5G網(wǎng)絡(luò)中支持URLLC業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸技術(shù)

溫萍萍

摘要：超高可靠超低時延通信作為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場景之一，對時延和可靠性有著嚴(yán)格的要求。數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸技術(shù)在保證時延情況下能夠提供高可靠性的傳輸。文章對該技術(shù)的基本原理以及第三代合作伙伴計劃標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)進(jìn)行了介紹、分析和探討。

關(guān)鍵詞：URLLC；數(shù)據(jù)復(fù)制；載波聚合；雙連接

1 概述

2015年，ITU正式定義了5G的3類典型應(yīng)用場景：⑴增強(qiáng)型移動寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）。（2）大連接物聯(lián)網(wǎng)（Massive Machine Type Communications，mMTC）。

（3）低時延、高可靠通信（Ultra Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。與此對應(yīng)，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）也定義了5G應(yīng)用的三大場景：eMBB，mMTC，URLLC。URLLC作為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場景之一，對于自動駕駛、增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、工業(yè)控制以及其他高度延遲敏感型業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用非常關(guān)鍵。如果網(wǎng)絡(luò)時延較高，URLLC類業(yè)務(wù)的正常運行就會受到影響，并會出現(xiàn)控制方面的誤差，鑒于此，3GPP對URLLC的時延和可靠性方面的指標(biāo)進(jìn)行了定義[1]。

1.1 時延指標(biāo)

URLLC業(yè)務(wù)的上下行用戶面時延目標(biāo)壓低到0.5 ms。

1.2 可靠性指標(biāo)

3GPP對可靠性定義有著明確定義[1]，即在特定時延內(nèi)傳送X字節(jié)數(shù)據(jù)包的成功率。這里的時延是指在特定信道質(zhì)量條件下（如覆蓋邊緣），從無線接口協(xié)議層一端L2/3SDU（層2/3服務(wù)數(shù)據(jù)單元）入口到無線接口協(xié)議層另一端的L2/3 SDU出口間傳送數(shù)據(jù)包的時延。URLLC可靠性要求為：用戶面時延1 ms內(nèi)，傳送32字節(jié)包的可靠性為1?10_5。

根據(jù)調(diào)研分析，目前LTE網(wǎng)絡(luò)沒有辦法滿足URLLC業(yè)務(wù)時延需求。在目前已廣泛部署的4G網(wǎng)絡(luò)中，端到端時延在50?100 ms，比5G的時延要求大約高一個數(shù)量級。將端到端的時延進(jìn)行切割，包括無線側(cè)空口時延，從基站傳輸?shù)交貍骶W(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點上之后進(jìn)入回傳網(wǎng)絡(luò)，一直進(jìn)入到核心網(wǎng)的時延?？梢詮膬蓚€角度進(jìn)行考慮把時延縮短。一個是把空口時延縮短，另外一個要打破現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上實現(xiàn)低時延、高可靠業(yè)務(wù)的服務(wù)。

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義中，采用了多種技術(shù)來降低無線側(cè)空口時延和提高可靠性，如采用靈活參數(shù)集、mini-slot（小時隙），無需grant（調(diào)度授權(quán)指令）的即時上行、快速調(diào)度來獲得低時延，采用多連接、分集和魯棒的物理層設(shè)計來獲得高可靠性。其中基于載波聚合和雙連接架構(gòu)的數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸被認(rèn)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，該傳輸方式是指相同數(shù)據(jù)包在不同的資源上通過不同的鏈路分別在用戶終端和基站間進(jìn)行傳輸，從而利用不同鏈路的分集增益，在接收端接收到多個數(shù)據(jù)包來增加正確接收的概率。在本文后續(xù)章節(jié)中，對數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)幕驹砗拖到y(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2 數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸基本概念

