小微數(shù)據(jù)包高效無線傳輸技術(shù)的發(fā)展和趨勢

楊立，黃河，張夢潔，劉利平

（1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057）

1 小微數(shù)據(jù)包傳輸背景和技術(shù)發(fā)展

移動(dòng)通信系統(tǒng)從第一代1G（純模擬）開始，發(fā)展到今天的5G（智能數(shù)字化），是由不斷變革發(fā)展的ICDT（Information & Communication & Data Technology）技術(shù)，和移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)需求所雙重驅(qū)動(dòng)前進(jìn)的。根據(jù)被服務(wù)的移動(dòng)用戶業(yè)務(wù)類型，移動(dòng)通信系統(tǒng)大致可按照“寬帶/窄帶，實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)，確定性/非確定性”等維度進(jìn)行技術(shù)劃分歸類。寬帶系統(tǒng)技術(shù)旨在追求更高效和更低成本地傳輸連續(xù)且高頻次的“大中數(shù)據(jù)包（塊）”（Frequent & Large/Medium Data Volume），從而獲得更高的傳輸峰值和用戶吞吐率，這正如4G LTE、WLAN 和5G NR 等系統(tǒng)技術(shù)所至[1]，eMBB（enhanced Mobile Broadband）對應(yīng)著該場景目的。窄帶系統(tǒng)技術(shù)旨在追求更高效和更低成本地傳輸不連續(xù)且低頻次的“小微數(shù)據(jù)包（塊）”（Occasional& Small/Mini Data Burst），從而獲得更好的無線覆蓋，并實(shí)現(xiàn)基本連接保障和終端省電節(jié)能等目的，這正如4G MTC，NB-IOT 和LORA 等系統(tǒng)技術(shù)所至[2]，mMTC（massive Machine Type Communication）對應(yīng)著該場景目的。本文所說的“微”是為了突出比“小”更小數(shù)據(jù)包（塊）的含義，在實(shí)際應(yīng)用中通常“微”只在幾十/百Byte 的大小量級，而“小”可在幾千/萬Byte 量級，但3GPP 標(biāo)準(zhǔn)對“小微”的具體大小并沒有量化統(tǒng)一的定義。

在窄帶通信系統(tǒng)部署的環(huán)境中，通常不會(huì)出現(xiàn)“大中數(shù)據(jù)包（塊）”，這是由被服務(wù)的移動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特性所先天決定的，但反之，在寬帶通信系統(tǒng)中仍然可能出現(xiàn)“小微數(shù)據(jù)包（塊）”，比如：無線網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的各種控制信令、業(yè)務(wù)應(yīng)用背景流量和突發(fā)式數(shù)據(jù)包等，因此如何在寬帶系統(tǒng)中，以不同的機(jī)制方式同時(shí)承載且高效傳輸“大中”和“小微”兩大類的數(shù)據(jù)包（塊），一直是業(yè)界關(guān)注研究的熱點(diǎn)問題。根據(jù)3GPP SA1（運(yùn)營需求和業(yè)務(wù)）工作組的需求[3]，未來將有大量的新終端和新移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用會(huì)同時(shí)觸發(fā)產(chǎn)生“大中”和“小微”數(shù)據(jù)包（塊），它們?nèi)詫儆趯拵鬏旑I(lǐng)域（而非窄帶物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域），但如果總用同一種寬帶無線傳輸技術(shù)或模式去支持，那將會(huì)很不經(jīng)濟(jì)且低效，例如：造成系統(tǒng)信令風(fēng)暴和較大的空口干擾和設(shè)備耗電等。總體上，業(yè)界傾向于針對“小微數(shù)據(jù)包（塊）”，采取無連接方式（Connectionless Mode）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；而針對“大中數(shù)據(jù)包（塊）”，仍然采取傳統(tǒng)的基于連接方式（Connected Mode）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

