5G QoS与网络切片：流量分级治理术

4G EPS Bearer模型（简化）：
UE ───[Default Bearer (QCI=9)]─── eNodeB ─── SGW ─── PGW
                    │
              [Dedicated Bearer (QCI=1)] ← 语音需要额外建立

graph TB
    subgraph "4G LTE QoS模型"
        UE4[UE] -->|Default Bearer<br/>QCI=9| eNB[eNodeB]
        UE4 -->|Dedicated Bearer<br/>QCI=1 语音| eNB
        UE4 -->|Dedicated Bearer<br/>QCI=4 视频| eNB
        eNB --> SGW --> PGW
    end

    subgraph "5G NR QoS模型"
        UE5[UE] -->|"PDU Session"| gNB[gNodeB]
        gNB --> UPF
        style gNB fill:#e1f5fe
        subgraph "同一个PDU Session"
            QF1["QoS Flow 1<br/>5QI=1 语音<br/>QFI=1"]
            QF2["QoS Flow 2<br/>5QI=2 视频通话<br/>QFI=2"]
            QF9["QoS Flow 3<br/>5QI=9 上网<br/>QFI=9"]
        end
        QF1 -->|"映射到"| DRB1[DRB 1]
        QF2 -->|"映射到"| DRB1
        QF9 -->|"映射到"| DRB2[DRB 2]
    end

sequenceDiagram
    participant UE1 as UE1 语音通话<br/>(ARP=1, 能抢占, 不被抢)
    participant gNB as gNodeB
    participant UE2 as UE2 上网流量<br/>(ARP=15, 不抢占, 能被抢)

    Note over gNB: 无线资源即将用尽

    UE1->>gNB: 请求建立QoS Flow<br/>(5QI=1, ARP Priority=1)

    gNB->>gNB: 检查资源：不足！<br/>但UE1的ARP=1可抢占

    gNB->>UE2: 释放UE2部分Non-GBR资源
    Note over UE2: 上网速度变慢<br/>但连接不断

    gNB->>UE1: QoS Flow建立成功<br/>资源从UE2处"抢"来
    Note over UE1: 语音通话质量有保障

graph TB
    subgraph "物理网络基础设施"
        RAN[无线接入网<br/>gNodeB]
        TN[传输网<br/>SPN/OTN]
        CN[核心网<br/>NF Pool]
    end

    RAN -->|"资源切片"| S1 & S2 & S3
    TN -->|"通道隔离"| S1 & S2 & S3
    CN -->|"NF实例化"| S1 & S2 & S3

    subgraph S1["切片1: eMBB（手机用户）"]
        AMF1[AMF-1] --- SMF1[SMF-1] --- UPF1[UPF-1]
        UPF1 --> Internet[Internet]
        style S1 fill:#e8f5e9
    end

    subgraph S2["切片2: URLLC（工业控制）"]
        AMF2[AMF-2] --- SMF2[SMF-2] --- UPF2[UPF-2<br/>边缘部署]
        UPF2 --> Factory[工厂内网]
        style S2 fill:#fff3e0
    end

    subgraph S3["切片3: mMTC（物联网）"]
        AMF3[AMF-3] --- SMF3[SMF-3] --- UPF3[UPF-3]
        UPF3 --> IoT[IoT平台]
        style S3 fill:#e3f2fd
    end

S-NSSAI = {SST=1, SD=无}          → 运营商默认eMBB切片（所有手机用户）
S-NSSAI = {SST=1, SD=0x010203}    → 增强版eMBB切片（VIP用户，更高AMBR）
S-NSSAI = {SST=2, SD=无}          → URLLC切片（工业客户专享）
S-NSSAI = {SST=3, SD=无}          → mMTC切片（物联网设备）
S-NSSAI = {SST=128, SD=0xAABBCC}  → 运营商自定义切片（如电力公司专网）

sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant AMF as AMF
    participant NSSF as NSSF
    participant UDM as UDM
    participant SMF as SMF(切片专用)

    UE->>AMF: Registration Request<br/>(Requested NSSAI: SST=2)
    Note over UE: UE请求加入URLLC切片

