5G双连接场景下的低传输时延切换机制

裴旭明，贾建鑫,2，钱骅，朱正航，唐振宇，康凯

（1. 中国科学院上海高等研究院，上海 201210；2. 上海海事大学信息工程学院，上海 210306）

1 引言

各种新型业务的不断涌现使移动数据流量呈指数级增长，蜂窝网正承受前所未有的流量负载压力。为更好地应对急剧增长的数据流量，有效提升用户的网络体验，3GPP在Release 12[1]中引入了双连接的概念，即终端可在RRC(radio resource control)连接状态下同时利用主基站(MN，main node)与辅基站(SN，secondary node)的物理信道进行并行传输，双连接扩展了载波聚合的应用，其可以有效提升频谱效率并实现负载均衡[2-3]。

基于Release12，3GPP在Release14中进一步提出了 LTE-NR双连接技术[4]，其定义了 4G、5G紧密互操作的技术规范，开创性地将 RAT(radio access technology)间的互操作过程下沉至网络边缘。对于5G而言，基于LTE-NR双连接技术的非独立组网模式可使5G核心网与接入网分步部署，有利于 5G的快速部署与应用。随后，在R2-1811712[4]中，3GPP TS 37.340[5]又将 NR-NR 双连接(5G双连接)场景加入其中。

针对 5G双连接的关键问题研究，业界可谓百家争鸣，例如针对5G双连接场景的RRC信令设计问题[6-8]、针对5G双连接场景的测量配置问题[9-16]，以及针对双连接场景终端切换后的数据按序交付问题[17-20]。切换是 5G双连接的一个重要功能，而针对 5G双连接场景的切换时延问题却少有讨论。

在5G双连接场景中，一种称为终止于主基站的分离承载(MN terminated split bearer)的双连接形式如图1所示。UE(user equipment)同时具有到MN与SN的传输链路，UE发送的上行数据可以被分别发送至MN与SN，SN将上行数据通过Xn-U接口转发至MN，MN将2路数据合并后通过NG-U接口传输至用户面功能模块（UPF, user plane function）。UPF发送的下行数据，先通过NG-U接口被发送至MN，MN将其分成2路，一路直接通过MN的空口发送至UE，另一路则首先通过Xn-U接口转发至SN，再由SN通过空口发送至UE。网络侧的PDCP(packet data convergence protocol)实体位于MN，其向下分别对接位于MN的RLC(radio link control)实体和位于SN的RLC实体。UE侧的PDCP实体向下分别对接2个RLC实体，RLC实体向下分别对接各自的MAC(media access control)实体与PHY(physical)实体。

图1 终止于主基站的分离承载双连接的协议栈

一个典型的双连接切换场景如下：UE与源MN及源SN已经建立双连接，此时触发切换，UE由源MN及源SN切换至目标MN及目标SN；源MN与目标MN是不同的基站，但源SN与目标SN为同一个基站。

针对上述切换场景，当前 5G标准[21]没有对其进行特殊处理，而是归于源SN与目标SN为不同的基站来进行处理。现有的处理流程没有利用“SN在切换过程中未发生改变”这一条件，未能有效减小该情况下核心网与 UE间的数据传输时延。鉴于此，本文提出一种针对 5G双连接场景的新型切换机制，本文的主要贡献如下。

1) 针对5G双连接切换的场景，提出了一种能够降低切换过程中数据传输时延的新型切换机制，并对该机制的信令交互流程进行详细阐述。

2) 基于信令交互流程，建立了传统切换机制与新型切换机制的数据传输时序模型。

3) 基于数据传输时序模型，以数学推导与仿真的方式对新型切换机制与传统切换机制进行对比，其中主要关注的性能指标包括单个数据分组的传输时延、数据分组的平均传输时延及数据分组的总传输时延，推导结果及仿真结果可显示出新型机制的有效性与优越性。

