一种5G空口单向时延及其可靠性的测量方法

林高全，郑海彤，陈嘉敏

（广东邮电职业技术学院，广东 广州 510630）

0 引言

自动驾驶、智能制造、远程控制技术的广泛应用[1-5]，对无线通信技术特别是5G 网络提出了很大的挑战，如何保证低时延、高可靠性成为移动通信网络的必要条件，业界以及标准化组织已经开始积极布局研究如何支持这些未来的业务，3GPP 是其中的主要标准化推动者。3GPP TR 38.913[6]针对5G 业务用户面空口时延要求是：对eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带），上行与下行的用户面时延目标都是4 ms；对URLLC（Ultra Reliable &Low Latency Communication，低时延高可靠通信），上行与下行的用户面时延目标都是0.5 ms。对于空口时延的定义也参见3GPP TR 38.913 中7.5 User plane latency 章节，其中空口单向时延定义为5G 基站gNB（gNode B）到UE（User Equipment，用户终端）之间（即下行）或UE 到gNB 之间（即上行）的PDCP（Packet Data Convergence Protocol）-PDCP 的单向时延。另外，3GPP TR 38.913 中7.9 Reliability 章节将时延可靠性定义为5G 基站gNB（gNode B）到用户终端（UE）之间（即下行）或UE 到gNB 之间（即上行）的PDCPPDCP 的传输用户数据的单向时延在某一范围内的成功概率。目前3GPP 只是定义了时延需求，但没有给出怎么测量这个单向时延以及可靠性检测的方法。因此，本文主要涉及这个单向时延的测量，并解决空口单向时延可靠性的可测量问题。

1 当前标准定义的时延

1.1 LTE的时延测量技术方案

3GPP 在LTE（Long Time Evolution，长期演进）协议TS 36.314[7]中定义了下行时延测量，即为基站eNode B 的PDCP 层从上层收到数据包开始到该数据包最后部分（如果被分片）被UE 接收到并HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传）反馈信息被基站接收到为止的时长。

3GPP 在LTE 协议TS 36.314 中也定义了上行PDCP时延测量（即在PDCP 层[8]的排队处理时延），即从上层数据包到达终端UE 的PDCP 层开始到传递给UE 的RLC（Radio Link Control，无线链路控制层）的时长。

LTE 标准定义的上行时延是在UE 侧的排队等待时延，而下行时延是基站侧PDCP 层收到数据包开始到基站收到该数据包的HARQ 反馈为止的时延，与5G 空口单向时延的定义不一致，仅仅是测量了部分分段时延，具体差别示意图如图1所示。其中，绿色线表示5G定义的空口下行单向时延（空口上行单向时延只需反向即可）；红色线表示LTE 定义的下行时延测量；蓝色线表示LTE 定义的上行时延测量。

图1 LTE时延与5G单向时延定义差别示意图

1.2 5G的时延测量技术方案

5G 标准3GPP TS 38.314[9]定义UE 侧的上行排队时延测量为从数据包到达PDCP 层到上行调度被授权传输的时长，包括了UE 获取授权资源的时延，即从发送SR/RACH（Scheduling Request/Random Access Channel，调度请求/ 随机接入信道）到获得第一次授权。

3GPP TS 38.314[9]定义的RAN（Radio Access Network，无线电接入网）侧的下行分组时延测量包括[10]（单位都是0.1 ms）：

（1）下行空口时延D1；

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

（3）下行F1 用户面接口（F1-U）时延D3；

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

3GPP TS 38.314[9]定义的RAN 侧与UE 侧的上行分组时延测量包括（单位都是0.1 ms）：

（1）上行PDCP 分组平均时延D1；

（2）平均空口时延D2.1；

（3）平均RLC 时延D2.2；

（4）平均上行F1 用户面接口（F1-U）时延D2.3；

（5）平均PDCP 重排序时延D2.4。

说明：对于非CU-DU（Centralized Unit-Distributed Unit，中心单元-分布单元）分离场景[11-12]，RAN 侧没有FI-U 接口的时延，即没有D2.3 和D3 这两部分时延。

