uRLLC中PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸及增強(qiáng)研究

邵延峰

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200331；2.中國電科新一代移動(dòng)通信創(chuàng)新中心，上海 200331）

0 引言

uRLLC（ultra-Reliable and Low-Latency Communication，高可靠低時(shí)延通信）作為5G三大典型應(yīng)用場(chǎng)景之一，主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求[1]。uRLLC突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)速率的追求，低時(shí)延、高可靠成為其兩大核心指標(biāo)，從性能上表現(xiàn)為毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證[1]。

為了滿足uRLLC數(shù)據(jù)傳輸中的高可靠性需求，3GPP RAN2在標(biāo)準(zhǔn)化過程中確定了PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸機(jī)制。3GPP在R15版本已支持空口鏈路上數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)幕A(chǔ)上，在R16版本中進(jìn)行了增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃訹4-5]。本文針對(duì)CA（Carrier Aggregation，載波聚合）和DC（Dual Connectivity，雙連接）兩種場(chǎng)景，對(duì)uRLLC中的PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸及增強(qiáng)進(jìn)行了研究。

1 PDCP功能分析

1.1 NR協(xié)議架構(gòu)分析

數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸主要體現(xiàn)在NR（NewRadio，新無線）上，NR協(xié)議架構(gòu)如圖1所示[4-5]。NR協(xié)議架構(gòu)分為控制面部分和用戶面部分，其中PHY（Physical，物理）層、MAC（MediumAccessControl，媒體接入控制）層、RLC（RadioLinkControl、無線鏈路控制）層、PDCP層是控制面部分和用戶面部分共享的。不同之處是控制面協(xié)議的PDCP層上面是RRC（Radio ResourceControl，無線資源控制）層，用戶面協(xié)議的PDCP層上面是SDAP（Service DataAdaptationProtocol，服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議）。

圖1 NR協(xié)議架構(gòu)

無論是用戶面還是控制面協(xié)議棧，PDCP層都是IP體系和空口體系的“分水嶺”[10]，對(duì)上層控制面的RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）層和用戶面的SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議）層提供無線承載級(jí)的服務(wù)，對(duì)下層RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）之間通過RLC信道交互。

1.2 PDCP功能分析

PDCP層扮演者連接無線和高層的角色。PDCP層將高層的IP數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)換為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議數(shù)據(jù)分組，以適應(yīng)無線傳輸信道特性[8]。具體包括IP數(shù)據(jù)分組頭壓縮降低協(xié)議開銷、用戶和控制數(shù)據(jù)加密及完整性保護(hù)、重傳排序/復(fù)制發(fā)送提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。功能流程如圖2所示[6]：

圖2 NR PDCP層功能示意圖

（1）高層數(shù)據(jù)到達(dá)PDCP層會(huì)被分配COUNT號(hào)，并啟動(dòng)針對(duì)該SDU的Discard Timer；

（2）對(duì)數(shù)據(jù)承載進(jìn)行頭壓縮和完整性保護(hù)；

（3）增加PDCP頭；

（4）如果建立了分割承載，將數(shù)據(jù)路由到正確的鏈路上。

PDCP層結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[6]。

圖3 NR PDCP層結(jié)構(gòu)

PDCP層由多個(gè)PDCP實(shí)體組成，每個(gè)實(shí)體對(duì)應(yīng)處理一個(gè)SRB（Signaling Radio Bearer，信令無線承載）或DRB（Data Radio Bearer，信令無線承載）。發(fā)送端基于上層請(qǐng)求建立針對(duì)某一個(gè)RB（Radio Bearer，無線承載）的PDCP實(shí)體，并根據(jù)RB特征（單向/雙向或分離/非分離）以及RLC模式，一個(gè)PDCP實(shí)體可以關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè)RLC實(shí)體。當(dāng)PDCP數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能激活時(shí)，一個(gè)PDCP實(shí)體需要關(guān)聯(lián)兩個(gè)RLC實(shí)體。

總之，PDCP就像一堵“防火墻”，對(duì)下屏蔽了空口協(xié)議對(duì)高層的影響，確?？煽啃浴踩院捅Ｃ苄?；對(duì)上屏蔽了高層對(duì)空口的影響，降低了協(xié)議開銷[8]。

