF）、本地配置（SMF）。滿足當天翼云VR QoS研究用戶做業務時，核心網識別并下發5QI=6的QoS流（5G數據業務默認的5QI=9），以區別普通用戶的默認QoS流。

（2）核心網通過建立GTP隧道將5QI=6的QoS流發給無線網gNodeB。

（3）gNodeB配置針對5QI=6的無線側調度保障參數配置，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 核心網方案

核心網在實現天翼云VR的QoS支撐中，主要涉及3個NF[2]：PCF、SMF、UPF。其中，PCF擁有QoS參數的最高決策權；SMF根據PCF的指示進行QoSFlow控制；UPF根據SMF指示，執行用戶面操作。主要流程如下：

2.3.1 規則配置

（1）PCF下發安徽QoS研究用戶訪問天翼云VR（上海服務器）時QoS參數規則，通過Rule ID分別給SMF、UPF。Rule ID是顯性Qos rule時分配的一個規則ID在一個PDU Session里惟一。

（2）UPF配 置DPI規則，這是一種深度報文檢測，對天翼云V R（上海服務器）I P包頭的五元組（IP地址、掩碼、協議、端口、起始端口、終止端口）進行檢測，然后把 這個包放到具體的QoS流（5QI=6）上，屬于UPF的PDR（分組描述規則，packet description rule）。

2.3.2 用戶做業務時

（1）UPF通過DPI規則，比對訪問業務的APP ID，當發現用戶訪問了天翼云VR的上海服務器地址，即發探針ID給SMF。

（2）SMF根據PCF的規則，針對滿足QoS研究用戶訪問天翼云VR的條件，通過AMF要求無線側反向建立5QI=6的專載。

2.4 無線網方案

無線網需保障5QI=6的DRB速率不低于90 Mb/s。經查閱[3]，可以通過配置“下行保證速率”參數為90 Mb/s，實現對業務的保障。

圖3 核心網配置方案

3 云+VR業務端到端QoS應用驗證

3.1 核心網配置及效果驗證

核心網通過加載PCF、SMF、UPF配置，實現對QoS研究用戶訪問天翼云VR服務器的QoS管理。經過信令跟蹤，當QoS應用用戶訪問天翼云V R業務時Na m f _C om mu n icat ion _ N1N2 MessageTransfer Request消息指示核心網下發的5QI=6，達成核心網配置目標。

3.2 無線網配置及效果驗證

無線網通過將配置5QI=6的DRB“下行保證速率”參數為90 Mb/s，實現業務保障。

3.3 系統集成測試

驗證選擇在理想5G SA網絡覆蓋環境下進行業務壓力測試，經驗證，普通用戶終端觀看VR視頻均出現不同程度的卡頓現象，QoS研究客戶觀看始終流暢。

4 結束語

本文以電信天翼云V R業務作為試點，通過研究云+VR業務對網絡的需求，明確云VR 5G網絡的支撐目標。再分別通過核心網、無線網、VR CDN服務器展開5G端到端QoS應用研究。經過驗證，順利的實現了在網絡忙時，仍能滿足天翼云VR的QoS研究用戶在觀看VR視頻時“播放快”“不卡頓”“體驗好”的網絡體驗。研究表明，本文的研究順利地打通了5G端到端QoS應用流程，并且可通過該技術支撐5G重點業務在5G網絡忙時的業務體驗。