从以上5G 标准定义的上行与下行时延来看，也不符合3GPP TR 38.913 中5G 空口单向时延的定义，仅仅是定义了各分段的时延。上行时延定义的差别示意图具体如图2 所示。其中，绿色线表示5G 定义的空口上行单向时延；红色线表示5G 定义的各分段上行时延测量。

图2 5G上行分段时延与5G空口单向时延定义的差别示意图

下行时延定义的差别示意图具体如图3 所示。其中，绿色线表示5G 定义的空口下行单向时延；红色线表示5G 定义的各分段下行时延测量。

图3 5G下行分段时延与5G空口单向时延定义的差别示意图

1.3 现有技术的缺点

根据3GPP TS 36.314 可知，现有LTE 标准[13-14]只是从可运维的角度定义了LTE 在eNB 可以测量下行往返时延，而在UE 可以测量上行数据包在PDCP 的排队处理时延，这两个时延要么是部分时延，要么是含往返时延，不能作为真实的空口单向时延。

根据3GPP TS 38.314 可知，现有5G 标准只是从分段时延可测量的角度定义了5G 的各段时延。虽然可以用各分段时延相加获得大致测量5G 上行或者下行的空口单向时延，但是由于各分段时延是已经统计平均的，所以没有办法进行空口单向时延的可靠性测量，且得到的还只是一个大致的单向时延统计而非精确的测量结果（因为上下行都含了部分往返时延）。另一方面，特别是5G URLLC 要求的5 个9 的高可靠性保证，需要具备测量每个业务数据包的空口单向时延才能进行可靠性测量。因此，本文提出了一种通用可行的5G 空口单向时延及其可靠性测量的技术方案。

2 5G空口单向时延及其可靠性的测量方法设计

随着云的思路在无线网络的逐渐应用，传统的一体化基站[15]开始向云化基站演变，即中心单元（CU）集中控制无线分布单元（DU），并且把部分用户面功能如PDCP上移到CU 内，因此下面针对传统一体化基站场景与云化（Cloud-RAN）场景分别设计了两种空口单向时延的测量方法，并给出了两种场景都适用的时延可靠性的测量方法。

2.1 一体化基站场景的时延测量方法

在传统的一体化基站场景，由于基站的PDCP[16]、RLC[17]、MAC[18]子层与物理层[12]在同一个站点内，整个空口协议层都能够感知相互的时间信息，因此可以考虑使用帧/子帧/时隙偏移来作为时间测量量。由于基站与UE 都是帧同步的[19]，因此可以认为UE 与基站的时间参考基准完全一致。

针对下行空口时延测量，在上层PDCP SDU（Service Data Unit）数据包进入gNB 的PDCP 层时，记录时间戳，这个时间戳可以是帧/ 子帧/ 时隙偏移格式，也可以是相对时间格式（可以用整数表示），为了区分采用的是哪一种时间格式，可增加一个标志来区分。针对每个PDCP SDU 数据包，在组装PDCP PDU（Protocol Data Unit）头中时，把这个时间戳信息以及区分标志同时记录在该PDU 头中，并通过空口传递给UE，UE 侧的PDCP 层根据标志字段处理并记录这个时间戳格式，且在该PDCP SDU 发送到上层应用时得到的时刻点，计算下行空口时延；UE 计算的下行空口时延需要上报给gNB 用于日志或者话统统计，上报方式可以是业务包级上报，也可以是周期性或者事件性统计上报。

同理，针对上行空口时延测量，在上层PDCP SDU数据包进入UE 的PDCP 层时记录时间戳，这个时间戳可以是帧/ 子帧/ 时隙偏移格式，也可以是相对或绝对时间格式（可以用整数表示），且通过一个标志区分，并把记录在PDCP PDU 头中的时间戳与标志字段传递给gNB，gNB 的PDCP 层根据标志字段处理并记录这个时间戳格式，在PDCP SDU 发送到上层时计算上行空口时延；同时，gNB 统计上行空口时延并通过日志或者话统呈现。

使用帧号/ 子帧号/ 时隙偏移作为时间戳格式与使用相对时间格式的时延测量有明显的差异，下面将针对采用帧号/ 子帧号/ 时隙偏移时间戳格式传递时的下行空口时延测量方法进行描述。对于采用相对时间格式的测量方法，可参考2.2 节。

