基于应用识别和感知优化的5G服务质量保障方案研究

摘  要：首先，对5G智能核心网网元NWDAF和UPF赋能，多网元联动形成能力底座，然后基于AI和大数据分析能力，对业务流量进行应用识别和感知优化，实现移动网数据业务的动态GBR保障，保障效果明显。该方案无需用户安装第三方软件，不改变用户的使用习惯，保障用户数据安全。

01 背景

随着5G网络成为主流，各种应用对带宽的抢占也越来越激烈。针对5G网络进行服务质量（QoS）保障时，通常可采用为用户提升5G QoS标识符（5QI）的方案，或者通过第三方应用软件提供特定应用的保障能力的方案。但是，直接提升用户5QI能力的方案难以根据网络现状动态触发保证比特速率（GBR）保障；通过第三方软件提供特定应用保障能力的方案，需要用户终端安装第三方应用软件，特定应用需要在第三方应用软件中进行适配，存在安全隐患，用户也存在一定的安全疑虑。2种方案缺少加速保障效果评估和营销管理，不能按需保障。

中国联通移动数据业务的普通用户和VIP用户通过默认承载签约不同5QI实现（一般对应5QI=9和5QI=6），默认承载为Non-GBR承载，无线网络拥塞时，所有用户都达不到峰值速率AMBR。Non-GBR没有承诺保证比特速率，网络拥塞时无法保障用户体验。

GBR承诺保证比特速率，即使网络拥塞，也能达到GBR承诺的最小速率，保障相应的用户体验。

02 技术方案介绍

2.1 方案概述

网络数据分析功能（NWDAF）是3GPP定义的一种标准网元。作为AI+大数据的引擎，NWDAF具备能力标准化、汇聚网络数据、实时性更高、支持闭环可控等特点。同时，3GPP定义了NWDAF在网络中的位置以及与其他网络功能的交互协同方式，也定义了NWDAF部署的灵活性，NWDAF可以以功能嵌入的方式部署于特定的网络功能单元，也可跨网络功能单元协同，完成网络智能的闭环操作。

某省联通创新性地对5G智能核心网网元NWDAF和UPF赋能，多网元联动形成能力底座，同时基于AI和大数据分析能力，对业务流量进行应用识别、感知分析，通过建立应用基线和质差分析，实现移动数据业务的动态GBR保障，服务质量保障效果明显。该方案无需用户安装第三方软件，不改变用户使用应用的习惯，保障用户数据安全。在现网部署中，NWDAF需要从无线网管获取小区容量信息，防止给该方案中的VVIP用户过度分配资源，对普通用户造成不良影响。本文以移动直播业务为例进行方案介绍和测试，动态GBR保障效果明显，为消费者带来可靠体验保障，同时为运营商带来体验经营闭环。

2.2 方案具体实施

网络方案各组成部分（包括但不限于）的部署和配置如下。

a）业务和资源限制的设置。

b）UPF的能力部署。

c）NWDAF的建设以及与其他网元系统（UPF、PCF、SMF、AMF、无线网关、短信网关等）协同控制能力的部署。

d）NWDAF、NEF同时通过N5接口调用PCF能力协同问题。

e）BSS与PCF的互通等问题。

f）保障体验报告和潜客报告的制定和触发规则。

方案实施时，普通用户移动卡和VVIP用户移动卡签约不同套餐（测试中普通用户使用5QI=9的签约，VVIP使用5QI=4的签约）。当未发生网络拥塞时，普通用户和VVIP用户都执行5QI=9的等级，业务不受影响。当无线网络拥塞时，同一基站下普通用户的5QI保持不变；VVIP签约用户通过UPF和NWDAF的应用识别和质差分析能力，对比应用基线，根据质差情况和配置规则动态触发PCF，调整VVIP业务5QI等级为4，使VVIP用户的被保障应用得到高优先级的服务。

在典型的直播应用中，该差异化的动态保障效果体现为（以观众看直播的效果来评价）：VVIP主播用户的直播不卡顿，保持基线水准；普通主播用户的直播效果为卡顿或者画质降低等。该方案同时提供VVIP用户保障体验报告和潜客挖掘报告，按规则进行发送。

