小微數據包高效無線傳輸技術的發展和趨勢

楊立，黃河，張夢潔，劉利平

（1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518057）

1 小微數據包傳輸背景和技術發展

移動通信系統從第一代1G（純模擬）開始，發展到今天的5G（智能數字化），是由不斷變革發展的ICDT（Information & Communication & Data Technology）技術，和移動用戶業務需求所雙重驅動前進的。根據被服務的移動用戶業務類型，移動通信系統大致可按照“寬帶/窄帶，實時/非實時，確定性/非確定性”等維度進行技術劃分歸類。寬帶系統技術旨在追求更高效和更低成本地傳輸連續且高頻次的“大中數據包（塊）”（Frequent & Large/Medium Data Volume），從而獲得更高的傳輸峰值和用戶吞吐率，這正如4G LTE、WLAN 和5G NR 等系統技術所至[1]，eMBB（enhanced Mobile Broadband）對應著該場景目的。窄帶系統技術旨在追求更高效和更低成本地傳輸不連續且低頻次的“小微數據包（塊）”（Occasional& Small/Mini Data Burst），從而獲得更好的無線覆蓋，并實現基本連接保障和終端省電節能等目的，這正如4G MTC，NB-IOT 和LORA 等系統技術所至[2]，mMTC（massive Machine Type Communication）對應著該場景目的。本文所說的“微”是為了突出比“小”更小數據包（塊）的含義，在實際應用中通常“微”只在幾十/百Byte 的大小量級，而“小”可在幾千/萬Byte 量級，但3GPP 標準對“小微”的具體大小并沒有量化統一的定義。

在窄帶通信系統部署的環境中，通常不會出現“大中數據包（塊）”，這是由被服務的移動業務數據特性所先天決定的，但反之，在寬帶通信系統中仍然可能出現“小微數據包（塊）”，比如：無線網絡層和應用層的各種控制信令、業務應用背景流量和突發式數據包等，因此如何在寬帶系統中，以不同的機制方式同時承載且高效傳輸“大中”和“小微”兩大類的數據包（塊），一直是業界關注研究的熱點問題。根據3GPP SA1（運營需求和業務）工作組的需求[3]，未來將有大量的新終端和新移動業務應用會同時觸發產生“大中”和“小微”數據包（塊），它們仍屬于寬帶傳輸領域（而非窄帶物聯網領域），但如果總用同一種寬帶無線傳輸技術或模式去支持，那將會很不經濟且低效，例如：造成系統信令風暴和較大的空口干擾和設備耗電等?？傮w上，業界傾向于針對“小微數據包（塊）”，采取無連接方式（Connectionless Mode）進行數據傳輸；而針對“大中數據包（塊）”，仍然采取傳統的基于連接方式（Connected Mode）進行數據傳輸。

首先，我們先簡短回顧一下3GPP 系統針對小微數據包（塊）的無線傳輸技術發展。在3G UMTS 時代，Cell_FACH 狀態能夠支持終端（UE,User Equipment）進行無連接方式的數據傳輸，在此狀態下UE 可以不受網絡的強控制，Cell_FACH 就是針對小微數據包的定制化狀態。但到了4G LTE 時代，由于沒有引入類似的Cell_FACH 狀態，LTE 系統只能支持基于連接方式的數據傳輸，即當有任何數據待傳時，UE 必須先經歷一系列信令流程，進入RRC_CONNECTED 連接狀態，建立好UE 和小區間的服務無線鏈路（RL,Radio Link），才能在基站調度下開啟數據傳輸。當后續無任何數據待傳時，服務RL 再被拆鏈釋放，UE 退回到Suspend 連接掛起狀態或RRC_IDLE 空閑狀態。上述RL 建鏈和拆鏈的操作不僅會帶來大量的控制信令開銷（上行消耗約60～80 個Byte，下行消耗約120～180 個Byte），還會帶來一定的用戶面數據傳輸延時，這使得網絡資源利用非常冗余低效，對于“小微數據包（塊）”的傳輸來說非常不經濟。到了5G-NR Rel-15 版本[4]，可通過網絡切片技術構建端到端的“窄帶類業務切片”，并編排賦予其能夠最佳適配“小微數據包（塊）”傳輸特征的功能組合，如：非正交接入（MUSA,Multiple User Shared Access）類技術和相關參數設置，但是該“窄帶類業務切片”本質上還是一個獨立子系統，因而它僅具備支持窄帶類數據傳輸的功能，無法同時高效地支持寬帶類或其它類型業務場景。到了5G-NR Rel-17 版本[5]，通過進一步引入終端UE 在RRC_INACTIVE非激活狀態下的直接數據包傳輸技術，即Small Data 無線傳輸新技術，終于有望通過非連接的方式實現更高效的數據傳輸[6]。這種Small Data 無線傳輸新技術機制和過去在窄帶系統或窄帶切片內引入的各種“小數據包（塊）”傳輸技術相比，有下列幾個新特點，如圖1 所示：

