5G分組數據匯聚協議復制的設計及應用

李小文，雷 秀，李陽陽

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引 言

第三代合作伙伴計劃(3rd generation partnership project，3GPP)定義了5G的3個應用場景，其中超可靠低時延通信(ultra-reliable low latency communications，URLLC)在用戶平面針對大小為32字節的分組，需在 1 ms 的傳輸時間內使系統可靠性達到1-10-5，當分組大小增加到300字節時，時延和可靠性要求分別在1 ms至15 ms、1-10-5至1-10-9之間[1-3]。URLLC備受業界關注的應用場景是車聯網，其最終目標是實現自動駕駛，為了滿足該應用場景的通信需求，URLLC必須使處于快速移動狀態下的車輛由無線鏈路失敗(radio link failure，RLF)或切換導致的中斷時間最小化至0 ms[4]。僅通過無線鏈路控制(radio link control，RLC)的自動重傳請求(automatic repeat request，ARQ)和媒體接入控制(medium access control，MAC)的混合ARQ(hybrid ARQ，HARQ)能夠實現分組的可靠傳輸[5-7]，但重傳產生的時延遠超過了URLLC的時延要求。為解決該問題，5G引入PD技術，其基本原理是發送端在不同的非相關信道上同時傳輸相同分組，接收端利用信道的多樣性(如衰落、干擾)消除冗余，實現分組傳輸的低時延和高可靠性[8]。本文將PD技術直接應用于雙連接(dual connectivity，DC)架構[9]，設計了應用PD的協議棧架構、動態控制PD激活與去激活的機制和應用PD的切換過程，以不增加無線接入網(radio access network，RAN)的復雜性為前提，實現URLLC可靠性和時延需求并提高網絡資源利用率。

1 DC架構下的PD設計

DC架構旨在使用戶設備(user equipment，UE)能夠使用相同或不同無線接入技術同時接入兩個服務節點，并使用兩個服務節點的無線資源，從而提高數據吞吐量和實現高可靠性[10]。DC的接入節點由承載完整協議棧的主節點(master node，MN)和承載低層(即RLC、MAC、物理層)的輔節點(secondary node，SN)組成，MN和SN通過Xn接口上的非理想回環連接[9]。5G中，MN和SN都承載完整協議棧，并連接到5G核心網，此時MN和SN分別稱為主新無線基站(MasterNR Node B，MgNB)和輔新無線基站(SecondaryNR node B，SgNB)。

1.1 下行鏈路PD協議棧設計

5G RAN協議棧的分組數據匯聚協議(packet data convergence protocol，PDCP)層執行分組數據單元(packet data unit，PDU)的復制[11]。復制的PDU攜帶與原PDU相同的序列號，以便PDCP接收實體檢測和丟棄重復PDU。無線資源控制(radio resource control，RRC)針對信令無線承載(signaling radio bearer，SRB)和數據無線承載(data radio bearer，DRB)配置建立PDCP實體的參數及PD[12]，如果配置PD，則原PDU和復制PDU同時發送到兩個RLC實體。對于URLLC，啟用PD時，RLC以非確認模式(unacknowledged mode，UM)傳輸數據，因為UM模式無需等待對等RLC實體的確認消息，能夠消除RLC實體之間重傳的等待時間。

針對下行鏈路(downlink，DL)，MgNB上的PDCP實體在將PDU發送給下層之前執行序列編號，完整性保護和復制，原PDU發送到MgNB的RLC層，復制PDU通過Xn接口發送到SgNB的RLC層，如圖1所示。DC架構下，MgNB和SgNB都能為UE調度資源，如果MgNB和SgNB不互相協調運行，則MgNB和SgNB的低層彼此獨立操作。

圖1 下行鏈路PD的協議棧設計

1.2 上行鏈路PD協議棧設計

為了在上行鏈路(Uplink，UL)中支持PD技術，UE承載公共的PDCP層和一對低層協議棧，鏡像于網絡端的協議棧架構，且利用功率控制和波束成形技術[13]同時將原PDU和復制PDU發送到MgNB和SgNB，如圖2所示。

圖2 上行鏈路PD的協議棧設計

2 動態控制PD的設計

對于DRB而言，如果存在單個鏈路能夠滿足時延和可靠性需求時，仍然始終啟用PD技術，則會造成網絡端資源浪費。因此，有必要設計一種快速激活/去激活PD的觸發機制。5G中，引入新的PDCP復制命令(PDCP duplication command，PDC)MAC控制元素(control element，CE)攜帶UL中激活與去激活PD的命令[6]。

