基于SDAP的数据传输方案研究

于吉涛 张琼 刘震

摘要：5G通信系统中，在用户面协议栈增加了Service Data Adaptation Protocol （SDAP）子层，用于支持新的5G核心网QoS模型。新的QoS模型可以对PDU会话不同的QoS flow配置不同的QoS参数，然而QoS flow到DRB映射关系，3GPP协议并未做出规定。QoS flow与DRB的映射关系，直接决定了QoS业务的保证情况，从而影响用户体验。本文提供了一种NR通信系统的数据传输方案，主要包括QOS flow到DRB（data radio bearer）的映射关系及调整规则，用以满足5G多样性的业务需求。

关键词：5G NR;QoS flow;SDAP;数据传输方法;映射规则

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0032-02

0 引言

为满足eMBB（增强移动带宽）、URLLC（超高可靠低时延通信）和mMTC（大连接物联网）的不同业务需求，5G引入了以QoS Flow为粒度的差异化QoS管理机制。同时，5G的用户面协议栈增加了SDAP子层，主要负责QoS flow与DRB的映射功能。

对于QoS flow与DRB的映射规则，协议并未进行限定，由厂家自定义实现，这为无线设备厂家提供了很大程度的自由度，同时也带来了异厂商的互通问题。本文第2节对4G与5G的QoS模型进行了对比，分析了4G与5G QoS保障机制的不同，在第3节介绍了5G SDAP层的数据传输过程，最后在第4节给出了5G无线侧QoS管理的基本原理和流程框架。

1 5G与4G QoS模型对比

5G通过UE与5GC（5G 核心网）建立PDU连接，提供UE与数据网络的PDU传输通道， 5G的PDU连接服务通过PDU Session实现，为支持不同QoS要求的业务流，一个PDU Session可包含多个QoS Flow。在NAS层，QoS flow是PDU Session的最小粒度，一个PDU Session中的一个QoS flow用QoS flow ID（QFI）进行唯一标识;在AS层，一个QoS Flow唯一映射到一个Radio Bearer，但多个QoS Flow可以映射到同一个Radio Bearer，映射到同一个Radio Bearer的QoS Flow将得到相同的RLC层、MAC层处理。

4G的QoS模型中，使用EPS承载进行QoS管理，EPC为每个EPS承载分配EPS承载ID，无线侧为每一个EPS承载建立一个Radio Bearer。对比5G的QoS模型，4G这种以EPS承载为粒度的QoS模型，无法实现业务流粒度的QoS控制，且Radio Bearer与EPS承载是一一对应的，无线侧只能被动执行核心侧的EPS承载建立、修改策略，每次承载建立、修改均需要空口信令支持。总体来说，4G QOS模型管理粒度粗，缺乏灵活性，无法满足5G精细业务流的控制需求。

2 SDAP层基本过程

基于新的QoS模型，5G用户面协议栈新增了SDAP子层，该层主要功能是负责QoS flow与数据无线承载DRB的映射，以及标识上下行数据包的QoS folw ID（QFI）。

2.1 数据传输过程

当SDAP发送实体接收到来自上层的SDAP SDU时，执行如下操作：

（1）如果未存储QoS flow映射规则，则映射到默认DRB;否则，映射到已有规则的DRB;

（2）如果RRC配置了SDAP头，使用有SDAP头的PDU格式构建UL PDU;否则，使用没有SDAP头的PDU格式构建UL PDU;将构建好的UL PDU发给对端SDAP实体。

当SDAP接收实体接收到来自下层的SDAP PDU时，执行如下操作：

（1）如果接收的SDAP data PDU存在SDAP 头，根据SDAP 头字段指示，执行QoS flow的反射映射过程;移除SDAP 头并构建SDAP SDU，将其投递给上层;

（2）否则，直接从SDAP data PDU构建SDAP SDU，将其投递给上层。

2.2 DRB映射过程

如图1、图2所示，QoS flow与DRB的映射有多对一映射和一对一映射两种方式，具体采用哪种映射方式取决于厂家的实现，基本原则是保障QoS flow的QoS要求。

为保证上下行QoS处理的一致性，基站可通过两种方式将QoS flow映射关系告知UE：

（1）显示信令：通过RRC信令配置QoS flow与DRB的映射關系，显然这种方式适用于时延不敏感的业务且存在信令的开销;

（2）反射映射：QoS flow的QFI不出现在RRC信令中，上行的映射关系通过下行SDAP 头隐性获得，UE监听下行数据包的QFI，并在上行使用相同的映射关系。

无论哪种映射方式，UE始终采用最新的映射规则，当QoS flow～DRB映射规则更新时，UE需在旧的DRB上发送end marker，以防止上层数据包的乱序。

3 基于SDAP子层的QoS管理架构

基于5G QoS模型，一种基于SDAP子层的QoS管理架构如图3所示，主要由QoS flow接入控制模块、SDAP子层处理模块、RRC信令处理模块和调度器模块构成，其中：QoS flow接入控制模块用于对QoS flow进行接入判决，并存储QoS flow的映射关系;RRC信令处理模块用于下发映射规则给UE，同时将与DRB关联的PDCP、RLC和MAC参数配置给调度器;SDAP子层处理模块执行SDAP实体的数据发送和接收，以及根据调度器模块的指示，执行映射规则更新。

调度器模块执行DRB相关的PDCP、RLC和MAC层控制过程，并对QoS flow进行状态监控，当QoS指标（如速率、丢包率、PDCP层时延等）不满足QoS要求时，指示SDAP子层处理模块更新映射规则。

以UE建立IMS语音业务、non-GBR eMBB业务、上行视频直播业务为例，为UE配置的默认映射如表1所示，其中non-GBR eMBB业务（5QI 80）与默认QoS flow（5QI 9）复用DRB 1;IMS信令和语音业务（5QOI 5/1）复用DRB 2;上行视频直播业务（5QI 71）使用DRB 3。

当小区用户数增加或无线资源利用率增高时，DRB1无法使5QI 80的non-GBR eMBB业务时延得到满足，此时调度器模块通知SDAP子层处理模块更新映射规则，更新后的映射规则如表2所示。

通过上述过程，在UE初始接入或小区负荷较轻时，采用默认的QoS flow映射关系，将不同业务属性的QoS flow映射不同的DRB，相同业务属性的QoS flow映射相同的DRB。该方法减少了DRB使用数量，相应地减少了DRB建立的信令开销;随着小区负荷升高，结合系统传输性能，对需要调整映射关系的QoS flow进行动态调整，从而保证了不同QoS flow的QoS特性。

4 结语

本文对5G通信系统中基于SDAP的数据传输方案进行研究，结合5G QoS模型和SDAP传输特性，给出了一种基于SDAP的QoS管理架构。该架构可有效减少DRB建立的信令开销，并结合空口状态实现了QoS flow与DRB的动态映射，从而满足5G多样化的业务需求。