林高全,鄭海彤,陳嘉敏
(廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510630)
自動(dòng)駕駛、智能制造、遠(yuǎn)程控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1-5],對無線通信技術(shù)特別是5G 網(wǎng)絡(luò)提出了很大的挑戰(zhàn),如何保證低時(shí)延、高可靠性成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的必要條件,業(yè)界以及標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)開始積極布局研究如何支持這些未來的業(yè)務(wù),3GPP 是其中的主要標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)者。3GPP TR 38.913[6]針對5G 業(yè)務(wù)用戶面空口時(shí)延要求是:對eMBB(Enhanced Mobile Broadband,增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶),上行與下行的用戶面時(shí)延目標(biāo)都是4 ms;對URLLC(Ultra Reliable &Low Latency Communication,低時(shí)延高可靠通信),上行與下行的用戶面時(shí)延目標(biāo)都是0.5 ms。對于空口時(shí)延的定義也參見3GPP TR 38.913 中7.5 User plane latency 章節(jié),其中空口單向時(shí)延定義為5G 基站gNB(gNode B)到UE(User Equipment,用戶終端)之間(即下行)或UE 到gNB 之間(即上行)的PDCP(Packet Data Convergence Protocol)-PDCP 的單向時(shí)延。另外,3GPP TR 38.913 中7.9 Reliability 章節(jié)將時(shí)延可靠性定義為5G 基站gNB(gNode B)到用戶終端(UE)之間(即下行)或UE 到gNB 之間(即上行)的PDCPPDCP 的傳輸用戶數(shù)據(jù)的單向時(shí)延在某一范圍內(nèi)的成功概率。目前3GPP 只是定義了時(shí)延需求,但沒有給出怎么測量這個(gè)單向時(shí)延以及可靠性檢測的方法。因此,本文主要涉及這個(gè)單向時(shí)延的測量,并解決空口單向時(shí)延可靠性的可測量問題。
3GPP 在LTE(Long Time Evolution,長期演進(jìn))協(xié)議TS 36.314[7]中定義了下行時(shí)延測量,即為基站eNode B 的PDCP 層從上層收到數(shù)據(jù)包開始到該數(shù)據(jù)包最后部分(如果被分片)被UE 接收到并HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest,混合自動(dòng)重傳)反饋信息被基站接收到為止的時(shí)長。
3GPP 在LTE 協(xié)議TS 36.314 中也定義了上行PDCP時(shí)延測量(即在PDCP 層[8]的排隊(duì)處理時(shí)延),即從上層數(shù)據(jù)包到達(dá)終端UE 的PDCP 層開始到傳遞給UE 的RLC(Radio Link Control,無線鏈路控制層)的時(shí)長。
LTE 標(biāo)準(zhǔn)定義的上行時(shí)延是在UE 側(cè)的排隊(duì)等待時(shí)延,而下行時(shí)延是基站側(cè)PDCP 層收到數(shù)據(jù)包開始到基站收到該數(shù)據(jù)包的HARQ 反饋為止的時(shí)延,與5G 空口單向時(shí)延的定義不一致,僅僅是測量了部分分段時(shí)延,具體差別示意圖如圖1所示。其中,綠色線表示5G定義的空口下行單向時(shí)延(空口上行單向時(shí)延只需反向即可);紅色線表示LTE 定義的下行時(shí)延測量;藍(lán)色線表示LTE 定義的上行時(shí)延測量。
