一種5G空口單向時延及其可靠性的測量方法

林高全，鄭海彤，陳嘉敏

（廣東郵電職業技術學院，廣東 廣州 510630）

0 引言

自動駕駛、智能制造、遠程控制技術的廣泛應用[1-5]，對無線通信技術特別是5G 網絡提出了很大的挑戰，如何保證低時延、高可靠性成為移動通信網絡的必要條件，業界以及標準化組織已經開始積極布局研究如何支持這些未來的業務，3GPP 是其中的主要標準化推動者。3GPP TR 38.913[6]針對5G 業務用戶面空口時延要求是：對eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強型移動寬帶），上行與下行的用戶面時延目標都是4 ms；對URLLC（Ultra Reliable &Low Latency Communication，低時延高可靠通信），上行與下行的用戶面時延目標都是0.5 ms。對于空口時延的定義也參見3GPP TR 38.913 中7.5 User plane latency 章節，其中空口單向時延定義為5G 基站gNB（gNode B）到UE（User Equipment，用戶終端）之間（即下行）或UE 到gNB 之間（即上行）的PDCP（Packet Data Convergence Protocol）-PDCP 的單向時延。另外，3GPP TR 38.913 中7.9 Reliability 章節將時延可靠性定義為5G 基站gNB（gNode B）到用戶終端（UE）之間（即下行）或UE 到gNB 之間（即上行）的PDCPPDCP 的傳輸用戶數據的單向時延在某一范圍內的成功概率。目前3GPP 只是定義了時延需求，但沒有給出怎么測量這個單向時延以及可靠性檢測的方法。因此，本文主要涉及這個單向時延的測量，并解決空口單向時延可靠性的可測量問題。

1 當前標準定義的時延

1.1 LTE的時延測量技術方案

3GPP 在LTE（Long Time Evolution，長期演進）協議TS 36.314[7]中定義了下行時延測量，即為基站eNode B 的PDCP 層從上層收到數據包開始到該數據包最后部分（如果被分片）被UE 接收到并HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重傳）反饋信息被基站接收到為止的時長。

3GPP 在LTE 協議TS 36.314 中也定義了上行PDCP時延測量（即在PDCP 層[8]的排隊處理時延），即從上層數據包到達終端UE 的PDCP 層開始到傳遞給UE 的RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制層）的時長。

LTE 標準定義的上行時延是在UE 側的排隊等待時延，而下行時延是基站側PDCP 層收到數據包開始到基站收到該數據包的HARQ 反饋為止的時延，與5G 空口單向時延的定義不一致，僅僅是測量了部分分段時延，具體差別示意圖如圖1所示。其中，綠色線表示5G定義的空口下行單向時延（空口上行單向時延只需反向即可）；紅色線表示LTE 定義的下行時延測量；藍色線表示LTE 定義的上行時延測量。

圖1 LTE時延與5G單向時延定義差別示意圖

1.2 5G的時延測量技術方案

5G 標準3GPP TS 38.314[9]定義UE 側的上行排隊時延測量為從數據包到達PDCP 層到上行調度被授權傳輸的時長，包括了UE 獲取授權資源的時延，即從發送SR/RACH（Scheduling Request/Random Access Channel，調度請求/ 隨機接入信道）到獲得第一次授權。

3GPP TS 38.314[9]定義的RAN（Radio Access Network，無線電接入網）側的下行分組時延測量包括[10]（單位都是0.1 ms）：

（1）下行空口時延D1；

（2）下行gNB-DU（gNode B-Distributed Unit）時延D2；

（3）下行F1 用戶面接口（F1-U）時延D3；

（4）下行CU-UP（Centralized Unit-User Plane）時延D4。

3GPP TS 38.314[9]定義的RAN 側與UE 側的上行分組時延測量包括（單位都是0.1 ms）：

（1）上行PDCP 分組平均時延D1；

（2）平均空口時延D2.1；

（3）平均RLC 時延D2.2；

（4）平均上行F1 用戶面接口（F1-U）時延D2.3；

（5）平均PDCP 重排序時延D2.4。

說明：對于非CU-DU（Centralized Unit-Distributed Unit，中心單元-分布單元）分離場景[11-12]，RAN 側沒有FI-U 接口的時延，即沒有D2.3 和D3 這兩部分時延。