首先，我們先簡短回顧一下3GPP 系統(tǒng)針對小微數(shù)據(jù)包（塊）的無線傳輸技術(shù)發(fā)展。在3G UMTS 時(shí)代，Cell_FACH 狀態(tài)能夠支持終端（UE,User Equipment）進(jìn)行無連接方式的數(shù)據(jù)傳輸，在此狀態(tài)下UE 可以不受網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)控制，Cell_FACH 就是針對小微數(shù)據(jù)包的定制化狀態(tài)。但到了4G LTE 時(shí)代，由于沒有引入類似的Cell_FACH 狀態(tài)，LTE 系統(tǒng)只能支持基于連接方式的數(shù)據(jù)傳輸，即當(dāng)有任何數(shù)據(jù)待傳時(shí)，UE 必須先經(jīng)歷一系列信令流程，進(jìn)入RRC_CONNECTED 連接狀態(tài)，建立好UE 和小區(qū)間的服務(wù)無線鏈路（RL,Radio Link），才能在基站調(diào)度下開啟數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)后續(xù)無任何數(shù)據(jù)待傳時(shí)，服務(wù)RL 再被拆鏈釋放，UE 退回到Suspend 連接掛起狀態(tài)或RRC_IDLE 空閑狀態(tài)。上述RL 建鏈和拆鏈的操作不僅會(huì)帶來大量的控制信令開銷（上行消耗約60～80 個(gè)Byte，下行消耗約120～180 個(gè)Byte），還會(huì)帶來一定的用戶面數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，這使得網(wǎng)絡(luò)資源利用非常冗余低效，對于“小微數(shù)據(jù)包（塊）”的傳輸來說非常不經(jīng)濟(jì)。到了5G-NR Rel-15 版本[4]，可通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建端到端的“窄帶類業(yè)務(wù)切片”，并編排賦予其能夠最佳適配“小微數(shù)據(jù)包（塊）”傳輸特征的功能組合，如：非正交接入（MUSA,Multiple User Shared Access）類技術(shù)和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，但是該“窄帶類業(yè)務(wù)切片”本質(zhì)上還是一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，因而它僅具備支持窄帶類數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，無法同時(shí)高效地支持寬帶類或其它類型業(yè)務(wù)場景。到了5G-NR Rel-17 版本[5]，通過進(jìn)一步引入終端UE 在RRC_INACTIVE非激活狀態(tài)下的直接數(shù)據(jù)包傳輸技術(shù)，即Small Data 無線傳輸新技術(shù)，終于有望通過非連接的方式實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸[6]。這種Small Data 無線傳輸新技術(shù)機(jī)制和過去在窄帶系統(tǒng)或窄帶切片內(nèi)引入的各種“小數(shù)據(jù)包（塊）”傳輸技術(shù)相比，有下列幾個(gè)新特點(diǎn)，如圖1 所示：

圖1 Small Data無線傳輸新技術(shù)機(jī)制的新特點(diǎn)

（1）Small Data 無線傳輸新技術(shù)在空口不存在真正意義上的RL，因此不需要進(jìn)行RL 相關(guān)的建立釋放、維護(hù)重配等操作，UE 不會(huì)進(jìn)入RRC_CONNECTED 連接狀態(tài)，而盡量被維持在RRC_INACTIVE 非激活狀態(tài)下，因此可以繼承RRC_INACTIVE 非激活狀態(tài)的省電、控制信令少、移動(dòng)管控靈活等優(yōu)點(diǎn)。

（2）Small Data 無線傳輸新技術(shù)所服務(wù)的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸延時(shí)要求比窄帶的更苛刻一些，通常也不需通過重復(fù)多次傳輸Repetition 來提升傳輸魯棒性，可有效避免傳輸冗余；對于某些延時(shí)苛刻的業(yè)務(wù)，甚至可以通過資源預(yù)留來實(shí)現(xiàn)快速傳輸，降低傳輸延時(shí)。

（3）Small Data 無線傳輸新技術(shù)既可以從上行異步狀態(tài)下，又可以從上行同步狀態(tài)下啟動(dòng)，因此并不是每次傳輸都需伴隨PRACH 隨機(jī)接入過程。此外，UE 也不需要長期維護(hù)著上行同步UL Sync 狀態(tài)，因此當(dāng)UE 檢測到上下行失步Out of Sync 的時(shí)候，無需立即觸發(fā)RRC連接重建流程，可減少信令開銷。