下文中，源SN与目标SN实际为同一设备，将根据情况用源SN、目标SN及SN指代。

2 传统切换机制

传统切换机制的信令流程如图2所示，信令的交互流程的具体解释如下所示。

1) 如图3(a)场景1所示，切换前，UE与源MN及源SN的双连接已经建立。源MN向目标MN发送信令handover request来发起一次切换过程。

2) 目标 MN向目标 SN发送信令 SN addition request。

3) 目标SN向目标MN回复信令SN addition request ACK，该信令包含RRC信令，它将经过目标MN与源MN最终发送给UE。

4) 目标 MN向源 MN发送信令 handover request ACK，其中包含RRC信令。

5) 源MN向源SN发送信令SN release request。

6) 源SN收到信令SN release request后即停止对UE的数据服务。此后下行分离承载仅在源MN与UE间传送。源SN向源MN回复信令SN release request ACK。

图2 传统切换机制信令交互流程

7) 源MN通过空口向UE下发RRC信令RRC connection reconfiguration，发送成功后即开始将来自UPF的下行数据从源MN转发至目标MN。由于此时UE还未与目标MN建立连接，并且源SN已经停止对UE的数据服务，所以转发的数据需要由目标 MN暂时缓存而无法发给 UE，因此引发了下行传输时延的增加。

8) UE收到RRC connection reconfiguration信令后，首先注销与源MN相关的PDCP实体及RLC实体，并注销与源SN相关的RLC实体，然后断开与源MN和源SN的连接，如图3(b)场景2所示。UE的上行数据开始无法发送，引发了上行传输时延的增加。之后UE向目标MN执行随机接入；成功后，再根据RRC connection reconfiguration信令，新建与目标MN相关的PDCP实体与RLC实体，新建与目标SN相关的RLC实体。

9) UE向目标MN发送对RRC信令的响应，即RRC connection reconfiguration complete。此后源 MN 转发给目标 MN 的下行数据才能被目标MN 分流。目标 MN分流的数据或直接经目标MN 的空口发给 UE，或通过 Xn-U 接口发送给目标SN。UE产生的上行数据开始可以通过空口发给目标 MN，再由目标 MN 发给UPF。

图3 基于传统切换机制的切换场景

10) UE向目标SN执行随机接入。成功后，目标MN通过Xn-U接口发给目标SN的数据才能经目标SN 的空口发给UE。UE的上行数据可以由空口发给目标MN或目标SN，切换后的双连接已经恢复，如图3(c)场景3所示。

11) 切换成功后，目标MN向目标SN发送SN reconfiguration complete。

12) 目标 MN向接入与移动功能管理模块（AMF, access and mobility management function）发送PDU session path switch request，请求UPF将下行数据发送给目标MN。

13) 核心网内的路径切换信令交互过程。

14) AMF向目标MN发送信令PDU session path switch response ACK。下行数据从由UPF发送给源MN改为发送给目标MN。此后，源MN不会再收到来自 UPF的下行数据，如图 3(d)场景 4所示。

15) 目标 MN向源 MN发送信令 UE context release。

16) 源MN向源SN发送 UE release request。

切换流程结束。

3 新型切换机制

新型切换机制的信令流程如图4所示，信令交互流程的具体解释，如下所示。

1) 切换前，源MN、源SN和UE之间的双连接已经建立，如图5(a)场景1所示，空口协议实体对应关系如图6所示。

图4 新型切换机制信令交互流程

图5 基于新型切换机制的切换场景

源MN向目标MN发送信令handover request，信令中新增一个标志位SN static request，用来建议目标MN在本次切换中保持SN不变，即源SN与目标SN实际为同一基站。信令中还包含有UE的空口协议栈实体的当前配置信息，即 UE侧的RLC-source main U、RLC-source-secondary U 和PDCP-source U。

图6 切换前协议栈对应关系

2) 目标MN接受在本次切换中保持SN不变。目标MN向SN发送SN addition request信令，信令中新增一个标志位SN static request，指明UE在本次切换过程中需要保持SN不变。

3) SN新建一个RLC实体RLC-target secondary N，并回复信令 SN addition request ACK给目标MN，信令新增一个标志 SN static response，指明SN接受在本次切换中保持SN不变。信令中还包含将通过目标MN、源MN，最终发给UE的RRC信令。RRC信令请求UE在切换过程中不对SN执行随机接入，并请求 UE新建 RLC实体RLC-target secondary U。