圖1 Small Data無線傳輸新技術機制的新特點

（1）Small Data 無線傳輸新技術在空口不存在真正意義上的RL，因此不需要進行RL 相關的建立釋放、維護重配等操作，UE 不會進入RRC_CONNECTED 連接狀態，而盡量被維持在RRC_INACTIVE 非激活狀態下，因此可以繼承RRC_INACTIVE 非激活狀態的省電、控制信令少、移動管控靈活等優點。

（2）Small Data 無線傳輸新技術所服務的用戶業務數據包傳輸延時要求比窄帶的更苛刻一些，通常也不需通過重復多次傳輸Repetition 來提升傳輸魯棒性，可有效避免傳輸冗余；對于某些延時苛刻的業務，甚至可以通過資源預留來實現快速傳輸，降低傳輸延時。

（3）Small Data 無線傳輸新技術既可以從上行異步狀態下，又可以從上行同步狀態下啟動，因此并不是每次傳輸都需伴隨PRACH 隨機接入過程。此外，UE 也不需要長期維護著上行同步UL Sync 狀態，因此當UE 檢測到上下行失步Out of Sync 的時候，無需立即觸發RRC連接重建流程，可減少信令開銷。

本文接下來將將系統地闡述分析：即將在5G-NR Rel-17 被規范標準化的Small Data 無線傳輸新技術機制，和它將面臨的一系列關鍵問題和技術挑戰。這些關鍵問題以5G-NR 當前系統功能和協議細節的缺失不足和遺漏為出發點，散布于5G-NR 系統的各個協議層和網元之中。如何保證支持Small Data 功能相關協議添加修改后的前后兼容性，實現功能低復雜度和較優的技術性價比和業務適用性，都是對該技術標準化目標的挑戰。作為該WID立項課題在3GPP 的唯一牽頭公司（中興通訊）和報告人，我們將結合過去各種Small Data 老技術機制，向讀者全面呈現諸多的新技術細節，和提出中興通訊所傾向的總體方案對3GPP 協議細節的添加修改建議。

2 小微數據包傳輸關鍵技術

3GPP 移動通信系統在3G UMTS 時代，就早已支持通過Cell_FACH 狀態來進行小微數據包的傳輸，某服務小區內半靜態配置和預留好一些上下行無線公共資源，基站NodeB節點中的MAC-C 實體管控著該服務小區內所有處于FACH態的UE 小微數據包的調度收發?；?G LTE 演進到后期的(e)NB-IoT/(e)MTC 窄帶系統，在Rel-16[7]新引入了提早數據傳輸技術（EDT,Early Data Transmission），實現了UE 在Suspend 連接掛起狀態下快速地進行數據傳輸，但EDT 傳輸機制總是伴隨著RRC 空口信令，如：上行用戶業務數據總是和RRCConnectionResumeRequest 連接恢復請求消息一起被傳輸，而下行數據總是和RRCConnectionRelease 連接釋放消息一起被傳輸；此外EDT 技術還只支持一個小數據包（塊）的傳輸。如果待傳的數據包（塊）較大，UE 還是要進入RRC_CONNECTED 連接態下進行數據傳輸。