本文接下來將將系統(tǒng)地闡述分析：即將在5G-NR Rel-17 被規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的Small Data 無線傳輸新技術(shù)機(jī)制，和它將面臨的一系列關(guān)鍵問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。這些關(guān)鍵問題以5G-NR 當(dāng)前系統(tǒng)功能和協(xié)議細(xì)節(jié)的缺失不足和遺漏為出發(fā)點(diǎn)，散布于5G-NR 系統(tǒng)的各個(gè)協(xié)議層和網(wǎng)元之中。如何保證支持Small Data 功能相關(guān)協(xié)議添加修改后的前后兼容性，實(shí)現(xiàn)功能低復(fù)雜度和較優(yōu)的技術(shù)性價(jià)比和業(yè)務(wù)適用性，都是對該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)的挑戰(zhàn)。作為該WID立項(xiàng)課題在3GPP 的唯一牽頭公司（中興通訊）和報(bào)告人，我們將結(jié)合過去各種Small Data 老技術(shù)機(jī)制，向讀者全面呈現(xiàn)諸多的新技術(shù)細(xì)節(jié)，和提出中興通訊所傾向的總體方案對3GPP 協(xié)議細(xì)節(jié)的添加修改建議。

2 小微數(shù)據(jù)包傳輸關(guān)鍵技術(shù)

3GPP 移動(dòng)通信系統(tǒng)在3G UMTS 時(shí)代，就早已支持通過Cell_FACH 狀態(tài)來進(jìn)行小微數(shù)據(jù)包的傳輸，某服務(wù)小區(qū)內(nèi)半靜態(tài)配置和預(yù)留好一些上下行無線公共資源，基站NodeB節(jié)點(diǎn)中的MAC-C 實(shí)體管控著該服務(wù)小區(qū)內(nèi)所有處于FACH態(tài)的UE 小微數(shù)據(jù)包的調(diào)度收發(fā)。基于4G LTE 演進(jìn)到后期的(e)NB-IoT/(e)MTC 窄帶系統(tǒng)，在Rel-16[7]新引入了提早數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（EDT,Early Data Transmission），實(shí)現(xiàn)了UE 在Suspend 連接掛起狀態(tài)下快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但EDT 傳輸機(jī)制總是伴隨著RRC 空口信令，如：上行用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)總是和RRCConnectionResumeRequest 連接恢復(fù)請求消息一起被傳輸，而下行數(shù)據(jù)總是和RRCConnectionRelease 連接釋放消息一起被傳輸；此外EDT 技術(shù)還只支持一個(gè)小數(shù)據(jù)包（塊）的傳輸。如果待傳的數(shù)據(jù)包（塊）較大，UE 還是要進(jìn)入RRC_CONNECTED 連接態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5G NR 系統(tǒng)在Rel-14 SID 階段，就已早早地開始研究如何支持RRC_INACTIVE 非激活狀態(tài)下直接傳輸數(shù)據(jù)，如：利用上述LTE-EDT 機(jī)制的思想，終端UE 伴隨著RRC Resume 連接恢復(fù)信令同時(shí)攜帶用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包（塊），將它們Multiplex 復(fù)用到同一個(gè)MAC PDU 中。但是僅僅如此簡單地技術(shù)移植還不夠，相比于LTE-EDT 技術(shù)，業(yè)界希望5G NR系統(tǒng)中的Small Data 傳輸技術(shù)可以獲得更好的傳輸性能和更高的資源利用率[8-13]。因此，在借鑒LTE-EDT 思想的基礎(chǔ)上，5G-NR 還需進(jìn)一步研究如何在RRC_INACTIVE 非激活狀態(tài)下支持小微數(shù)據(jù)包更高效的傳輸，特別在某些場景條件下，不用總伴隨RRC 空口信令，即：用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包可以被獨(dú)立地傳輸，且允許有多個(gè)數(shù)據(jù)包（塊）被連續(xù)或間隔傳輸。這些技術(shù)增強(qiáng)涉及到所適用的業(yè)務(wù)應(yīng)用/用戶移動(dòng)場景，新子狀態(tài)模型和傳輸機(jī)制的具體設(shè)計(jì)，還有網(wǎng)絡(luò)側(cè)RRC 狀態(tài)管控和資源預(yù)配置等多個(gè)方面，因此至少涉及到3GPP RAN1（空口物理層）、RAN2（空口高層）、RAN3（網(wǎng)絡(luò)接口）等工作組的規(guī)范內(nèi)容，下面我們將對此逐一地進(jìn)行闡述分析。

2.1 空口物理層關(guān)鍵問題和技術(shù)