图4 是5G 空口的系统帧号（SFN）、子帧号（SSFN）与时隙偏移时间结构示意图。由此可知，可以通过帧号/子帧号/ 时隙偏移来表示时间点，它们可以根据不同业务场景对时延精度的要求来选择不同的比特数，本文仅以帧号占10 个比特（bit）、子帧号占3 个比特（bit）、时隙偏移占10 个比特（bit）作为例子进行描述，其他长度的时间戳也可以做类似处理。

图4 帧号/子帧号/时隙偏移时间结构示意图

图5 是在PDCP PDU 头中携带系统帧号SFN、子帧号SSFN 以及时隙偏移Offset 的示意图：

图5 PDCP PDU头携带帧号/子帧号/时隙偏移时间戳

其中，PDCP PDU 头的时间戳与标志字段可以根据序列号长短自动使用图6 或者图7 的长短序列号时间戳格式。Time Flag 表示时间格式标志，区别是采用帧号/子帧号/ 时隙偏移还是时间数字格式；Time-Stamp 记录真实的时间数字。

图6 短序列号时间戳

图7 长序列号时间戳

当gNB 在PDCP 层收到上层PDCP SDU 数据包的时刻，记为第一时间戳；当UE 收到gNB 发下来的数据包并通过PDCP 处理完成后发往上层时的时刻，记为第二时间戳，则UE 可以基于下列公式计算数据包的空口时延：

其中，T为数据包的空口时延；SFN1为第一时间戳中的无线帧号；SSFN1为第一时间戳中的子帧号；SOFF1为第一时间戳中的偏移量；SFN2为第二时间戳中的无线帧号；SSFN2为第二时间戳中的子帧号；SOFF2为第二时间戳中的偏移量；Tf为一个无线帧的时长；Tsf为一个子帧的时长；T0为无线帧号循环一次所用的时长。

例如，当SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=6、SSFN2=4、SOFF2=0，UE 确 认SFN1和SFN2在一个无线帧号的循环周期内，则T=(6-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=2Tf+Tsf；当SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=2、SSFN2=4、SOFF2=0 时，UE 确认SFN1和SFN2分 别在两个无线帧号的循环周期内，则T=T0+(2-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=T0-2Tf+Tsf。

需要说明的是，通常情况下，当UE 在SFN2＜SFN1时，认为SFN2与SFN1所在的周期相差一个周期，当SFN2与SFN1相差大于一个周期时，UE 很大可能就无法接收到数据包，为了使得UE 更加准确地确认SFN2与SFN1所在的无线帧号的周期，在数据包中携带无线帧号周期的参数，如通过在第一时间戳中增加无线帧号周期的参数。

上行空口时延的测量方法与下行完全一致，只是第一时间戳由UE 记录，时延测量在gNB 而已。

2.2 云化场景的时延测量方法

对于云化场景，由于基站的PDCP 上移到CU，而RLC、MAC 子层与PHY 层（物理层）在一个DU 内，此时PDCP 不能感知底层的帧号、子帧号以及子帧偏移，因此只能采用相对时间数字来测量上下行的空口时延。

针对下行空口时延测量，在上层PDCP SDU 数据包进入gNB 的PDCP 层时，记录时间戳，以相对时间格式（可以用整数表示）。针对每一个PDCP SDU 数据包，在组装PDCP PDU 头中时，把这个时间戳信息记录在该PDU 头中，并通过空口传递给UE，UE 侧的PDCP 层记录这个时间戳格式，且在该PDCP SDU 发送到上层应用时得到的时刻点，计算下行空口时延；UE 计算的下行空口时延需要上报给gNB 用于日志或者话统统计，上报方式可以是业务包级上报，也可以是周期性或者事件性统计上报。

同理，针对上行空口时延测量，在上层PDCP SDU数据包进入UE 的PDCP 层时记录时间戳，这个时间戳可以是相对时间格式（可以用整数表示），并把记录在PDCP PDU 头中的时间戳与标志字段传递给gNB，gNB侧的PDCP 层记录这个时间戳格式，且在PDCP SDU 发送到上层时计算上行空口时延；同时，gNB 统计上行空口时延并通过日志或者话统呈现。

