裴旭明,賈建鑫,2,錢驊,朱正航,唐振宇,康凱
(1. 中國科學院上海高等研究院,上海 201210;2. 上海海事大學信息工程學院,上海 210306)
各種新型業(yè)務的不斷涌現(xiàn)使移動數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級增長,蜂窩網(wǎng)正承受前所未有的流量負載壓力。為更好地應對急劇增長的數(shù)據(jù)流量,有效提升用戶的網(wǎng)絡體驗,3GPP在Release 12[1]中引入了雙連接的概念,即終端可在RRC(radio resource control)連接狀態(tài)下同時利用主基站(MN,main node)與輔基站(SN,secondary node)的物理信道進行并行傳輸,雙連接擴展了載波聚合的應用,其可以有效提升頻譜效率并實現(xiàn)負載均衡[2-3]。
基于Release12,3GPP在Release14中進一步提出了 LTE-NR雙連接技術[4],其定義了 4G、5G緊密互操作的技術規(guī)范,開創(chuàng)性地將 RAT(radio access technology)間的互操作過程下沉至網(wǎng)絡邊緣。對于5G而言,基于LTE-NR雙連接技術的非獨立組網(wǎng)模式可使5G核心網(wǎng)與接入網(wǎng)分步部署,有利于 5G的快速部署與應用。隨后,在R2-1811712[4]中,3GPP TS 37.340[5]又將 NR-NR 雙連接(5G雙連接)場景加入其中。
針對 5G雙連接的關鍵問題研究,業(yè)界可謂百家爭鳴,例如針對5G雙連接場景的RRC信令設計問題[6-8]、針對5G雙連接場景的測量配置問題[9-16],以及針對雙連接場景終端切換后的數(shù)據(jù)按序交付問題[17-20]。切換是 5G雙連接的一個重要功能,而針對 5G雙連接場景的切換時延問題卻少有討論。
在5G雙連接場景中,一種稱為終止于主基站的分離承載(MN terminated split bearer)的雙連接形式如圖1所示。UE(user equipment)同時具有到MN與SN的傳輸鏈路,UE發(fā)送的上行數(shù)據(jù)可以被分別發(fā)送至MN與SN,SN將上行數(shù)據(jù)通過Xn-U接口轉發(fā)至MN,MN將2路數(shù)據(jù)合并后通過NG-U接口傳輸至用戶面功能模塊(UPF, user plane function)。UPF發(fā)送的下行數(shù)據(jù),先通過NG-U接口被發(fā)送至MN,MN將其分成2路,一路直接通過MN的空口發(fā)送至UE,另一路則首先通過Xn-U接口轉發(fā)至SN,再由SN通過空口發(fā)送至UE。網(wǎng)絡側的PDCP(packet data convergence protocol)實體位于MN,其向下分別對接位于MN的RLC(radio link control)實體和位于SN的RLC實體。UE側的PDCP實體向下分別對接2個RLC實體,RLC實體向下分別對接各自的MAC(media access control)實體與PHY(physical)實體。

