一種5G系統NSA模式下的PDCP分流技術

齊 勇，張曉華，李鵬鵬

(重慶市信息通信咨詢設計院有限公司，重慶 400041)

0 引言

在5G網絡NSA組網架構中，終端可同時連接到2個基站，利用不同的頻譜資源提高傳輸可靠性和傳輸速率。雙連接(Dual Connectivity,DC)下，數據在分組數據匯聚協議(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)子層進行分流傳輸到不同的基站，然后在接收端對等PDCP層聚合[1-3]。由于鏈路端到端特性不同，而且是實時變化的，數據在不同鏈路傳輸時，按序發送的數據包抵達接收方時可能會發生亂序，導致不必要的重傳及阻塞接收緩沖區，致使鏈路并行傳輸性能和系統資源利用效率下降。合理的分流算法能夠使2個基站的無線資源得到充分利用，最大限度地提升5G系統性能[4]。

在5G無線網絡中，無線信道的衰弱和移動性導致用戶信道條件會實時性持續變化。對于數據分流需要綜合考慮緩存狀態、鏈路時延、信道質量、帶寬和丟包率等網絡參數，再進行數據分配[5]。文獻[6]提出最優的分流比例為2個網絡的吞吐量之比，但是當鏈路丟包率相差較大時，可能導致接收端接收數據亂序，降低系統性能。文獻[7]對PDCP調度功能進行實現，基于路損、業務負荷以及流速反饋確定數據分流比例。文獻[8]基于信道參數建立四維評價函數，對分流到WiFi和LTE網絡的數據比例進行判決。文獻[7-8]所提算法均通過計算信道參數，實時監控鏈路狀態，動態改變分流比例，但是由于鏈路狀態的實時變化，存在數據包亂序到達的情況，當數據量過大時，接收端的重排序可能會消耗系統資源，增加重排序時延，降低系統性能。文獻[9]利用GLPK(GNU Linear Programming Kit)求解最大吞吐量，將分流問題轉化為混合整數線性規劃問題。文獻[10]建立了以總時延最小為目標的固定比例分流線性規劃結合緩存實現動態分流，但未考慮接入技術差異性導致的傳輸時延。

上述研究只考慮了部分系統和網絡參數，未能考慮接收方PDCP層重排序可能會影響系統吞吐量，降低系統性能的問題。本文針對5G NSA組網模式下數據分流問題，分析傳統分流算法的不足與缺陷，提出了一種適用于雙連接架構并且能夠使接收端PDCP層數據聚合亂序程度最小化、系統速率最大化的數據分流方案。

1 5G NSA架構分流模式研究

1.1 LTE/5G雙連接協議架構

在LTE雙連接技術基礎上，3GPP在TR 38.801中定義了LTE和5G聯合組網的雙連接方式[11]，包括3/3a/3x，4/4a和7/7a/7x等多種組網方式[12-13]，如圖1～圖5所示。當終端處于雙連接通信模式時，可以使用2個基站的無線數據資源進行通信，不同的主輔基站負責管理各自的小區域并完成不同的通信任務，主基站MeNB負責管理各個宏小區，實現數據覆蓋范圍和數據移動性；輔基站SgNB分別負責管理小區，實現無線數據在兩基站間實時分流傳輸。主基站和輔基站之間的數據傳輸由Xx接口負責。雙連接下的分流承載需要利用PDCP實體下的數據分流和聚合功能，將數據按序、正確地傳送給高層。雙連接技術可以實現全網絡化覆蓋，提高系統資源利用率，降低傳輸時延。

圖1 雙連接3/3a模式協議架構Fig.1 Protocol architecture in dual connection 3/3a mode

圖2 雙連接3x模式協議架構Fig.2 Protocol architecture in dual connection 3x mode

圖3 雙連接4/4a模式協議架構Fig.3 Protocol architecture in dual connection 4/4a mode

圖4 雙連接7/7a模式協議架構Fig.4 Protocol architecture in dual connection 7/7a mode

圖5 雙連接7x模式協議架構Fig.5 Protocol architecture in dual connection 7x mode

1.2 PDCP分流聚合方案研究

圖6展示了在LTE/5G雙連接處理模式3下，用戶端數據的流向。主基站MeNB直接負責傳輸上行用戶信息，并且在分流機制啟動后主基站會自動建立分離式承載，然后經由PDCP層完成用戶信息的路由和分流轉發。在分離式承載情況下，PDCP發送實體對PDU進行編號，緩存后的數據包可通過Xx接口轉發至5G SgNB，或直接將下行PDCP PDU傳送到本地的無線鏈路控制(Radio Link Control,RLC)層，在此過程中，主基站會實時接收基站的反饋。分流機制使同一承載數據包由2條鏈路進行傳輸，極大地提高了網絡的傳輸速率和吞吐量[14]。

