基于SDAP的數據傳輸方案研究

于吉濤 張瓊 劉震

摘要：5G通信系統中，在用戶面協議棧增加了Service Data Adaptation Protocol （SDAP）子層，用于支持新的5G核心網QoS模型。新的QoS模型可以對PDU會話不同的QoS flow配置不同的QoS參數，然而QoS flow到DRB映射關系，3GPP協議并未做出規定。QoS flow與DRB的映射關系，直接決定了QoS業務的保證情況，從而影響用戶體驗。本文提供了一種NR通信系統的數據傳輸方案，主要包括QOS flow到DRB（data radio bearer）的映射關系及調整規則，用以滿足5G多樣性的業務需求。

關鍵詞：5G NR;QoS flow;SDAP;數據傳輸方法;映射規則

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0032-02

0 引言

為滿足eMBB（增強移動帶寬）、URLLC（超高可靠低時延通信）和mMTC（大連接物聯網）的不同業務需求，5G引入了以QoS Flow為粒度的差異化QoS管理機制。同時，5G的用戶面協議棧增加了SDAP子層，主要負責QoS flow與DRB的映射功能。

對于QoS flow與DRB的映射規則，協議并未進行限定，由廠家自定義實現，這為無線設備廠家提供了很大程度的自由度，同時也帶來了異廠商的互通問題。本文第2節對4G與5G的QoS模型進行了對比，分析了4G與5G QoS保障機制的不同，在第3節介紹了5G SDAP層的數據傳輸過程，最后在第4節給出了5G無線側QoS管理的基本原理和流程框架。

1 5G與4G QoS模型對比

5G通過UE與5GC（5G 核心網）建立PDU連接，提供UE與數據網絡的PDU傳輸通道， 5G的PDU連接服務通過PDU Session實現，為支持不同QoS要求的業務流，一個PDU Session可包含多個QoS Flow。在NAS層，QoS flow是PDU Session的最小粒度，一個PDU Session中的一個QoS flow用QoS flow ID（QFI）進行唯一標識;在AS層，一個QoS Flow唯一映射到一個Radio Bearer，但多個QoS Flow可以映射到同一個Radio Bearer，映射到同一個Radio Bearer的QoS Flow將得到相同的RLC層、MAC層處理。

4G的QoS模型中，使用EPS承載進行QoS管理，EPC為每個EPS承載分配EPS承載ID，無線側為每一個EPS承載建立一個Radio Bearer。對比5G的QoS模型，4G這種以EPS承載為粒度的QoS模型，無法實現業務流粒度的QoS控制，且Radio Bearer與EPS承載是一一對應的，無線側只能被動執行核心側的EPS承載建立、修改策略，每次承載建立、修改均需要空口信令支持?？傮w來說，4G QOS模型管理粒度粗，缺乏靈活性，無法滿足5G精細業務流的控制需求。

2 SDAP層基本過程

基于新的QoS模型，5G用戶面協議棧新增了SDAP子層，該層主要功能是負責QoS flow與數據無線承載DRB的映射，以及標識上下行數據包的QoS folw ID（QFI）。

2.1 數據傳輸過程

當SDAP發送實體接收到來自上層的SDAP SDU時，執行如下操作：

（1）如果未存儲QoS flow映射規則，則映射到默認DRB;否則，映射到已有規則的DRB;

（2）如果RRC配置了SDAP頭，使用有SDAP頭的PDU格式構建UL PDU;否則，使用沒有SDAP頭的PDU格式構建UL PDU;將構建好的UL PDU發給對端SDAP實體。

當SDAP接收實體接收到來自下層的SDAP PDU時，執行如下操作：

（1）如果接收的SDAP data PDU存在SDAP 頭，根據SDAP 頭字段指示，執行QoS flow的反射映射過程;移除SDAP 頭并構建SDAP SDU，將其投遞給上層;

（2）否則，直接從SDAP data PDU構建SDAP SDU，將其投遞給上層。

2.2 DRB映射過程

如圖1、圖2所示，QoS flow與DRB的映射有多對一映射和一對一映射兩種方式，具體采用哪種映射方式取決于廠家的實現，基本原則是保障QoS flow的QoS要求。

為保證上下行QoS處理的一致性，基站可通過兩種方式將QoS flow映射關系告知UE：

（1）顯示信令：通過RRC信令配置QoS flow與DRB的映射關系，顯然這種方式適用于時延不敏感的業務且存在信令的開銷;

（2）反射映射：QoS flow的QFI不出現在RRC信令中，上行的映射關系通過下行SDAP 頭隱性獲得，UE監聽下行數據包的QFI，并在上行使用相同的映射關系。

無論哪種映射方式，UE始終采用最新的映射規則，當QoS flow～DRB映射規則更新時，UE需在舊的DRB上發送end marker，以防止上層數據包的亂序。

3 基于SDAP子層的QoS管理架構

基于5G QoS模型，一種基于SDAP子層的QoS管理架構如圖3所示，主要由QoS flow接入控制模塊、SDAP子層處理模塊、RRC信令處理模塊和調度器模塊構成，其中：QoS flow接入控制模塊用于對QoS flow進行接入判決，并存儲QoS flow的映射關系;RRC信令處理模塊用于下發映射規則給UE，同時將與DRB關聯的PDCP、RLC和MAC參數配置給調度器;SDAP子層處理模塊執行SDAP實體的數據發送和接收，以及根據調度器模塊的指示，執行映射規則更新。

調度器模塊執行DRB相關的PDCP、RLC和MAC層控制過程，并對QoS flow進行狀態監控，當QoS指標（如速率、丟包率、PDCP層時延等）不滿足QoS要求時，指示SDAP子層處理模塊更新映射規則。

以UE建立IMS語音業務、non-GBR eMBB業務、上行視頻直播業務為例，為UE配置的默認映射如表1所示，其中non-GBR eMBB業務（5QI 80）與默認QoS flow（5QI 9）復用DRB 1;IMS信令和語音業務（5QOI 5/1）復用DRB 2;上行視頻直播業務（5QI 71）使用DRB 3。

當小區用戶數增加或無線資源利用率增高時，DRB1無法使5QI 80的non-GBR eMBB業務時延得到滿足，此時調度器模塊通知SDAP子層處理模塊更新映射規則，更新后的映射規則如表2所示。

通過上述過程，在UE初始接入或小區負荷較輕時，采用默認的QoS flow映射關系，將不同業務屬性的QoS flow映射不同的DRB，相同業務屬性的QoS flow映射相同的DRB。該方法減少了DRB使用數量，相應地減少了DRB建立的信令開銷;隨著小區負荷升高，結合系統傳輸性能，對需要調整映射關系的QoS flow進行動態調整，從而保證了不同QoS flow的QoS特性。

4 結語

本文對5G通信系統中基于SDAP的數據傳輸方案進行研究，結合5G QoS模型和SDAP傳輸特性，給出了一種基于SDAP的QoS管理架構。該架構可有效減少DRB建立的信令開銷，并結合空口狀態實現了QoS flow與DRB的動態映射，從而滿足5G多樣化的業務需求。