圖1 終止于主基站的分離承載雙連接的協(xié)議棧
一個典型的雙連接切換場景如下:UE與源MN及源SN已經(jīng)建立雙連接,此時觸發(fā)切換,UE由源MN及源SN切換至目標MN及目標SN;源MN與目標MN是不同的基站,但源SN與目標SN為同一個基站。
針對上述切換場景,當前 5G標準[21]沒有對其進行特殊處理,而是歸于源SN與目標SN為不同的基站來進行處理。現(xiàn)有的處理流程沒有利用“SN在切換過程中未發(fā)生改變”這一條件,未能有效減小該情況下核心網(wǎng)與 UE間的數(shù)據(jù)傳輸時延。鑒于此,本文提出一種針對 5G雙連接場景的新型切換機制,本文的主要貢獻如下。
1) 針對5G雙連接切換的場景,提出了一種能夠降低切換過程中數(shù)據(jù)傳輸時延的新型切換機制,并對該機制的信令交互流程進行詳細闡述。
2) 基于信令交互流程,建立了傳統(tǒng)切換機制與新型切換機制的數(shù)據(jù)傳輸時序模型。
3) 基于數(shù)據(jù)傳輸時序模型,以數(shù)學推導與仿真的方式對新型切換機制與傳統(tǒng)切換機制進行對比,其中主要關注的性能指標包括單個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延、數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時延及數(shù)據(jù)分組的總傳輸時延,推導結果及仿真結果可顯示出新型機制的有效性與優(yōu)越性。
下文中,源SN與目標SN實際為同一設備,將根據(jù)情況用源SN、目標SN及SN指代。
傳統(tǒng)切換機制的信令流程如圖2所示,信令的交互流程的具體解釋如下所示。
1) 如圖3(a)場景1所示,切換前,UE與源MN及源SN的雙連接已經(jīng)建立。源MN向目標MN發(fā)送信令handover request來發(fā)起一次切換過程。
2) 目標 MN向目標 SN發(fā)送信令 SN addition request。
3) 目標SN向目標MN回復信令SN addition request ACK,該信令包含RRC信令,它將經(jīng)過目標MN與源MN最終發(fā)送給UE。
4) 目標 MN向源 MN發(fā)送信令 handover request ACK,其中包含RRC信令。
5) 源MN向源SN發(fā)送信令SN release request。
6) 源SN收到信令SN release request后即停止對UE的數(shù)據(jù)服務。此后下行分離承載僅在源MN與UE間傳送。源SN向源MN回復信令SN release request ACK。

圖2 傳統(tǒng)切換機制信令交互流程
7) 源MN通過空口向UE下發(fā)RRC信令RRC connection reconfiguration,發(fā)送成功后即開始將來自UPF的下行數(shù)據(jù)從源MN轉發(fā)至目標MN。由于此時UE還未與目標MN建立連接,并且源SN已經(jīng)停止對UE的數(shù)據(jù)服務,所以轉發(fā)的數(shù)據(jù)需要由目標 MN暫時緩存而無法發(fā)給 UE,因此引發(fā)了下行傳輸時延的增加。
8) UE收到RRC connection reconfiguration信令后,首先注銷與源MN相關的PDCP實體及RLC實體,并注銷與源SN相關的RLC實體,然后斷開與源MN和源SN的連接,如圖3(b)場景2所示。UE的上行數(shù)據(jù)開始無法發(fā)送,引發(fā)了上行傳輸時延的增加。之后UE向目標MN執(zhí)行隨機接入;成功后,再根據(jù)RRC connection reconfiguration信令,新建與目標MN相關的PDCP實體與RLC實體,新建與目標SN相關的RLC實體。
9) UE向目標MN發(fā)送對RRC信令的響應,即RRC connection reconfiguration complete。此后源 MN 轉發(fā)給目標 MN 的下行數(shù)據(jù)才能被目標MN 分流。目標 MN分流的數(shù)據(jù)或直接經(jīng)目標MN 的空口發(fā)給 UE,或通過 Xn-U 接口發(fā)送給目標SN。UE產(chǎn)生的上行數(shù)據(jù)開始可以通過空口發(fā)給目標 MN,再由目標 MN 發(fā)給UPF。

圖3 基于傳統(tǒng)切換機制的切換場景
10) UE向目標SN執(zhí)行隨機接入。成功后,目標MN通過Xn-U接口發(fā)給目標SN的數(shù)據(jù)才能經(jīng)目標SN 的空口發(fā)給UE。UE的上行數(shù)據(jù)可以由空口發(fā)給目標MN或目標SN,切換后的雙連接已經(jīng)恢復,如圖3(c)場景3所示。
11) 切換成功后,目標MN向目標SN發(fā)送SN reconfiguration complete。
12) 目標 MN向接入與移動功能管理模塊(AMF, access and mobility management function)發(fā)送PDU session path switch request,請求UPF將下行數(shù)據(jù)發(fā)送給目標MN。
13) 核心網(wǎng)內的路徑切換信令交互過程。
14) AMF向目標MN發(fā)送信令PDU session path switch response ACK。下行數(shù)據(jù)從由UPF發(fā)送給源MN改為發(fā)送給目標MN。此后,源MN不會再收到來自 UPF的下行數(shù)據(jù),如圖 3(d)場景 4所示。
15) 目標 MN向源 MN發(fā)送信令 UE context release。
16) 源MN向源SN發(fā)送 UE release request。
切換流程結束。
新型切換機制的信令流程如圖4所示,信令交互流程的具體解釋,如下所示。
1) 切換前,源MN、源SN和UE之間的雙連接已經(jīng)建立,如圖5(a)場景1所示,空口協(xié)議實體對應關系如圖6所示。