圖1 LTE時(shí)延與5G單向時(shí)延定義差別示意圖
5G 標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 38.314[9]定義UE 側(cè)的上行排隊(duì)時(shí)延測量為從數(shù)據(jù)包到達(dá)PDCP 層到上行調(diào)度被授權(quán)傳輸?shù)臅r(shí)長,包括了UE 獲取授權(quán)資源的時(shí)延,即從發(fā)送SR/RACH(Scheduling Request/Random Access Channel,調(diào)度請求/ 隨機(jī)接入信道)到獲得第一次授權(quán)。
3GPP TS 38.314[9]定義的RAN(Radio Access Network,無線電接入網(wǎng))側(cè)的下行分組時(shí)延測量包括[10](單位都是0.1 ms):
(1)下行空口時(shí)延D1;
(2)下行g(shù)NB-DU(gNode B-Distributed Unit)時(shí)延D2;
(3)下行F1 用戶面接口(F1-U)時(shí)延D3;
(4)下行CU-UP(Centralized Unit-User Plane)時(shí)延D4。
3GPP TS 38.314[9]定義的RAN 側(cè)與UE 側(cè)的上行分組時(shí)延測量包括(單位都是0.1 ms):
(1)上行PDCP 分組平均時(shí)延D1;
(2)平均空口時(shí)延D2.1;
(3)平均RLC 時(shí)延D2.2;
(4)平均上行F1 用戶面接口(F1-U)時(shí)延D2.3;
(5)平均PDCP 重排序時(shí)延D2.4。
說明:對于非CU-DU(Centralized Unit-Distributed Unit,中心單元-分布單元)分離場景[11-12],RAN 側(cè)沒有FI-U 接口的時(shí)延,即沒有D2.3 和D3 這兩部分時(shí)延。
從以上5G 標(biāo)準(zhǔn)定義的上行與下行時(shí)延來看,也不符合3GPP TR 38.913 中5G 空口單向時(shí)延的定義,僅僅是定義了各分段的時(shí)延。上行時(shí)延定義的差別示意圖具體如圖2 所示。其中,綠色線表示5G 定義的空口上行單向時(shí)延;紅色線表示5G 定義的各分段上行時(shí)延測量。
圖2 5G上行分段時(shí)延與5G空口單向時(shí)延定義的差別示意圖
下行時(shí)延定義的差別示意圖具體如圖3 所示。其中,綠色線表示5G 定義的空口下行單向時(shí)延;紅色線表示5G 定義的各分段下行時(shí)延測量。
圖3 5G下行分段時(shí)延與5G空口單向時(shí)延定義的差別示意圖
根據(jù)3GPP TS 36.314 可知,現(xiàn)有LTE 標(biāo)準(zhǔn)[13-14]只是從可運(yùn)維的角度定義了LTE 在eNB 可以測量下行往返時(shí)延,而在UE 可以測量上行數(shù)據(jù)包在PDCP 的排隊(duì)處理時(shí)延,這兩個(gè)時(shí)延要么是部分時(shí)延,要么是含往返時(shí)延,不能作為真實(shí)的空口單向時(shí)延。
根據(jù)3GPP TS 38.314 可知,現(xiàn)有5G 標(biāo)準(zhǔn)只是從分段時(shí)延可測量的角度定義了5G 的各段時(shí)延。雖然可以用各分段時(shí)延相加獲得大致測量5G 上行或者下行的空口單向時(shí)延,但是由于各分段時(shí)延是已經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均的,所以沒有辦法進(jìn)行空口單向時(shí)延的可靠性測量,且得到的還只是一個(gè)大致的單向時(shí)延統(tǒng)計(jì)而非精確的測量結(jié)果(因?yàn)樯舷滦卸己瞬糠滞禃r(shí)延)。另一方面,特別是5G URLLC 要求的5 個(gè)9 的高可靠性保證,需要具備測量每個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的空口單向時(shí)延才能進(jìn)行可靠性測量。因此,本文提出了一種通用可行的5G 空口單向時(shí)延及其可靠性測量的技術(shù)方案。
