uRLLC中PDCP数据复制传输及增强研究

邵延峰

（1.中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200331；2.中国电科新一代移动通信创新中心，上海 200331）

0 引言

uRLLC（ultra-Reliable and Low-Latency Communication，高可靠低时延通信）作为5G三大典型应用场景之一，主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求[1]。uRLLC突破传统网络对速率的追求，低时延、高可靠成为其两大核心指标，从性能上表现为毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证[1]。

为了满足uRLLC数据传输中的高可靠性需求，3GPP RAN2在标准化过程中确定了PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）数据复制传输机制。3GPP在R15版本已支持空口链路上数据复制传输的基础上，在R16版本中进行了增强，进一步提高了业务传输的可靠性[4-5]。本文针对CA（Carrier Aggregation，载波聚合）和DC（Dual Connectivity，双连接）两种场景，对uRLLC中的PDCP数据复制传输及增强进行了研究。

1 PDCP功能分析

1.1 NR协议架构分析

数据实现可靠传输主要体现在NR（NewRadio，新无线）上，NR协议架构如图1所示[4-5]。NR协议架构分为控制面部分和用户面部分，其中PHY（Physical，物理）层、MAC（MediumAccessControl，媒体接入控制）层、RLC（RadioLinkControl、无线链路控制）层、PDCP层是控制面部分和用户面部分共享的。不同之处是控制面协议的PDCP层上面是RRC（Radio ResourceControl，无线资源控制）层，用户面协议的PDCP层上面是SDAP（Service DataAdaptationProtocol，服务数据适配协议）。

图1 NR协议架构

无论是用户面还是控制面协议栈，PDCP层都是IP体系和空口体系的“分水岭”[10]，对上层控制面的RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）层和用户面的SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议）层提供无线承载级的服务，对下层RLC（Radio Link Control，无线链路控制）之间通过RLC信道交互。

1.2 PDCP功能分析

PDCP层扮演者连接无线和高层的角色。PDCP层将高层的IP数据分组转换为移动通信网络的协议数据分组，以适应无线传输信道特性[8]。具体包括IP数据分组头压缩降低协议开销、用户和控制数据加密及完整性保护、重传排序/复制发送提高数据传输可靠性。功能流程如图2所示[6]：

图2 NR PDCP层功能示意图

（1）高层数据到达PDCP层会被分配COUNT号，并启动针对该SDU的Discard Timer；

（2）对数据承载进行头压缩和完整性保护；

（3）增加PDCP头；

（4）如果建立了分割承载，将数据路由到正确的链路上。

PDCP层结构图如图3所示[6]。

图3 NR PDCP层结构

PDCP层由多个PDCP实体组成，每个实体对应处理一个SRB（Signaling Radio Bearer，信令无线承载）或DRB（Data Radio Bearer，信令无线承载）。发送端基于上层请求建立针对某一个RB（Radio Bearer，无线承载）的PDCP实体，并根据RB特征（单向/双向或分离/非分离）以及RLC模式，一个PDCP实体可以关联一个或多个RLC实体。当PDCP数据复制传输功能激活时，一个PDCP实体需要关联两个RLC实体。

总之，PDCP就像一堵“防火墙”，对下屏蔽了空口协议对高层的影响，确保可靠性、安全性和保密性；对上屏蔽了高层对空口的影响，降低了协议开销[8]。

2 R15下的PDCP数据包复制传输

3GPP标准定义中，采用了灵活帧结构、短时隙调度、免调度传输等来获得低时延，采用多连接、分集和鲁棒的物理层设计来获得高可靠。而基于CA和DC架构的数据复制传输利用不同链路的分集增益在接收端接收多个相同数据包以提升正确接收率，而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。在R15版本，3GPP RAN2为了初步满足uRLLC数据传输中的高可靠性需求，在标准化过程中确定了PDCP协议在数据包复制传输的机制[9]。对于CA和DC而言，选择在PDCP层完成数据复制传输机制，可以使用相同的协议层结构，减少了标准化工作的工作量。

对于SRB，复制传输的状态始终为激活态。对于DRB，激活态是网络通过RRC信令或者MAC CE的方式进行开启/关闭的[9]。基站可根据各种测量和统计信息决定是否开启/关闭该功能，从而实现数据复制传输功能的动态性间歇性工作。由于MAC层可以对信道条件变化作出快速响应，还可以使用MAC信令（复制激活/复制去激活MAC CE）对数据复制功能进行激活和去激活。开启时，会为PDCP实体增加一个RLC实体，这样PDCP实体就会关联主RLC实体和辅RLC实体，及主RLC逻辑信道和辅RLC逻辑信道。PDCP数据报文和复制PDCP数据报文分别在两个独立的传输路径传送，增加可靠性的同时，也减少了PDCP重发造成的时延。为了节省物理资源，如果一个RLC实体确认PDCP数据报文发送成功，会告知PDCP实体。PDCP实体再通知另一个RLC实体丢弃复制的PDCP数据报文。若此时复制的PDCP报文已经发给MAC，接收方PDCP实体会根据SN号完成冗余包鉴别，并丢弃重复的PDCP报文[6]。