4)目标MN新建一个PDCP 实体 PDCP-target N，新建一个RLC实体RLC-target main N。目标MN向源MN发送信令handover request ACK，信令新增一个标志SN static response，指明目标MN接受本次切换中保持SN不变，并将待发送给UE的RRC信令发送给源MN。该RRC信令包含步骤3)中提到的RRC 信令；还包含目标MN生成的RRC信令，内容为请求 UE建立新 PDCP实体PDCP-target U、新RLC实体 RLC-target main U，并请求UE注销RLC实体 RLC-source main U。

5) 源MN收到信令handover request ACK后，就开始将接收到的来自 UPF的下行数据，都通过RLC-source secondary N实体经过空口发送给UE，而不会通过Xn-U接口转发给目标MN。源MN通过空口向 UE发送RRC信令RRC connection reconfiguration。源 MN在完成当前正在执行的通过RLC-source main N的数据传输后，注销RLC-source main N。

UE在收到 RRC信令后，新建 PDCP实体PDCP-target U，新建RLC实体RLC-target main U，新建 RLC实体RLC-target secondary U。UE 注销RLC 实体 RLC-source main U，并将通过RLC-source main U发送失败的上行数据，改由RLC-source secondary U重新发送。此后分离承载都经过RLC-source secondary U传输，空口协议栈关系如图7所示，虚线框表示实体已经建立，但由于底层的同步此时并未建立，所以不能经过这些实体传输数据。该状态下，从UPF发来的下行数据到达源MN，源 MN通过RLC-source secondary N发送给UE。UE的上行数据通过PDCP-source U实体、RLC- source secondary U实体、RLC-source secondary N实体和PDCP-source N实体，经过源MN发给UPF，如图5(b)场景2所示。

图7 UE收到RRC信令后协议栈对应关系

6) UE对目标MN执行随机接入，成功后协议栈对应关系如图8所示。

7) UE向目标MN发送信令RRC connection reconfiguration complete，此后UE的上行数据可以经过PDCP-target U实体发送。UE与目标MN和SN之间的双连接已经恢复，如图5(c)场景3所示。

图8 UE成功接入目标MN后协议栈对应关系

8) 目标MN向SN 发送信令SN reconfiguration complete。

9) 目标MN向AMF发送信令PDU session path switch request，请求切换下行数据路径。

10) 核心网内的路径切换信令交互过程。

11) AMF向目标MN回复信令PDU session path switch request ACK。UPF向源MN发送一个特殊帧end marker，之后UPF产生的下行数据不再发送给源MN，全部发送给目标MN。源MN在将end marker之前收到的下行数据全部发给UE后，将end marker发给目标MN。

12) 目标 MN 收到 PDU session path switch request ACK和end marker后，向UE发送RRC信令，注销 UE的 PDCP-source U和 RLC-source secondary U。

13) UE 向目标MN回复信令RRC connection reconfiguration complete。

14) 目标 MN向源 MN发送信令 UE context release。

15) 源MN向SN发送SN release request。SN注销 RLC-source secondary N。源 MN注销PDCP-source N。此时空口协议栈状态如图9所示，整个系统的数据传输路径如图 5(d)场景 4所示。

图9 源MN向源SN发送SN release request后协议栈对应关系

16) SN向源MN回复信令SN release request ACK。

17) 源MN向SN发送UE context release。

切换流程结束。需要补充说明的是，新型切换机制的处理流程由源 MN发起，通过在信令中附加的标志位，由目标MN和SN协商决定是否执行新型机制处理流程。如果目标MN或SN认为不适合执行新型切换机制，可以直接回退到传统切换机制，因此新型切换机制不会对系统造成破坏性影响。