隨著云的思路在無線網(wǎng)絡(luò)的逐漸應(yīng)用,傳統(tǒng)的一體化基站[15]開始向云化基站演變,即中心單元(CU)集中控制無線分布單元(DU),并且把部分用戶面功能如PDCP上移到CU 內(nèi),因此下面針對傳統(tǒng)一體化基站場景與云化(Cloud-RAN)場景分別設(shè)計(jì)了兩種空口單向時(shí)延的測量方法,并給出了兩種場景都適用的時(shí)延可靠性的測量方法。
在傳統(tǒng)的一體化基站場景,由于基站的PDCP[16]、RLC[17]、MAC[18]子層與物理層[12]在同一個(gè)站點(diǎn)內(nèi),整個(gè)空口協(xié)議層都能夠感知相互的時(shí)間信息,因此可以考慮使用幀/子幀/時(shí)隙偏移來作為時(shí)間測量量。由于基站與UE 都是幀同步的[19],因此可以認(rèn)為UE 與基站的時(shí)間參考基準(zhǔn)完全一致。
針對下行空口時(shí)延測量,在上層PDCP SDU(Service Data Unit)數(shù)據(jù)包進(jìn)入gNB 的PDCP 層時(shí),記錄時(shí)間戳,這個(gè)時(shí)間戳可以是幀/ 子幀/ 時(shí)隙偏移格式,也可以是相對時(shí)間格式(可以用整數(shù)表示),為了區(qū)分采用的是哪一種時(shí)間格式,可增加一個(gè)標(biāo)志來區(qū)分。針對每個(gè)PDCP SDU 數(shù)據(jù)包,在組裝PDCP PDU(Protocol Data Unit)頭中時(shí),把這個(gè)時(shí)間戳信息以及區(qū)分標(biāo)志同時(shí)記錄在該P(yáng)DU 頭中,并通過空口傳遞給UE,UE 側(cè)的PDCP 層根據(jù)標(biāo)志字段處理并記錄這個(gè)時(shí)間戳格式,且在該P(yáng)DCP SDU 發(fā)送到上層應(yīng)用時(shí)得到的時(shí)刻點(diǎn),計(jì)算下行空口時(shí)延;UE 計(jì)算的下行空口時(shí)延需要上報(bào)給gNB 用于日志或者話統(tǒng)統(tǒng)計(jì),上報(bào)方式可以是業(yè)務(wù)包級上報(bào),也可以是周期性或者事件性統(tǒng)計(jì)上報(bào)。
同理,針對上行空口時(shí)延測量,在上層PDCP SDU數(shù)據(jù)包進(jìn)入U(xiǎn)E 的PDCP 層時(shí)記錄時(shí)間戳,這個(gè)時(shí)間戳可以是幀/ 子幀/ 時(shí)隙偏移格式,也可以是相對或絕對時(shí)間格式(可以用整數(shù)表示),且通過一個(gè)標(biāo)志區(qū)分,并把記錄在PDCP PDU 頭中的時(shí)間戳與標(biāo)志字段傳遞給gNB,gNB 的PDCP 層根據(jù)標(biāo)志字段處理并記錄這個(gè)時(shí)間戳格式,在PDCP SDU 發(fā)送到上層時(shí)計(jì)算上行空口時(shí)延;同時(shí),gNB 統(tǒng)計(jì)上行空口時(shí)延并通過日志或者話統(tǒng)呈現(xiàn)。
使用幀號(hào)/ 子幀號(hào)/ 時(shí)隙偏移作為時(shí)間戳格式與使用相對時(shí)間格式的時(shí)延測量有明顯的差異,下面將針對采用幀號(hào)/ 子幀號(hào)/ 時(shí)隙偏移時(shí)間戳格式傳遞時(shí)的下行空口時(shí)延測量方法進(jìn)行描述。對于采用相對時(shí)間格式的測量方法,可參考2.2 節(jié)。
圖4 是5G 空口的系統(tǒng)幀號(hào)(SFN)、子幀號(hào)(SSFN)與時(shí)隙偏移時(shí)間結(jié)構(gòu)示意圖。由此可知,可以通過幀號(hào)/子幀號(hào)/ 時(shí)隙偏移來表示時(shí)間點(diǎn),它們可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景對時(shí)延精度的要求來選擇不同的比特?cái)?shù),本文僅以幀號(hào)占10 個(gè)比特(bit)、子幀號(hào)占3 個(gè)比特(bit)、時(shí)隙偏移占10 個(gè)比特(bit)作為例子進(jìn)行描述,其他長度的時(shí)間戳也可以做類似處理。