從以上5G 標準定義的上行與下行時延來看，也不符合3GPP TR 38.913 中5G 空口單向時延的定義，僅僅是定義了各分段的時延。上行時延定義的差別示意圖具體如圖2 所示。其中，綠色線表示5G 定義的空口上行單向時延；紅色線表示5G 定義的各分段上行時延測量。

圖2 5G上行分段時延與5G空口單向時延定義的差別示意圖

下行時延定義的差別示意圖具體如圖3 所示。其中，綠色線表示5G 定義的空口下行單向時延；紅色線表示5G 定義的各分段下行時延測量。

圖3 5G下行分段時延與5G空口單向時延定義的差別示意圖

1.3 現有技術的缺點

根據3GPP TS 36.314 可知，現有LTE 標準[13-14]只是從可運維的角度定義了LTE 在eNB 可以測量下行往返時延，而在UE 可以測量上行數據包在PDCP 的排隊處理時延，這兩個時延要么是部分時延，要么是含往返時延，不能作為真實的空口單向時延。

根據3GPP TS 38.314 可知，現有5G 標準只是從分段時延可測量的角度定義了5G 的各段時延。雖然可以用各分段時延相加獲得大致測量5G 上行或者下行的空口單向時延，但是由于各分段時延是已經統計平均的，所以沒有辦法進行空口單向時延的可靠性測量，且得到的還只是一個大致的單向時延統計而非精確的測量結果（因為上下行都含了部分往返時延）。另一方面，特別是5G URLLC 要求的5 個9 的高可靠性保證，需要具備測量每個業務數據包的空口單向時延才能進行可靠性測量。因此，本文提出了一種通用可行的5G 空口單向時延及其可靠性測量的技術方案。

2 5G空口單向時延及其可靠性的測量方法設計

隨著云的思路在無線網絡的逐漸應用，傳統的一體化基站[15]開始向云化基站演變，即中心單元（CU）集中控制無線分布單元（DU），并且把部分用戶面功能如PDCP上移到CU 內，因此下面針對傳統一體化基站場景與云化（Cloud-RAN）場景分別設計了兩種空口單向時延的測量方法，并給出了兩種場景都適用的時延可靠性的測量方法。

2.1 一體化基站場景的時延測量方法

在傳統的一體化基站場景，由于基站的PDCP[16]、RLC[17]、MAC[18]子層與物理層[12]在同一個站點內，整個空口協議層都能夠感知相互的時間信息，因此可以考慮使用幀/子幀/時隙偏移來作為時間測量量。由于基站與UE 都是幀同步的[19]，因此可以認為UE 與基站的時間參考基準完全一致。

針對下行空口時延測量，在上層PDCP SDU（Service Data Unit）數據包進入gNB 的PDCP 層時，記錄時間戳，這個時間戳可以是幀/ 子幀/ 時隙偏移格式，也可以是相對時間格式（可以用整數表示），為了區分采用的是哪一種時間格式，可增加一個標志來區分。針對每個PDCP SDU 數據包，在組裝PDCP PDU（Protocol Data Unit）頭中時，把這個時間戳信息以及區分標志同時記錄在該PDU 頭中，并通過空口傳遞給UE，UE 側的PDCP 層根據標志字段處理并記錄這個時間戳格式，且在該PDCP SDU 發送到上層應用時得到的時刻點，計算下行空口時延；UE 計算的下行空口時延需要上報給gNB 用于日志或者話統統計，上報方式可以是業務包級上報，也可以是周期性或者事件性統計上報。

同理，針對上行空口時延測量，在上層PDCP SDU數據包進入UE 的PDCP 層時記錄時間戳，這個時間戳可以是幀/ 子幀/ 時隙偏移格式，也可以是相對或絕對時間格式（可以用整數表示），且通過一個標志區分，并把記錄在PDCP PDU 頭中的時間戳與標志字段傳遞給gNB，gNB 的PDCP 層根據標志字段處理并記錄這個時間戳格式，在PDCP SDU 發送到上層時計算上行空口時延；同時，gNB 統計上行空口時延并通過日志或者話統呈現。

使用幀號/ 子幀號/ 時隙偏移作為時間戳格式與使用相對時間格式的時延測量有明顯的差異，下面將針對采用幀號/ 子幀號/ 時隙偏移時間戳格式傳遞時的下行空口時延測量方法進行描述。對于采用相對時間格式的測量方法，可參考2.2 節。