2.2.1 业务和资源限制设置

a）设置保障套餐的业务列表。

b）设置用户体验质差阈值：业务+质差标准。

c）设置无线小区GBR资源使用阈值。

2.2.2 UPF能力部署

a）支持智能中心应用体验监测策略下发（结合ADC）。

b）支持体验劣化逻辑判断和通知事件上报。

c）支持SA业务识别能力。

d）智能板卡支持体验数据采集，质差判断能力。

2.2.3 NWDAF建设和能力部署

a）协同UPF完成智能协议识别，精准计费/有效管控。

b）协同PCF完成智能选频选网，提升5G网络效率。

c）协同PCF完成业务体验按需保障，差异化运营。

d）协同SMF完成辅助用户面选择，提升用户体验。

e）协同PCF/AMF完成异常终端识别和IOT攻击防护。

f）NWDAF与无线网关协同，获取小区容量信息。

g）其他NWDAF相关能力部署。

2.2.4 方案实施流程

方案的技术实现流程如图1所示。为了更好介绍和理解文中的方案，以直播业务为例进行展示，并将图1中的流程分成3个场景进行介绍。

a）场景1：直播套餐用户体验保障（步骤S4~S14，见图2）。识别主流的直播应用，针对签约“5G直播套餐”的VVIP用户，在直播时，根据质差分析，动态提供GRB专载保障。

b）场景2：效果可视（步骤S15~S16，见图3）。

（a）效果评估报表：VVIP用户保障前后的体验提升对比；经营报表：套餐签约趋势洞察、套餐签约用户行为分析；运维报表：保障结果运维、辅助无线网优。

（b）短信通知“5G直播套餐”的VVIP的直播保障效果，体现客户关怀，短信包括个人即时体验报告、个人月度体验报告。

c）场景3：挖掘潜客（步骤S1~S3，见图4）。挖掘直播的重度用户，进行潜客营销。

03 方案效果

3.1 测试环境

在某省联通新时空一楼营业厅实验室进行方案测试。

3.2 测试效果

3.2.1 测试过程和效果

a）配置普通用户（5QI=9）和VVIP用户（5QI=4）的直播卡，某直播应用的基线为2 Mbit/s。

b）网络拥塞前，普通用户和VVIP用户的5QI=9，实时报表显示上行带宽约为2 Mbit/s，手机观看直播无卡顿。

c）当基站无线网络拥塞时，如果检测到VVIP用户的直播应用的上行带宽连续7 s（可配置）低于阈值（2 Mbit/s），则触发VVIP用户的GBR保障，建立5QI=4的专有承载。实时报表显示VVIP用户上行带宽约2Mbit/s，普通用户低于500 kbit/s，观众手机观看VVIP主播的直播无卡顿，观看普通主播的直播卡顿严重。

VVIP用户直播结束后，发送用户体验报告至VVIP用户的手机，各参数与实际相符。

3.2.2 测试结果

a）针对VVIP用户，当直播应用的上行带宽低于阈值时，NWDAF向PCF发送N5接口消息，PCF下发5QI为4的PCC策略，建立专载，保障VVIP用户的上行带宽。

b）VVIP用户和直播用户的直播上行保障速率对比如图5所示。拥塞前，VVIP用户和普通用户直播业务的上行速率均约为2.3 Mbit/s。拥塞后，VVIP用户的上行速率依旧保持在2.3 Mbit/s，普通用户下降到500 kbit/s以下。 

c）保障短信和潜客短信。

（a）NWDAF基于应用，向VVIP用户发送体验报告短信，告知用户的加速时长和上下行带宽。

（b）NWDAF支持按天/周/月粒度导出“开直播”（上行流量），“看直播”（下行流量），“开直播+看直播”（总流量）的重度用户列表，自动对潜客发送短信。

04 总结

某省联通创新性地对5G智能核心网网元NWDAF和UPF赋能，多网元联动形成能力底座，同时基于AI和大数据分析能力，对业务流量进行应用识别、感知分析，通过建立应用基线和质差分析，实现移动数据业务的动态GBR保障，服务质量保障效果明显。该方案无需用户安装第三方软件，不改变用户使用应用的习惯，保障用户数据安全。针对VVIP套餐用户进行GBR重点保障，同时增加限定域“APP+Time”，实现“暂时性跃迁”。文中使用移动直播业务进行方案讲解和测试，动态GBR保障的效果明显，可以逐步推广到云游戏、高清视频会议、远程教育以及AR/VR等更多移动数据业务，为消费者带来可靠体验保障，同时为运营商带来体验经营闭环。

作者简介

程亚锋，高级工程师，硕士，主要从事网络设计及优化、产品研究等相关支撑设计工作；

叶晓斌，工程师，学士，主要从事网络设计及优化、智能维护等相关咨询设计工作。

论文地址：http://ydsjjs.paperopen.com//Image/bb985a7d-c1e2-435c-b715-f7aa174e03c5.pdf