5G網絡中支持URLLC業務的數據復制傳輸技術

溫萍萍

摘要：超高可靠超低時延通信作為5G移動通信網絡的三大應用場景之一，對時延和可靠性有著嚴格的要求。數據復制傳輸技術在保證時延情況下能夠提供高可靠性的傳輸。文章對該技術的基本原理以及第三代合作伙伴計劃標準化的實現進行了介紹、分析和探討。

關鍵詞：URLLC；數據復制；載波聚合；雙連接

1 概述

2015年，ITU正式定義了5G的3類典型應用場景：⑴增強型移動寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）。（2）大連接物聯網（Massive Machine Type Communications，mMTC）。

（3）低時延、高可靠通信（Ultra Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。與此對應，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）也定義了5G應用的三大場景：eMBB，mMTC，URLLC。URLLC作為5G移動通信網絡的三大應用場景之一，對于自動駕駛、增強現實（Augmented Reality，AR）、虛擬現實（Virtual Reality，VR）、工業控制以及其他高度延遲敏感型業務的廣泛應用非常關鍵。如果網絡時延較高，URLLC類業務的正常運行就會受到影響，并會出現控制方面的誤差，鑒于此，3GPP對URLLC的時延和可靠性方面的指標進行了定義[1]。

1.1 時延指標

URLLC業務的上下行用戶面時延目標壓低到0.5 ms。

1.2 可靠性指標

3GPP對可靠性定義有著明確定義[1]，即在特定時延內傳送X字節數據包的成功率。這里的時延是指在特定信道質量條件下（如覆蓋邊緣），從無線接口協議層一端L2/3SDU（層2/3服務數據單元）入口到無線接口協議層另一端的L2/3 SDU出口間傳送數據包的時延。URLLC可靠性要求為：用戶面時延1 ms內，傳送32字節包的可靠性為1?10_5。

根據調研分析，目前LTE網絡沒有辦法滿足URLLC業務時延需求。在目前已廣泛部署的4G網絡中，端到端時延在50?100 ms，比5G的時延要求大約高一個數量級。將端到端的時延進行切割，包括無線側空口時延，從基站傳輸到回傳網絡的某個節點上之后進入回傳網絡，一直進入到核心網的時延?？梢詮膬蓚€角度進行考慮把時延縮短。一個是把空口時延縮短，另外一個要打破現有的網絡架構，在新的網絡架構上實現低時延、高可靠業務的服務。

在3GPP標準定義中，采用了多種技術來降低無線側空口時延和提高可靠性，如采用靈活參數集、mini-slot（小時隙），無需grant（調度授權指令）的即時上行、快速調度來獲得低時延，采用多連接、分集和魯棒的物理層設計來獲得高可靠性。其中基于載波聚合和雙連接架構的數據復制傳輸被認為是一種能夠在保證時延情況下提供高可靠性的傳輸模式，該傳輸方式是指相同數據包在不同的資源上通過不同的鏈路分別在用戶終端和基站間進行傳輸，從而利用不同鏈路的分集增益，在接收端接收到多個數據包來增加正確接收的概率。在本文后續章節中，對數據復制傳輸的基本原理和系統實現進行了詳細分析。

2 數據復制傳輸基本概念

在LTE系統中，通常通過無線鏈路控制（Radio LinkControl，RLC）層的自動重復請求（Automatic RepeatRequest，ARQ），媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層的混合自動請求重傳（Hybrid Automatic RepeatRequest，HARQ）技術和層1的自適應調制編碼（AdaptiveModulation and Coding，AMC）來保證數據傳輸的正確性，通過基站的調度來保證傳輸時延。HARQ使用停等協議來發送數據，在停等協議中，發送端發送一個數據包后，就停下來等待確認信息。接收端會使用1 bit的信息對該數據包進行肯定或否定的確認。但是每次傳輸后發送端停下來等待確認，會增加數據包的時延。RLC層確認模式（Acknowledgement Mode，AM）下的ARQ可以通過重傳解決HARQ遺留的傳輸錯誤從而提高可靠性，但是該技術也會帶來附加的重傳時延，并且由于傳輸RLC狀態報告會帶來額外的信令。

數據復制傳輸方式是在高層并行地通過多個鏈路發送數據包，因此接收端能夠以高概率正確接收數據包。數據復制可以有效地利用多鏈路的分集增益，避免單鏈路上的重傳帶來的時延，但由于復制傳輸需要傳輸多個相同的數據包，會消耗無線資源從而降低資源利用率。為了兼顧時延/可靠性要求以及無線資源利用率，一個有效的方法是在分組復制傳輸和單鏈路傳輸間進行快速切換，網絡可以控制觸發復制傳輸，當底層有傳輸失敗可能的時候，復制傳輸功能將被開啟，當單個鏈路具有良好的信道條件可以提供可靠的傳輸時，使用單鏈路而不需要通過數據復制來滿足業務的可靠性，將會關閉復制傳輸功能[2-5]。

數據復制傳輸技術不僅可以支持URLLC業務滿足其低時延高可靠性要求，還可以在切換過程中利用該技術，通過同時向源基站和目標基站傳輸復制數據包保證切換的魯棒性。

3 數據復制傳輸的技術實現

根據3GPP會議討論決議，支持分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層的數據復制技術。如圖1所示，發送端在PDCP層完成數據的復制，接收端在PDCP層接收到多個數據包時完成數據復制的移除和丟棄。選擇在PDCP層完成數據復制的一個優點是對于雙連接和載波聚合可以使用相同的協議層結構，都在PDCP層完成數據復制，從而減少標準化工作的工作量。

