In einem 5G-Netz ist QoS nicht nur eine technische Kennzeichnung, die Paketen hinzugefügt wird. QoS ist der Mechanismus, der entscheidet, welcher Verkehr als gewöhnlicher Best-Effort-Verkehr behandelt wird, welcher Dienst garantierte Ressourcen verdient und wie das Netz reagieren soll, wenn Funkbedingungen oder Überlastung das Nutzererlebnis beeinträchtigen. Für Betreiber steht QoS in engem Zusammenhang mit Bandbreitenkosten und der Zuweisung von Netzressourcen. Für Nutzer und Servicepartner zeigt sich QoS häufig als Dienstqualität, Abonnementstufe, geschäftliche Priorität oder garantierte Nutzererfahrung.

Ein Mobiltelefon kann gleichzeitig viele Arten von Verkehr erzeugen: Nachrichten, Kurzvideos, Cloud-Unterricht, Spiele, IMS-Signalisierung, VoNR-Audio, Live-Video, AR/VR-Interaktion und Aktualisierungen von Hintergrundanwendungen. Diese Flüsse haben nicht dieselben Anforderungen. Ein gepuffertes Video kann mehr Verzögerung tolerieren als Sprache. IMS-Signalisierung benötigt eine zuverlässige Behandlung, jedoch nicht dieselbe Bandbreite wie Video. Ein latenzkritischer Industriedienst kann eine wesentlich strengere Kontrolle von Verzögerung und Paketverlust verlangen als eine gewöhnliche Social-Media-Anwendung.

Die Aufgabe der 5GC-QoS besteht darin, diese Dienstdatenflüsse zu klassifizieren, sie geeigneten QoS Flows zuzuordnen, eine Weiterleitungsbehandlung festzulegen und UE, gNB, UPF, SMF sowie Richtlinienregeln so zu koordinieren, dass sich die Benutzerebene entsprechend der Dienstabsicht verhält.

Dienstwert und Ressourcenkosten

QoS beginnt mit einer einfachen Realität: Nicht jeder Dienst erhält dieselbe Netzgarantie. Die meisten öffentlichen Internetanwendungen, etwa soziale Nachrichten, Kurzvideos, gewöhnliches Surfen, Musik-Apps oder Online-Lernverkehr, werden üblicherweise nach dem Best-Effort-Prinzip behandelt. Sie werden meist als Non-GBR-Dienste geführt, was bedeutet, dass das Netz für den einzelnen Flow keine garantierte Bitrate zusagt.

Einige Dienste können einen stärkeren QoS-Schutz erhalten, weil ein Nutzer, Unternehmenskunde oder Servicepartner für eine differenzierte Behandlung bezahlt. Zusammenarbeit in Online-Spielen, hochwertige Unternehmensanwendungen, AR/VR-Dienste oder branchenspezifische Niedriglatenzdienste können mit stärker kontrollierter QoS behandelt werden. Solche Dienste können GBR, also garantierte Bitrate, verwenden, wenn das Netz eine Mindestrate reservieren oder schützen muss.

Außerdem gibt es betreibereigene Dienste, die auch ohne separate Zahlung des Nutzers QoS-Schutz erhalten können. Sprachdienste sind ein typisches Beispiel. In 4G wurde dies häufig im Zusammenhang mit VoLTE betrachtet, während dieselbe Logik in 5G bei VoNR-bezogenem Verkehr auftritt. Sprache muss stabil, verzögerungsarm und verständlich bleiben und kann daher nicht immer wie eine gewöhnliche Best-Effort-Anwendung behandelt werden.

Vom Bearer zum Flow

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen 4G- und 5G-QoS ist der Wechsel von einer bearerzentrierten zu einer flowzentrierten Betrachtung. In 4G wurde QoS um den EPS Bearer herum aufgebaut. Eine Bearer-Beziehung war mit Funkbearer-, S1-U-Tunnel- und S5/S8-Tunnelressourcen verbunden. Mehr Bearer bedeuteten üblicherweise auch mehr entsprechende Tunnel- und Funkbearerstrukturen.

In 5G ist der QoS Flow die zentrale QoS-Einheit. Eine PDU-Sitzung kann einen oder mehrere QoS Flows transportieren. Ein QoS Flow wird durch den QFI, den QoS-Flow-Kennung, mit Werten von 0 bis 63 gekennzeichnet. Pakete mit demselben QFI erhalten dieselbe Weiterleitungsbehandlung. Dadurch bietet 5G ein feineres und flexibleres Modell zur Dienstklassifizierung als der ältere EPS-Bearer-Ansatz.

Eine einzelne PDU-Sitzung kann mehrere QoS Flows transportieren, während der N3-Tunnel dieser PDU-Sitzung weiterhin ein einzelner Tunnel bleibt. Ein DRB kann einen oder mehrere QoS Flows transportieren, und die tatsächliche Zuordnung zwischen QoS Flows und DRBs wird vom gNB gesteuert. Daher muss die Anzahl der DRBs nicht der Anzahl der QFIs entsprechen. Beispielsweise könnten ein Non-GBR-Anwendungsflow und ein GBR-Gaming-Flow in einem Entwurf denselben DRB nutzen oder entsprechend der Funkstrategie getrennt zugeordnet werden.