下面针对采用相对时间戳格式传递时的下行空口时延测量方法进行描述。使用相对时间信息，即以一定周期循环，可以是s:ms:μs 微秒格式，也可以用整数表示，使用的bit 数可以根据业务场景来选择。如果以μs 为单位，24 bit 可以表示16 s 一个周期的循环，选择24 bit 的时间戳格式基本可以满足要求。当然，出于空口性能考虑，也可以使用更少的bit 数如16 bit 来表示，同时单位可以取100 μs 或者其他值。

图8 是云化场景的下行PDCP PDU 头携带时s:ms:μs时间格式时间戳示意图，而上行携带时间戳示意图与图8类似，只是方向相反而已，这里不再赘述。

图8 云化场景的下行PDCP PDU头携带时s:ms:μs时间格式时间戳

当gNB 在PDCP 层收到上层PDCP SDU 数据包的时刻，记为第一时间戳；当UE 收到gNB 发下来的数据包并通过PDCP 处理完成后发往上层时的时刻，记为第二时间戳，由于第一时间戳和第二时间戳为相对时间信息，则UE 可以基于下列公式计算数据包的空口时延：

其中，T为数据包的空口时延；T1为第一时间戳中的相对时间信息；T2为第二时间戳中的相对时间信息；Tz为预设的周期性时长。

每隔Tz，gNB 和UE 循环一次，T1为数据包到达gNB的PDCP 层的时间与第一目标时刻A 的时间偏移量，第一目标时刻A 为第N个周期的起始时刻，T2为数据包离开UE 的PDCP 层的时间与第二目标时刻B 的时间偏移量，当T2≤T1时，第二目标时刻B 为第(N+1)个周期的起始时刻，当T2＞T1时，第二目标时刻为第N个周期的起始时刻，其中周期的时长为预设时长，可根据实际情况进行设定。

如果第一时间戳和第二时间戳采用绝对时间时，则数据包的空口时延为：

其中，T为数据包的空口时延；T1为数据包到达第一设备的PDCP 层的绝对时间；T2为数据包离开第二设备的PDCP 层的绝对时间。

2.3 5G空口单向时延的可靠性测量方法

根据上述介绍的每个数据包的5G空口单向时延的测量，可以进行空口单向时延可靠性的测量。对于上行业务数据包，基站侧可以根据每个上行数据包的上行单向时延，与可靠性的时延门限参数进行比较，如果某个上行数据包的单向时延超过了时延门限，则记为超过时延门限数量一次，同时记录一次数据包传输。对每次业务进行超过时延门限次数的累加值除以数据包传输次数的累加值，则可得到上行时延的可靠性测量值。同理，对于下行业务数据包，终端侧也可以进行与基站侧相似的时延可靠性测量。

由于本文主要涉及的是时延测量方法的理论性研究，从理论上证明无线空口单向时延及其可靠性是不可能由分段时延统计平均值构造出数据包级的可靠性的。为了指引读者验证，对于文中描述的一体化基站与云化基站两种场景的具体测试环境建议为：一体化基站测试场景采用gNB只部署在一个物理设备上，云化基站测试场景采用gNB 的两个逻辑功能CU 与DU 分别部署在不同的物理设备，部署CU 与DU 的两个设备分别用光纤连接，测试时选择容量不受限以及容量受限两种条件，再分别选取覆盖质量好、中、差三种情况进行测试。采用现有标准定义的分段测量平均值方案与本文提出的方案进行对比，在覆盖质量较好时，本文提出的方案能够准确地测量空口单向时延的可靠性，而现有标准方案不能测量空口单向时延的可靠性。

3 结束语

本文详细介绍了5G 需求中提出的无线空口单向时延测量满足亚毫秒级的可靠性要求，针对空口的单向时延测量，提出了一种在5G 网络中的空口单向时延测量方法，通过该方法，可以精确地测量上行或者下行空口单向时延，精度可以达到微秒级别，且能够进行数据包的可靠性测量，可以满足未来5G 低时延高可靠性业务的运维诉求。由于单向时延测量可靠性的方法还涉及标准的确定，虽然本文提出了一种通用可行的时延及其可靠性的测量方法，但后续还需要针对不同的应用场景需求研究不同时间戳比特数对空口性能的影响，为落地标准提供实验数据。