5G NR 系統在Rel-14 SID 階段，就已早早地開始研究如何支持RRC_INACTIVE 非激活狀態下直接傳輸數據，如：利用上述LTE-EDT 機制的思想，終端UE 伴隨著RRC Resume 連接恢復信令同時攜帶用戶業務數據包（塊），將它們Multiplex 復用到同一個MAC PDU 中。但是僅僅如此簡單地技術移植還不夠，相比于LTE-EDT 技術，業界希望5G NR系統中的Small Data 傳輸技術可以獲得更好的傳輸性能和更高的資源利用率[8-13]。因此，在借鑒LTE-EDT 思想的基礎上，5G-NR 還需進一步研究如何在RRC_INACTIVE 非激活狀態下支持小微數據包更高效的傳輸，特別在某些場景條件下，不用總伴隨RRC 空口信令，即：用戶業務數據包可以被獨立地傳輸，且允許有多個數據包（塊）被連續或間隔傳輸。這些技術增強涉及到所適用的業務應用/用戶移動場景，新子狀態模型和傳輸機制的具體設計，還有網絡側RRC 狀態管控和資源預配置等多個方面，因此至少涉及到3GPP RAN1（空口物理層）、RAN2（空口高層）、RAN3（網絡接口）等工作組的規范內容，下面我們將對此逐一地進行闡述分析。

2.1 空口物理層關鍵問題和技術

首先，3GPP 移動通信系統內的數據傳輸，都要遵循基于上下行時序同步和基站調度資源授權的基本原則。在微服務小區內（通常TA=0，TA,Timing Advance）或UE 已知道未來有效的TA 值（比如通過本地TA 推導或基站側指示）的情況下，UE 可利用網絡預留好的上下行時頻資源塊（PUR,Preallocated UL Resource）直接進行“免動態調度的”數據傳輸（PUSCH-only），其中PUR 資源基于第一類上行授權（Grant Type 1）預配置。反之，如果UE 沒有有效的TA 值，則UE在嘗試發送小微數據包之前，必須先通過PRACH 隨機接入過程獲得上行同步，再接收基站PDCCH 動態的授權指令等參數，繼而基于動態分配的Grant 上行授權傳輸小微數據包。

根據上述兩種資源傳輸的過程，小微數據包的傳輸可基于如下兩種機制實現：傳輸資源預配置PUR Based（也叫CG Based,CG,Configured Grant）RRC_INACTIVE 數據傳輸和資源動態分配（4/2-step）RACH Based RRC_INACTIVE數據傳輸。針對同一UE，這兩種機制可以同時共存，且UE 可以根據不同情況選擇適用的傳輸機制，例如UE 本地是否有有效的TA 值，如圖2 所示。以2-step RACH 操作為例，在RACH Based 方案中，MsgA 可以把RRC Resume 信令和用戶上行小微數據包合并同時上傳，而MsgB 可以把RRC 沖突檢測信令和用戶下行小微數據包合并同時下發。而在PUR/CG Based 方案中，UE 可直接在預配置好的PUR/CG 資源上把RRC 信令和用戶上行小微數據包合并同時上傳。若UE 需要連續傳輸多個數據包，在后續傳輸中，網絡側則可以基于用戶標識進行上下行小微數據包的傳輸調度，這和RRC_CONNECTED 連接態下的數據傳輸類似。

