В сети 5G QoS — это не просто техническая метка, добавляемая к пакетам. Это механизм, который определяет, какой трафик обслуживается по принципу обычного обслуживания без гарантий, какой сервис должен получить гарантированные ресурсы и как сеть должна реагировать, когда радиоусловия или перегрузка начинают ухудшать пользовательский опыт. Для операторов QoS тесно связана со стоимостью полосы пропускания и распределением сетевых ресурсов. Для пользователей и сервисных партнеров она обычно проявляется как качество обслуживания, уровень подписки, бизнес-приоритет или гарантированное качество.

Мобильный телефон может одновременно создавать множество типов трафика: сообщения, короткие видео, облачные занятия, игры, сигнализацию IMS, аудио VoNR, прямые видеотрансляции, взаимодействие AR/VR и фоновые обновления приложений. У этих потоков разные требования. Видео с буферизацией может допускать большую задержку, чем голос. Сигнализация IMS требует надежной обработки, но не нуждается в такой же полосе, как видео. Промышленный сервис, критичный к задержке, может требовать гораздо более строгого контроля задержки и потерь пакетов, чем обычное социальное приложение.

Задача QoS в 5GC — классифицировать эти сервисные потоки данных, сопоставлять их подходящим QoS Flows, назначать правила пересылки и координировать UE, gNB, UPF, SMF и политики так, чтобы плоскость пользователя работала в соответствии с назначением сервиса.

Ценность сервиса и стоимость ресурсов

QoS начинается с простой реальности: не каждый сервис получает одинаковые сетевые гарантии. Большинство общедоступных интернет-приложений, включая социальные сообщения, короткие видео, обычный веб-доступ, музыкальные приложения и онлайн-обучение, обычно обслуживаются по принципу обслуживания без гарантий. Как правило, они относятся к сервисам Non-GBR, то есть сеть не обещает гарантированную скорость для каждого потока.

Некоторые сервисы могут получать более сильную защиту QoS, если пользователь, корпоративный клиент или сервисный партнер оплачивает дифференцированное обслуживание. Совместные онлайн-игры, премиальные корпоративные приложения, сервисы AR/VR или отраслевые услуги с низкой задержкой могут обрабатываться с более жестким контролем QoS. Для них может применяться GBR, то есть гарантированная скорость передачи данных, когда сеть должна зарезервировать или защитить минимальную скорость.

Существуют и принадлежащие оператору сервисы, которые могут получать защиту QoS даже без отдельной оплаты пользователем. Типичный пример — голосовые услуги. В 4G это часто рассматривалось в контексте VoLTE, а в 5G та же логика применяется к трафику VoNR. Голос должен оставаться стабильным, иметь низкую задержку и быть разборчивым, поэтому его нельзя всегда обслуживать как обычное приложение с обслуживанием без гарантий.

От bearer к потоку

Одно из важнейших отличий QoS в 4G и 5G — переход от модели, ориентированной на EPS Bearer, к модели, ориентированной на QoS Flow. В 4G QoS строилась вокруг EPS Bearer. Связь EPS Bearer была связана с радиобеарером, туннелем S1-U и ресурсами туннелей S5/S8. Большее число EPS Bearer обычно означало больше соответствующих туннельных и радиобеарерных структур.

В 5G ключевой единицей QoS является QoS Flow. Одна сессия PDU может переносить один или несколько QoS Flows. Каждый QoS Flow идентифицируется параметром QFI, или идентификатор потока QoS, со значением от 0 до 63. Пакеты с одинаковым QFI получают одинаковую обработку пересылки. Благодаря этому 5G использует более детальную и гибкую модель классификации сервисов, чем прежний подход EPS Bearer.

Одна сессия PDU может переносить несколько QoS Flows, при этом туннель N3 для этой сессии PDU остается одним. Один DRB может переносить один или несколько QoS Flows, а фактическое сопоставление QoS Flows и DRB контролируется gNB. Поэтому количество DRB не обязано совпадать с количеством QFI. Например, поток приложения Non-GBR и игровой поток GBR в одной схеме могут использовать общий DRB, а в другой — сопоставляться раздельно в зависимости от радиостратегии.

