uRLLC中PDCP數據復制傳輸及增強研究

邵延峰

（1.中國電子科技集團公司第五十研究所，上海 200331；2.中國電科新一代移動通信創新中心，上海 200331）

0 引言

uRLLC（ultra-Reliable and Low-Latency Communication，高可靠低時延通信）作為5G三大典型應用場景之一，主要面向車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求[1]。uRLLC突破傳統網絡對速率的追求，低時延、高可靠成為其兩大核心指標，從性能上表現為毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證[1]。

為了滿足uRLLC數據傳輸中的高可靠性需求，3GPP RAN2在標準化過程中確定了PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）數據復制傳輸機制。3GPP在R15版本已支持空口鏈路上數據復制傳輸的基礎上，在R16版本中進行了增強，進一步提高了業務傳輸的可靠性[4-5]。本文針對CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和DC（Dual Connectivity，雙連接）兩種場景，對uRLLC中的PDCP數據復制傳輸及增強進行了研究。

1 PDCP功能分析

1.1 NR協議架構分析

數據實現可靠傳輸主要體現在NR（NewRadio，新無線）上，NR協議架構如圖1所示[4-5]。NR協議架構分為控制面部分和用戶面部分，其中PHY（Physical，物理）層、MAC（MediumAccessControl，媒體接入控制）層、RLC（RadioLinkControl、無線鏈路控制）層、PDCP層是控制面部分和用戶面部分共享的。不同之處是控制面協議的PDCP層上面是RRC（Radio ResourceControl，無線資源控制）層，用戶面協議的PDCP層上面是SDAP（Service DataAdaptationProtocol，服務數據適配協議）。

圖1 NR協議架構

無論是用戶面還是控制面協議棧，PDCP層都是IP體系和空口體系的“分水嶺”[10]，對上層控制面的RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）層和用戶面的SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服務數據適配協議）層提供無線承載級的服務，對下層RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）之間通過RLC信道交互。

1.2 PDCP功能分析

PDCP層扮演者連接無線和高層的角色。PDCP層將高層的IP數據分組轉換為移動通信網絡的協議數據分組，以適應無線傳輸信道特性[8]。具體包括IP數據分組頭壓縮降低協議開銷、用戶和控制數據加密及完整性保護、重傳排序/復制發送提高數據傳輸可靠性。功能流程如圖2所示[6]：

圖2 NR PDCP層功能示意圖

（1）高層數據到達PDCP層會被分配COUNT號，并啟動針對該SDU的Discard Timer；

（2）對數據承載進行頭壓縮和完整性保護；

（3）增加PDCP頭；

（4）如果建立了分割承載，將數據路由到正確的鏈路上。

PDCP層結構圖如圖3所示[6]。

圖3 NR PDCP層結構

PDCP層由多個PDCP實體組成，每個實體對應處理一個SRB（Signaling Radio Bearer，信令無線承載）或DRB（Data Radio Bearer，信令無線承載）。發送端基于上層請求建立針對某一個RB（Radio Bearer，無線承載）的PDCP實體，并根據RB特征（單向/雙向或分離/非分離）以及RLC模式，一個PDCP實體可以關聯一個或多個RLC實體。當PDCP數據復制傳輸功能激活時，一個PDCP實體需要關聯兩個RLC實體。

總之，PDCP就像一堵“防火墻”，對下屏蔽了空口協議對高層的影響，確保可靠性、安全性和保密性；對上屏蔽了高層對空口的影響，降低了協議開銷[8]。

2 R15下的PDCP數據包復制傳輸

3GPP標準定義中，采用了靈活幀結構、短時隙調度、免調度傳輸等來獲得低時延，采用多連接、分集和魯棒的物理層設計來獲得高可靠。而基于CA和DC架構的數據復制傳輸利用不同鏈路的分集增益在接收端接收多個相同數據包以提升正確接收率，而被認為是一種能夠在保證時延情況下提供高可靠性的傳輸模式。在R15版本，3GPP RAN2為了初步滿足uRLLC數據傳輸中的高可靠性需求，在標準化過程中確定了PDCP協議在數據包復制傳輸的機制[9]。對于CA和DC而言，選擇在PDCP層完成數據復制傳輸機制，可以使用相同的協議層結構，減少了標準化工作的工作量。

對于SRB，復制傳輸的狀態始終為激活態。對于DRB，激活態是網絡通過RRC信令或者MAC CE的方式進行開啟/關閉的[9]。基站可根據各種測量和統計信息決定是否開啟/關閉該功能，從而實現數據復制傳輸功能的動態性間歇性工作。由于MAC層可以對信道條件變化作出快速響應，還可以使用MAC信令（復制激活/復制去激活MAC CE）對數據復制功能進行激活和去激活。開啟時，會為PDCP實體增加一個RLC實體，這樣PDCP實體就會關聯主RLC實體和輔RLC實體，及主RLC邏輯信道和輔RLC邏輯信道。PDCP數據報文和復制PDCP數據報文分別在兩個獨立的傳輸路徑傳送，增加可靠性的同時，也減少了PDCP重發造成的時延。為了節省物理資源，如果一個RLC實體確認PDCP數據報文發送成功，會告知PDCP實體。PDCP實體再通知另一個RLC實體丟棄復制的PDCP數據報文。若此時復制的PDCP報文已經發給MAC，接收方PDCP實體會根據SN號完成冗余包鑒別，并丟棄重復的PDCP報文[6]。

