5G网络中支持URLLC业务的数据复制传输技术

温萍萍

摘要：超高可靠超低时延通信作为5G移动通信网络的三大应用场景之一，对时延和可靠性有着严格的要求。数据复制传输技术在保证时延情况下能够提供高可靠性的传输。文章对该技术的基本原理以及第三代合作伙伴计划标准化的实现进行了介绍、分析和探讨。

关键词：URLLC；数据复制；载波聚合；双连接

1 概述

2015年，ITU正式定义了5G的3类典型应用场景：⑴增强型移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）。（2）大连接物联网（Massive Machine Type Communications，mMTC）。

（3）低时延、高可靠通信（Ultra Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。与此对应，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）也定义了5G应用的三大场景：eMBB，mMTC，URLLC。URLLC作为5G移动通信网络的三大应用场景之一，对于自动驾驶、增强现实（Augmented Reality，AR）、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、工业控制以及其他高度延迟敏感型业务的广泛应用非常关键。如果网络时延较高，URLLC类业务的正常运行就会受到影响，并会出现控制方面的误差，鉴于此，3GPP对URLLC的时延和可靠性方面的指标进行了定义[1]。

1.1 时延指标

URLLC业务的上下行用户面时延目标压低到0.5 ms。

1.2 可靠性指标

3GPP对可靠性定义有着明确定义[1]，即在特定时延内传送X字节数据包的成功率。这里的时延是指在特定信道质量条件下（如覆盖边缘），从无线接口协议层一端L2/3SDU（层2/3服务数据单元）入口到无线接口协议层另一端的L2/3 SDU出口間传送数据包的时延。URLLC可靠性要求为：用户面时延1 ms内，传送32字节包的可靠性为1?10_5。

根据调研分析，目前LTE网络没有办法满足URLLC业务时延需求。在目前已广泛部署的4G网络中，端到端时延在50?100 ms，比5G的时延要求大约高一个数量级。将端到端的时延进行切割，包括无线侧空口时延，从基站传输到回传网络的某个节点上之后进入回传网络，一直进入到核心网的时延。可以从两个角度进行考虑把时延缩短。一个是把空口时延缩短，另外一个要打破现有的网络架构，在新的网络架构上实现低时延、高可靠业务的服务。

在3GPP标准定义中，采用了多种技术来降低无线侧空口时延和提高可靠性，如采用灵活参数集、mini-slot（小时隙），无需grant（调度授权指令）的即时上行、快速调度来获得低时延，采用多连接、分集和鲁棒的物理层设计来获得高可靠性。其中基于载波聚合和双连接架构的数据复制传输被认为是一种能够在保证时延情况下提供高可靠性的传输模式，该传输方式是指相同数据包在不同的资源上通过不同的链路分别在用户终端和基站间进行传输，从而利用不同链路的分集增益，在接收端接收到多个数据包来增加正确接收的概率。在本文后续章节中，对数据复制传输的基本原理和系统实现进行了详细分析。

2 数据复制传输基本概念

在LTE系统中，通常通过无线链路控制（Radio LinkControl，RLC）层的自动重复请求（Automatic RepeatRequest，ARQ），媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层的混合自动请求重传（Hybrid Automatic RepeatRequest，HARQ）技术和层1的自适应调制编码（AdaptiveModulation and Coding，AMC）来保证数据传输的正确性，通过基站的调度来保证传输时延。HARQ使用停等协议来发送数据，在停等协议中，发送端发送一个数据包后，就停下来等待确认信息。接收端会使用1 bit的信息对该数据包进行肯定或否定的确认。但是每次传输后发送端停下来等待确认，会增加数据包的时延。RLC层确认模式（Acknowledgement Mode，AM）下的ARQ可以通过重传解决HARQ遗留的传输错误从而提高可靠性，但是该技术也会带来附加的重传时延，并且由于传输RLC状态报告会带来额外的信令。

数据复制传输方式是在高层并行地通过多个链路发送数据包，因此接收端能够以高概率正确接收数据包。数据复制可以有效地利用多链路的分集增益，避免单链路上的重传带来的时延，但由于复制传输需要传输多个相同的数据包，会消耗无线资源从而降低资源利用率。为了兼顾时延/可靠性要求以及无线资源利用率，一个有效的方法是在分组复制传输和单链路传输间进行快速切换，网络可以控制触发复制传输，当底层有传输失败可能的时候，复制传输功能将被开启，当单个链路具有良好的信道条件可以提供可靠的传输时，使用单链路而不需要通过数据复制来满足业务的可靠性，将会关闭复制传输功能[2-5]。

数据复制传输技术不仅可以支持URLLC业务满足其低时延高可靠性要求，还可以在切换过程中利用该技术，通过同时向源基站和目标基站传输复制数据包保证切换的鲁棒性。

3 数据复制传输的技术实现

根据3GPP会议讨论决议，支持分组数据汇聚协议（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）层的数据复制技术。如图1所示，发送端在PDCP层完成数据的复制，接收端在PDCP层接收到多个数据包时完成数据复制的移除和丢弃。选择在PDCP层完成数据复制的一个优点是对于双连接和载波聚合可以使用相同的协议层结构，都在PDCP层完成数据复制，从而减少标准化工作的工作量。