圖4 新型切換機制信令交互流程

圖5 基于新型切換機制的切換場景
源MN向目標MN發(fā)送信令handover request,信令中新增一個標志位SN static request,用來建議目標MN在本次切換中保持SN不變,即源SN與目標SN實際為同一基站。信令中還包含有UE的空口協(xié)議棧實體的當前配置信息,即 UE側的RLC-source main U、RLC-source-secondary U 和PDCP-source U。

圖6 切換前協(xié)議棧對應關系
2) 目標MN接受在本次切換中保持SN不變。目標MN向SN發(fā)送SN addition request信令,信令中新增一個標志位SN static request,指明UE在本次切換過程中需要保持SN不變。
3) SN新建一個RLC實體RLC-target secondary N,并回復信令 SN addition request ACK給目標MN,信令新增一個標志 SN static response,指明SN接受在本次切換中保持SN不變。信令中還包含將通過目標MN、源MN,最終發(fā)給UE的RRC信令。RRC信令請求UE在切換過程中不對SN執(zhí)行隨機接入,并請求 UE新建 RLC實體RLC-target secondary U。
4)目標MN新建一個PDCP 實體 PDCP-target N,新建一個RLC實體RLC-target main N。目標MN向源MN發(fā)送信令handover request ACK,信令新增一個標志SN static response,指明目標MN接受本次切換中保持SN不變,并將待發(fā)送給UE的RRC信令發(fā)送給源MN。該RRC信令包含步驟3)中提到的RRC 信令;還包含目標MN生成的RRC信令,內容為請求 UE建立新 PDCP實體PDCP-target U、新RLC實體 RLC-target main U,并請求UE注銷RLC實體 RLC-source main U。
5) 源MN收到信令handover request ACK后,就開始將接收到的來自 UPF的下行數(shù)據(jù),都通過RLC-source secondary N實體經(jīng)過空口發(fā)送給UE,而不會通過Xn-U接口轉發(fā)給目標MN。源MN通過空口向 UE發(fā)送RRC信令RRC connection reconfiguration。源 MN在完成當前正在執(zhí)行的通過RLC-source main N的數(shù)據(jù)傳輸后,注銷RLC-source main N。
UE在收到 RRC信令后,新建 PDCP實體PDCP-target U,新建RLC實體RLC-target main U,新建 RLC實體RLC-target secondary U。UE 注銷RLC 實體 RLC-source main U,并將通過RLC-source main U發(fā)送失敗的上行數(shù)據(jù),改由RLC-source secondary U重新發(fā)送。此后分離承載都經(jīng)過RLC-source secondary U傳輸,空口協(xié)議棧關系如圖7所示,虛線框表示實體已經(jīng)建立,但由于底層的同步此時并未建立,所以不能經(jīng)過這些實體傳輸數(shù)據(jù)。該狀態(tài)下,從UPF發(fā)來的下行數(shù)據(jù)到達源MN,源 MN通過RLC-source secondary N發(fā)送給UE。UE的上行數(shù)據(jù)通過PDCP-source U實體、RLC- source secondary U實體、RLC-source secondary N實體和PDCP-source N實體,經(jīng)過源MN發(fā)給UPF,如圖5(b)場景2所示。

