一种降低5G上行数据传输时延的方案*

林高全，曹 芳，林锦全

（广东邮电职业技术学院，广东 广州 510630）

0 引言

本文提出了一种可以降低5G 终端传输上行小包数据的时延方案，特别提出了一个终端管理模块，可以根据终端的业务特征如业务请求间隔、数据包大小等识别出该终端是否可进入Inactive 状态[1]。对于可进入Inactive 状态的终端，通过其业务特征是否有规律和TA 是否变化或者终端是否移动，进一步确定终端适合的可降低上行数据时延的两种方法。对于TA 变化或者移动的终端，确定小包数据通过信令方式传输；对于TA 无变化或者不移动的终端，则采用预分配资源方式传输小包数据。同时，对于移动的终端，在识别出其可进入Inactive 状态且通过信令方式传输小包数据时，在发生RNA 变化的情况下，需要在目标基站与源基站之间传递可进入Inactive 状态标识，以便目标基站节约资源而不用重新识别就直接判断终端进入Inactive 态。如果正好在确定该终端可以进入inactive 状态时发生了切换，也可以在目标基站与源基站之间传递可进入Inactive 状态标识，以便目标基站节约资源就可以判断终端可以进入Inactive 态。

1 背 景

1.1 现有5G 的用户数据传输方式

5G 的3 大场景包括增强型移动宽带（Enhance Moblie Broad，eMBB）、大规模机器类通信（massive Machnice Type Communication，mMTC）和高可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）。其中：eMBB 对应的是3D/超高清视频等大流量移动宽带业务；mMTC 对应的是大规模物联网业务；URLLC 对应的是如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。mMTC 作为万物互联的技术场景，主要关注广连接、低时延、可靠性以及广覆盖等性能指标，且其传输特征是比较明显的小包数据传输方式。

同时，相对于LTE[2-3]，5G 的RRC 状态在保留Idle 状态与Connected 状态的基础上，引入了一种新的RRC 状态，即Inactive 状态。该状态的特征是基站保留终端的上下文信息，且一直保持着面向核心网的信令面与用户面承载。如果处于Inactive 状态的终端发生移动，还可能会发起RNA 位置更新过程。

对于包括小包数据在内的用户面数据传输[4]，按照5G Release 16 及之前的标准协议，终端必须在完成Idle 状态迁移到Connected 状态后，建立该终端的信令面连接与用户面承载，才能在建立的用户面承载上发送用户面数据，如图1 所示。

图1 中信令面的信令连接建立至少需要好几十毫秒的时间，因此对于时延较敏感的小包数据传输的mMTC 应用来说，如何尽量减少部分信令建立的时延非常关键。

图1 数据包传输的标准流程

1.2 3GPP 标准关于降低上行小包数据传输时延的初步探讨

为了降低mMTC 用户的小包数据传输时延，3GPP 标准Release 17 将针对非频繁小包在Inactive状态下的传输展开研究。典型的mMTC 应用场景如无线传感器的信息不定期上报。

在Release 17 中，标准引入了在Inactive 状态下的mMTC 小包时延优化，并且提出了如下两种方法。

（1）在信令中携带用户数据。在随机接入过程中（包括四步随机接入与两步随机接入）的Msg3/MsgA 中携带小包数据以降低时延，相对时延可降低至少50＆。图2 是四步随机接入的信令小包数据传输流程。

图2 随机接入信令中传输小包数据的流程

（2）用户数据在用户面传输。通过预分配资源给Inactive 态的mMTC 终端降低时延，相对时延可降低至少90＆。图3 是资源预分配的小包数据传输流程。

图3 资源预分配的小包数据传输示意

1.3 初步探讨存在的问题

但是，现有的3GPPRelease 17 的讨论稿中关于降低小包数据传输时延的方法还有很多方面没有涉及。

（1）只是建议小包用户数据可放在信令中传输或者在用户面传输，没有具体的方法描述；

（2）没有明确基站如何确定哪些终端要处于Inactive 状态。处于Inactive 状态的终端需要维持与核心网[5]的传输链路以及终端上下文等信息，需要占用基站宝贵的CPU 与内存资源，因此限制了基站接入的终端用户数。所以，需要确定哪些终端可以保留Inactive 状态，哪些终端必须回到Idle 状态。