4 性能评估

4.1 数学模型建立

设切换前源MN与源SN已经与UE建立双连接，设双连接空口下行总传输速率为R，源SN侧下行传输速率为αR，源 MN侧下行传输速率为(1-α)R，其中 0≤α≤1。设T1为源 MN 发出信令“RRC connection reconfiguration”到目标MN发出信令“SN reconfiguration complete”的时间间隔；T2为目标MN发出信令“SN reconfiguration complete”到目标 MN接收信令“PDU session path switch request ACK”的时间间隔。在切换过程中，双连接下行数据发送速率变化如图10所示。此外，将一个下行数据分组的传输时延定义为从UPF发出到UE完成接收所消耗的时间。

图10 双连接下行数据发送速率变化

设UPF发送的下行数据分组全部等长，并设UPF发送下行数据分组的持续时间为Tx，0≤Tx≤T1+T2。设每个数据分组在 NG-U 链路中的传输耗时为Tp，且Tp≤T1，则UPF发出的下行数据分组总数为

设切换前一个数据分组在双连接链路中的传输耗时为Tw，设切换前与切换中的α保持不变，则在使用新型切换机制的切换过程中，一个数据分组在双连接链路中的传输耗时为

用于评估数据传输性能的3种时延如下。

单个数据分组的传输时延：假设一个数据分组的长度为若干比特，单个数据分组的传输时延定义为UPF发出该数据分组第一个比特的时间与UE接收完成该数据分组最后一个比特的时间的差值。

N个数据分组的总传输时延：指UPF发出第一个数据分组的第一个比特的时间与UE接收完成第N个数据分组最后一比特的时间的差值。

N个数据分组的平均传输时延：即N个数据分组的总传输时延与数据分组个数N的比值。

基于上述定义，本文以UPF连续发送N个数据分组为例，来分析下述3种情况的数据分组传输时延。

情况1 未发生切换时，UPF连续下发N个数据分组，UE与基站及 UPF间的传输时序如图 11所示。

根据图11，未发生切换时，N个数据分组的总传输时延为

令SDi代表第i个数据分组的传输时延，其中i为大于或等于1且小于或等于N的整数，则未发生切换时每个数据分组的传输时延为

图11 未发生切换时的传输时序

情况2 当使用传统切换机制时，UPF连续下发N个数据分组，UE与基站及UPF间的传输时序如图12所示，此时数据分组总传输时延为

图12 基于传统切换机制的传输时序

同样的，令SDi代表第i个数据分组的传输时延，其中i为大于或等于1且小于或等于N的整数，则基于传统切换机制的每个数据分组的传输时延为

此外，令 ADlegacy为基于传统切换机制的数据分组平均传输时延，则ADlegacy可由式(6)获得。

情况3 当使用新型切换机制时，UPF连续下发N个数据分组，UE与基站及UPF间的传输时序如图13所示。

由图 13可得，基于新型切换机制的数据分组总传输时延为

令SDi代表第i个数据分组的传输时延，其中i为大于或等于1且小于或等于N的整数，则基于新型切换机制的每个数据分组的传输时延为

图13 基于新型切换机制的传输时序

令 ADproposed为基于新型切换机制的数据分组平均传输时延，则ADproposed可通过式(9)获得。

4.2 单个数据分组传输时延评估

设新型切换机制中第i个数据分组的传输时延为SDproposedi，设传统切换机制中第i个数据分组的传输时延为SDlegacyi，则当第i个数据分组的传输时延满足SDproposedi＜SDlegacyi时，第i-1个数据分组的传输时延也满足SDproposedi-1＜SDlegacyi-1，证明过程如式(10)所示。

由此，在已知其他参数的情况下，可以通过比较2种切换机制的第N个分组(即在Tx时间内连续发送的最后一个下行数据分组)的传输时延来计算α的取值范围，使新型切换机制的单个数据分组传输时延小于传统切换机制的相同索引的数据分组的传输时延，如式(11)。

根据式(11)和 0＜α＜1，所以α应满足式(12)。

证明

为观察α对将单个数据分组的传输时延的影响，取图 14所示的特殊值并通过计算得到所示实验结果，切换过程中发送的数据分组总数N是根据式(1)求出的，即数据分组索引可以取的最大值，在本文为15。图14中“＋”代表基于传统切换机制的每个数据分组的传输时延，其他9条曲线代表当α分别取 0.1～0.9时基于新型切换机制的每个数据分组的传输时延。