圖2 2種典型的RRC_INACTIVE數據傳輸新機制

由于5G NR 引入了服務波束Beam 的新維度，截至Rel-16，3GPP 在RRC_CONNECTED 狀態下 基站如 何管控Beam 方面已做了詳細規范，而基站如何在RRC_INACTIVE 數據傳輸狀態下有效地管控多波束Beams 則有待進一步分析考慮。比如：在一個INACTIVE 狀態數據傳輸窗內，是否允許UE 進行波束切換以及UE 如何實現波束之間切換等操作。由于在Rel-17 Small Data Transmission WID 中[6]，RAN1 并沒有被分配專門的線上研討時間（TU,Time Unit），因此，默認原則上，3GPP 業界將盡量重用現有的連接態波束管控機制，以減少RAN1 引入的規范新內容。

在沒有用戶Small Data 數據傳輸的背景下，每個服務小區也會預留好一定的PRACH 或MsgA PUSCH 資源，但它們過去僅僅服務于一般用戶控制面接入的需求。未來為了更好地支持用戶業務數據的傳輸，需要根據預留資源和傳輸數據塊大小（TB,Transport Block）重新規劃PRACH 和MsgA PUSCH 資源池。當UE 有有效TA 的時候，可直接利用PUR/CG 資源傳輸，因此也需要考慮預留資源和TB 的影響，對PUR/CG 資源池進行重新規劃。此外，PUR/CG 資源既可以是UE Specific 的（通過UE 專有信令預配置），也可是多個UE 同小區內共享的（通過系統廣播消息配置），上述內容對RAN1 協議都將會有不同程度的影響。

2.2 空口高層關鍵問題和技術

在3GPP 移動通信系統內，UE 所在RRC 狀態及不同RRC 狀態之間的轉換仍然受到基站的強控制。當UE 的業務數據無法通過一次授權的資源塊TB Burst 傳輸完畢時，剩余的數據量既可在UE 進入RRC_CONNECTED 連接狀態（通過RRC resume 恢復流程）后繼續傳輸；也可將UE繼續保留在RRC_INACTIVE 狀態下（通過RRC Release釋放流程），等待后續傳輸機會到來后再進行數據傳輸，因此基站需做出更好的RRC 狀態遷移判決，如圖3 所示。為了輔助基站判決，UE 可上報一些關于業務數據的用戶輔助信息UE Assistance Information 給基站，或核心網CN 下發類似的輔助信息給基站，如：UE traffic&Mobility model 等。通常對于延時不敏感的業務，基站可選擇把UE盡可能地保留在RRC_INACTIVE 狀態下，即使UE 緩存著剩余的數據量，也可等待下一次RRC_INACTIVE 傳輸窗的機會到來后再繼續傳輸。圖3 中的Semi-INACTIVE不是一個被標準化的正式狀態，它只是一個和RRC_INACTIVE 關聯的虛擬子狀態，也可以理解為介于RRC_CONNECTED 和RRC_INACTIVE 狀態之間的中間態。

圖3 含RRC_INACTIVE數據傳輸新機制下的RRC狀態遷移和管控

由于在RRC_INACTIVE 狀態下，可使用的時頻資源塊（或預配置或臨時動態分配）會受到較大的約束，導致可用的時頻資源塊不充足且不連續，例如：時頻資源塊的間隔時間較長，每次有效傳輸窗的長度不確定等，因此需要考慮它對HARQ 操作和RLC 重傳操作的影響。如果支持RLC AM 無損傳輸模式，當出現RLC 最大重傳失敗時，需要考慮UE 是否要觸發RRC 連接重建立過程，以重新進入RRC_CONNECTED 狀態。此外，當UE 有機會連續傳輸多個數據塊TB Burst 的時候，UE 是否還要檢測RL 狀況，是否可能觸發無線鏈路失?。≧LF,Radio Link Failure），以及在連續的數據傳輸過程中是否要引入新的RRC_INACTIVE 測量機制來滿足移動性的需求，例如是否需要配置測量空隙measurement gap 及如何配置等。在RRC_INACTIVE 狀態下，這些異常情況的處理方式，可能和RRC_CONNECTED 狀態下的有所不同，因此，具體問題和處理機制還有待進一步研究確認。

