5G QoS特性深度解析：R18中数据包延迟预算(PDB)与延迟关键型GBR流

在5G网络的QoS（服务质量）体系中，数据包延迟预算 是一个至关重要的性能指标。它定义了数据包在用户设备（UE）和用户平面功能（UPF）之间传输时，所允许的最大延迟上限。这个预算是网络进行资源调度的重要依据；尤其对于延迟敏感的GBR（保证比特率）业务流，一旦数据包延迟超过此预算，就可能被视为无效而被丢弃。3GPP在技术规范TS 23.501中对此有明确的定义。

一、特性3：数据包延迟预算 (Packet Delay Budget)

PDB的核心定义是：它是数据包在UE与UPF（N6接口端点）之间传输时，所能容忍的最大延迟时间。这个指标适用于两个方向：

• 下行方向：UPF通过N6接口接收的数据包，传输至UE。
• 上行方向：UE发送的数据包，传输至UPF。

关于PDB，有以下几个关键点需要理解：

• 方向一致性：对于特定的5QI（5G QoS标识符），其PDB值在上行和下行方向上是相同的。在3GPP接入网中，PDB被用来指导调度和配置链路层功能，例如确定调度优先级权重和设置HARQ（混合自动重传请求）的目标工作点。
• 对延迟关键型GBR流的影响：对于使用 延迟关键资源 类型的GBR QoS流，网络有更严格的处理规则。如果某个数据包的延迟超过了PDB，但同时满足以下两个条件：
  1. 在PDB对应的周期内，数据突发量未超过MDBV（最大数据突发量）。
  2. QoS流的速率未超过GFBR（保证流比特率）。
     那么，这个超时的数据包将被网络判定为丢失。
• 统计性保证：对于GBR资源类型且未超过GFBR的GBR QoS流，协议要求98%的数据包其延迟不得超过该5QI所对应的PDB值。

二、端到端延迟的计算与分解

整个端到端的延迟预算（PDB）并非全部分配给无线接入网。实际上，它被拆分为核心网部分和5G接入网部分。计算公式如下：

5G-AN PDB = PDB - CN PDB

这里引入了两个概念：

• 5G-AN PDB：分配给5G接入网（即NG-RAN）的延迟预算。
• CN PDB：核心网数据包延迟预算。它表示数据包在UPF（对PDU会话内可能选择的任一UPF）的N6接口终止点与5G-AN之间传输所产生的延迟。

关于CN PDB，其数值的确定有以下标准：

• 标准化5QI：对于标准化的5QI值，其CN PDB的静态值在3GPP规范TS 23.501的表5.7.4-1中直接指定。
• 非标准化5QI：对于非标准化的、由运营商自定义的5QI，其CN PDB的静态值由网络统一配置。
• 动态CN PDB：对于使用延迟关键资源类型的GBR QoS流，为了给无线接入网（NG-RAN）提供更精确的延迟预算进行调度，可以使用CN PDB的动态值。这个动态值表征了该特定QoS流在其UPF的N6终止点与5G-AN之间的实际延迟。

一个重要的原则是：如果为某个QoS流配置了CN PDB的动态值，那么NG-RAN应当应用这个动态值，而不是与该5QI绑定的静态值。动态值可以为上行和下行链路分别独立配置。

2.1 传输网络的影响

连接核心网与接入网之间的传输网络（CN隧道）配置，在上行和下行方向可能不同。因此，上行和下行链路的CN PDB值自然也可以设置为不同的数值。

2.2 对UPF部署的要求

网络部署时需要确保，CN PDB的动态值不大于其静态值。这一要求可以避免基于5G-AN PDB工作的功能（例如MDBV计算、NG-RAN调度器）接收到超出预期的数值，从而引发调度错误。

三、延迟关键型GBR流的CN PDB动态值配置

对于延迟关键型的GBR业务，其CN PDB动态值在网络中有两种主要的配置方式：

1. 在NG-RAN节点中配置：基于多种输入参数进行配置，例如终止N3隧道的UPF的不同IP地址或TEID（隧道端点标识符）范围，以及PSA UPF（PDU会话锚点UPF）到NG-RAN的不同路径组合（同时考虑可能存在的I-UPF，即中间UPF）。
2. 在SMF（会话管理功能）中配置：基于PSA UPF到NG-RAN的不同路径组合进行配置，同样需要考虑任何潜在的I-UPF。

当特定QoS流的CN PDB动态值确定或发生变化时，网络需要在以下流程中通知NG-RAN节点：

• PDU会话建立
• PDU会话修改
• Xn/N2切换
• 服务请求过程

具体而言，当QoS流被建立，或者其CN PDB动态值发生改变时（例如SMF插入了I-UPF导致路径变化），新的动态值就需要及时更新给NG-RAN。理解这些底层机制，有助于开发者更好地设计对延迟敏感的网络应用。对于更深入的网络协议讨论，可以关注 云栈社区 的相关板块。