2 R15下的PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸

3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義中，采用了靈活幀結(jié)構(gòu)、短時(shí)隙調(diào)度、免調(diào)度傳輸?shù)葋慝@得低時(shí)延，采用多連接、分集和魯棒的物理層設(shè)計(jì)來獲得高可靠。而基于CA和DC架構(gòu)的數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸利用不同鏈路的分集增益在接收端接收多個(gè)相同數(shù)據(jù)包以提升正確接收率，而被認(rèn)為是一種能夠在保證時(shí)延情況下提供高可靠性的傳輸模式。在R15版本，3GPP RAN2為了初步滿足uRLLC數(shù)據(jù)傳輸中的高可靠性需求，在標(biāo)準(zhǔn)化過程中確定了PDCP協(xié)議在數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸?shù)臋C(jī)制[9]。對(duì)于CA和DC而言，選擇在PDCP層完成數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸機(jī)制，可以使用相同的協(xié)議層結(jié)構(gòu)，減少了標(biāo)準(zhǔn)化工作的工作量。

對(duì)于SRB，復(fù)制傳輸?shù)臓顟B(tài)始終為激活態(tài)。對(duì)于DRB，激活態(tài)是網(wǎng)絡(luò)通過RRC信令或者M(jìn)AC CE的方式進(jìn)行開啟/關(guān)閉的[9]?；究筛鶕?jù)各種測(cè)量和統(tǒng)計(jì)信息決定是否開啟/關(guān)閉該功能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能的動(dòng)態(tài)性間歇性工作。由于MAC層可以對(duì)信道條件變化作出快速響應(yīng)，還可以使用MAC信令（復(fù)制激活/復(fù)制去激活MAC CE）對(duì)數(shù)據(jù)復(fù)制功能進(jìn)行激活和去激活。開啟時(shí)，會(huì)為PDCP實(shí)體增加一個(gè)RLC實(shí)體，這樣PDCP實(shí)體就會(huì)關(guān)聯(lián)主RLC實(shí)體和輔RLC實(shí)體，及主RLC邏輯信道和輔RLC邏輯信道。PDCP數(shù)據(jù)報(bào)文和復(fù)制PDCP數(shù)據(jù)報(bào)文分別在兩個(gè)獨(dú)立的傳輸路徑傳送，增加可靠性的同時(shí)，也減少了PDCP重發(fā)造成的時(shí)延。為了節(jié)省物理資源，如果一個(gè)RLC實(shí)體確認(rèn)PDCP數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送成功，會(huì)告知PDCP實(shí)體。PDCP實(shí)體再通知另一個(gè)RLC實(shí)體丟棄復(fù)制的PDCP數(shù)據(jù)報(bào)文。若此時(shí)復(fù)制的PDCP報(bào)文已經(jīng)發(fā)給MAC，接收方PDCP實(shí)體會(huì)根據(jù)SN號(hào)完成冗余包鑒別，并丟棄重復(fù)的PDCP報(bào)文[6]。

在未激活或者去激活PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸時(shí)，主RLC實(shí)體和邏輯信道仍然會(huì)承擔(dān)數(shù)據(jù)包的傳輸工作，而輔RLC實(shí)體和邏輯信道不被用于數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸。在雙連接場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸處于未激活/去激活時(shí)，終端連接狀態(tài)可選地回退到分離承載狀態(tài)，即兩個(gè)RLC實(shí)體和對(duì)應(yīng)的邏輯信道可為此DRB傳輸序列號(hào)不同的PDCP數(shù)據(jù)包，可達(dá)到提高終端吞吐量的目的。

PDCP層在數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸狀態(tài)時(shí)需要的兩個(gè)RCL實(shí)體不一定在不同的MAC實(shí)體上。主RLC實(shí)體和輔RLC實(shí)體在相同的MAC實(shí)體上，即為CA復(fù)制傳輸；若在不同的MAC實(shí)體上，即為DC復(fù)制傳輸，如圖4所示[6]。PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸開啟后，在CA場(chǎng)景下，傳輸端的SRB/DRB上的數(shù)據(jù)包可在為此SRB/DRB配置的兩個(gè)RLC實(shí)體對(duì)應(yīng)的邏輯信道上進(jìn)行傳輸，最后由MAC組建MAC PDU時(shí)將其映射到對(duì)應(yīng)不同載波的傳輸資源上。在DC場(chǎng)景下，傳輸端的主RLC實(shí)體和輔RLC實(shí)體會(huì)將相同的數(shù)據(jù)包通過不同的MAC實(shí)體發(fā)送給終端。

