流量及拥塞控制机制在5G-NR中的应用和发展趋势

王丽萍，杨 立，陈 琳，何 哲（中兴通讯股份有限公司，广东深圳 518055）

1 流控技术背景

在蜂窝移动通信发展过程中，4G－LTE 中考虑了对非理想回传的宏站微站共同部署场景的支持［1］，包括宏站微站同频部署、异频部署、纯微站部署。为了提升该场景下终端用户的移动鲁棒性，以及减少核心网信令开销等问题，3GPP Release12 规范了双连接技术（DC）［2］。即终端设备（UE）可同时被2 个基站调度，在宏站小区的终端用户既可被宏站调度，也可被微站调度，通过这种方式可以提升用户吞吐量。

在DC 架构中，2 个基站同时为同一个UE 提供服务，其中负责无线资源控制（RRC）功能的基站称为主基站（Master eNB，MeNB），另一个只承担用户业务数据分流的为辅基站（Secondary eNB，SeNB）。DC 架构支持基站通过分离的无线承载（Split bearer）向UE 发送数据。即数据在主基站进行分流，通过主、辅基站同时空口传输到达UE。如图1所示，从Split DRB下行数据传输的角度看，从核心网的数据到达主基站并经过主基站PDCP（Packet Data Convergence Protocol）层处理后，通过Xn 接口（即最终3GPP 标准确定复用X2接口）用户面数据分流到达辅基站SeNB［3］。通过这种方式，不同的数据包从2 个基站经过各自的空口传输到UE，UE 对两边接收的数据包进行汇总和重排序后完成数据包的接收并向上层投递。针对Split DRB 的下行数据传输，MeNB 需要对下行数据包在MeNB 和SeNB间进行有效的分配及处理，以达到最佳的联合传输效果。这便是流控技术在4G 系统中的一次关键应用。

图1 双连接中分离式数据承载数据面协议栈结构图

5G 网络主要有三大特点：极高的速率、极大的容量、极低的时延［4］。5G 时代对通信性能的要求有极大提升，终端用户对无线空口数据传输流畅度的要求也随之增加。在5G－NR 网络架构中，集中单元－分布单元（CU－DU）分离式部署是其最为显著的特点。分离式部署提高了基站的灵活性，但从数据传输的角度来说，由于增加了新接口的交互，将导致数据传输流畅度的降低。为了保证数据的高效传输，流控技术在5G－NR 系统中得到进一步的演进和增强，并扩展到多个接口中。

本文首先介绍流控技术在5G－NR 网络中的应用和增强，再进一步分析流控技术在5G 其他场景，如无线接入回传一体化（Integrated Access and Backhaul，IAB）、车联网（Vehicle to Everything，V2X）场景中的应用和发展情况，并针对现有流控技术中存在的问题缺陷提出可能的解决方案，进一步预测其未来的发展趋势。

2 5G-NR中的流控技术应用

图2 所示为5G NG－RAN（Next Generation－Radio access Network）的架构图［5］，基站gNB（next Generation Node B）采用CU－DU 分离式架构，一个gNB－CU（gNBCentralized Unit）可以管辖多个gNB－DU（gNB－Distributed Unit），gNB－CU 和gNB－DU 之间通过F1 新接口连接。其中，gNB－CU 是gNB 的唯一集中单元逻辑节点，包 含RRC 层、SDAP（Service Data Adaptation Protocol）层、PDCP 层，gNB－CU 还可进一步分离为控制单元CU－CP（CU－Control Plane）和用户面处理单元CU－UP（CU－User Plane）。gNB－DU 是基站的分布式单元逻辑节点，包含RLC（Radio Link Control）层，MAC（Media Access Control）层，PHY（Physical layer）层及其增强［6］。以下行数据传输为例，下行数据包从核心网5GC（5G Core Network）通过NG 接口到达gNB－CU 后，数据包经过gNB－CU 处理，通过F1接口发送到gNB－DU，再通过空口发送到UE。在这个过程中gNB－CU 需要决策发送给每个gNB－DU 的数据量大小以及F1 接口的流量速率。这便是流控技术在5G－NR 系统中的首次关键应用。

图2 NG RAN整体架构

图3 所示为gNB－CU 和gNB－DU 之间的流控交互图，下面将具体介绍3GPP Release15 中的gNB－CU 和gNB－DU 之间流控的运行机制［7］。总体来说，它包括下行数据传输以及下行数据传输状态上报2个基本过程。下行数据传输过程用于gNB－CU 将下行数据包及其对应的序号传输给对应节点gNB－DU。下行数据传输状态上报过程是为了让对应节点gNB－DU 向gNBCU 提供反馈以辅助gNB－CU 控制下行数据的流量［8］。下面就2个基本过程的步骤进行详细说明。