Schlüsselparameter bestimmen die Behandlung

Die QoS-Parameter des 5GC beschreiben, wie jeder Flow behandelt werden soll. Auf QoS-Flow-Ebene gehören 5QI und ARP zu den üblichen Parametern. 5QI ist die 5G-QoS-Kennung und wurde aus dem 4G-QCI-Konzept weiterentwickelt. Er beschreibt Diensteigenschaften wie Prioritätsstufe, Paketverzögerungsbudget, Paketfehlerrate, Mittelungsfenster und maximales Datenburstvolumen für latenzkritische GBR-Dienste.

ARP steht für Zuweisungs- und Beibehaltungspriorität. Der Parameter hilft bei der Entscheidung, ob ein QoS Flow bei begrenzten Ressourcen eingerichtet oder beibehalten werden kann. Bei Überlastung kann ARP beeinflussen, welche Flows zugelassen werden und welche eher freigegeben oder abgewiesen werden.

GBR-Flows besitzen ratenbezogene Parameter. GFBR definiert die garantierte Flow-Bitrate, also die Mindestrate, die das Netz schützen soll. MFBR definiert die maximale Flow-Bitrate; Verkehr oberhalb dieses Werts kann verworfen werden. Eine Benachrichtigungssteuerung kann verwendet werden, wenn die RAN-Seite GFBR nicht erfüllen kann, etwa bei schlechten Funkbedingungen. Die maximale Paketverlustrate legt die tolerierbare Verlustquote für Uplink- oder Downlink-Verkehr fest.

Non-GBR-Verkehr wird anders gesteuert. UE-AMBR begrenzt die aggregierte Bitrate aller Non-GBR-QoS-Flows des UE, während Session-AMBR alle Non-GBR-QoS-Flows innerhalb einer PDU-Sitzung begrenzt. RQA, das Attribut für reflektierende QoS, zeigt an, ob Reflective QoS auf einen Flow angewendet werden kann.

Wie Verkehr zugeordnet wird

QoS ist nur dann wirksam, wenn Pakete korrekt klassifiziert und zugeordnet werden können. In 5G werden Uplink- und Downlink-Klassifizierung unterschiedlich behandelt. Beim Uplink-Verkehr übernimmt das UE Klassifizierung und Zuordnung gemäß den vom Netz bereitgestellten oder vom UE selbst abgeleiteten QoS-Regeln. Beim Downlink-Verkehr klassifiziert die UPF gemäß der vom SMF bereitgestellten PDR, der Paketerkennungsregel.

Eine QoS-Regel oder PDR enthält Paketfilterinformationen. Dazu können Quell- oder Ziel-IP-Adresse, IPv6-Präfix, Quell- oder Zielport, IP-Protokollnummer, IPv6-Next-Header-Typ, IPv4 ToS, IPv6 Traffic Class, IPv6 Flow Label, IPsec SPI und Verkehrsrichtung gehören. Diese Filter teilen dem UE oder der UPF mit, welche Pakete zu welchem QoS Flow gehören.

Kann die UPF ein Downlink-Paket keiner gültigen PDR zuordnen, kann das Paket verworfen werden. Das ist wichtig, weil die Downlink-QoS-Behandlung von den durch das SMF in der UPF installierten Regeln abhängt. Im Uplink markiert das UE Pakete gemäß der anwendbaren QoS-Regel, damit sie dem richtigen QoS Flow zugeordnet und anschließend vom Funkzugangsnetz verarbeitet werden.

Reflective QoS reduziert in bestimmten Fällen den Signalisierungsaufwand. Aktiviert das Netz Reflective QoS, kann die UPF Downlink-Daten mit einer RQI-Anzeige senden. Über den N3-Tunnel und die Luftschnittstelle empfängt das UE das Downlink-Paket und leitet daraus eine Uplink-QoS-Regel ab. Diese vom UE abgeleitete QoS-Regel enthält einen Uplink-Paketfilter, QFI und Priorität. Danach kann das UE künftige Uplink-Pakete klassifizieren, ohne auf eine separat vom Netz bereitgestellte Regel zu warten.

FAQ

Warum verwendet 5G QoS Flow und nicht nur DRB?

QoS Flow gehört zum Dienstbehandlungsmodell des Kernnetzes, während DRB zur Funkbearer-Verarbeitung gehört. Die Trennung gibt dem Netz mehr Flexibilität bei der Zuordnung von Dienstregeln zu Funkressourcen.

Können zwei Anwendungen mit ähnlichem Verkehrsbedarf unterschiedliche QoS Flows verwenden?

Ja. Der Betreiber kann neben Bandbreiten- oder Verzögerungsanforderungen auch Diensteigentümerschaft, kommerzielle Vereinbarungen, Abonnementrichtlinien und Abrechnungsmodelle berücksichtigen.

Was geschieht, wenn der Verkehr MFBR überschreitet?

Verkehr oberhalb der maximalen Flow-Bitrate kann verworfen werden, da MFBR die zulässige Obergrenze für diesen GBR-QoS-Flow festlegt.

Warum ist 5QI für die Dienstplanung wichtig?

5QI bietet eine standardisierte Möglichkeit, Dienstkategorien mit Erwartungen an Priorität, Verzögerung, Paketfehler und Ressourcentyp zu verknüpfen. Dadurch lassen sich QoS-Verhalten leichter planen und vergleichen.

Funktioniert Reflective QoS auf jedem Endgerät?

Nein. Es erfordert Unterstützung durch das UE und eine korrekte Aktivierung im Netz. Ohne Endgeräteunterstützung kann das UE aus Downlink-Daten der Benutzerebene keine Uplink-QoS-Regel ableiten.