图14 α的值对单个数据分组传输时延的影响

为更清楚地体现α取0.6～0.9时新型机制的性能，对图14中当α取0.6～0.9时代表新型切换机制的 4条曲线与传统切换机制的时延对比进行了放大显示，如图15所示。当α的取值落在式(12)给出的范围内时，对不超过N的任意一个数据分组索引i，能保证基于新型切换机制的切换过程中第i个数据分组的传输时延小于基于传统切换机制切换过程中第i个数据分组的传输时延。例如，当α的取值为0.8时（图15中“◁”所示），基于新型切换机制的第15个数据分组的传输时延小于基于传统切换机制的第15个数据分组的传输时延时，新型切换机制第14个分组也小于传统切换机制第14个分组的时延，依此类推。

图15 对图14中α取0.6～0.9时与传统机制时延对比的放大显示

4.3 数据平均传输时延评估

根据式(6)与式(9)，在已知其他参数的情况下，计算α的取值范围，使新型切换机制的平均传输时延小于传统切换机制的平均传输时延，如式(13)所示。

根据式(13)及条件 0＜α＜1，当α满足式(14)所示条件时，新型切换机制的平均传输时延恒小于传统切换机制的平均传输时延。

N可根据式(1)进行计算，得式(15)。

进一步，将传统切换机制与新型切换机制进行对比评估，仿真结果如图16所示。可以看出，对于数据分组的平均传输时延，当取图16所示的特殊值时，在α＞0.6时，新型切换机制的平均传输时延恒小于传统切换机制的平均传输时延。

图16 平均传输时延对比

4.4 数据总传输时延评估

设新型切换机制的总传输时延为TDproposed，传统切换机制的总时延为TDlegacy，在已知其他参数的情况下，计算α的取值范围，使得新型切换机制的总传输时延恒小于传统切换机制的总传输时延，如式(16)所示。

根据式(16)及条件 0＜α＜1，当α满足式(17)时，新型切换机制的总传输时延恒小于传统切换机制的总传输时延。

进一步，将传统切换机制与新型切换机制进行对比评估，仿真结果如图 17所示。可以看出，对于数据分组的平均传输时延，当取如图 17所示的特殊值时，在α＞0.6时，新型切换机制的总传输时延恒小于传统切换机制的总传输时延。

图17 总传输时延对比

4.5 新型切换机制的实际应用条件

5G双连接系统在实际运行时会根据信道条件来计算α。考虑切换过程中UPF发出的下行数据的传输时延，当实际的α落在式(12)给出的范围内时，应用新型切换机制时单个下行数据分组传输时延小于应用传统切换机制时单个下行数据分组传输时延，此时可以启用新型切换机制进行切换；若实际的α超出式(12)给出的范围，则可以使用传统切换机制进行切换。同样地，通过式(15)或式(17)得到的α取值范围，也可以作为是否应该启用新型切换机制切换的判定标准。实际α落在式(15)给出的范围内时，应用新型切换机制时下行数据分组平均传输时延小于应用传统切换机制时下行数据分组平均传输时延；实际α落在式(17)给出的范围内时，应用新型切换机制时下行数据分组总传输时延小于应用传统切换机制时下行数据分组总传输时延。

5 结束语

针对双连接切换中辅基站不变的场景中核心网与UE之间数据传输时延问题，提出了一种新型切换机制。首先，针对传统切换机制进行分析并对影响数据传输时延的关键问题进行定位；其次，对新型切换机制的信令交互流程进行详细阐述，利用辅基站在切换过程中传输数据，避免双连接在切换中完全断开，以此减少由切换过程中数据传输暂时中断引起的传输时延；最后，通过数学推导与仿真对所提机制与传统机制进行对比评估，相关结果显示出新型机制在单个数据传输时延、数据平均传输时延及总传输时延方面的优越性。