首先，3GPP 移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，都要遵循基于上下行時(shí)序同步和基站調(diào)度資源授權(quán)的基本原則。在微服務(wù)小區(qū)內(nèi)（通常TA=0，TA,Timing Advance）或UE 已知道未來有效的TA 值（比如通過本地TA 推導(dǎo)或基站側(cè)指示）的情況下，UE 可利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)留好的上下行時(shí)頻資源塊（PUR,Preallocated UL Resource）直接進(jìn)行“免動(dòng)態(tài)調(diào)度的”數(shù)據(jù)傳輸（PUSCH-only），其中PUR 資源基于第一類上行授權(quán)（Grant Type 1）預(yù)配置。反之，如果UE 沒有有效的TA 值，則UE在嘗試發(fā)送小微數(shù)據(jù)包之前，必須先通過PRACH 隨機(jī)接入過程獲得上行同步，再接收基站PDCCH 動(dòng)態(tài)的授權(quán)指令等參數(shù)，繼而基于動(dòng)態(tài)分配的Grant 上行授權(quán)傳輸小微數(shù)據(jù)包。

根據(jù)上述兩種資源傳輸?shù)倪^程，小微數(shù)據(jù)包的傳輸可基于如下兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：傳輸資源預(yù)配置PUR Based（也叫CG Based,CG,Configured Grant）RRC_INACTIVE 數(shù)據(jù)傳輸和資源動(dòng)態(tài)分配（4/2-step）RACH Based RRC_INACTIVE數(shù)據(jù)傳輸。針對同一UE，這兩種機(jī)制可以同時(shí)共存，且UE 可以根據(jù)不同情況選擇適用的傳輸機(jī)制，例如UE 本地是否有有效的TA 值，如圖2 所示。以2-step RACH 操作為例，在RACH Based 方案中，MsgA 可以把RRC Resume 信令和用戶上行小微數(shù)據(jù)包合并同時(shí)上傳，而MsgB 可以把RRC 沖突檢測信令和用戶下行小微數(shù)據(jù)包合并同時(shí)下發(fā)。而在PUR/CG Based 方案中，UE 可直接在預(yù)配置好的PUR/CG 資源上把RRC 信令和用戶上行小微數(shù)據(jù)包合并同時(shí)上傳。若UE 需要連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)包，在后續(xù)傳輸中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)則可以基于用戶標(biāo)識(shí)進(jìn)行上下行小微數(shù)據(jù)包的傳輸調(diào)度，這和RRC_CONNECTED 連接態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸類似。

圖2 2種典型的RRC_INACTIVE數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制

由于5G NR 引入了服務(wù)波束Beam 的新維度，截至Rel-16，3GPP 在RRC_CONNECTED 狀態(tài)下 基站如 何管控Beam 方面已做了詳細(xì)規(guī)范，而基站如何在RRC_INACTIVE 數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下有效地管控多波束Beams 則有待進(jìn)一步分析考慮。比如：在一個(gè)INACTIVE 狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸窗內(nèi)，是否允許UE 進(jìn)行波束切換以及UE 如何實(shí)現(xiàn)波束之間切換等操作。由于在Rel-17 Small Data Transmission WID 中[6]，RAN1 并沒有被分配專門的線上研討時(shí)間（TU,Time Unit），因此，默認(rèn)原則上，3GPP 業(yè)界將盡量重用現(xiàn)有的連接態(tài)波束管控機(jī)制，以減少RAN1 引入的規(guī)范新內(nèi)容。

在沒有用戶Small Data 數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋尘跋?，每個(gè)服務(wù)小區(qū)也會(huì)預(yù)留好一定的PRACH 或MsgA PUSCH 資源，但它們過去僅僅服務(wù)于一般用戶控制面接入的需求。未來為了更好地支持用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，需要根據(jù)預(yù)留資源和傳輸數(shù)據(jù)塊大?。═B,Transport Block）重新規(guī)劃PRACH 和MsgA PUSCH 資源池。當(dāng)UE 有有效TA 的時(shí)候，可直接利用PUR/CG 資源傳輸，因此也需要考慮預(yù)留資源和TB 的影響，對PUR/CG 資源池進(jìn)行重新規(guī)劃。此外，PUR/CG 資源既可以是UE Specific 的（通過UE 專有信令預(yù)配置），也可是多個(gè)UE 同小區(qū)內(nèi)共享的（通過系統(tǒng)廣播消息配置），上述內(nèi)容對RAN1 協(xié)議都將會(huì)有不同程度的影響。

2.2 空口高層關(guān)鍵問題和技術(shù)