圖6 雙連接下的用戶面數據流Fig.6 User plane data flow under dual connection

相較于LTE系統，5G PDCP層負責接入層數據的安全性管理，實現加密、完整性保護和頭壓縮等功能[15]，當UE處于雙連接狀態，PDCP層可能會關聯到多個RLC實體[16]，負責控制主基站MeNB和輔基站SgNB之間的數據分流和聚合。

圖7為用戶平面協議棧PDCP層分流聚合的設計方案。通過合理的分流算法來調度2條鏈路的資源，能夠最大程度地提高鏈路的利用率，提升系統性能。因此，根據鏈路的實時狀態確定合適的分流比例對PDCP層至關重要。

圖7 用戶平面PDCP分流聚合方案設計Fig.7 PDCP offloading and aggregation scheme design in the user plane

2 改進型分流算法設計

由于無線信道環境的多樣性和實時性，鏈路參數總是呈動態變化。為消除誤差，首先根據待發送的數據流量確定是否選擇分流機制，然后根據鏈路吞吐量、數據包長度等動態控制鏈路分流比例，估計出鏈路時延。通過鏈路時延重新排序需要發送的數據包，這樣可以減少接收端數據亂序的情況和系統重排序時間，提高系統性能。改進型分流算法可以分為以下3個模塊：

(1) 門限判別模塊，基于流量負荷判斷是否添加SgNB，啟動雙連接建立觸發機制：統計終端的數據流量以及待調度的數據總量，設置PDCP層數據分流的閾值，將終端的流量或者待調度的數據與閾值相比較，判斷是否進行分流；

(2) 數據流量控制模塊，對2條鏈路的網絡參數進行濾波，根據時延、系統吞吐量鏈路以及隊列長度的準確估計值判斷鏈路的變化趨勢，基于鏈路傳輸能力和緩存隊列來獲得最優的分流比例P；

(3) 時延補償模塊，估計鏈路時延，對鏈路進行時延差控制，保證實際分流數據包可以按序接收。

改進型分流算法方案如圖8所示。

圖8 改進型分流算法方案Fig.8 Improved shunting algorithm scheme

2.1 門限判別

圖9為LTE/5G雙連接模式3下添加SgNB的流程。當終端接入網絡后，MeNB會周期性地接收終端的測量報告，分析滿足SgNB添加條件的5G鄰區并保存，根據報告結果做出決策，判斷是否發起分流承載建立過程啟動PDCP分流機制[17]。本文選擇基于終端流量進行SgNB添加的方法，來保證雙連接的系統性能。

主基站的無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)層為PDCP層設置分流數據的閾值，并實時分析統計終端的數據流量或者待調度的數據總量，將閾值與終端待調度數據量進行對比，若超過該分流門限，則主基站根據測量報告選擇一個最好的5G鄰區添加，發起SgNB的自動添加流程并同時啟動數據分流策略，否則就只能通過單鏈路進行數據傳輸。因此設置合理的分流數據閾值對雙連接的最終性能至關重要。

閾值精度0～6 553 600，具體取值參照無線鏈路控制層的配置情況[10]。PDCP層的計數定時器開啟后，將從虛擬網卡處讀取并統計上層待傳輸數據量。然后將統計的數據總量與分流閾值做比較，若系統待發送的數據總容量小于系統分流閾值，則系統無需進行分流，直接進行單鏈路傳輸；否則進行數據流量判斷確定分流比例。

圖9 分流承載建立過程Fig.9 Flow chart of establishment process of the offloading bearer

2.2 數據流量控制

在實際場景中，網絡實時傳輸能力和鏈路緩存的業務數據量都是實時變化的，因此實時監控鏈路狀態，結合系統吞吐率和鏈路緩存長度動態調整PDCP分流比例，能夠避免鏈路數據積壓，提高系統的傳輸能力[18]。

通過利特爾法則(Little’s Law)對穩定隊列中每個數據包的等待時間進行計算：

TIME=PDUSIZE/Throughput，

(1)

式中，PDUSIZE為需要傳輸的PDU數據長度；Throughput鏈路的吞吐率。在雙連接下，可通過式(1)計算得到分離承載的PDCP隊列經過主基站鏈路和輔基站鏈路共同傳輸的總時延。

將發送數據分別送入MeNB鏈路和SgMB鏈路的緩存區，當緩存數據量增加，說明該鏈路狀態差，需要基于當前2條鏈路上的系統吞吐量、緩存隊列長度以及總數據包長度確定發往鏈路的數據包大小，以根據2條鏈路的傳輸能力分配數據量，2條鏈路數據分流比例P確定方法如下：

P=PDUSize1/PDUSize2，

(2)

(3)

式中，Length1，Length2為鏈路1和鏈路2的緩存隊列長度；Throughput1，Throughput2為鏈路1和鏈路2的吞吐量；PDUSize1，PDUSize2為鏈路1和鏈路2的待分配數據量；M為本次待調度的數據總量。

2.3 鏈路時延補償

在單連接情況下，數據包按照PDCP序列號進行按序遞交不需要進行重排序，但是在雙連接時，發送端在PDCP進行分流操作，由2條傳輸鏈路獨立傳輸數據，盡管各RLC按序遞交數據包，但是由于各鏈路具有不同的傳輸時延，2個RLC收到的數據包可能存在亂序現象。為此，提出對鏈路進行時延補償，以減少接收端重排序帶來的資源消耗。