圖7 UE收到RRC信令后協(xié)議棧對應關系
6) UE對目標MN執(zhí)行隨機接入,成功后協(xié)議棧對應關系如圖8所示。
7) UE向目標MN發(fā)送信令RRC connection reconfiguration complete,此后UE的上行數(shù)據(jù)可以經(jīng)過PDCP-target U實體發(fā)送。UE與目標MN和SN之間的雙連接已經(jīng)恢復,如圖5(c)場景3所示。

圖8 UE成功接入目標MN后協(xié)議棧對應關系
8) 目標MN向SN 發(fā)送信令SN reconfiguration complete。
9) 目標MN向AMF發(fā)送信令PDU session path switch request,請求切換下行數(shù)據(jù)路徑。
10) 核心網(wǎng)內的路徑切換信令交互過程。
11) AMF向目標MN回復信令PDU session path switch request ACK。UPF向源MN發(fā)送一個特殊幀end marker,之后UPF產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)不再發(fā)送給源MN,全部發(fā)送給目標MN。源MN在將end marker之前收到的下行數(shù)據(jù)全部發(fā)給UE后,將end marker發(fā)給目標MN。
12) 目標 MN 收到 PDU session path switch request ACK和end marker后,向UE發(fā)送RRC信令,注銷 UE的 PDCP-source U和 RLC-source secondary U。
13) UE 向目標MN回復信令RRC connection reconfiguration complete。
14) 目標 MN向源 MN發(fā)送信令 UE context release。
15) 源MN向SN發(fā)送SN release request。SN注銷 RLC-source secondary N。源 MN注銷PDCP-source N。此時空口協(xié)議棧狀態(tài)如圖9所示,整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖 5(d)場景 4所示。

圖9 源MN向源SN發(fā)送SN release request后協(xié)議棧對應關系
16) SN向源MN回復信令SN release request ACK。
17) 源MN向SN發(fā)送UE context release。
切換流程結束。需要補充說明的是,新型切換機制的處理流程由源 MN發(fā)起,通過在信令中附加的標志位,由目標MN和SN協(xié)商決定是否執(zhí)行新型機制處理流程。如果目標MN或SN認為不適合執(zhí)行新型切換機制,可以直接回退到傳統(tǒng)切換機制,因此新型切換機制不會對系統(tǒng)造成破壞性影響。
設切換前源MN與源SN已經(jīng)與UE建立雙連接,設雙連接空口下行總傳輸速率為R,源SN側下行傳輸速率為αR,源 MN側下行傳輸速率為(1-α)R,其中 0≤α≤1。設T1為源 MN 發(fā)出信令“RRC connection reconfiguration”到目標MN發(fā)出信令“SN reconfiguration complete”的時間間隔;T2為目標MN發(fā)出信令“SN reconfiguration complete”到目標 MN接收信令“PDU session path switch request ACK”的時間間隔。在切換過程中,雙連接下行數(shù)據(jù)發(fā)送速率變化如圖10所示。此外,將一個下行數(shù)據(jù)分組的傳輸時延定義為從UPF發(fā)出到UE完成接收所消耗的時間。

圖10 雙連接下行數(shù)據(jù)發(fā)送速率變化
設UPF發(fā)送的下行數(shù)據(jù)分組全部等長,并設UPF發(fā)送下行數(shù)據(jù)分組的持續(xù)時間為Tx,0≤Tx≤T1+T2。設每個數(shù)據(jù)分組在 NG-U 鏈路中的傳輸耗時為Tp,且Tp≤T1,則UPF發(fā)出的下行數(shù)據(jù)分組總數(shù)為

