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(chuàng)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(yīng)用場景之一，主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求[1]。uRLLC突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)為毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證[1]。

為了滿足uRLLC數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸機制。3GPP在R15版本已支持空口鏈路上數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)幕A(chǔ)上，在R16版本中進行了增強，進一步提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃訹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(shù)據(jù)復(fù)制傳輸及增強進行了研究。

1 PDCP功能分析

1.1 NR協(xié)議架構(gòu)分析

數(shù)據(jù)實現(xiàn)可靠傳輸主要體現(xiàn)在NR（NewRadio，新無線）上，NR協(xié)議架構(gòu)如圖1所示[4-5]。NR協(xié)議架構(gòu)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(xié)議的PDCP層上面是RRC（Radio ResourceControl，無線資源控制）層，用戶面協(xié)議的PDCP層上面是SDAP（Service DataAdaptationProtocol，服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議）。

圖1 NR協(xié)議架構(gòu)

無論是用戶面還是控制面協(xié)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(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議）層提供無線承載級的服務(wù)，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(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)換為移動通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議數(shù)據(jù)分組，以適應(yīng)無線傳輸信道特性[8]。具體包括IP數(shù)據(jù)分組頭壓縮降低協(xié)議開銷、用戶和控制數(shù)據(jù)加密及完整性保護、重傳排序/復(fù)制發(fā)送提高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)到達PDCP層會被分配COUNT號，并啟動針對該SDU的Discard Timer；

（2）對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)路由到正確的鏈路上。

PDCP層結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[6]。

圖3 NR PDCP層結(jié)構(gòu)

PDCP層由多個PDCP實體組成，每個實體對應(yīng)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(fā)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(jù)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(guān)聯(lián)一個或多個RLC實體。當(dāng)PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能激活時，一個PDCP實體需要關(guān)聯(lián)兩個RLC實體。

總之，PDCP就像一堵“防火墻”，對下屏蔽了空口協(xié)議對高層的影響，確?？煽啃浴踩院捅Ｃ苄?；對上屏蔽了高層對空口的影響，降低了協(xié)議開銷[8]。

2 R15下的PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸

3GPP標準定義中，采用了靈活幀結(jié)構(gòu)、短時隙調(diào)度、免調(diào)度傳輸?shù)葋慝@得低時延，采用多連接、分集和魯棒的物理層設(shè)計來獲得高可靠。而基于CA和DC架構(gòu)的數(shù)據(jù)復(fù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸中的高可靠性需求，在標準化過程中確定了PDCP協(xié)議在數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸?shù)臋C制[9]。對于CA和DC而言，選擇在PDCP層完成數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸機制，可以使用相同的協(xié)議層結(jié)構(gòu)，減少了標準化工作的工作量。

對于SRB，復(fù)制傳輸?shù)臓顟B(tài)始終為激活態(tài)。對于DRB，激活態(tài)是網(wǎng)絡(luò)通過RRC信令或者MAC CE的方式進行開啟/關(guān)閉的[9]。基站可根據(jù)各種測量和統(tǒng)計信息決定是否開啟/關(guān)閉該功能，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能的動態(tài)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(yīng)，還可以使用MAC信令（復(fù)制激活/復(fù)制去激活MAC CE）對數(shù)據(jù)復(fù)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(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)報文和復(fù)制PDCP數(shù)據(jù)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(fā)造成的時延。為了節(jié)省物理資源，如果一個RLC實體確認PDCP數(shù)據(jù)報文發(fā)送成功，會告知PDCP實體。PDCP實體再通知另一個RLC實體丟棄復(fù)制的PDCP數(shù)據(jù)報文。若此時復(fù)制的PDCP報文已經(jīng)發(fā)給MAC，接收方PDCP實體會根據(jù)SN號完成冗余包鑒別，并丟棄重復(fù)的PDCP報文[6]。