在LTE系統(tǒng)中，通常通過無線鏈路控制（Radio LinkControl，RLC）層的自動重復(fù)請求（Automatic RepeatRequest，ARQ），媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層的混合自動請求重傳（Hybrid Automatic RepeatRequest，HARQ）技術(shù)和層1的自適應(yīng)調(diào)制編碼（AdaptiveModulation and Coding，AMC）來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，通過基站的調(diào)度來保證傳輸時延。HARQ使用停等協(xié)議來發(fā)送數(shù)據(jù)，在停等協(xié)議中，發(fā)送端發(fā)送一個數(shù)據(jù)包后，就停下來等待確認(rèn)信息。接收端會使用1 bit的信息對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行肯定或否定的確認(rèn)。但是每次傳輸后發(fā)送端停下來等待確認(rèn)，會增加數(shù)據(jù)包的時延。RLC層確認(rèn)模式（Acknowledgement Mode，AM）下的ARQ可以通過重傳解決HARQ遺留的傳輸錯誤從而提高可靠性，但是該技術(shù)也會帶來附加的重傳時延，并且由于傳輸RLC狀態(tài)報告會帶來額外的信令。

數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸方式是在高層并行地通過多個鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)包，因此接收端能夠以高概率正確接收數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)復(fù)制可以有效地利用多鏈路的分集增益，避免單鏈路上的重傳帶來的時延，但由于復(fù)制傳輸需要傳輸多個相同的數(shù)據(jù)包，會消耗無線資源從而降低資源利用率。為了兼顧時延/可靠性要求以及無線資源利用率，一個有效的方法是在分組復(fù)制傳輸和單鏈路傳輸間進(jìn)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】赡艿臅r候，復(fù)制傳輸功能將被開啟，當(dāng)單個鏈路具有良好的信道條件可以提供可靠的傳輸時，使用單鏈路而不需要通過數(shù)據(jù)復(fù)制來滿足業(yè)務(wù)的可靠性，將會關(guān)閉復(fù)制傳輸功能[2-5]。

數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸技術(shù)不僅可以支持URLLC業(yè)務(wù)滿足其低時延高可靠性要求，還可以在切換過程中利用該技術(shù)，通過同時向源基站和目標(biāo)基站傳輸復(fù)制數(shù)據(jù)包保證切換的魯棒性。

3 數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)募夹g(shù)實現(xiàn)

根據(jù)3GPP會議討論決議，支持分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層的數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)。如圖1所示，發(fā)送端在PDCP層完成數(shù)據(jù)的復(fù)制，接收端在PDCP層接收到多個數(shù)據(jù)包時完成數(shù)據(jù)復(fù)制的移除和丟棄。選擇在PDCP層完成數(shù)據(jù)復(fù)制的一個優(yōu)點是對于雙連接和載波聚合可以使用相同的協(xié)議層結(jié)構(gòu)，都在PDCP層完成數(shù)據(jù)復(fù)制，從而減少標(biāo)準(zhǔn)化工作的工作量。

目前3GPP決定數(shù)據(jù)復(fù)用功能只支持一個復(fù)制鏈路，數(shù)據(jù)復(fù)用功能被配置后，對于一個無線承載，一個附加的RLC實體和邏輯信道將會映射到該無線承載，因此一個支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)用的無線承載將映射到兩個不同的邏輯信道上，對應(yīng)兩個不同的RLC實體。PDCP層的數(shù)復(fù)制將一個PDCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）發(fā)送兩次，一個發(fā)送給原始RLC實體，一個發(fā)送給附加RLC實體。通過兩個獨立的路徑傳輸，數(shù)據(jù)復(fù)制可以提高可靠性的同時減少時延。當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)制發(fā)生時，原始PDCP PDU和相應(yīng)的復(fù)制PDCP PDU將不會在同一個載波上傳輸來實現(xiàn)頻率分集增益，兩個不同的邏輯信道可以屬于相同的MAC實體（對于載波聚合場景）或者不同的MAC實體（對于雙連接場景）。對于載波聚合場景，由于只支持一個MAC實體，要求基站側(cè)的上下行調(diào)度器及復(fù)用模塊考慮上述限制，在MAC層引入邏輯信道映射限制功能從而使得原始PDCP PDU和相應(yīng)的復(fù)制PDCPPDU映射到不同的載波，從而保證通過不同HARQ實體獨立的傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)用功能不激活時，這種邏輯信道映射限制將不再生效[3-4]。