圖4 幀號(hào)/子幀號(hào)/時(shí)隙偏移時(shí)間結(jié)構(gòu)示意圖
圖5 是在PDCP PDU 頭中攜帶系統(tǒng)幀號(hào)SFN、子幀號(hào)SSFN 以及時(shí)隙偏移Offset 的示意圖:
圖5 PDCP PDU頭攜帶幀號(hào)/子幀號(hào)/時(shí)隙偏移時(shí)間戳
其中,PDCP PDU 頭的時(shí)間戳與標(biāo)志字段可以根據(jù)序列號(hào)長短自動(dòng)使用圖6 或者圖7 的長短序列號(hào)時(shí)間戳格式。Time Flag 表示時(shí)間格式標(biāo)志,區(qū)別是采用幀號(hào)/子幀號(hào)/ 時(shí)隙偏移還是時(shí)間數(shù)字格式;Time-Stamp 記錄真實(shí)的時(shí)間數(shù)字。
圖6 短序列號(hào)時(shí)間戳
圖7 長序列號(hào)時(shí)間戳
當(dāng)gNB 在PDCP 層收到上層PDCP SDU 數(shù)據(jù)包的時(shí)刻,記為第一時(shí)間戳;當(dāng)UE 收到gNB 發(fā)下來的數(shù)據(jù)包并通過PDCP 處理完成后發(fā)往上層時(shí)的時(shí)刻,記為第二時(shí)間戳,則UE 可以基于下列公式計(jì)算數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延:
其中,T為數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延;SFN1為第一時(shí)間戳中的無線幀號(hào);SSFN1為第一時(shí)間戳中的子幀號(hào);SOFF1為第一時(shí)間戳中的偏移量;SFN2為第二時(shí)間戳中的無線幀號(hào);SSFN2為第二時(shí)間戳中的子幀號(hào);SOFF2為第二時(shí)間戳中的偏移量;Tf為一個(gè)無線幀的時(shí)長;Tsf為一個(gè)子幀的時(shí)長;T0為無線幀號(hào)循環(huán)一次所用的時(shí)長。
例如,當(dāng)SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=6、SSFN2=4、SOFF2=0,UE 確 認(rèn)SFN1和SFN2在一個(gè)無線幀號(hào)的循環(huán)周期內(nèi),則T=(6-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=2Tf+Tsf;當(dāng)SFN1=4、SSFN1=3、SOFF1=0、SFN2=2、SSFN2=4、SOFF2=0 時(shí),UE 確認(rèn)SFN1和SFN2分 別在兩個(gè)無線幀號(hào)的循環(huán)周期內(nèi),則T=T0+(2-4)×Tf+(4-3)×Tsf+(0-0)=T0-2Tf+Tsf。
需要說明的是,通常情況下,當(dāng)UE 在SFN2<SFN1時(shí),認(rèn)為SFN2與SFN1所在的周期相差一個(gè)周期,當(dāng)SFN2與SFN1相差大于一個(gè)周期時(shí),UE 很大可能就無法接收到數(shù)據(jù)包,為了使得UE 更加準(zhǔn)確地確認(rèn)SFN2與SFN1所在的無線幀號(hào)的周期,在數(shù)據(jù)包中攜帶無線幀號(hào)周期的參數(shù),如通過在第一時(shí)間戳中增加無線幀號(hào)周期的參數(shù)。
上行空口時(shí)延的測量方法與下行完全一致,只是第一時(shí)間戳由UE 記錄,時(shí)延測量在gNB 而已。
對于云化場景,由于基站的PDCP 上移到CU,而RLC、MAC 子層與PHY 層(物理層)在一個(gè)DU 內(nèi),此時(shí)PDCP 不能感知底層的幀號(hào)、子幀號(hào)以及子幀偏移,因此只能采用相對時(shí)間數(shù)字來測量上下行的空口時(shí)延。