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

PDCP層在數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸狀態(tài)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(fù)制傳輸；若在不同的MAC實體上，即為DC復(fù)制傳輸，如圖4所示[6]。PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸開啟后，在CA場景下，傳輸端的SRB/DRB上的數(shù)據(jù)包可在為此SRB/DRB配置的兩個RLC實體對應(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)包通過不同的MAC實體發(fā)送給終端。

圖4 2個RLC實體下的數(shù)據(jù)傳輸復(fù)制

在網(wǎng)絡(luò)和終端都支持的情況，SRB和DRB都可以配置成載波聚合復(fù)制傳輸或雙連接復(fù)制傳輸。但在實際應(yīng)用過程中，當(dāng)一個用戶支持多個業(yè)務(wù)的時候，不需要為所有業(yè)務(wù)都配置支持數(shù)據(jù)復(fù)制功能，只需要對時延和可靠性都有較高要求的業(yè)務(wù)對應(yīng)的DRB進行數(shù)據(jù)復(fù)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(yè)務(wù)一直進行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸，但要能在分組復(fù)制傳輸和單鏈路傳輸間進行快速切換。網(wǎng)絡(luò)可以控制觸發(fā)復(fù)制傳輸，當(dāng)?shù)讓佑袀鬏斒】赡軙r，復(fù)制傳輸功能會被開啟；當(dāng)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(guān)閉復(fù)制傳輸功能。此外，數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸技術(shù)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(fù)制數(shù)據(jù)包保證切換的用戶良好體驗。

3 R16下的PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸增強

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備指令

為了滿足工業(yè)以太網(wǎng)更嚴苛的數(shù)據(jù)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(fù)制傳輸激活態(tài)下使用多于兩條RLC傳輸鏈路進行數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸?shù)男枨?，允許網(wǎng)絡(luò)為終端配置最多4條RLC傳輸鏈路用于同時傳輸復(fù)制的數(shù)據(jù)包[7]，兩種可能的架構(gòu)如圖5所示[9]。

圖5 4個RLC實體下的數(shù)據(jù)傳輸復(fù)制

具體實施時，網(wǎng)絡(luò)通過RRC信令為終端配置與各個DRB相關(guān)的RLC傳輸鏈路。在該承載對應(yīng)的PDCPConfig IE中配置了PDCP-Duplication IE，即認為終端配置了傳輸復(fù)制。對于SRB，PDCP-Duplication IE為1，所有相關(guān)RLC實體都為激活態(tài)；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(fù)制是否為激活態(tài)。這主要通過R16為終端提供多于2條RLC復(fù)制傳輸鏈路配置新引入的moreThanTwoRLC-r16 IE中的duplicationState IE實現(xiàn)。

與R15 NR類似，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(shù)據(jù)傳輸。

RRC配置完成后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對信道情況的偵測或者終端反饋的信道情況，網(wǎng)絡(luò)可動態(tài)地為終端變換當(dāng)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(tài)地變換當(dāng)前激活的RLC復(fù)制傳輸鏈路。

3.2 基于終端自主

終端發(fā)現(xiàn)主傳輸鏈路的信道條件、HARQ反饋情況或數(shù)據(jù)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(dāng)前復(fù)制傳輸激活狀態(tài)，繼而將激活的傳輸鏈路預(yù)先配置到上行半靜態(tài)調(diào)度資源上，復(fù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)造成較大影響，也會在復(fù)制傳輸時出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(tài)。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能適用于對時延和可靠性有較高要求的業(yè)務(wù)，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(shù)據(jù)功能，發(fā)送端也不是對所有數(shù)據(jù)包都執(zhí)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能，只有在一定條件下（如信道條件變差、重要數(shù)據(jù)包傳輸?shù)龋┎艈⒂?。因此評估影響復(fù)制功能的各種因素以及支持數(shù)據(jù)復(fù)制功能的場景和條件，在滿足uRLLC性能要求的同時獲得系統(tǒng)最大吞吐量性能是未來研究的工作之一。