在3GPP 移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)，UE 所在RRC 狀態(tài)及不同RRC 狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換仍然受到基站的強(qiáng)控制。當(dāng)UE 的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無法通過一次授權(quán)的資源塊TB Burst 傳輸完畢時(shí)，剩余的數(shù)據(jù)量既可在UE 進(jìn)入RRC_CONNECTED 連接狀態(tài)（通過RRC resume 恢復(fù)流程）后繼續(xù)傳輸；也可將UE繼續(xù)保留在RRC_INACTIVE 狀態(tài)下（通過RRC Release釋放流程），等待后續(xù)傳輸機(jī)會(huì)到來后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此基站需做出更好的RRC 狀態(tài)遷移判決，如圖3 所示。為了輔助基站判決，UE 可上報(bào)一些關(guān)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的用戶輔助信息UE Assistance Information 給基站，或核心網(wǎng)CN 下發(fā)類似的輔助信息給基站，如：UE traffic&Mobility model 等。通常對于延時(shí)不敏感的業(yè)務(wù)，基站可選擇把UE盡可能地保留在RRC_INACTIVE 狀態(tài)下，即使UE 緩存著剩余的數(shù)據(jù)量，也可等待下一次RRC_INACTIVE 傳輸窗的機(jī)會(huì)到來后再繼續(xù)傳輸。圖3 中的Semi-INACTIVE不是一個(gè)被標(biāo)準(zhǔn)化的正式狀態(tài)，它只是一個(gè)和RRC_INACTIVE 關(guān)聯(lián)的虛擬子狀態(tài)，也可以理解為介于RRC_CONNECTED 和RRC_INACTIVE 狀態(tài)之間的中間態(tài)。

圖3 含RRC_INACTIVE數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制下的RRC狀態(tài)遷移和管控

由于在RRC_INACTIVE 狀態(tài)下，可使用的時(shí)頻資源塊（或預(yù)配置或臨時(shí)動(dòng)態(tài)分配）會(huì)受到較大的約束，導(dǎo)致可用的時(shí)頻資源塊不充足且不連續(xù)，例如：時(shí)頻資源塊的間隔時(shí)間較長，每次有效傳輸窗的長度不確定等，因此需要考慮它對HARQ 操作和RLC 重傳操作的影響。如果支持RLC AM 無損傳輸模式，當(dāng)出現(xiàn)RLC 最大重傳失敗時(shí)，需要考慮UE 是否要觸發(fā)RRC 連接重建立過程，以重新進(jìn)入RRC_CONNECTED 狀態(tài)。此外，當(dāng)UE 有機(jī)會(huì)連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)塊TB Burst 的時(shí)候，UE 是否還要檢測RL 狀況，是否可能觸發(fā)無線鏈路失?。≧LF,Radio Link Failure），以及在連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中是否要引入新的RRC_INACTIVE 測量機(jī)制來滿足移動(dòng)性的需求，例如是否需要配置測量空隙measurement gap 及如何配置等。在RRC_INACTIVE 狀態(tài)下，這些異常情況的處理方式，可能和RRC_CONNECTED 狀態(tài)下的有所不同，因此，具體問題和處理機(jī)制還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

3GPP Rel-16 版本新引入2-step RACH 機(jī)制，它可有效減少UE 隨機(jī)接入的流程步數(shù)和時(shí)延開銷。針對用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)Small data 的傳輸，2-step RACH 機(jī)制也可被結(jié)合使用，從而進(jìn)一步縮短Small data 的傳輸延時(shí)。此外，在RRC_INACTIVE 下，UE 可能會(huì)觸發(fā)本地小區(qū)重選的過程（特別是傳輸能力異構(gòu)和跨節(jié)點(diǎn)的場景下），因而也需要考慮在小區(qū)重選發(fā)生后如何保證UE 緩存的PDCP SDU 數(shù)據(jù)包不被丟失。進(jìn)一步地，在UE 移動(dòng)場景下，由于有安全密鑰Key 更新的需求，通常認(rèn)為首傳伴隨RRC 信令發(fā)送更合理，但如果UE 一直駐留在被控制進(jìn)入RRC_INACTIVE 狀態(tài)的源錨點(diǎn)小區(qū)Anchor Node/Cell 內(nèi)，則也可以不伴隨發(fā)送RRC 信令，直接發(fā)送純的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)塊，這樣傳輸效率更高。