針對下行空口時(shí)延測量,在上層PDCP SDU 數(shù)據(jù)包進(jìn)入gNB 的PDCP 層時(shí),記錄時(shí)間戳,以相對時(shí)間格式(可以用整數(shù)表示)。針對每一個(gè)PDCP SDU 數(shù)據(jù)包,在組裝PDCP PDU 頭中時(shí),把這個(gè)時(shí)間戳信息記錄在該P(yáng)DU 頭中,并通過空口傳遞給UE,UE 側(cè)的PDCP 層記錄這個(gè)時(shí)間戳格式,且在該P(yáng)DCP SDU 發(fā)送到上層應(yīng)用時(shí)得到的時(shí)刻點(diǎn),計(jì)算下行空口時(shí)延;UE 計(jì)算的下行空口時(shí)延需要上報(bào)給gNB 用于日志或者話統(tǒng)統(tǒng)計(jì),上報(bào)方式可以是業(yè)務(wù)包級上報(bào),也可以是周期性或者事件性統(tǒng)計(jì)上報(bào)。
同理,針對上行空口時(shí)延測量,在上層PDCP SDU數(shù)據(jù)包進(jìn)入U(xiǎn)E 的PDCP 層時(shí)記錄時(shí)間戳,這個(gè)時(shí)間戳可以是相對時(shí)間格式(可以用整數(shù)表示),并把記錄在PDCP PDU 頭中的時(shí)間戳與標(biāo)志字段傳遞給gNB,gNB側(cè)的PDCP 層記錄這個(gè)時(shí)間戳格式,且在PDCP SDU 發(fā)送到上層時(shí)計(jì)算上行空口時(shí)延;同時(shí),gNB 統(tǒng)計(jì)上行空口時(shí)延并通過日志或者話統(tǒng)呈現(xiàn)。
下面針對采用相對時(shí)間戳格式傳遞時(shí)的下行空口時(shí)延測量方法進(jìn)行描述。使用相對時(shí)間信息,即以一定周期循環(huán),可以是s:ms:μs 微秒格式,也可以用整數(shù)表示,使用的bit 數(shù)可以根據(jù)業(yè)務(wù)場景來選擇。如果以μs 為單位,24 bit 可以表示16 s 一個(gè)周期的循環(huán),選擇24 bit 的時(shí)間戳格式基本可以滿足要求。當(dāng)然,出于空口性能考慮,也可以使用更少的bit 數(shù)如16 bit 來表示,同時(shí)單位可以取100 μs 或者其他值。
圖8 是云化場景的下行PDCP PDU 頭攜帶時(shí)s:ms:μs時(shí)間格式時(shí)間戳示意圖,而上行攜帶時(shí)間戳示意圖與圖8類似,只是方向相反而已,這里不再贅述。
圖8 云化場景的下行PDCP PDU頭攜帶時(shí)s:ms:μs時(shí)間格式時(shí)間戳
當(dāng)gNB 在PDCP 層收到上層PDCP SDU 數(shù)據(jù)包的時(shí)刻,記為第一時(shí)間戳;當(dāng)UE 收到gNB 發(fā)下來的數(shù)據(jù)包并通過PDCP 處理完成后發(fā)往上層時(shí)的時(shí)刻,記為第二時(shí)間戳,由于第一時(shí)間戳和第二時(shí)間戳為相對時(shí)間信息,則UE 可以基于下列公式計(jì)算數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延:
其中,T為數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延;T1為第一時(shí)間戳中的相對時(shí)間信息;T2為第二時(shí)間戳中的相對時(shí)間信息;Tz為預(yù)設(shè)的周期性時(shí)長。
每隔Tz,gNB 和UE 循環(huán)一次,T1為數(shù)據(jù)包到達(dá)gNB的PDCP 層的時(shí)間與第一目標(biāo)時(shí)刻A 的時(shí)間偏移量,第一目標(biāo)時(shí)刻A 為第N個(gè)周期的起始時(shí)刻,T2為數(shù)據(jù)包離開UE 的PDCP 層的時(shí)間與第二目標(biāo)時(shí)刻B 的時(shí)間偏移量,當(dāng)T2≤T1時(shí),第二目標(biāo)時(shí)刻B 為第(N+1)個(gè)周期的起始時(shí)刻,當(dāng)T2>T1時(shí),第二目標(biāo)時(shí)刻為第N個(gè)周期的起始時(shí)刻,其中周期的時(shí)長為預(yù)設(shè)時(shí)長,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。