图3 gNB－CU和gNB－DU之间的流控交互图

a）初始状态下，gNB－CU 首先以数据无线承载（Data Radio Bearer，DRB）为粒度将下行数据包进行编号，然后按序通过F1－U接口发送给gNB－DU。

b）gNB－DU 从F1－U 接口上按序接收到下行数据包，并检测是否有数据包的丢失。

c）随后，gNB－DU 将收到的数据包经处理后通过空口按序发送给UE，并监控统计空口数据包发送情况。对于确认AM（Acknowledged Mode）模式的DRB，gNB－DU还需要统计UE成功接收到的数据包编号。

d）当gNB－DU 周期性的向gNB－CU 上报DDDS（Downlink Data Delivery Status）或当收到gNB－CU 的Polling 询问指示时，gNB－DU 会向gNB－CU 反馈当前DRB 传输状态的DDDS 帧。DDDS 帧包含当前DRB 期待的数据包字节量、当前DRB 期待的传输数据率、当前DRB 在F1－U 链路上丢失的数据包编号（如果gNBDU 检测到F1－U 链路上有包丢失）和当前DRB 在空口上传输的最大数据包编号或当前DRB 在空口上UE 反馈确认的最大数据包编号。

e）gNB－CU收到gNB－DU 的DDDS 后，会参考DDDS 中上报的期待数据量、数据率信息以及空口的传输情况，再决策后续需要向gNB－DU 传输的数据量及流量速率。同时对可能需要的重传数据包gNB－CU也会进行重传，gNB－DU 会在随后的DDDS 帧中增加空口对于重传数据包的传输情况。

随着5G－NR 演进，流控技术在3GPP Release16 得到了进一步的增强［7］。由于5G－NR 支持PDCP Duplication 复制传输功能，该功能支持一个CU 可以同时连接2 个DU 并传输相同的数据包给UE，通过这种方式可以增加UE 的接收鲁棒性。与此同时，该功能可能带来数据包的重复发送。举例说明，在UE 同时从2个DU 接收数据包且开启PDCP Duplication 功能的情况下，当UE 从一个DU 成功接收到数据包后，极有可能还会从另一个DU 接收到相同的数据包，这会带来UE重复检测以及进一步删除重复数据包的工作量。在这种情况下，CU－DU 之间的流控技术就显得非常重要。具体来说，当CU 收到UE 的确认接收反馈后，CU可以通过F1 接口指示另一侧DU 丢弃UE 已经成功接收到的数据包，从而避免另一侧DU 的重复发送，节省空口传输资源。此外，当2个DU中的一个DU与UE之间的空口传输性能变差时，CU可指示让另一个空口传输性能好的DU 重新传输数据包给UE。在该过程中流控功能起到重要作用，即通过指示另一个DU 所传数据为重传数据包，这样另一侧DU 会优先考虑传输该重传数据包，从而减少UE 等待时间，提升UE 接收效率。

3 流控技术在5G IAB中的应用发展

为了解决偏远地区网络覆盖以及有线后程部署成本问题，3GPP 在2017 年通过了无线接入回传一体化IAB 的立项。即在5G－NR 架构中通过对无线backhaul及中继链路的支持，实现更为灵活密集的NR小区部署，减少对有线backhaul 的依赖。图4 为3GPP 定义的IAB 网络架构拓扑图［9］，IAB 网络是在5G－NR 网络架构的基础上引入1 个或多个无线回传IAB 节点，UE可通过中继IAB 节点接入网络。每一个IAB 节点包含2 个部分，一部分类似gNB－DU 功能，称为IAB－DU，可服务普通UE及IAB子节点；另一部分类似UE功能，可称为IAB－MT（Mobile Terminal）。IAB－MT 可支持例如UE 物理层、AS（Access Stratum）层、RRC层和NAS（Non－Access Stratum）层功能，可以连接到IAB 父节点。IAB 网络终结节点称为IAB－donor，其通过回传或接入链路为IAB－MT 或UE 提供接入。IAB－donor 又进一步分为IAB－donor－CU 和IAB－donor－DU。IAB－donor－CU 和IAB－donor－DU 之间通过有线后程连接。无论是IAB－donor－DU 还是IAB－DU，只能通过有线或无线中继方式连接到一个IAB－donor－CU。

图4 IAB网络示意图

IAB 网络典型特点就是网络侧到终端之间的传输会经历多跳中继节点IAB Node，多跳带来的比较大的挑战是中间传输链路可能发生拥塞。而且中继IAB节点的跳数越多，路径拓扑越复杂，发生拥塞的机率就会越大，端到端传输的不确定性就越强。当任何中间IAB 节点（intermediate IAB－nodes）的入口链路数据率大于出口数据率，且持续一段时间之后就会出现节点拥塞。一旦发生节点拥塞，就可能导致IAB 系统的传输效率降低，甚至出现后程链路失败的情况。因此在IAB多跳回传网络中引入流量及拥塞控制机制显得尤为重要。