在未激活或者去激活PDCP数据包复制传输时，主RLC实体和逻辑信道仍然会承担数据包的传输工作，而辅RLC实体和逻辑信道不被用于数据包复制传输。在双连接场景下，数据包复制传输处于未激活/去激活时，终端连接状态可选地回退到分离承载状态，即两个RLC实体和对应的逻辑信道可为此DRB传输序列号不同的PDCP数据包，可达到提高终端吞吐量的目的。

PDCP层在数据复制传输状态时需要的两个RCL实体不一定在不同的MAC实体上。主RLC实体和辅RLC实体在相同的MAC实体上，即为CA复制传输；若在不同的MAC实体上，即为DC复制传输，如图4所示[6]。PDCP数据包复制传输开启后，在CA场景下，传输端的SRB/DRB上的数据包可在为此SRB/DRB配置的两个RLC实体对应的逻辑信道上进行传输，最后由MAC组建MAC PDU时将其映射到对应不同载波的传输资源上。在DC场景下，传输端的主RLC实体和辅RLC实体会将相同的数据包通过不同的MAC实体发送给终端。

图4 2个RLC实体下的数据传输复制

在网络和终端都支持的情况，SRB和DRB都可以配置成载波聚合复制传输或双连接复制传输。但在实际应用过程中，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对应的DRB进行数据复制传输配置。为了平衡时延/可靠性要求以及无线资源利用率间的矛盾，也无需对高可靠业务一直进行数据复制传输，但要能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时，复制传输功能会被开启；当单个链路具有良好的信道条件可以满足可靠指标要求时，使用单链路并关闭复制传输功能。此外，数据复制传输技术还可以在切换过程中，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用户良好体验。

3 R16下的PDCP数据包复制传输增强

3.1 基于网络设备指令

为了满足工业以太网更严苛的数据传输可靠性要求，在R16 NR标准化过程中，提出了允许终端在PDCP复制传输激活态下使用多于两条RLC传输链路进行数据包复制传输的需求，允许网络为终端配置最多4条RLC传输链路用于同时传输复制的数据包[7]，两种可能的架构如图5所示[9]。

图5 4个RLC实体下的数据传输复制

具体实施时，网络通过RRC信令为终端配置与各个DRB相关的RLC传输链路。在该承载对应的PDCPConfig IE中配置了PDCP-Duplication IE，即认为终端配置了传输复制。对于SRB，PDCP-Duplication IE为1，所有相关RLC实体都为激活态；对于DRB，需要进一步明确RRC为DRB配置的各个RLC实体的传输复制是否为激活态。这主要通过R16为终端提供多于2条RLC复制传输链路配置新引入的moreThanTwoRLC-r16 IE中的duplicationState IE实现。

与R15 NR类似，网络为终端配置回退至分离承载的选项：在moreThanTwoRLC-r16 IE中可以配置对应于分离承载的逻辑信道ID。此时，终端只能在该主传输链路上进行数据传输。

RRC配置完成后，根据网络对信道情况的侦测或者终端反馈的信道情况，网络可动态地为终端变换当前激活的传输链路。R16中新引入了一个RLC激活/去激活的MAC CE，可用于动态地变换当前激活的RLC复制传输链路。

3.2 基于终端自主

终端发现主传输链路的信道条件、HARQ反馈情况或数据包传输时延等参考信息满足一定条件的情况下，第一时间自主决定当前复制传输激活状态，继而将激活的传输链路预先配置到上行半静态调度资源上，复制传输就会变得更加具有实时性和时效性。但此种方案可能会对网络设备的控制权造成较大影响，也会在复制传输时出现短时的不匹配情况[9]。目前，终端、芯片厂商为首的支持派与网络设备厂商为首的反对派僵持不下，标准讨论方面处于暂时推迟状态。

4 结束语

数据复制传输功能适用于对时延和可靠性有较高要求的业务，由于支持该功能需要消耗双倍的无线资源，因此即使无线承载配置支持数据功能，发送端也不是对所有数据包都执行数据复制传输功能，只有在一定条件下（如信道条件变差、重要数据包传输等）才启用。因此评估影响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，在满足uRLLC性能要求的同时获得系统最大吞吐量性能是未来研究的工作之一。