5G分组数据汇聚协议复制的设计及应用

李小文，雷 秀，李阳阳

(重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引 言

第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project，3GPP)定义了5G的3个应用场景，其中超可靠低时延通信(ultra-reliable low latency communications，URLLC)在用户平面针对大小为32字节的分组，需在 1 ms 的传输时间内使系统可靠性达到1-10-5，当分组大小增加到300字节时，时延和可靠性要求分别在1 ms至15 ms、1-10-5至1-10-9之间[1-3]。URLLC备受业界关注的应用场景是车联网，其最终目标是实现自动驾驶，为了满足该应用场景的通信需求，URLLC必须使处于快速移动状态下的车辆由无线链路失败(radio link failure，RLF)或切换导致的中断时间最小化至0 ms[4]。仅通过无线链路控制(radio link control，RLC)的自动重传请求(automatic repeat request，ARQ)和媒体接入控制(medium access control，MAC)的混合ARQ(hybrid ARQ，HARQ)能够实现分组的可靠传输[5-7]，但重传产生的时延远超过了URLLC的时延要求。为解决该问题，5G引入PD技术，其基本原理是发送端在不同的非相关信道上同时传输相同分组，接收端利用信道的多样性(如衰落、干扰)消除冗余，实现分组传输的低时延和高可靠性[8]。本文将PD技术直接应用于双连接(dual connectivity，DC)架构[9]，设计了应用PD的协议栈架构、动态控制PD激活与去激活的机制和应用PD的切换过程，以不增加无线接入网(radio access network，RAN)的复杂性为前提，实现URLLC可靠性和时延需求并提高网络资源利用率。

1 DC架构下的PD设计

DC架构旨在使用户设备(user equipment，UE)能够使用相同或不同无线接入技术同时接入两个服务节点，并使用两个服务节点的无线资源，从而提高数据吞吐量和实现高可靠性[10]。DC的接入节点由承载完整协议栈的主节点(master node，MN)和承载低层(即RLC、MAC、物理层)的辅节点(secondary node，SN)组成，MN和SN通过Xn接口上的非理想回环连接[9]。5G中，MN和SN都承载完整协议栈，并连接到5G核心网，此时MN和SN分别称为主新无线基站(MasterNR Node B，MgNB)和辅新无线基站(SecondaryNR node B，SgNB)。

1.1 下行链路PD协议栈设计

5G RAN协议栈的分组数据汇聚协议(packet data convergence protocol，PDCP)层执行分组数据单元(packet data unit，PDU)的复制[11]。复制的PDU携带与原PDU相同的序列号，以便PDCP接收实体检测和丢弃重复PDU。无线资源控制(radio resource control，RRC)针对信令无线承载(signaling radio bearer，SRB)和数据无线承载(data radio bearer，DRB)配置建立PDCP实体的参数及PD[12]，如果配置PD，则原PDU和复制PDU同时发送到两个RLC实体。对于URLLC，启用PD时，RLC以非确认模式(unacknowledged mode，UM)传输数据，因为UM模式无需等待对等RLC实体的确认消息，能够消除RLC实体之间重传的等待时间。

针对下行链路(downlink，DL)，MgNB上的PDCP实体在将PDU发送给下层之前执行序列编号，完整性保护和复制，原PDU发送到MgNB的RLC层，复制PDU通过Xn接口发送到SgNB的RLC层，如图1所示。DC架构下，MgNB和SgNB都能为UE调度资源，如果MgNB和SgNB不互相协调运行，则MgNB和SgNB的低层彼此独立操作。

图1 下行链路PD的协议栈设计

1.2 上行链路PD协议栈设计

为了在上行链路(Uplink，UL)中支持PD技术，UE承载公共的PDCP层和一对低层协议栈，镜像于网络端的协议栈架构，且利用功率控制和波束成形技术[13]同时将原PDU和复制PDU发送到MgNB和SgNB，如图2所示。