2.1 網絡端觸發PD的設計

網絡端觸發PD的方式，評估和決策是否激活PD在網絡端完成。DL中由網絡端的PDCP實體處理PD的操作。DC架構中，如果DL分離承載并激活PD，則MgNB和SgNB分別向UE發送下行鏈路控制信息(DL control information，DCI)指示DL資源分配，其中包括調制編碼機制(modulation and coding scheme，MCS)和物理資源塊(physical resource block，PRB)分配。如果在DL中PD去激活或選擇單個最佳鏈路時，網絡端為UE提供所選鏈路上的資源分配。UE在物理下行共享信道上接收分組并根據DCI和DRB配置處理分組。

在UL中，PD的決策是在網絡端做出的，并通過PDC MAC CE發送給UE，UE基于網絡端提供的PDC MAC CE中的PD命令執行PD決策，如圖3所示。PDC MAC CE包含一個位圖，標識配置了DRB的PD激活和去激活狀態。PDC MAC CE使用子報頭中的附加比特指示PD去激活時應使用的傳輸鏈路。UE基于接收的PDC MAC CE執行PD決策。DC架構中，每個接入節點可以獨立地發送PDC MAC CE，如圖3(a)所示。假設MgNB和SgNB相互獨立的情況下，MgNB或SgNB基于自身信道條件發送PD命令，將會產生不同的PD決策，此時UE結合兩個接入節點的PDC MAC CE執行PD決策。假設MgNB和SgNB互相協調的情況下，MgNB發送一個包含聯合PD決策的PDC MAC CE給UE，如圖3(b)所示。在這兩種情況下，MgNB和SgNB在DCI中向UE提供UL授權，UE基于接收的授權在物理上行共享信道上發送數據，并繼續提供配置鏈路的信道測量報告。

圖3 網絡端觸發PD的過程設計

2.2 終端觸發PD的設計

UE觸發PD的方式，僅適用于UL傳輸，主要用于支持免授權技術[14]。無授權或配置授權技術中，新無線基站(NR node B，gNB)不啟用傳統的動態調度過程，而是基于每個UE的預分配資源發送短的分組，或者gNB在公共池中配置無授權資源，多個UE共享該公共池。此時觸發PD的設計方案為網絡端在多個配置的鏈路上預分配資源而不明確激活PD，一旦UE做出PD決策，網絡端向多個無授權資源池發送原PDU和復制PDU。

3 切換過程中應用PD的設計

為了減小切換過程中的中斷時間，長期演進(long term evolution，LTE)支持先建立后中斷(make-before-break，MBB)的切換過程[15]。在UE收到與目的增強型基站(evolved node B，eNB)建立連接的切換命令之后，MBB通過繼續保持UE與源eNB連接的方式減小切換過程的中斷時間，但UE不能同時與源eNB和目的eNB通信，因此MBB仍不能滿足5G的低時延要求。另外，在UE移動過程中存在因為隨機接入過程失敗或超過ARQ最大重傳次數而導致的RLF的情況[10]。LTE中，RLF發生后需要進行RRC連接重建，這一過程最多需要200 ms。5G為確保更高的可靠性，對SRB和DRB都啟用PD技術以提高移動期間整體可靠性，特別地，即使用戶平面存在故障，也仍然維持控制平面的連接，以避免執行整個RRC連接重建過程，控制平面分組的復制直接有助于提高移動過程中的穩健性。網絡可以在傳輸鏈路信道質量惡化時快速激活PD以防止RLF，并在鏈路變得更穩定時去激活PD。

應用了PD技術的MBB過程，UE承載具有公共PDCP實體的兩個協議棧，用于在UL中同時與源gNB和目的gNB通信，實現0 ms的中斷時間，如圖4所示。類似地，在DL中，源gNB和目的gNB都建立完整協議棧以便于UE通信，且源gNB執行PDCP復制。與一般切換過程不同的是UE與目的gNB建立另一連接之后，源gNB提供的切換命令消息中仍指示UE使用現有安全密鑰繼續與源gNB保持通信。UE從目的gNB獲得新的安全密鑰后，UE使用相應的安全密鑰同時與源gNB和目的gNB通信，以滿足更高的可靠性需求。