Ключевые параметры задают обработку

Параметры QoS 5GC описывают, как должен обрабатываться каждый поток. На уровне QoS Flow обычно используются 5QI и ARP. 5QI — это идентификатор QoS 5G, развившийся из концепции QCI в 4G. Он описывает такие характеристики сервиса, как уровень приоритета, бюджет задержки пакетов, вероятность ошибок пакетов, окно усреднения и максимальный объем всплеска данных для критичных по задержке GBR-сервисов.

ARP означает приоритет распределения и удержания. Этот параметр помогает решить, можно ли установить или сохранить QoS Flow при ограниченных ресурсах. В условиях перегрузки ARP влияет на то, какие потоки допускаются, а какие с большей вероятностью будут освобождены или отклонены.

Потоки GBR имеют параметры скорости. GFBR задает гарантированную скорость потока — минимальную скорость, которую сеть стремится защитить. MFBR задает максимальную скорость потока; трафик выше этого значения может отбрасываться. Управление уведомлениями может использоваться, когда сторона RAN не может обеспечить GFBR, например при плохих радиоусловиях. Максимально допустимая доля потерь пакетов определяет допустимый уровень потерь для восходящего или нисходящего трафика.

Трафик Non-GBR контролируется иначе. UE-AMBR ограничивает совокупную скорость всех Non-GBR QoS Flows для UE, а Session-AMBR — всех Non-GBR QoS Flows внутри одной сессии PDU. RQA, или атрибут отражённого QoS, указывает, можно ли применить Reflective QoS к конкретному потоку.

Как выполняется сопоставление трафика

QoS полезна только тогда, когда пакеты можно правильно классифицировать и сопоставить. В 5G классификация восходящего и нисходящего трафика выполняется по-разному. Для восходящего направления UE классифицирует и сопоставляет трафик в соответствии с правилами QoS, полученными от сети или выведенными самим UE. Для нисходящего направления UPF выполняет классификацию по PDR, то есть по правилу обнаружения пакетов, переданному SMF.

Правило QoS или PDR содержит информацию пакетного фильтра. Она может включать исходный или целевой IP-адрес, префикс IPv6, исходный или целевой порт, номер IP-протокола, тип IPv6 Next Header, IPv4 ToS, IPv6 Traffic Class, IPv6 Flow Label, IPsec SPI и направление трафика. Эти фильтры указывают UE или UPF, какие пакеты относятся к какому QoS Flow.

Если UPF не может сопоставить нисходящий пакет с действующим PDR, пакет может быть отброшен. Это важно, поскольку обработка QoS в нисходящем направлении зависит от правил, установленных SMF в UPF. В восходящем направлении UE маркирует пакеты в соответствии с применимым правилом QoS, чтобы они попали в правильный QoS Flow и затем были обработаны сетью радиодоступа.

Reflective QoS в ряде случаев уменьшает сигнальную нагрузку. Когда сеть активирует Reflective QoS, UPF может передавать нисходящие данные с признаком RQI. Через туннель N3 и радиоинтерфейс UE принимает нисходящий пакет и выводит из него правило QoS для восходящего направления. Такое правило QoS, выведенное UE, содержит фильтр восходящих пакетов, QFI и приоритет. После этого UE может классифицировать последующие восходящие пакеты без ожидания отдельного правила от сети.

Часто задаваемые вопросы

Почему 5G использует QoS Flow, а не только DRB?

QoS Flow относится к модели обслуживания сервисов в ядре сети, а DRB — к обработке радиобеареров. Их разделение дает сети больше гибкости при сопоставлении сервисных правил с радиоресурсами.

Могут ли два приложения с похожими требованиями к трафику использовать разные QoS Flows?

Да. Оператор может учитывать не только требования к полосе или задержке, но и принадлежность сервиса, коммерческие соглашения, политику подписки и модель тарификации.

Что происходит, когда трафик превышает MFBR?

Трафик выше максимальной скорости потока может быть отброшен, поскольку MFBR задает верхний допустимый предел для данного GBR QoS Flow.

Почему 5QI важен для планирования сервисов?

5QI дает стандартизованный способ связать категории сервисов с ожиданиями по приоритету, задержке, ошибкам пакетов и типу ресурсов, упрощая проектирование и сравнение поведения QoS.

Работает ли Reflective QoS на любом терминале?

Нет. Требуются поддержка со стороны UE и корректная активация в сети. Без поддержки терминала UE не сможет вывести правило QoS для восходящего направления из нисходящих данных пользовательской плоскости.