數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)呐渲靡詳?shù)據(jù)無線承載（Data RadioBearer，DRB）為單位，每個DRB可以根據(jù)該無線承載的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求通過無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）信令獨立配置是否支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制功能。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?jǐn)?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)（如URLLC業(yè)務(wù)）對應(yīng)的DRB進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸配置，通過這種靈活的配置，可以針對每個業(yè)務(wù)的不同QoS要求來分別提供滿意的服務(wù)。即使對一個無線承載配置支持?jǐn)?shù)據(jù)分組復(fù)制功能，發(fā)送端也并不是對所有數(shù)據(jù)包都執(zhí)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸。如前所述，因為數(shù)據(jù)傳輸只是在一定條件下才能發(fā)揮作用（如信道條件變差，重要數(shù)據(jù)包傳輸?shù)龋⑶矣捎谥С謹(jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制傳輸需要消耗雙倍的無線資源，因此只有在需要數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸時，網(wǎng)絡(luò)才會開啟該功能?；靖鶕?jù)各種測量和統(tǒng)計信息來決定是否開啟關(guān)閉該功能，從而支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能動態(tài)間斷性工作。因為MAC層可以對信道條件的變化作出快速響應(yīng)，3GPP會議決議使用MAC層信令（即復(fù)制激活/去激活MAC CE）對數(shù)據(jù)復(fù)制功能進(jìn)行激活和去激活。復(fù)制激活/去激活MAC CE控制單元（Control Element，）包含一個字節(jié)，通過MAC PDU頭中的邏輯信道識別符（Logical Channel ID，LCID）來識別，當(dāng)LCID值為“111000”時，該MAC CE為復(fù)制激活/去激活MAC CE。如圖2所示，復(fù)制激活/去激活具一個字節(jié)固定長度，其中7位D字節(jié)，一位R字節(jié)。D傭來指示DRBi的復(fù)制功能的狀態(tài)，即去激活或者激活。Di設(shè)置為“1”，表示DRBi的PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制功能被激活，Di設(shè)置為“0”，表示DRB i的PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制功能被去激活。R bit是預(yù)留字節(jié)，被設(shè)置為 “0”。

無線信道條件短期的波動可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)復(fù)制對應(yīng)的不同鏈路間的相對性能的不平衡（比如，一個運行在毫米波的鏈路受到阻擋，其傳輸可能會發(fā)生錯誤），那么性能較壞的鏈路由于不能正確傳輸數(shù)據(jù)會引起數(shù)據(jù)包在緩存里堆積，如果復(fù)制傳輸對應(yīng)的兩個鏈路之間傳輸速率差異較大，一個鏈路緩存了大量數(shù)據(jù)，兩個鏈路不能同步傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)包在一個鏈路上第一次發(fā)送晚于該數(shù)據(jù)包在另一個鏈路的重傳時，該數(shù)據(jù)包的傳輸已經(jīng)失去意義，數(shù)據(jù)復(fù)制不能達(dá)到減少時延的目的，并且還會浪費無線資源。目前3GPP正在討論該問題的解決方案，一個解決方法是在PDCP中引入定時器，當(dāng)該數(shù)據(jù)包在一個鏈路上發(fā)送后，在一定時間內(nèi)還沒有從另一個鏈路上發(fā)送，那么就自動丟棄該數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)語

在5G時代，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長和多樣化需求對網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，URLLC作為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場景之一，對于時延和可靠性指標(biāo)都提出了嚴(yán)格的要求。3GPP采用了多種技術(shù)支持低時延高可靠類業(yè)務(wù)，本文分析和探討了數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸方式，該技術(shù)在保證時延情況下能夠提供高可靠性的傳輸，3GPP已經(jīng)基本完成了標(biāo)準(zhǔn)化定義工作，提出了靈活的協(xié)議結(jié)構(gòu)來支持動態(tài)的激活/去激活數(shù)據(jù)復(fù)制功能。值得注意的是，復(fù)制功能在一定的條件和場景下具有性能增益，但是在一定條件下不能提供增益并且消耗雙倍的無線資源會嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)性能。因此，在未來的研究工作中，需要評估影響配置復(fù)制功能的各種因素以及支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制功能的場景和條件，從而在滿足URLLC性能要求的同時獲得系統(tǒng)的最大吞吐量性能。

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