（3）没有明确哪些终端适合小包用户数据放在信令中传输，也没有明确哪些终端适合小包数据预先分配资源。

（4）对有移动性要求的终端，为了目标基站能够快速识别终端传小包数据的方式，同时也为了减少目标基站的判断而消耗不必要资源，需要明确源基站应该如何传递已经确定在Inactive 态优化小包用户数据传输的终端标识给目标基站。

因此，本文主要针对基站如何识别哪些终端需要Inactive 状态，进一步确定哪些终端适合随机接入信令方式的小包数据传输方式，明确哪些终端适合资源预分配方式的小包数据传输方式，并对其中需要移动的终端，如何传递已经识别出来的该终端需要Inactive状态且合适的小包数据传输方式信息。

2 降低上行小包数据传输时延的可行方案

2.1 方案框架组成

图4 是包含终端管理模块的无线侧网络结构图。其中：终端是5G mMTC 终端；基站是5G 基站；终端管理模块是一个功能模块，可以放在基站内部，也可以放在网管系统或者其他网元中。

图4 含终端管理模块的网络结构

本文主要针对终端管理模块放置在基站内部作为基站的一个功能模块来描述。终端管理模块内置基站，如图5 所示。

图5 终端管理模块内置基站示意

终端管理模块的主要功能是根据基站上报的终端业务特征如业务请求规律、数据包数量与数据包大小等信息，识别出该终端是否需要进入Inactive状态，并进一步根据基站上报的TA 信息或是否移动以及业务特征，确定该终端的小包数据是在信令中传输，还是通过预分配资源方式来传输，并通知给基站资源分配与调度模块执行。

2.2 可实现的技术方案

2.1 章节中提到的终端管理模块可管理终端可进入Inactive状态的判决以及小包数据的传输方式。

如图6 所示，基站与终端在进行一次业务交互时，采集终端的该次业务请求起止时间、该次业务请求的业务数据包数量与数据包大小等业务信息以及TA信息或者移动标志，然后上报给终端管理模块。终端管理模块根据基站内部模块上报的每个终端的业务信息，得到该终端的业务特征如业务请求时间间隔、业务时长以及每次业务的数据量等。如果该终端业务特征之业务请求时间间隔和每次业务数据量满足小包传输定义规格，如时间间隔小于30 s 且包流量小于50 Byte（这些参数建议都是可以配置的），则判断该终端可以进入Inactive 状态。同时，只要基站上报了TA 值，终端管理模块则根据TA值是否发生变化，确定该终端的具体小包传输方式。具体的，如果满足TA 未发生变化且业务请求间隔有规律，则建议采用资源预分配小包传输方式；如果不满足，则可以进一步根据小包大小来判断是采用信令小包传输方式还是按照正常的先建立信令连接再建立用户面承载才传输用户数据包。这里的小包大小若是30 Byte，则可以通过参数配置确定。或者如果基站只上报了该终端的移动标志，可以根据该终端移动标志判断其是否移动来确定该终端的具体小包传输方式。如果通过终端移动标志判断终端没有移动且业务请求间隔有规律，则建议采用资源预分配小包传输方式，否则建议采用信令小包传输方式。终端管理模块得到该终端可以进入Inactive状态及建议的小包传输方式后，通过消息指示基站该终端可以进入Inactive 状态及建议的小包传输方式。基站收到这个指示，可以对该终端执行可以进入Inactive 状态的小包传输方式。

图6 终端管理模块实现小包传输方式的选择流程

2.3 移动场景下的基站间可进入Inactive 状态标识传递

终端管理模块确定为采用Inactive 状态的信令传输小包数据方式的终端，由于终端管理模块内置于基站网元，对于跨基站之间的RNA更新或者切换，需要源基站传递终端可进入Inactive 态下可信令传输小包标识给目标基站，具体的传递流程如下。