3GPP Rel-16 版本新引入2-step RACH 機制，它可有效減少UE 隨機接入的流程步數和時延開銷。針對用戶業務數據Small data 的傳輸，2-step RACH 機制也可被結合使用，從而進一步縮短Small data 的傳輸延時。此外，在RRC_INACTIVE 下，UE 可能會觸發本地小區重選的過程（特別是傳輸能力異構和跨節點的場景下），因而也需要考慮在小區重選發生后如何保證UE 緩存的PDCP SDU 數據包不被丟失。進一步地，在UE 移動場景下，由于有安全密鑰Key 更新的需求，通常認為首傳伴隨RRC 信令發送更合理，但如果UE 一直駐留在被控制進入RRC_INACTIVE 狀態的源錨點小區Anchor Node/Cell 內，則也可以不伴隨發送RRC 信令，直接發送純的業務數據塊，這樣傳輸效率更高。

在多種“RRC_INACTIVE 狀態數據傳輸新機制”都有效適用的情況下，基站需根據實際情況優先選用其中某種最佳的機制，并確定它們之間回退操作的優先級關系。此外無論小微數據包的首傳還是后續傳輸，UE 都需要根據網絡配置的條件，判決何時何地能啟動哪種“RRC_INACTIVE 狀態數據傳輸新機制”，或啟動回退RRC Resume 恢復流程。上述判決需綜合考慮：當前服務小區的數據傳輸支持能力和資源配置情況、本地RL 質量情況和UE 上行數據特性（例如：對延時/丟包率的要求和待傳剩余的數據量）等。

2.3 網絡接口關鍵問題和技術

RAN3 的工作主要面向NG（基站和核心網間的接口），Xn（基站間的接口），F1（中心控制單元CU 和分布單元DU 間的接口），E1（中心控制單元CU 中控制面實體和用戶面實體間的接口）等網絡接口，以便為“控制面實體和用戶面實體間狀態數據傳輸機制”做相關的協議流程和功能適配。比如：在下行方向，NG接口可能需要增強Paging 流程和相關Small Data 數據傳輸策略的指示；F1 接口需要增強對gNB-DU 內UE Context 上下文的預配置和維護，以讓gNB-DU 能識別收發的PDCP PDU 數據包；Xn 接口需要考慮在UE 跨基站移動的場景下，如何實現數據塊向/ 從錨點基站Anchor Node 進行前傳Data Forwarding 操作等。對于小數據包的前傳，既可通過傳統的GTP-U 專有隧道的方式，也可通過接口控制面消息攜帶的方式，比如：在相關消息中引入User Data Container 等。如圖4 所示，在gNB-CU 和gNB-DU 分離的情況下，gNB-DU 內需預配置有UE Context 上下文，才能對空口接收到的上行小數據包進行解碼或對F1 接口下行小數據包進行編碼等操作；gNB-CU 和gNB-DU 之間的數據前傳可按照傳統GTP-U 隧道或F1AP 消息隨路攜帶的方式。在UE錨點控制基站不改變（Non Anchor Relocation）場景下，類似地，服務UE 的當前臨時收發基站Current gNB 也需要有UE Context 上下文，才能對接收到的上行小數據包進行解碼或對下行小數據包進行編碼等操作；Anchor gNB 和Current gNB 之間的數據前傳可按照傳統GTP-U 隧道或XnAP 消息隨路攜帶的方式。