    AMF->>NSSF: NSSelection Get<br/>(Requested NSSAI)
    Note over NSSF: 查询该UE被授权的切片

    NSSF->>AMF: 返回Allowed NSSAI<br/>+ 目标AMF Set<br/>+ NSI ID
    Note over NSSF: 返回允许的切片列表<br/>和对应的网络功能

    alt 需要重定向到切片专用AMF
        AMF->>UE: Registration Reject<br/>(重定向指示)
        UE->>AMF: 向切片专用AMF重新注册
    end

    UE->>SMF: PDU Session Establishment<br/>(S-NSSAI: SST=2)
    Note over SMF: SMF为URLLC切片专用实例

    SMF->>UDM: 获取UE订阅的切片QoS策略
    UDM->>SMF: 返回QoS Profile<br/>(默认5QI、ARP等)

    SMF->>UE: PDU Session建立成功<br/>(分配QoS Flow)

网络切片（宏观）：
├── 切片A（eMBB）：分配了总带宽的60%
│   ├── QoS Flow 1: 语音 (5QI=1, GBR)     ← 微观调度
│   ├── QoS Flow 2: 视频 (5QI=2, GBR)     ← 微观调度
│   └── QoS Flow 3: 上网 (5QI=9, Non-GBR)  ← 微观调度
│
├── 切片B（URLLC）：分配了总带宽的25%
│   ├── QoS Flow 1: 控制指令 (5QI=11, DC-GBR)
│   └── QoS Flow 2: 状态上报 (5QI=80, Non-GBR)
│
└── 切片C（mMTC）：分配了总带宽的15%
    └── QoS Flow 1: 数据上传 (5QI=84, Non-GBR)

sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant gNB as gNodeB
    participant AMF as AMF
    participant SMF as SMF
    participant PCF as PCF
    participant UPF as UPF

    UE->>AMF: PDU Session Establishment Request
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext

    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create
    Note over PCF: PCF根据签约信息和<br/>切片类型决定QoS策略
    PCF->>SMF: 返回PCC Rules<br/>(5QI, ARP, GFBR, MFBR...)

    SMF->>SMF: 根据PCC Rules生成QoS Profile
    Note over SMF: 确定需要几个QoS Flow<br/>分配QFI

    SMF->>UPF: N4 Session Establishment<br/>(PDR/FAR/QER规则)
    Note over UPF: UPF配置包检测规则<br/>将上行/下行数据映射到QoS Flow

    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer
    Note over SMF: 包含N1 SM Container(给UE)<br/>和N2 SM Info(给gNB)

    AMF->>gNB: N2 PDU Session Resource Setup Request
    Note over gNB: N2 Info包含QoS Profile<br/>QFI, 5QI, ARP, GFBR...

    gNB->>gNB: 接纳控制（GBR流）<br/>DRB映射<br/>无线资源预留

    gNB->>UE: RRC Reconfiguration<br/>(DRB配置, QoS映射)
    UE->>gNB: RRC Reconfiguration Complete

    gNB->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response
    AMF->>SMF: 资源建立确认

    Note over UE,UPF: ✅ QoS Flow建立完成<br/>数据传输开始

1. UE侧
   ✓ 检查PDU Session是否建立（S-NSSAI是否正确）
   ✓ 检查QoS Flow数量和QFI
   ✓ 检查IP地址分配

2. RAN侧
   ✓ DRB是否正确建立
   ✓ QoS Flow到DRB的映射关系
   ✓ GBR流的接纳控制结果
   ✓ MAC层调度统计（不同QCI的吞吐量）

3. Core侧
   ✓ SMF是否正确解析PCC Rules
   ✓ UPF的包检测规则（PDR）是否正确配置
   ✓ Session-AMBR限速是否生效
   ✓ QFI标记是否正确

4. 策略侧
   ✓ PCF是否正确下发策略
   ✓ UDM签约数据中QoS参数是否完整
   ✓ ARP配置是否符合业务需求

第一层：网络切片 → 宏观资源隔离（谁分到多少资源池）
第二层：ARP      → 资源竞争仲裁（拥塞时谁让路）
第三层：5QI      → 数据包级转发质量（延迟、丢包率保障）