圖4 應用PD的切換設計

4 性能評估模型及結果分析

DC架構下，主節點鏈路與輔節點鏈路利用不同頻率載波同時將分組數據發送到UE，此時整個系統的可靠性R可以確定為

R=1-(1-RM)-(1-RS)

(1)

式中：RM是主節點鏈路的可靠性，RS是輔節點鏈路的可靠性。

假設DM、DS分別是主節點鏈路和輔節點鏈路的總時延，SM、SS分別是主節點鏈路和輔節點鏈路可實現的信噪比，BM、BS分別是主節點鏈路和輔節點鏈路分配的帶寬，則RM和RS分別定義為

RM=P(DM≤Dre)P(SM>Sth)P(BM>Bre)

(2)

RS=P(DS≤Dre)P(SS>Sth)P(BS>Bre)

(3)

式中：Dre是延時要求，Sth是滿足目標誤塊率(block error rate，BLER)要求的信噪比門限，Bre是傳輸一個特定大小分組的帶寬需求。

本文針對5G的分組數據匯聚協議復制功能在MATLAB R2015a平臺上進行了基于LTE-A的仿真測試。圖5的仿真結果顯示了單鏈路和應用PD時，在不同分組大小和時延下，滿足可靠性要求(1-10-5)所需額外增加的信噪比。單鏈路的情況下，配置1×4天線的空間分集技術和1次重傳的HARQ時間分集技術后，仍需至少增加信噪比5 dB才能實現對大小為32字節的分組在2 ms的傳輸時間內達到1-10-5的系統可靠性。相比之下，應用PD時，無需配置1×4天線的空間分集技術和1次重傳的HARQ時間分集技術，且無需額外增加信噪比就能滿足對大小為32字節的分組在1 ms的傳輸時間內使系統可靠性達到1-10-5的要求。從圖5的仿真結果可以得出結論，PD能夠在沒有額外配置天線空間分集和HARQ時間分集技術以及增加信噪比的情況下，即基于現有RAN部署，滿足URLLC的可靠性和時延需求。

圖5 單鏈路和PD滿足可靠性要求需增加的信噪比

圖6的仿真結果顯示了單鏈路和應用PD時，在不同信噪比條件下，滿足可靠性要求(1-10-5)和時延要求 (1 ms) 所需的PRB總數量。該結果基于LTE-A，且固定分組大小為100字節，單鏈路的信噪比分別為0 dB、5 dB、10 dB，應用PD的DC架構下，主節點鏈路的信噪比分別為0 dB、5 dB、10 dB，輔節點鏈路信噪比與主節點鏈路信噪比相差0 dB或±2 dB。從圖6可以看出，對于給定分組大小，滿足可靠性要求和時延要求所需的PRB數量與主節點鏈路的信噪比和主輔節點鏈路的信噪比差值有關。當主節點鏈路和輔節點鏈路的信噪比相同時，應用PD的DC架構所需的無線資源比單鏈路所需的無線資源減少2%以上；當主節點鏈路的信道條件較差(如信噪比為0 dB)時，而輔節點鏈路的信道條件稍好，即UE處于小區邊緣，此時激活PD技術，能在滿足可靠性和時延要求的情況下，比單鏈路減少30%的無線資源占用；當UE從小區邊緣到小區中心區域(即信噪比由低到高)時，通過動態控制PD的激活/去激活(在主節點鏈路信道條件較差時激活PD，當主節點鏈路信道條件較好時去激活PD)，可以提高2%的資源利用率。基于上述結果分析，可以得出結論，在小區邊緣等應用場景激活PD，當UE從小區邊緣到小區中心區域實現動態控制PD的激活/去激活，能在滿足可靠性、時延需求的情況下合理利用無線資源。

圖6 單鏈路和PD滿足URLLC需求所需的PRB總數量

5 結束語

本文對5G PD技術進行了分析，設計了應用PD的DC協議棧架構、動態控制PD激活或去激活機制以及應用PD的切換過程，并建立性能評估模型，仿真結果表明PD能在不增加RAN復雜度的前提下，同時有效地解決URLLC的可靠性和時延要求，實現對大小為32字節的分組在1 ms的傳輸時間內達到1-10-5的系統可靠性要求，同時比單鏈路減少30%的無線資源占用。在UE移動過程中，通過動態控制PD的激活與去激活不僅能滿足URLLC的可靠性和時延要求，還能提高2%的無線資源利用率。