Em uma rede 5G, QoS não é apenas um rótulo técnico anexado aos pacotes. É o mecanismo que decide qual tráfego recebe tratamento comum de melhor esforço, qual serviço merece recursos garantidos e como a rede deve reagir quando as condições de rádio ou o congestionamento começam a afetar a experiência do usuário. Para as operadoras, QoS está diretamente ligada ao custo de largura de banda e à alocação de recursos de rede. Para usuários e parceiros de serviço, ela costuma aparecer como qualidade de serviço, nível de assinatura, prioridade comercial ou experiência garantida.

Um telefone celular pode gerar muitos tipos de tráfego ao mesmo tempo: mensagens, vídeos curtos, aulas em nuvem, jogos, sinalização IMS, áudio VoNR, vídeo ao vivo, interação AR/VR e atualizações de aplicativos em segundo plano. Esses fluxos não têm os mesmos requisitos. Um vídeo com buffer tolera mais atraso do que a voz. A sinalização IMS precisa de tratamento confiável, mas não exige a mesma largura de banda do vídeo. Um serviço industrial crítico em latência pode exigir controle de atraso e perda de pacotes muito mais rigoroso do que um aplicativo social comum.

O papel do QoS do 5GC é classificar esses fluxos de dados de serviço, mapeá-los para QoS Flows adequados, atribuir o tratamento de encaminhamento e coordenar UE, gNB, UPF, SMF e regras de política para que o plano de usuário se comporte de acordo com a intenção do serviço.

Valor do serviço e custo dos recursos

QoS começa com uma realidade simples: nem todo serviço recebe a mesma garantia de rede. A maioria das aplicações públicas de Internet, como mensagens sociais, vídeos curtos, navegação comum, aplicativos de música ou tráfego de aprendizagem on-line, normalmente recebe tratamento de melhor esforço. Em geral, esses serviços são tratados como Non-GBR, o que significa que a rede não promete uma taxa de bits garantida para cada fluxo.

Alguns serviços podem receber proteção de QoS mais forte porque um usuário, cliente corporativo ou parceiro de serviço paga por tratamento diferenciado. Cooperação em jogos on-line, aplicações corporativas premium, serviços AR/VR ou serviços setoriais de baixa latência podem ser tratados com QoS mais controlado. Esses serviços podem usar GBR, ou taxa de bits garantida, quando a rede precisa reservar ou proteger uma taxa mínima.

Também há serviços pertencentes à operadora que podem receber proteção de QoS mesmo sem pagamento separado do usuário. Serviços de voz são um exemplo típico. No 4G, isso era frequentemente discutido por meio do VoLTE; no 5G, a mesma lógica pode aparecer no tráfego relacionado ao VoNR. A voz precisa permanecer estável, com baixa latência e inteligível, por isso nem sempre pode ser tratada como uma aplicação comum de melhor esforço.

Do bearer ao fluxo

Uma das diferenças mais importantes entre o QoS do 4G e do 5G é a mudança de uma lógica centrada em bearers para uma lógica centrada em fluxos. No 4G, o QoS era estruturado em torno do EPS Bearer. Uma relação de bearer estava associada ao bearer de rádio, ao túnel S1-U e aos recursos de túnel S5/S8. Mais bearers geralmente significavam mais estruturas correspondentes de túneis e bearers de rádio.

No 5G, a unidade principal de QoS é o QoS Flow. Uma sessão PDU pode transportar um ou vários QoS Flows. Cada QoS Flow é identificado por um QFI, ou identificador de fluxo QoS, com valores de 0 a 63. Pacotes com o mesmo QFI recebem o mesmo tratamento de encaminhamento. Isso oferece ao 5G um modelo de classificação de serviços mais granular e flexível do que a abordagem antiga baseada em EPS Bearer.

Uma única sessão PDU pode transportar vários QoS Flows, enquanto o túnel N3 dessa sessão PDU continua sendo apenas um. Um DRB pode transportar um ou vários QoS Flows, e o mapeamento efetivo entre QoS Flows e DRBs é controlado pelo gNB. Isso significa que a quantidade de DRBs não precisa ser igual à quantidade de QFIs. Por exemplo, um fluxo de aplicativo Non-GBR e um fluxo de jogo GBR podem compartilhar um DRB em um projeto ou ser mapeados separadamente conforme a estratégia de rádio.