目前3GPP決定數據復用功能只支持一個復制鏈路，數據復用功能被配置后，對于一個無線承載，一個附加的RLC實體和邏輯信道將會映射到該無線承載，因此一個支持數據復用的無線承載將映射到兩個不同的邏輯信道上，對應兩個不同的RLC實體。PDCP層的數復制將一個PDCP協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）發送兩次，一個發送給原始RLC實體，一個發送給附加RLC實體。通過兩個獨立的路徑傳輸，數據復制可以提高可靠性的同時減少時延。當數據復制發生時，原始PDCP PDU和相應的復制PDCP PDU將不會在同一個載波上傳輸來實現頻率分集增益，兩個不同的邏輯信道可以屬于相同的MAC實體（對于載波聚合場景）或者不同的MAC實體（對于雙連接場景）。對于載波聚合場景，由于只支持一個MAC實體，要求基站側的上下行調度器及復用模塊考慮上述限制，在MAC層引入邏輯信道映射限制功能從而使得原始PDCP PDU和相應的復制PDCPPDU映射到不同的載波，從而保證通過不同HARQ實體獨立的傳輸。當數據復用功能不激活時，這種邏輯信道映射限制將不再生效[3-4]。

數據復制傳輸的配置以數據無線承載（Data RadioBearer，DRB）為單位，每個DRB可以根據該無線承載的服務質量（Quality of Service，QoS）要求通過無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）信令獨立配置是否支持數據復制功能。當一個用戶支持多個業務的時候，不需要為所有業務都配置支持數據復制功能，只需要對時延和可靠性都有較高要求的業務（如URLLC業務）對應的DRB進行數據復制傳輸配置，通過這種靈活的配置，可以針對每個業務的不同QoS要求來分別提供滿意的服務。即使對一個無線承載配置支持數據分組復制功能，發送端也并不是對所有數據包都執行數據復制傳輸。如前所述，因為數據傳輸只是在一定條件下才能發揮作用（如信道條件變差，重要數據包傳輸等），并且由于支持數據復制傳輸需要消耗雙倍的無線資源，因此只有在需要數據復制傳輸時，網絡才會開啟該功能?；靖鶕鞣N測量和統計信息來決定是否開啟關閉該功能，從而支持數據復制傳輸功能動態間斷性工作。因為MAC層可以對信道條件的變化作出快速響應，3GPP會議決議使用MAC層信令（即復制激活/去激活MAC CE）對數據復制功能進行激活和去激活。復制激活/去激活MAC CE控制單元（Control Element，）包含一個字節，通過MAC PDU頭中的邏輯信道識別符（Logical Channel ID，LCID）來識別，當LCID值為“111000”時，該MAC CE為復制激活/去激活MAC CE。如圖2所示，復制激活/去激活具一個字節固定長度，其中7位D字節，一位R字節。D傭來指示DRBi的復制功能的狀態，即去激活或者激活。Di設置為“1”，表示DRBi的PDCP數據復制功能被激活，Di設置為“0”，表示DRB i的PDCP數據復制功能被去激活。R bit是預留字節，被設置為 “0”。

無線信道條件短期的波動可能導致數據復制對應的不同鏈路間的相對性能的不平衡（比如，一個運行在毫米波的鏈路受到阻擋，其傳輸可能會發生錯誤），那么性能較壞的鏈路由于不能正確傳輸數據會引起數據包在緩存里堆積，如果復制傳輸對應的兩個鏈路之間傳輸速率差異較大，一個鏈路緩存了大量數據，兩個鏈路不能同步傳輸，當數據包在一個鏈路上第一次發送晚于該數據包在另一個鏈路的重傳時，該數據包的傳輸已經失去意義，數據復制不能達到減少時延的目的，并且還會浪費無線資源。目前3GPP正在討論該問題的解決方案，一個解決方法是在PDCP中引入定時器，當該數據包在一個鏈路上發送后，在一定時間內還沒有從另一個鏈路上發送，那么就自動丟棄該數據包。

4 結語

在5G時代，數據業務的爆發式增長和多樣化需求對網絡性能提出了更高的要求，URLLC作為5G移動通信網絡的三大應用場景之一，對于時延和可靠性指標都提出了嚴格的要求。3GPP采用了多種技術支持低時延高可靠類業務，本文分析和探討了數據復制傳輸方式，該技術在保證時延情況下能夠提供高可靠性的傳輸，3GPP已經基本完成了標準化定義工作，提出了靈活的協議結構來支持動態的激活/去激活數據復制功能。值得注意的是，復制功能在一定的條件和場景下具有性能增益，但是在一定條件下不能提供增益并且消耗雙倍的無線資源會嚴重影響整個系統性能。因此，在未來的研究工作中，需要評估影響配置復制功能的各種因素以及支持數據復制功能的場景和條件，從而在滿足URLLC性能要求的同時獲得系統的最大吞吐量性能。

[參考文獻]

[1]3GPP TS38.913. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[EB/OL].（2017-06-30）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[2]3GPP TS38.300.NR； NR and NG-RAN overall description[EB/OL].（2018-01-30）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[3]3GPP TS38.321.NR； Medium Access Control（MAC）protocol specification[EB/OL]（2017-11-20）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[4]3GPP TSG.R2-1707602.Report of 3GPP TSG RAN WG2 NR AdHoc#2 meeting[EB/OL].（2017-06-30）[2018-04-28]. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_99/Docs.

[5]3GPP TSG.R2-1710001.Report of 3GPP TSG RAN2#99 meeting[EB/OL].（2017-08-25）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_99/Report.