在多種“RRC_INACTIVE 狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制”都有效適用的情況下，基站需根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)先選用其中某種最佳的機(jī)制，并確定它們之間回退操作的優(yōu)先級關(guān)系。此外無論小微數(shù)據(jù)包的首傳還是后續(xù)傳輸，UE 都需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的條件，判決何時(shí)何地能啟動(dòng)哪種“RRC_INACTIVE 狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制”，或啟動(dòng)回退RRC Resume 恢復(fù)流程。上述判決需綜合考慮：當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸支持能力和資源配置情況、本地RL 質(zhì)量情況和UE 上行數(shù)據(jù)特性（例如：對延時(shí)/丟包率的要求和待傳剩余的數(shù)據(jù)量）等。

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口關(guān)鍵問題和技術(shù)

RAN3 的工作主要面向NG（基站和核心網(wǎng)間的接口），Xn（基站間的接口），F(xiàn)1（中心控制單元CU 和分布單元DU 間的接口），E1（中心控制單元CU 中控制面實(shí)體和用戶面實(shí)體間的接口）等網(wǎng)絡(luò)接口，以便為“控制面實(shí)體和用戶面實(shí)體間狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制”做相關(guān)的協(xié)議流程和功能適配。比如：在下行方向，NG接口可能需要增強(qiáng)Paging 流程和相關(guān)Small Data 數(shù)據(jù)傳輸策略的指示；F1 接口需要增強(qiáng)對gNB-DU 內(nèi)UE Context 上下文的預(yù)配置和維護(hù)，以讓gNB-DU 能識(shí)別收發(fā)的PDCP PDU 數(shù)據(jù)包；Xn 接口需要考慮在UE 跨基站移動(dòng)的場景下，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊向/ 從錨點(diǎn)基站Anchor Node 進(jìn)行前傳Data Forwarding 操作等。對于小數(shù)據(jù)包的前傳，既可通過傳統(tǒng)的GTP-U 專有隧道的方式，也可通過接口控制面消息攜帶的方式，比如：在相關(guān)消息中引入U(xiǎn)ser Data Container 等。如圖4 所示，在gNB-CU 和gNB-DU 分離的情況下，gNB-DU 內(nèi)需預(yù)配置有UE Context 上下文，才能對空口接收到的上行小數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼或?qū)1 接口下行小數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼等操作；gNB-CU 和gNB-DU 之間的數(shù)據(jù)前傳可按照傳統(tǒng)GTP-U 隧道或F1AP 消息隨路攜帶的方式。在UE錨點(diǎn)控制基站不改變（Non Anchor Relocation）場景下，類似地，服務(wù)UE 的當(dāng)前臨時(shí)收發(fā)基站Current gNB 也需要有UE Context 上下文，才能對接收到的上行小數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼或?qū)ο滦行?shù)據(jù)包進(jìn)行編碼等操作；Anchor gNB 和Current gNB 之間的數(shù)據(jù)前傳可按照傳統(tǒng)GTP-U 隧道或XnAP 消息隨路攜帶的方式。

圖4 gNB-CU和gNB-DU分離下RRC_INACTIVE小數(shù)據(jù)包傳輸和前傳

3 小微數(shù)據(jù)包傳輸潛在的增強(qiáng)技術(shù)