圖4 2個(gè)RLC實(shí)體下的數(shù)據(jù)傳輸復(fù)制

在網(wǎng)絡(luò)和終端都支持的情況，SRB和DRB都可以配置成載波聚合復(fù)制傳輸或雙連接復(fù)制傳輸。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)一個(gè)用戶支持多個(gè)業(yè)務(wù)的時(shí)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(duì)時(shí)延和可靠性都有較高要求的業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的DRB進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸配置。為了平衡時(shí)延/可靠性要求以及無線資源利用率間的矛盾，也無需對(duì)高可靠業(yè)務(wù)一直進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸，但要能在分組復(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】赡軙r(shí)，復(fù)制傳輸功能會(huì)被開啟；當(dāng)單個(gè)鏈路具有良好的信道條件可以滿足可靠指標(biāo)要求時(shí)，使用單鏈路并關(guān)閉復(fù)制傳輸功能。此外，數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸技術(shù)還可以在切換過程中，通過同時(shí)向源基站和目標(biāo)基站傳輸復(fù)制數(shù)據(jù)包保證切換的用戶良好體驗(yàn)。

3 R16下的PDCP數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸增強(qiáng)

3.1 基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備指令

為了滿足工業(yè)以太網(wǎng)更嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求，在R16 NR標(biāo)準(zhǔn)化過程中，提出了允許終端在PDCP復(fù)制傳輸激活態(tài)下使用多于兩條RLC傳輸鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)包復(fù)制傳輸?shù)男枨螅试S網(wǎng)絡(luò)為終端配置最多4條RLC傳輸鏈路用于同時(shí)傳輸復(fù)制的數(shù)據(jù)包[7]，兩種可能的架構(gòu)如圖5所示[9]。

圖5 4個(gè)RLC實(shí)體下的數(shù)據(jù)傳輸復(fù)制

具體實(shí)施時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通過RRC信令為終端配置與各個(gè)DRB相關(guān)的RLC傳輸鏈路。在該承載對(duì)應(yīng)的PDCPConfig IE中配置了PDCP-Duplication IE，即認(rèn)為終端配置了傳輸復(fù)制。對(duì)于SRB，PDCP-Duplication IE為1，所有相關(guān)RLC實(shí)體都為激活態(tài)；對(duì)于DRB，需要進(jìn)一步明確RRC為DRB配置的各個(gè)RLC實(shí)體的傳輸復(fù)制是否為激活態(tài)。這主要通過R16為終端提供多于2條RLC復(fù)制傳輸鏈路配置新引入的moreThanTwoRLC-r16 IE中的duplicationState IE實(shí)現(xiàn)。

與R15 NR類似，網(wǎng)絡(luò)為終端配置回退至分離承載的選項(xiàng)：在moreThanTwoRLC-r16 IE中可以配置對(duì)應(yīng)于分離承載的邏輯信道ID。此時(shí)，終端只能在該主傳輸鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

RRC配置完成后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信道情況的偵測(cè)或者終端反饋的信道情況，網(wǎng)絡(luò)可動(dòng)態(tài)地為終端變換當(dāng)前激活的傳輸鏈路。R16中新引入了一個(gè)RLC激活/去激活的MAC CE，可用于動(dòng)態(tài)地變換當(dāng)前激活的RLC復(fù)制傳輸鏈路。

3.2 基于終端自主

終端發(fā)現(xiàn)主傳輸鏈路的信道條件、HARQ反饋情況或數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延等參考信息滿足一定條件的情況下，第一時(shí)間自主決定當(dāng)前復(fù)制傳輸激活狀態(tài)，繼而將激活的傳輸鏈路預(yù)先配置到上行半靜態(tài)調(diào)度資源上，復(fù)制傳輸就會(huì)變得更加具有實(shí)時(shí)性和時(shí)效性。但此種方案可能會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)造成較大影響，也會(huì)在復(fù)制傳輸時(shí)出現(xiàn)短時(shí)的不匹配情況[9]。目前，終端、芯片廠商為首的支持派與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商為首的反對(duì)派僵持不下，標(biāo)準(zhǔn)討論方面處于暫時(shí)推遲狀態(tài)。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能適用于對(duì)時(shí)延和可靠性有較高要求的業(yè)務(wù)，由于支持該功能需要消耗雙倍的無線資源，因此即使無線承載配置支持?jǐn)?shù)據(jù)功能，發(fā)送端也不是對(duì)所有數(shù)據(jù)包都執(zhí)行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸功能，只有在一定條件下（如信道條件變差、重要數(shù)據(jù)包傳輸?shù)龋┎艈⒂?。因此評(píng)估影響復(fù)制功能的各種因素以及支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制功能的場(chǎng)景和條件，在滿足uRLLC性能要求的同時(shí)獲得系統(tǒng)最大吞吐量性能是未來研究的工作之一。