圖4 是5G 空口的系統幀號（SFN）、子幀號（SSFN）與時隙偏移時間結構示意圖。由此可知，可以通過幀號/子幀號/ 時隙偏移來表示時間點，它們可以根據不同業務場景對時延精度的要求來選擇不同的比特數，本文僅以幀號占10 個比特（bit）、子幀號占3 個比特（bit）、時隙偏移占10 個比特（bit）作為例子進行描述，其他長度的時間戳也可以做類似處理。

圖4 幀號/子幀號/時隙偏移時間結構示意圖

圖5 是在PDCP PDU 頭中攜帶系統幀號SFN、子幀號SSFN 以及時隙偏移Offset 的示意圖：

圖5 PDCP PDU頭攜帶幀號/子幀號/時隙偏移時間戳

其中，PDCP PDU 頭的時間戳與標志字段可以根據序列號長短自動使用圖6 或者圖7 的長短序列號時間戳格式。Time Flag 表示時間格式標志，區別是采用幀號/子幀號/ 時隙偏移還是時間數字格式；Time-Stamp 記錄真實的時間數字。

圖6 短序列號時間戳

圖7 長序列號時間戳

當gNB 在PDCP 層收到上層PDCP SDU 數據包的時刻，記為第一時間戳；當UE 收到gNB 發下來的數據包并通過PDCP 處理完成后發往上層時的時刻，記為第二時間戳，則UE 可以基于下列公式計算數據包的空口時延：

其中，T為數據包的空口時延；SFN1為第一時間戳中的無線幀號；SSFN1為第一時間戳中的子幀號；SOFF1為第一時間戳中的偏移量；SFN2為第二時間戳中的無線幀號；SSFN2為第二時間戳中的子幀號；SOFF2為第二時間戳中的偏移量；Tf為一個無線幀的時長；Tsf為一個子幀的時長；T0為無線幀號循環一次所用的時長。

例如，當SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=6、SSFN2=4、SOFF2=0，UE 確 認SFN1和SFN2在一個無線幀號的循環周期內，則T=(6-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=2Tf+Tsf；當SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=2、SSFN2=4、SOFF2=0 時，UE 確認SFN1和SFN2分 別在兩個無線幀號的循環周期內，則T=T0+(2-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=T0-2Tf+Tsf。

需要說明的是，通常情況下，當UE 在SFN2＜SFN1時，認為SFN2與SFN1所在的周期相差一個周期，當SFN2與SFN1相差大于一個周期時，UE 很大可能就無法接收到數據包，為了使得UE 更加準確地確認SFN2與SFN1所在的無線幀號的周期，在數據包中攜帶無線幀號周期的參數，如通過在第一時間戳中增加無線幀號周期的參數。

上行空口時延的測量方法與下行完全一致，只是第一時間戳由UE 記錄，時延測量在gNB 而已。

2.2 云化場景的時延測量方法

對于云化場景，由于基站的PDCP 上移到CU，而RLC、MAC 子層與PHY 層（物理層）在一個DU 內，此時PDCP 不能感知底層的幀號、子幀號以及子幀偏移，因此只能采用相對時間數字來測量上下行的空口時延。

針對下行空口時延測量，在上層PDCP SDU 數據包進入gNB 的PDCP 層時，記錄時間戳，以相對時間格式（可以用整數表示）。針對每一個PDCP SDU 數據包，在組裝PDCP PDU 頭中時，把這個時間戳信息記錄在該PDU 頭中，并通過空口傳遞給UE，UE 側的PDCP 層記錄這個時間戳格式，且在該PDCP SDU 發送到上層應用時得到的時刻點，計算下行空口時延；UE 計算的下行空口時延需要上報給gNB 用于日志或者話統統計，上報方式可以是業務包級上報，也可以是周期性或者事件性統計上報。

同理，針對上行空口時延測量，在上層PDCP SDU數據包進入UE 的PDCP 層時記錄時間戳，這個時間戳可以是相對時間格式（可以用整數表示），并把記錄在PDCP PDU 頭中的時間戳與標志字段傳遞給gNB，gNB側的PDCP 層記錄這個時間戳格式，且在PDCP SDU 發送到上層時計算上行空口時延；同時，gNB 統計上行空口時延并通過日志或者話統呈現。