設切換前一個數(shù)據(jù)分組在雙連接鏈路中的傳輸耗時為Tw,設切換前與切換中的α保持不變,則在使用新型切換機制的切換過程中,一個數(shù)據(jù)分組在雙連接鏈路中的傳輸耗時為
用于評估數(shù)據(jù)傳輸性能的3種時延如下。
單個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延:假設一個數(shù)據(jù)分組的長度為若干比特,單個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延定義為UPF發(fā)出該數(shù)據(jù)分組第一個比特的時間與UE接收完成該數(shù)據(jù)分組最后一個比特的時間的差值。
N個數(shù)據(jù)分組的總傳輸時延:指UPF發(fā)出第一個數(shù)據(jù)分組的第一個比特的時間與UE接收完成第N個數(shù)據(jù)分組最后一比特的時間的差值。
N個數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時延:即N個數(shù)據(jù)分組的總傳輸時延與數(shù)據(jù)分組個數(shù)N的比值。
基于上述定義,本文以UPF連續(xù)發(fā)送N個數(shù)據(jù)分組為例,來分析下述3種情況的數(shù)據(jù)分組傳輸時延。
情況1 未發(fā)生切換時,UPF連續(xù)下發(fā)N個數(shù)據(jù)分組,UE與基站及 UPF間的傳輸時序如圖 11所示。
根據(jù)圖11,未發(fā)生切換時,N個數(shù)據(jù)分組的總傳輸時延為

令SDi代表第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延,其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù),則未發(fā)生切換時每個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延為


圖11 未發(fā)生切換時的傳輸時序
情況2 當使用傳統(tǒng)切換機制時,UPF連續(xù)下發(fā)N個數(shù)據(jù)分組,UE與基站及UPF間的傳輸時序如圖12所示,此時數(shù)據(jù)分組總傳輸時延為


圖12 基于傳統(tǒng)切換機制的傳輸時序
同樣的,令SDi代表第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延,其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù),則基于傳統(tǒng)切換機制的每個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延為

此外,令 ADlegacy為基于傳統(tǒng)切換機制的數(shù)據(jù)分組平均傳輸時延,則ADlegacy可由式(6)獲得。

情況3 當使用新型切換機制時,UPF連續(xù)下發(fā)N個數(shù)據(jù)分組,UE與基站及UPF間的傳輸時序如圖13所示。
由圖 13可得,基于新型切換機制的數(shù)據(jù)分組總傳輸時延為

令SDi代表第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延,其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù),則基于新型切換機制的每個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延為


圖13 基于新型切換機制的傳輸時序
令 ADproposed為基于新型切換機制的數(shù)據(jù)分組平均傳輸時延,則ADproposed可通過式(9)獲得。

設新型切換機制中第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延為SDproposedi,設傳統(tǒng)切換機制中第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延為SDlegacyi,則當?shù)趇個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延滿足SDproposedi<SDlegacyi時,第i-1個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延也滿足SDproposedi-1<SDlegacyi-1,證明過程如式(10)所示。
由此,在已知其他參數(shù)的情況下,可以通過比較2種切換機制的第N個分組(即在Tx時間內連續(xù)發(fā)送的最后一個下行數(shù)據(jù)分組)的傳輸時延來計算α的取值范圍,使新型切換機制的單個數(shù)據(jù)分組傳輸時延小于傳統(tǒng)切換機制的相同索引的數(shù)據(jù)分組的傳輸時延,如式(11)。
根據(jù)式(11)和 0<α<1,所以α應滿足式(12)。

證明


為觀察α對將單個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延的影響,取圖 14所示的特殊值并通過計算得到所示實驗結果,切換過程中發(fā)送的數(shù)據(jù)分組總數(shù)N是根據(jù)式(1)求出的,即數(shù)據(jù)分組索引可以取的最大值,在本文為15。圖14中“+”代表基于傳統(tǒng)切換機制的每個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延,其他9條曲線代表當α分別取 0.1~0.9時基于新型切換機制的每個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延。

圖14 α的值對單個數(shù)據(jù)分組傳輸時延的影響
為更清楚地體現(xiàn)α取0.6~0.9時新型機制的性能,對圖14中當α取0.6~0.9時代表新型切換機制的 4條曲線與傳統(tǒng)切換機制的時延對比進行了放大顯示,如圖15所示。當α的取值落在式(12)給出的范圍內時,對不超過N的任意一個數(shù)據(jù)分組索引i,能保證基于新型切換機制的切換過程中第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延小于基于傳統(tǒng)切換機制切換過程中第i個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延。例如,當α的取值為0.8時(圖15中“?”所示),基于新型切換機制的第15個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延小于基于傳統(tǒng)切換機制的第15個數(shù)據(jù)分組的傳輸時延時,新型切換機制第14個分組也小于傳統(tǒng)切換機制第14個分組的時延,依此類推。