如果第一時(shí)間戳和第二時(shí)間戳采用絕對時(shí)間時(shí),則數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延為:
其中,T為數(shù)據(jù)包的空口時(shí)延;T1為數(shù)據(jù)包到達(dá)第一設(shè)備的PDCP 層的絕對時(shí)間;T2為數(shù)據(jù)包離開第二設(shè)備的PDCP 層的絕對時(shí)間。
根據(jù)上述介紹的每個(gè)數(shù)據(jù)包的5G空口單向時(shí)延的測量,可以進(jìn)行空口單向時(shí)延可靠性的測量。對于上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包,基站側(cè)可以根據(jù)每個(gè)上行數(shù)據(jù)包的上行單向時(shí)延,與可靠性的時(shí)延門限參數(shù)進(jìn)行比較,如果某個(gè)上行數(shù)據(jù)包的單向時(shí)延超過了時(shí)延門限,則記為超過時(shí)延門限數(shù)量一次,同時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)包傳輸。對每次業(yè)務(wù)進(jìn)行超過時(shí)延門限次數(shù)的累加值除以數(shù)據(jù)包傳輸次數(shù)的累加值,則可得到上行時(shí)延的可靠性測量值。同理,對于下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包,終端側(cè)也可以進(jìn)行與基站側(cè)相似的時(shí)延可靠性測量。
由于本文主要涉及的是時(shí)延測量方法的理論性研究,從理論上證明無線空口單向時(shí)延及其可靠性是不可能由分段時(shí)延統(tǒng)計(jì)平均值構(gòu)造出數(shù)據(jù)包級的可靠性的。為了指引讀者驗(yàn)證,對于文中描述的一體化基站與云化基站兩種場景的具體測試環(huán)境建議為:一體化基站測試場景采用gNB只部署在一個(gè)物理設(shè)備上,云化基站測試場景采用gNB 的兩個(gè)邏輯功能CU 與DU 分別部署在不同的物理設(shè)備,部署CU 與DU 的兩個(gè)設(shè)備分別用光纖連接,測試時(shí)選擇容量不受限以及容量受限兩種條件,再分別選取覆蓋質(zhì)量好、中、差三種情況進(jìn)行測試。采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)定義的分段測量平均值方案與本文提出的方案進(jìn)行對比,在覆蓋質(zhì)量較好時(shí),本文提出的方案能夠準(zhǔn)確地測量空口單向時(shí)延的可靠性,而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方案不能測量空口單向時(shí)延的可靠性。
本文詳細(xì)介紹了5G 需求中提出的無線空口單向時(shí)延測量滿足亞毫秒級的可靠性要求,針對空口的單向時(shí)延測量,提出了一種在5G 網(wǎng)絡(luò)中的空口單向時(shí)延測量方法,通過該方法,可以精確地測量上行或者下行空口單向時(shí)延,精度可以達(dá)到微秒級別,且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)包的可靠性測量,可以滿足未來5G 低時(shí)延高可靠性業(yè)務(wù)的運(yùn)維訴求。由于單向時(shí)延測量可靠性的方法還涉及標(biāo)準(zhǔn)的確定,雖然本文提出了一種通用可行的時(shí)延及其可靠性的測量方法,但后續(xù)還需要針對不同的應(yīng)用場景需求研究不同時(shí)間戳比特?cái)?shù)對空口性能的影響,為落地標(biāo)準(zhǔn)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。