Parâmetros principais definem o tratamento

Os parâmetros de QoS do 5GC descrevem como cada fluxo deve ser tratado. No nível de QoS Flow, os parâmetros comuns incluem 5QI e ARP. O 5QI é o identificador de QoS do 5G e evoluiu a partir do conceito QCI do 4G. Ele representa características do serviço, como nível de prioridade, orçamento de atraso de pacotes, taxa de erro de pacotes, janela de média e volume máximo de rajada de dados para serviços GBR críticos em latência.

ARP significa prioridade de alocação e retenção. Ele ajuda a decidir se um QoS Flow pode ser estabelecido ou mantido quando os recursos são limitados. Em condições de congestionamento, o ARP pode influenciar quais fluxos são admitidos e quais têm maior probabilidade de ser liberados ou rejeitados.

Fluxos GBR têm parâmetros relacionados à taxa. O GFBR define a taxa de bits garantida do fluxo, ou seja, a taxa mínima que a rede procura proteger. O MFBR define a taxa máxima de bits do fluxo; o tráfego acima desse valor pode ser descartado. O controle de notificação pode ser usado quando o lado RAN não consegue atender ao GFBR, por exemplo, em condições ruins de rádio. A taxa máxima de perda de pacotes define o nível tolerável de perda para o tráfego de subida ou descida.

O tráfego Non-GBR é controlado de forma diferente. O UE-AMBR limita a taxa de bits agregada de todos os QoS Flows Non-GBR do UE, enquanto o Session-AMBR limita todos os QoS Flows Non-GBR dentro de uma sessão PDU. O RQA, ou atributo de QoS reflexivo, indica se o Reflective QoS pode ser aplicado a um fluxo.

Como o tráfego é mapeado

QoS só é útil quando os pacotes podem ser classificados e mapeados corretamente. No 5G, a classificação de subida e descida é tratada de formas diferentes. Para o tráfego de subida, o UE realiza a classificação e o mapeamento de acordo com as regras QoS fornecidas pela rede ou derivadas pelo próprio UE. Para o tráfego de descida, o UPF classifica de acordo com o PDR, ou regra de detecção de pacotes, entregue pelo SMF.

Uma regra QoS ou PDR inclui informações de filtro de pacotes. Isso pode incluir endereço IP de origem ou destino, prefixo IPv6, porta de origem ou destino, número do protocolo IP, tipo IPv6 Next Header, IPv4 ToS, IPv6 Traffic Class, IPv6 Flow Label, IPsec SPI e direção do tráfego. Esses filtros informam ao UE ou ao UPF quais pacotes pertencem a qual QoS Flow.

Se o UPF não conseguir associar um pacote de descida a um PDR válido, o pacote poderá ser descartado. Isso é importante porque o tratamento de QoS na descida depende das regras instaladas pelo SMF no UPF. Na subida, o UE marca os pacotes conforme a regra QoS aplicável para que sejam colocados no QoS Flow correto e depois tratados pela rede de acesso por rádio.

O Reflective QoS reduz a sobrecarga de sinalização em determinados casos. Quando a rede ativa o Reflective QoS, o UPF pode enviar dados de descida com uma indicação RQI. Pelo túnel N3 e pela interface aérea, o UE recebe o pacote de descida e deriva dele uma regra QoS de subida. Essa regra QoS derivada pelo UE contém um filtro de pacote de subida, QFI e prioridade. Assim, o UE pode classificar futuros pacotes de subida sem esperar por uma regra separada entregue pela rede.

Perguntas frequentes

Por que o 5G usa QoS Flow em vez de apenas DRB?

QoS Flow pertence ao modelo de tratamento de serviço da rede central, enquanto DRB pertence ao tratamento do bearer de rádio. Separá-los dá à rede mais flexibilidade ao mapear regras de serviço para recursos de rádio.

Duas aplicações com necessidades de tráfego semelhantes podem usar QoS Flows diferentes?

Sim. A operadora também pode considerar propriedade do serviço, acordos comerciais, política de assinatura e modelo de cobrança, e não apenas requisitos de largura de banda ou atraso.

O que acontece quando o tráfego excede o MFBR?

O tráfego acima da taxa máxima de bits do fluxo pode ser descartado, pois o MFBR define o limite superior permitido para esse QoS Flow GBR.

Por que o 5QI é importante para o planejamento de serviços?

O 5QI fornece uma forma padronizada de associar categorias de serviço a expectativas de prioridade, atraso, erro de pacotes e tipo de recurso, facilitando o projeto e a comparação do comportamento de QoS.

O Reflective QoS funciona em todos os terminais?

Não. Ele exige suporte do UE e ativação correta pela rede. Sem suporte do terminal, o UE não consegue derivar a regra QoS de subida a partir dos dados de descida do plano de usuário.