圖4 gNB-CU和gNB-DU分離下RRC_INACTIVE小數據包傳輸和前傳

3 小微數據包傳輸潛在的增強技術

隨著Rel-17 RRC_INACTIVE 小微數據傳輸新機制即將被標準化引入，未來5G-NR 系統在業務數據傳輸方面，又多了一種選擇手段。對于非單個TB Burst 小數據量場景，到底是選擇RRC_INACTIVE 的某種數據傳輸新機制，還是回退使用傳統RRC_CONNECTED 的數據傳輸老機制，以及哪種方式的綜合傳輸效率更高且更省電節能，這些都還需要進一步的量化研究對比（需要最終的標準化方案細節被確定）。如果選擇了RRC_INACTIVE 數據傳輸新方式，gNB 如何更精準地進行資源（預）分配和傳輸調度，這也需要進一步仿真評估和算法迭代優化。如前所述，利用UE 輔助信息，基站可更好地實現RRC（子）狀態管控和資源預配置，同時gNB 自身也可利用人工智能（AI,Artificial Intelligence）先進算法，結合歷史管控調度信息，對UE 的Traffic 和Mobility Profile 進行主動預測，實現基站的更智能管控和資源優化利用。在PUR/CG Based 傳輸方式下，如果需支持特定UE 在多個基站或RAN 節點更大的物理范圍內做PUR/CG Based 數據傳輸，則錨點基站Anchor gNB 需通過Xn 和F1 接口和它相鄰節點提前進行PUR/CG 資源的協調和預配置，聯合協同完成預配置之后，再通過空口RRC 信令將配置下發給UE，這樣UE 才可在跨基站節點的更大物理范圍內，自由地進行PUR/CG Based 小微數據包主動傳輸，如圖5 所示。

此外，在Xn 和F1 接口上數據前傳方面，由于RRC_CONNECTED 下都采用了UE 專有GTP-U 隧道的方式，對于小微數據包，這顯得有些低效浪費，因此是否可采用公共共享的GTP-U 隧道進行數據前傳也值得進一步研究。面向上述各種增強內容，筆者認為在Rel-17 標準化時間窗內可能來不及完成，可在Rel-18 版本階段被進一步研究討論并進行標準化。因此策略上，Rel-17 可先實現RRC_INACTIVE 小微數據傳輸的基本功能，奠定行為方式和性能指標基線，而Rel-18 再進一步實現相關增強功能。

圖5 大物理范圍內跨基站的小微數據包無縫傳輸

4 結論和展望

本文系統地回顧比較了過去幾種典型3GPP 移動通信系統中，在支持“小微數據包（塊）”高效無線傳輸方面的機制發展和演進，總體上可印證結論：“無連接Connectionless”更適用于“小微數據包（塊）”的傳輸，但“無連接”設計在不同的移動系統中會有不同的落地體現。無論未來的移動通信系統演進為何種形態，包括在衛星天地一體化網絡[14]中，都必須考慮對“小微數據包（塊）”高效無線傳輸的支持，以避免資源低效和冗余的傳輸操作。不同于純粹的窄帶系統內的“小微數據包（塊）”傳輸技術，面向未來的RRC_INACTIVE 小數據包傳輸技術需要考慮特定垂直行業用戶業務下，更小延時和更大待傳業務數據量的需求，同時還要考慮它和“大中數據包（塊）”傳輸機制在同一UE 內的共存方案，以及不同傳輸機制之間的靈活切換。未來基于AI 算法的用戶業務數據量和移動特征預測技術，可較好地輔助基站在各種傳輸機制之間進行靈活選擇，從而實現在網絡資源效率、終端省電、控制信道開銷和信令減少等方面的平衡或按需取向，這對于各個網絡廠商內部算法的開發實現具有很大的意義，也將帶來很大的挑戰。在安全性能方面滿足的前提下，還可進一步拓展研究UE 在RRC_IDLE 空閑態下高效傳輸“小微數據包（塊）”的新技術，這對某些類型的終端設備和業務需求也具有特定的意義價值。總之，“小微數據包（塊）”高效無線傳輸機制是一種反通信資源碎片化的高價值技術，實際應用范圍很廣，值得不斷地被研究提升和優化。