圖15 對圖14中α取0.6~0.9時與傳統(tǒng)機制時延對比的放大顯示
根據(jù)式(6)與式(9),在已知其他參數(shù)的情況下,計算α的取值范圍,使新型切換機制的平均傳輸時延小于傳統(tǒng)切換機制的平均傳輸時延,如式(13)所示。

根據(jù)式(13)及條件 0<α<1,當α滿足式(14)所示條件時,新型切換機制的平均傳輸時延恒小于傳統(tǒng)切換機制的平均傳輸時延。

N可根據(jù)式(1)進行計算,得式(15)。

進一步,將傳統(tǒng)切換機制與新型切換機制進行對比評估,仿真結果如圖16所示。可以看出,對于數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時延,當取圖16所示的特殊值時,在α>0.6時,新型切換機制的平均傳輸時延恒小于傳統(tǒng)切換機制的平均傳輸時延。

圖16 平均傳輸時延對比
設新型切換機制的總傳輸時延為TDproposed,傳統(tǒng)切換機制的總時延為TDlegacy,在已知其他參數(shù)的情況下,計算α的取值范圍,使得新型切換機制的總傳輸時延恒小于傳統(tǒng)切換機制的總傳輸時延,如式(16)所示。

根據(jù)式(16)及條件 0<α<1,當α滿足式(17)時,新型切換機制的總傳輸時延恒小于傳統(tǒng)切換機制的總傳輸時延。

進一步,將傳統(tǒng)切換機制與新型切換機制進行對比評估,仿真結果如圖 17所示。可以看出,對于數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時延,當取如圖 17所示的特殊值時,在α>0.6時,新型切換機制的總傳輸時延恒小于傳統(tǒng)切換機制的總傳輸時延。

圖17 總傳輸時延對比
5G雙連接系統(tǒng)在實際運行時會根據(jù)信道條件來計算α。考慮切換過程中UPF發(fā)出的下行數(shù)據(jù)的傳輸時延,當實際的α落在式(12)給出的范圍內時,應用新型切換機制時單個下行數(shù)據(jù)分組傳輸時延小于應用傳統(tǒng)切換機制時單個下行數(shù)據(jù)分組傳輸時延,此時可以啟用新型切換機制進行切換;若實際的α超出式(12)給出的范圍,則可以使用傳統(tǒng)切換機制進行切換。同樣地,通過式(15)或式(17)得到的α取值范圍,也可以作為是否應該啟用新型切換機制切換的判定標準。實際α落在式(15)給出的范圍內時,應用新型切換機制時下行數(shù)據(jù)分組平均傳輸時延小于應用傳統(tǒng)切換機制時下行數(shù)據(jù)分組平均傳輸時延;實際α落在式(17)給出的范圍內時,應用新型切換機制時下行數(shù)據(jù)分組總傳輸時延小于應用傳統(tǒng)切換機制時下行數(shù)據(jù)分組總傳輸時延。
針對雙連接切換中輔基站不變的場景中核心網(wǎng)與UE之間數(shù)據(jù)傳輸時延問題,提出了一種新型切換機制。首先,針對傳統(tǒng)切換機制進行分析并對影響數(shù)據(jù)傳輸時延的關鍵問題進行定位;其次,對新型切換機制的信令交互流程進行詳細闡述,利用輔基站在切換過程中傳輸數(shù)據(jù),避免雙連接在切換中完全斷開,以此減少由切換過程中數(shù)據(jù)傳輸暫時中斷引起的傳輸時延;最后,通過數(shù)學推導與仿真對所提機制與傳統(tǒng)機制進行對比評估,相關結果顯示出新型機制在單個數(shù)據(jù)傳輸時延、數(shù)據(jù)平均傳輸時延及總傳輸時延方面的優(yōu)越性。