目前3GPP决定数据复用功能只支持一个复制链路，数据复用功能被配置后，对于一个无线承载，一个附加的RLC实体和逻辑信道将会映射到该无线承载，因此一个支持数据复用的无线承载将映射到两个不同的逻辑信道上，对应两个不同的RLC实体。PDCP层的数复制将一个PDCP协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）发送两次，一个发送给原始RLC实体，一个发送给附加RLC实体。通过两个独立的路径传输，数据复制可以提高可靠性的同时减少时延。当数据复制发生时，原始PDCP PDU和相应的复制PDCP PDU将不会在同一个载波上传输来实现频率分集增益，两个不同的逻辑信道可以属于相同的MAC实体（对于载波聚合场景）或者不同的MAC实体（对于双连接场景）。对于载波聚合场景，由于只支持一个MAC实体，要求基站侧的上下行调度器及复用模块考虑上述限制，在MAC层引入逻辑信道映射限制功能从而使得原始PDCP PDU和相应的复制PDCPPDU映射到不同的载波，从而保证通过不同HARQ实体独立的传输。当数据复用功能不激活时，这种逻辑信道映射限制将不再生效[3-4]。

数据复制传输的配置以数据无线承载（Data RadioBearer，DRB）为单位，每个DRB可以根据该无线承载的服务质量（Quality of Service，QoS）要求通过无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）信令独立配置是否支持数据复制功能。当一个用户支持多个业务的时候，不需要为所有业务都配置支持数据复制功能，只需要对时延和可靠性都有较高要求的业务（如URLLC业务）对应的DRB进行数据复制传输配置，通过这种灵活的配置，可以针对每个业务的不同QoS要求来分别提供满意的服务。即使对一个无线承载配置支持数据分组复制功能，发送端也并不是对所有数据包都执行数据复制传输。如前所述，因为数据传输只是在一定条件下才能发挥作用（如信道条件变差，重要数据包传输等），并且由于支持数据复制传输需要消耗双倍的无线资源，因此只有在需要数据复制传输时，网络才会开启该功能。基站根据各种测量和统计信息来决定是否开启关闭该功能，从而支持数据复制传输功能动态间断性工作。因为MAC层可以对信道条件的变化作出快速响应，3GPP会议决议使用MAC层信令（即复制激活/去激活MAC CE）对数据复制功能进行激活和去激活。复制激活/去激活MAC CE控制单元（Control Element，）包含一个字节，通过MAC PDU头中的逻辑信道识别符（Logical Channel ID，LCID）来识别，当LCID值为“111000”时，该MAC CE为复制激活/去激活MAC CE。如图2所示，复制激活/去激活具一个字节固定长度，其中7位D字节，一位R字节。D佣来指示DRBi的复制功能的状态，即去激活或者激活。Di设置为“1”，表示DRBi的PDCP数据复制功能被激活，Di设置为“0”，表示DRB i的PDCP数据复制功能被去激活。R bit是预留字节，被设置为 “0”。

无线信道条件短期的波动可能导致数据复制对应的不同链路间的相对性能的不平衡（比如，一个运行在毫米波的链路受到阻挡，其传输可能会发生错误），那么性能较坏的链路由于不能正确传输数据会引起数据包在缓存里堆积，如果复制传输对应的两个链路之间传输速率差异较大，一个链路缓存了大量数据，两个链路不能同步传输，当数据包在一个链路上第一次发送晚于该数据包在另一个链路的重传时，该数据包的传输已经失去意义，数据复制不能达到减少时延的目的，并且还会浪费无线资源。目前3GPP正在讨论该问题的解决方案，一个解决方法是在PDCP中引入定时器，当该数据包在一个链路上发送后，在一定时间内还没有从另一个链路上发送，那么就自动丢弃该数据包。

4 结语

在5G时代，数据业务的爆发式增长和多样化需求对网络性能提出了更高的要求，URLLC作为5G移动通信网络的三大应用场景之一，对于时延和可靠性指标都提出了严格的要求。3GPP采用了多种技术支持低时延高可靠类业务，本文分析和探讨了数据复制传输方式，该技术在保证时延情况下能够提供高可靠性的传输，3GPP已经基本完成了标准化定义工作，提出了灵活的协议结构来支持动态的激活/去激活数据复制功能。值得注意的是，复制功能在一定的条件和场景下具有性能增益，但是在一定条件下不能提供增益并且消耗双倍的无线资源会严重影响整个系统性能。因此，在未来的研究工作中，需要评估影响配置复制功能的各种因素以及支持数据复制功能的场景和条件，从而在满足URLLC性能要求的同时获得系统的最大吞吐量性能。

[參考文献]

[1]3GPP TS38.913. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[EB/OL].（2017-06-30）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[2]3GPP TS38.300.NR； NR and NG-RAN overall description[EB/OL].（2018-01-30）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[3]3GPP TS38.321.NR； Medium Access Control（MAC）protocol specification[EB/OL]（2017-11-20）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

[4]3GPP TSG.R2-1707602.Report of 3GPP TSG RAN WG2 NR AdHoc#2 meeting[EB/OL].（2017-06-30）[2018-04-28]. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_99/Docs.

[5]3GPP TSG.R2-1710001.Report of 3GPP TSG RAN2#99 meeting[EB/OL].（2017-08-25）[2018-04-28].http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_99/Report.