2.3.1 传递可进入Inactive 状态标识的RNA 更新流程

如图7 所示，当终端在Inactive 状态下发生RNA更新时，因为RNA 更新后目标基站可能会让终端返回Idle 状态，所以在RNA 更新过程中目标基站向源基站发送查询UE 上下文请求（RETRIEVE UE CONTEXT REQUEST）消息时，源基站在查询UE 上下文响应消息（RETRIEVE UE CONTEXT RESPONSE）中携带可进入Inactive 状态标识给目标基站。目标基站解析后发现该消息中携带了“可进入Inactive状态标识”，则通知目标基站的终端管理模块记录该终端可以进入Inactive 状态。同时，基站在RNA更新完成后继续保持该终端在Inactive 状态，并且指示终端可以采用信令方式传输小包数据。

图7 携带可进入inactive 标识的信令流程

表1是具体的RETRIEVE UE CONTEXT RESPONSE 消息中“可进入Inactive 状态标识”enableInactiveFlag的具体位置信息。本实施例考虑在标准的信息元素（Information Element，IE）列表中加入一个信息元素enableInactiveFlag。其 中，enableInactiveFlag 是 1 bit 大小的使能Inactive 状态标志的字段；M 表示对应信息元素（IE）在消息中必定存在；O 表示对应信息元素（IE）在消息中可选存在。

表1 RETRIEVE UE CONTEXT RESPONSE 消息的IE

2.3.2 传递可进入Inactive 状态标识的切换流程

如图8 所示，当终端管理模块正好确定该终端可以进入Inactive 状态时就发生了切换[6]，此时可能终端处于Connected 状态。为了避免目标基站重新做一遍源基站已经确定该终端可以进入Inactive状态的流程而浪费资源及影响业务体验，因此需要源基站在切换请求消息中携带可进入Inactive 状态标识给目标基站。目标基站解析后发现切换请求消息（Handover Request）中携带了“可进入Inactive状态标识”，则通知终端管理模块记录该终端可以进入Inactive 状态，且目标基站后续保持该终端在Inactive 状态，且指示终端采用信令方式传输小包数据，同时目标基站给源基站回切换请求确认消息（Handover Request Acknowledge）。

图8 携带可进入inactive 标识的切换流程

这里只描述了基于Xn 口的切换，也同样适用于Ng 口的切换。只是源基站在切换请求（Handover Required）消息中携带可进入Inactive 标识给AMF，然后再通过AMF 通过Handover Request 消息传递给目标基站。

具体的IE 设计可以参考前面的RNA 更新流程。

2.4 测试数据

通过仿真软件来模拟标准的数据发包过程的时延、使用提到的在Inactive 状态下采用直接资源预分配的时延与在随机接入过程中直接携带数据包的时延，测试结果如表2 所示。

表2 测试结果比较

仿真软件说明：采用TDD，帧格式为DSUUD，假设TTI=1 ms 调度单位，收到数据包后需要大于等于4TTI才能回ack，且假设Ng 接口的单向时延为5 ms。

通过表2 中的测试数据可知：采用标准的从Idle 状态到Connected 状态后再传输小包数据的上行时延为89 ms；采用提到的终端处于Inactive 状态且在随机接入过程中携带小包数据的上行时延仅为9 ms，而采用资源预分配的小包数据上行时延仅为1 ms，相对标准小包数据传输的上行时延，分别可以降低90＆与99＆。由此可知，采用本文提到的终端识别方法，不论是进入随机接入的信令小包传输方式还是资源预分配的小包传输方式，都能显著降低上行小包数据的传输时延。

3 结语

该方案可以使基站提前识别需要进入Inactive的终端，并进一步通过终端TA 与业务特征是否周期性变化及预测，区分该终端是进入随机接入的信令小包传输方式还是资源预分配的小包传输方式，在能够降低小包数据传输时延并保证业务体验的基本目标的情况下，更有效地利用无线资源，使终端更加节能。