在未激活或者去激活PDCP數據包復制傳輸時，主RLC實體和邏輯信道仍然會承擔數據包的傳輸工作，而輔RLC實體和邏輯信道不被用于數據包復制傳輸。在雙連接場景下，數據包復制傳輸處于未激活/去激活時，終端連接狀態可選地回退到分離承載狀態，即兩個RLC實體和對應的邏輯信道可為此DRB傳輸序列號不同的PDCP數據包，可達到提高終端吞吐量的目的。

PDCP層在數據復制傳輸狀態時需要的兩個RCL實體不一定在不同的MAC實體上。主RLC實體和輔RLC實體在相同的MAC實體上，即為CA復制傳輸；若在不同的MAC實體上，即為DC復制傳輸，如圖4所示[6]。PDCP數據包復制傳輸開啟后，在CA場景下，傳輸端的SRB/DRB上的數據包可在為此SRB/DRB配置的兩個RLC實體對應的邏輯信道上進行傳輸，最后由MAC組建MAC PDU時將其映射到對應不同載波的傳輸資源上。在DC場景下，傳輸端的主RLC實體和輔RLC實體會將相同的數據包通過不同的MAC實體發送給終端。

圖4 2個RLC實體下的數據傳輸復制

在網絡和終端都支持的情況，SRB和DRB都可以配置成載波聚合復制傳輸或雙連接復制傳輸。但在實際應用過程中，當一個用戶支持多個業務的時候，不需要為所有業務都配置支持數據復制功能，只需要對時延和可靠性都有較高要求的業務對應的DRB進行數據復制傳輸配置。為了平衡時延/可靠性要求以及無線資源利用率間的矛盾，也無需對高可靠業務一直進行數據復制傳輸，但要能在分組復制傳輸和單鏈路傳輸間進行快速切換。網絡可以控制觸發復制傳輸，當底層有傳輸失敗可能時，復制傳輸功能會被開啟；當單個鏈路具有良好的信道條件可以滿足可靠指標要求時，使用單鏈路并關閉復制傳輸功能。此外，數據復制傳輸技術還可以在切換過程中，通過同時向源基站和目標基站傳輸復制數據包保證切換的用戶良好體驗。

3 R16下的PDCP數據包復制傳輸增強

3.1 基于網絡設備指令

為了滿足工業以太網更嚴苛的數據傳輸可靠性要求，在R16 NR標準化過程中，提出了允許終端在PDCP復制傳輸激活態下使用多于兩條RLC傳輸鏈路進行數據包復制傳輸的需求，允許網絡為終端配置最多4條RLC傳輸鏈路用于同時傳輸復制的數據包[7]，兩種可能的架構如圖5所示[9]。

圖5 4個RLC實體下的數據傳輸復制

具體實施時，網絡通過RRC信令為終端配置與各個DRB相關的RLC傳輸鏈路。在該承載對應的PDCPConfig IE中配置了PDCP-Duplication IE，即認為終端配置了傳輸復制。對于SRB，PDCP-Duplication IE為1，所有相關RLC實體都為激活態；對于DRB，需要進一步明確RRC為DRB配置的各個RLC實體的傳輸復制是否為激活態。這主要通過R16為終端提供多于2條RLC復制傳輸鏈路配置新引入的moreThanTwoRLC-r16 IE中的duplicationState IE實現。

與R15 NR類似，網絡為終端配置回退至分離承載的選項：在moreThanTwoRLC-r16 IE中可以配置對應于分離承載的邏輯信道ID。此時，終端只能在該主傳輸鏈路上進行數據傳輸。

RRC配置完成后，根據網絡對信道情況的偵測或者終端反饋的信道情況，網絡可動態地為終端變換當前激活的傳輸鏈路。R16中新引入了一個RLC激活/去激活的MAC CE，可用于動態地變換當前激活的RLC復制傳輸鏈路。

3.2 基于終端自主

終端發現主傳輸鏈路的信道條件、HARQ反饋情況或數據包傳輸時延等參考信息滿足一定條件的情況下，第一時間自主決定當前復制傳輸激活狀態，繼而將激活的傳輸鏈路預先配置到上行半靜態調度資源上，復制傳輸就會變得更加具有實時性和時效性。但此種方案可能會對網絡設備的控制權造成較大影響，也會在復制傳輸時出現短時的不匹配情況[9]。目前，終端、芯片廠商為首的支持派與網絡設備廠商為首的反對派僵持不下，標準討論方面處于暫時推遲狀態。

4 結束語

數據復制傳輸功能適用于對時延和可靠性有較高要求的業務，由于支持該功能需要消耗雙倍的無線資源，因此即使無線承載配置支持數據功能，發送端也不是對所有數據包都執行數據復制傳輸功能，只有在一定條件下（如信道條件變差、重要數據包傳輸等）才啟用。因此評估影響復制功能的各種因素以及支持數據復制功能的場景和條件，在滿足uRLLC性能要求的同時獲得系統最大吞吐量性能是未來研究的工作之一。