图2 上行链路PD的协议栈设计

2 动态控制PD的设计

对于DRB而言，如果存在单个链路能够满足时延和可靠性需求时，仍然始终启用PD技术，则会造成网络端资源浪费。因此，有必要设计一种快速激活/去激活PD的触发机制。5G中，引入新的PDCP复制命令(PDCP duplication command，PDC)MAC控制元素(control element，CE)携带UL中激活与去激活PD的命令[6]。

2.1 网络端触发PD的设计

网络端触发PD的方式，评估和决策是否激活PD在网络端完成。DL中由网络端的PDCP实体处理PD的操作。DC架构中，如果DL分离承载并激活PD，则MgNB和SgNB分别向UE发送下行链路控制信息(DL control information，DCI)指示DL资源分配，其中包括调制编码机制(modulation and coding scheme，MCS)和物理资源块(physical resource block，PRB)分配。如果在DL中PD去激活或选择单个最佳链路时，网络端为UE提供所选链路上的资源分配。UE在物理下行共享信道上接收分组并根据DCI和DRB配置处理分组。

在UL中，PD的决策是在网络端做出的，并通过PDC MAC CE发送给UE，UE基于网络端提供的PDC MAC CE中的PD命令执行PD决策，如图3所示。PDC MAC CE包含一个位图，标识配置了DRB的PD激活和去激活状态。PDC MAC CE使用子报头中的附加比特指示PD去激活时应使用的传输链路。UE基于接收的PDC MAC CE执行PD决策。DC架构中，每个接入节点可以独立地发送PDC MAC CE，如图3(a)所示。假设MgNB和SgNB相互独立的情况下，MgNB或SgNB基于自身信道条件发送PD命令，将会产生不同的PD决策，此时UE结合两个接入节点的PDC MAC CE执行PD决策。假设MgNB和SgNB互相协调的情况下，MgNB发送一个包含联合PD决策的PDC MAC CE给UE，如图3(b)所示。在这两种情况下，MgNB和SgNB在DCI中向UE提供UL授权，UE基于接收的授权在物理上行共享信道上发送数据，并继续提供配置链路的信道测量报告。

图3 网络端触发PD的过程设计

2.2 终端触发PD的设计

UE触发PD的方式，仅适用于UL传输，主要用于支持免授权技术[14]。无授权或配置授权技术中，新无线基站(NR node B，gNB)不启用传统的动态调度过程，而是基于每个UE的预分配资源发送短的分组，或者gNB在公共池中配置无授权资源，多个UE共享该公共池。此时触发PD的设计方案为网络端在多个配置的链路上预分配资源而不明确激活PD，一旦UE做出PD决策，网络端向多个无授权资源池发送原PDU和复制PDU。

3 切换过程中应用PD的设计

为了减小切换过程中的中断时间，长期演进(long term evolution，LTE)支持先建立后中断(make-before-break，MBB)的切换过程[15]。在UE收到与目的增强型基站(evolved node B，eNB)建立连接的切换命令之后，MBB通过继续保持UE与源eNB连接的方式减小切换过程的中断时间，但UE不能同时与源eNB和目的eNB通信，因此MBB仍不能满足5G的低时延要求。另外，在UE移动过程中存在因为随机接入过程失败或超过ARQ最大重传次数而导致的RLF的情况[10]。LTE中，RLF发生后需要进行RRC连接重建，这一过程最多需要200 ms。5G为确保更高的可靠性，对SRB和DRB都启用PD技术以提高移动期间整体可靠性，特别地，即使用户平面存在故障，也仍然维持控制平面的连接，以避免执行整个RRC连接重建过程，控制平面分组的复制直接有助于提高移动过程中的稳健性。网络可以在传输链路信道质量恶化时快速激活PD以防止RLF，并在链路变得更稳定时去激活PD。

应用了PD技术的MBB过程，UE承载具有公共PDCP实体的两个协议栈，用于在UL中同时与源gNB和目的gNB通信，实现0 ms的中断时间，如图4所示。类似地，在DL中，源gNB和目的gNB都建立完整协议栈以便于UE通信，且源gNB执行PDCP复制。与一般切换过程不同的是UE与目的gNB建立另一连接之后，源gNB提供的切换命令消息中仍指示UE使用现有安全密钥继续与源gNB保持通信。UE从目的gNB获得新的安全密钥后，UE使用相应的安全密钥同时与源gNB和目的gNB通信，以满足更高的可靠性需求。