下面針對采用相對時間戳格式傳遞時的下行空口時延測量方法進行描述。使用相對時間信息，即以一定周期循環，可以是s:ms:μs 微秒格式，也可以用整數表示，使用的bit 數可以根據業務場景來選擇。如果以μs 為單位，24 bit 可以表示16 s 一個周期的循環，選擇24 bit 的時間戳格式基本可以滿足要求。當然，出于空口性能考慮，也可以使用更少的bit 數如16 bit 來表示，同時單位可以取100 μs 或者其他值。

圖8 是云化場景的下行PDCP PDU 頭攜帶時s:ms:μs時間格式時間戳示意圖，而上行攜帶時間戳示意圖與圖8類似，只是方向相反而已，這里不再贅述。

圖8 云化場景的下行PDCP PDU頭攜帶時s:ms:μs時間格式時間戳

當gNB 在PDCP 層收到上層PDCP SDU 數據包的時刻，記為第一時間戳；當UE 收到gNB 發下來的數據包并通過PDCP 處理完成后發往上層時的時刻，記為第二時間戳，由于第一時間戳和第二時間戳為相對時間信息，則UE 可以基于下列公式計算數據包的空口時延：

其中，T為數據包的空口時延；T1為第一時間戳中的相對時間信息；T2為第二時間戳中的相對時間信息；Tz為預設的周期性時長。

每隔Tz，gNB 和UE 循環一次，T1為數據包到達gNB的PDCP 層的時間與第一目標時刻A 的時間偏移量，第一目標時刻A 為第N個周期的起始時刻，T2為數據包離開UE 的PDCP 層的時間與第二目標時刻B 的時間偏移量，當T2≤T1時，第二目標時刻B 為第(N+1)個周期的起始時刻，當T2＞T1時，第二目標時刻為第N個周期的起始時刻，其中周期的時長為預設時長，可根據實際情況進行設定。

如果第一時間戳和第二時間戳采用絕對時間時，則數據包的空口時延為：

其中，T為數據包的空口時延；T1為數據包到達第一設備的PDCP 層的絕對時間；T2為數據包離開第二設備的PDCP 層的絕對時間。

2.3 5G空口單向時延的可靠性測量方法

根據上述介紹的每個數據包的5G空口單向時延的測量，可以進行空口單向時延可靠性的測量。對于上行業務數據包，基站側可以根據每個上行數據包的上行單向時延，與可靠性的時延門限參數進行比較，如果某個上行數據包的單向時延超過了時延門限，則記為超過時延門限數量一次，同時記錄一次數據包傳輸。對每次業務進行超過時延門限次數的累加值除以數據包傳輸次數的累加值，則可得到上行時延的可靠性測量值。同理，對于下行業務數據包，終端側也可以進行與基站側相似的時延可靠性測量。

由于本文主要涉及的是時延測量方法的理論性研究，從理論上證明無線空口單向時延及其可靠性是不可能由分段時延統計平均值構造出數據包級的可靠性的。為了指引讀者驗證，對于文中描述的一體化基站與云化基站兩種場景的具體測試環境建議為：一體化基站測試場景采用gNB只部署在一個物理設備上，云化基站測試場景采用gNB 的兩個邏輯功能CU 與DU 分別部署在不同的物理設備，部署CU 與DU 的兩個設備分別用光纖連接，測試時選擇容量不受限以及容量受限兩種條件，再分別選取覆蓋質量好、中、差三種情況進行測試。采用現有標準定義的分段測量平均值方案與本文提出的方案進行對比，在覆蓋質量較好時，本文提出的方案能夠準確地測量空口單向時延的可靠性，而現有標準方案不能測量空口單向時延的可靠性。

3 結束語

本文詳細介紹了5G 需求中提出的無線空口單向時延測量滿足亞毫秒級的可靠性要求，針對空口的單向時延測量，提出了一種在5G 網絡中的空口單向時延測量方法，通過該方法，可以精確地測量上行或者下行空口單向時延，精度可以達到微秒級別，且能夠進行數據包的可靠性測量，可以滿足未來5G 低時延高可靠性業務的運維訴求。由于單向時延測量可靠性的方法還涉及標準的確定，雖然本文提出了一種通用可行的時延及其可靠性的測量方法，但后續還需要針對不同的應用場景需求研究不同時間戳比特數對空口性能的影響，為落地標準提供實驗數據。