隨著Rel-17 RRC_INACTIVE 小微數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制即將被標(biāo)準(zhǔn)化引入，未來5G-NR 系統(tǒng)在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸方面，又多了一種選擇手段。對于非單個(gè)TB Burst 小數(shù)據(jù)量場景，到底是選擇RRC_INACTIVE 的某種數(shù)據(jù)傳輸新機(jī)制，還是回退使用傳統(tǒng)RRC_CONNECTED 的數(shù)據(jù)傳輸老機(jī)制，以及哪種方式的綜合傳輸效率更高且更省電節(jié)能，這些都還需要進(jìn)一步的量化研究對比（需要最終的標(biāo)準(zhǔn)化方案細(xì)節(jié)被確定）。如果選擇了RRC_INACTIVE 數(shù)據(jù)傳輸新方式，gNB 如何更精準(zhǔn)地進(jìn)行資源（預(yù)）分配和傳輸調(diào)度，這也需要進(jìn)一步仿真評估和算法迭代優(yōu)化。如前所述，利用UE 輔助信息，基站可更好地實(shí)現(xiàn)RRC（子）狀態(tài)管控和資源預(yù)配置，同時(shí)gNB 自身也可利用人工智能（AI,Artificial Intelligence）先進(jìn)算法，結(jié)合歷史管控調(diào)度信息，對UE 的Traffic 和Mobility Profile 進(jìn)行主動(dòng)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)基站的更智能管控和資源優(yōu)化利用。在PUR/CG Based 傳輸方式下，如果需支持特定UE 在多個(gè)基站或RAN 節(jié)點(diǎn)更大的物理范圍內(nèi)做PUR/CG Based 數(shù)據(jù)傳輸，則錨點(diǎn)基站Anchor gNB 需通過Xn 和F1 接口和它相鄰節(jié)點(diǎn)提前進(jìn)行PUR/CG 資源的協(xié)調(diào)和預(yù)配置，聯(lián)合協(xié)同完成預(yù)配置之后，再通過空口RRC 信令將配置下發(fā)給UE，這樣UE 才可在跨基站節(jié)點(diǎn)的更大物理范圍內(nèi)，自由地進(jìn)行PUR/CG Based 小微數(shù)據(jù)包主動(dòng)傳輸，如圖5 所示。

此外，在Xn 和F1 接口上數(shù)據(jù)前傳方面，由于RRC_CONNECTED 下都采用了UE 專有GTP-U 隧道的方式，對于小微數(shù)據(jù)包，這顯得有些低效浪費(fèi)，因此是否可采用公共共享的GTP-U 隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)前傳也值得進(jìn)一步研究。面向上述各種增強(qiáng)內(nèi)容，筆者認(rèn)為在Rel-17 標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間窗內(nèi)可能來不及完成，可在Rel-18 版本階段被進(jìn)一步研究討論并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。因此策略上，Rel-17 可先實(shí)現(xiàn)RRC_INACTIVE 小微數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ?，奠定行為方式和性能指?biāo)基線，而Rel-18 再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相關(guān)增強(qiáng)功能。

圖5 大物理范圍內(nèi)跨基站的小微數(shù)據(jù)包無縫傳輸

4 結(jié)論和展望

本文系統(tǒng)地回顧比較了過去幾種典型3GPP 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，在支持“小微數(shù)據(jù)包（塊）”高效無線傳輸方面的機(jī)制發(fā)展和演進(jìn)，總體上可印證結(jié)論：“無連接Connectionless”更適用于“小微數(shù)據(jù)包（塊）”的傳輸，但“無連接”設(shè)計(jì)在不同的移動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)有不同的落地體現(xiàn)。無論未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)為何種形態(tài)，包括在衛(wèi)星天地一體化網(wǎng)絡(luò)[14]中，都必須考慮對“小微數(shù)據(jù)包（塊）”高效無線傳輸?shù)闹С?，以避免資源低效和冗余的傳輸操作。不同于純粹的窄帶系統(tǒng)內(nèi)的“小微數(shù)據(jù)包（塊）”傳輸技術(shù)，面向未來的RRC_INACTIVE 小數(shù)據(jù)包傳輸技術(shù)需要考慮特定垂直行業(yè)用戶業(yè)務(wù)下，更小延時(shí)和更大待傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量的需求，同時(shí)還要考慮它和“大中數(shù)據(jù)包（塊）”傳輸機(jī)制在同一UE 內(nèi)的共存方案，以及不同傳輸機(jī)制之間的靈活切換。未來基于AI 算法的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量和移動(dòng)特征預(yù)測技術(shù)，可較好地輔助基站在各種傳輸機(jī)制之間進(jìn)行靈活選擇，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源效率、終端省電、控制信道開銷和信令減少等方面的平衡或按需取向，這對于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)廠商內(nèi)部算法的開發(fā)實(shí)現(xiàn)具有很大的意義，也將帶來很大的挑戰(zhàn)。在安全性能方面滿足的前提下，還可進(jìn)一步拓展研究UE 在RRC_IDLE 空閑態(tài)下高效傳輸“小微數(shù)據(jù)包（塊）”的新技術(shù)，這對某些類型的終端設(shè)備和業(yè)務(wù)需求也具有特定的意義價(jià)值。總之，“小微數(shù)據(jù)包（塊）”高效無線傳輸機(jī)制是一種反通信資源碎片化的高價(jià)值技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用范圍很廣，值得不斷地被研究提升和優(yōu)化。