图4 应用PD的切换设计

4 性能评估模型及结果分析

DC架构下，主节点链路与辅节点链路利用不同频率载波同时将分组数据发送到UE，此时整个系统的可靠性R可以确定为

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

(1)

式中：RM是主节点链路的可靠性，RS是辅节点链路的可靠性。

假设DM、DS分别是主节点链路和辅节点链路的总时延，SM、SS分别是主节点链路和辅节点链路可实现的信噪比，BM、BS分别是主节点链路和辅节点链路分配的带宽，则RM和RS分别定义为

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是延时要求，Sth是满足目标误块率(block error rate，BLER)要求的信噪比门限，Bre是传输一个特定大小分组的带宽需求。

本文针对5G的分组数据汇聚协议复制功能在MATLAB R2015a平台上进行了基于LTE-A的仿真测试。图5的仿真结果显示了单链路和应用PD时，在不同分组大小和时延下，满足可靠性要求(1-10-5)所需额外增加的信噪比。单链路的情况下，配置1×4天线的空间分集技术和1次重传的HARQ时间分集技术后，仍需至少增加信噪比5 dB才能实现对大小为32字节的分组在2 ms的传输时间内达到1-10-5的系统可靠性。相比之下，应用PD时，无需配置1×4天线的空间分集技术和1次重传的HARQ时间分集技术，且无需额外增加信噪比就能满足对大小为32字节的分组在1 ms的传输时间内使系统可靠性达到1-10-5的要求。从图5的仿真结果可以得出结论，PD能够在没有额外配置天线空间分集和HARQ时间分集技术以及增加信噪比的情况下，即基于现有RAN部署，满足URLLC的可靠性和时延需求。

图5 单链路和PD满足可靠性要求需增加的信噪比

图6的仿真结果显示了单链路和应用PD时，在不同信噪比条件下，满足可靠性要求(1-10-5)和时延要求 (1 ms) 所需的PRB总数量。该结果基于LTE-A，且固定分组大小为100字节，单链路的信噪比分别为0 dB、5 dB、10 dB，应用PD的DC架构下，主节点链路的信噪比分别为0 dB、5 dB、10 dB，辅节点链路信噪比与主节点链路信噪比相差0 dB或±2 dB。从图6可以看出，对于给定分组大小，满足可靠性要求和时延要求所需的PRB数量与主节点链路的信噪比和主辅节点链路的信噪比差值有关。当主节点链路和辅节点链路的信噪比相同时，应用PD的DC架构所需的无线资源比单链路所需的无线资源减少2%以上；当主节点链路的信道条件较差(如信噪比为0 dB)时，而辅节点链路的信道条件稍好，即UE处于小区边缘，此时激活PD技术，能在满足可靠性和时延要求的情况下，比单链路减少30%的无线资源占用；当UE从小区边缘到小区中心区域(即信噪比由低到高)时，通过动态控制PD的激活/去激活(在主节点链路信道条件较差时激活PD，当主节点链路信道条件较好时去激活PD)，可以提高2%的资源利用率。基于上述结果分析，可以得出结论，在小区边缘等应用场景激活PD，当UE从小区边缘到小区中心区域实现动态控制PD的激活/去激活，能在满足可靠性、时延需求的情况下合理利用无线资源。

图6 单链路和PD满足URLLC需求所需的PRB总数量

5 结束语

本文对5G PD技术进行了分析，设计了应用PD的DC协议栈架构、动态控制PD激活或去激活机制以及应用PD的切换过程，并建立性能评估模型，仿真结果表明PD能在不增加RAN复杂度的前提下，同时有效地解决URLLC的可靠性和时延要求，实现对大小为32字节的分组在1 ms的传输时间内达到1-10-5的系统可靠性要求，同时比单链路减少30%的无线资源占用。在UE移动过程中，通过动态控制PD的激活与去激活不仅能满足URLLC的可靠性和时延要求，还能提高2%的无线资源利用率。