MeNB上的傳輸定義為鏈路1，其時延為：

t1=PDUSize1/Throughput1，

(4)

式中，PDUSize1為決定經過MeNB進行傳輸的數據量；Throughput1為MeNB上的平均傳輸速率。SgNB上的傳輸定義為鏈路2，其時延為：

t2=XxLatency+PDUSize2/Throughput2，

(5)

式中，PDUSize2為決定通過SgNB傳輸的數據量；XxLatency為Xx接口的傳輸時延；Throughput2為SgNB上的平均傳輸速率。

數據包開始發送時，默認首個數據包由主基站鏈路1發送，然后再分配，具體時延補償策略如下：

(1) 基于內部調度器實時獲取鏈路的平均傳輸速率和緩存隊列長度；

(2) 根據式(4)和式(5)估計出鏈路時延值，更新Δtd=t2-t1；

(3) 若Δtd≥Δb1，此時Δtd%Δb1=0，鏈路1發送數據包[1,Δp]，鏈路2發送Δp+1；Δtd%Δb1!=0，鏈路1發送數據包[1,Δp+1]，鏈路2發送Δp+2；

(4) 若Δtd<Δb1，鏈路2在進行時延補償Δb2=2×Δb1-Δtd時間后再發送數據。

其中，td為鏈路時延差；Δb1為鏈路1的發包時間間隔；Δb2為鏈路2發包時間間隔；Δp為鏈路1，2的發包間隔數。時延補償的具體流程如表1所示。

表1 時延補償算法偽代碼

通過上述分流時延補償算法，能夠找到2條鏈路按序或同時到達的數據包的發送順序，減少重排序造成的時延或者丟包問題，實現快速按序地向上層遞交，從而提升系統吞吐量。

3 結果分析

3.1 仿真參數設置

為了驗證本算法的有效性，將提出的分流算法與經典分流算法進行比較。通過仿真設置主基站和輔基站鏈路吞吐率、丟包率和PDU長度，記錄合適分流比例算法、OMS算法和本文分流算法的分流情況，對比算法的性能。仿真具體參數設置如表2所示。

表2 仿真參數設置

在仿真過程，每0.05 s記錄鏈路的傳播時延并更新時延差。接收端每次在接收到100個連續的數據PDU時，計算一次數據吞吐量，并實時記錄當前每個緩沖區數據占用量的情況。

3.2 仿真結果分析

將本文所提的改進分流算法與經典的合適分流比例算法、OMS算法進行比較，得到系統吞吐率和重排丟包率的仿真結果，如圖10和圖11所示，圖10是不同分流算法下系統吞吐量的比較結果，圖11是不同分流算法下重排序丟包率的對比情況。

圖10 系統吞吐率對比Fig.10 System throughput comparison

由圖10可以看出，在系統參數環境相同的情況下，本文改進的分流算法系統的吞吐率高于目前較為流行的合適分流比例算法吞吐率30 Mb/s，較OMS算法系統吞吐率提升40 Mb/s。這是由于改進算法可以實時估計信道參數，可根據系統情況實時調整分流比例，而OMS算法忽略了鏈路處理能力不同會導致數據分流不合理的問題，導致系統性能下降，合適分流比例算法考慮2條鏈路的吞吐量作為確定分流比例的依據，但在鏈路丟包率更高的鏈路上，存在較多需要重傳的數據包，此時合適分流比例算法無法得出正確的分流比例，導致系統性能下降。

圖11 系統重排序丟包率對比Fig.11 Comparison of system reordering packet loss rates

由圖11可以看出，在系統參數環境相同的情況下，本文改進的分流算法使系統的重排序丟包率低于目前較為流行的合適分流比例算法系統重排序丟包率35%，較OMS算法系統重排序丟包率降低了50%。這是由于改進綜合補償了發送端2路的時延差，盡可能地保證了接收端數據能夠按序到達，減少收端重排序操作。

4 結束語

5G PDCP層相較LTE新增分流聚合和重排序功能，然而，現有分流算法僅從發端進行考慮，存在接收端亂序嚴重，且復雜度較高。針對上述問題，本文通過設置分流閥值，結合鏈路實際傳輸能力和緩存隊列動態實現流量控制，然后對鏈路時延進行有效并確定的時延補償，解決了傳統分流算法造成的接收包亂序和系統吞吐率低的問題。仿真結果表明，所提出算法性能較好，與目前較流行的分流算法相比，該算法能有效減少接收端收到的亂序包數量，提高系統有效吞吐率。本文提出的分流算法簡單且實用性高，適用于實際工程應用。盡管流量控制以及時延補償能夠減少數據包的亂序接收，但是仍然存在接收亂序的情況，因此接收端PDCP層仍需要支持重排序，如何降低重排序的資源消耗，是下一步研究的重點。