3.1 5G IAB中的流控技术应用

对于上行数据传输，由于子节点会定期向IAB 父节点上报数据缓存状态BSR（Buffer Status Report），以向父节点申请上行调度资源。因此父节点能够基于其子节点上报的BSR 了解到其上行数据缓存情况，进而动态调整上行资源来控制数据传输。具体来说，当发现子节点的上行数据充裕时，可为子节点多分配一些上行传输资源；反之则为子节点少分配一些上行传输资源。通过这种方式，上行节点拥塞情况能得到有效的缓解。对于下行数据传输，由于下行传输资源分配由父节点控制，IAB 父节点无法获得其子节点的下行数据缓存状态信息，因此无法控制向其子节点发送的下行数据速率。在这种情况下，极可能出现其子节点的下行入口链路数据率大于出口链路数据率的情况，从而导致下行链路拥塞，影响系统下行传输性能。3GPP Release16 标准化了2 种下行流控方案，用于解决上述IAB 网络的下行链路拥塞问题。即图5 所示的端到端流控方案和点到点流控方案［10］。

图5 下行端到端流控和节点到节点流控

a）IAB端到端（End－to－End）流控方案。该方案沿用了3GPP Release15 5G－NR 流控技术。在该方案中，UE 接入IAB 节点的分布式单元DU 通过F1－U 接口向宿主集中式单元Donor CU 反馈下行数据递交流控状态报告DDDS。通过这种方式，宿主集中式单元Donor CU可以了解到下行数据的回传链路的传输情况，进而进行整体的流量及拥塞控制。IAB End－to－End 流控方案本质上和5G－NR 中F1 接口的流控技术是一致的，都是由DU 单元根据监测UE 在空口下行数据的接收情况以及自身本地的缓存状态进行流控信息上报。

b）IAB点到点（hop－by－hop）流控方案。该方案是3GPP Release16 为IAB 网络特有的多跳拓扑而专门引入的流控方案［11］，着眼于解决网络中的局部拥塞。在IAB 网络中，当任一中间IAB 节点检测到下行拥塞时，即某一回传链接的下行入口传输速率高于出口传输速率或收到流控信息上报指示时，该IAB 节点立刻向其父节点上报流控反馈信息，它包含当前IAB 节点缓存可用的内存余量以及具体的回传链路信息。当其父节点收到流控反馈信息时，可以及时了解到子节点的下行数据传输情况进而对下行数据传输进行调整，从而达到下行拥塞缓解的目的。

3.2 IAB潜在的增强流控方案

上述3GPP Release16已经标准化的流控方案能够一定程度上解决IAB 中拥塞问题，但现有的流控方案仍然有一定的缺陷和局限性，需要在未来IAB 网络演进中进行增强。

以端到端流控方案为例，UE 的接入节点的DU 单元（Access－IAB－DU）通过F1－U 接口向宿主集中式单元（Donor CU）反馈下行数据递交流控状态报告DDDS。通过这种方式，宿主集中式单元（Donor CU）能够了解到下行数据从UE 的Access－IAB－DU 到UE 之间空口接入链路的传输情况，但实际上真正发生链路拥塞的极有可能是宿主集中式单元（Donor CU）到UE的Access－IAB－DU 之间回传链路上而不是接入链路。因此，只反馈接入链路的传输信息显然是不够的，可以考虑在流控反馈信息中加入Access－IAB－DU 的下行接收总量信息用于反馈回传链路的传输情况给Donor－CU，如接收的数据总量、接收的数据率等［12］。此外，除了采用上述传统的基于用户面的流控方案，基于控制面的流控方案也可被支持（该方案目前在3GPP Release 17 中已经被采纳，但方案细节仍在讨论中）［13］。例如，在严重的下行拥塞情况下，只有将流控信息及时上报给宿主集中式单元（Donor CU）的控制功能单元，通过宿主集中式单元（Donor CU）对IAB 网络拓扑进行重配置才有可能彻底地解决拥塞。在这种情况下需要进一步考虑的是流控信息中所携带的内容以更好地辅助宿主集中式单元（Donor CU）的控制功能单元进行网络调整，如拥塞程度、拥塞路径、缓存情况等。

对于点到点流控方案，感知到下行拥塞的中间IAB 节点将流控信息上报给其父节点，父节点可以通过下行调度等方式缓解局部回传链路的拥塞。但在实际场景中，下行拥塞极有可能出现在连续的多个回传链路上，因此可以考虑进一步将流控状态信息上报给其祖父节点，甚至祖父节点的父节点［14］，从而从更根源处解决下行局部拥塞的问题。

此外，随着IAB技术演进，未来多连接场景极有可能会被支持，即一个IAB 子节点可能连接到多个父节点。在这种情况下，上行流控也需要考虑，即感知到上行拥塞的父节点向子IAB 节点反馈具体的流控信息，收到流控信息的子IAB 节点可以更好地调整向多个父节点传输的数据，从而有效地缓解上行拥塞。除了笔者提到的流控增强方案，业界对流控技术在IAB网络中的应用和增强表现得非常积极，并致力于开发出更多更好的流控方案［15－16］，相信在3GPP Release17/18中会有更多的讨论和进一步的演进［17］。

4 5G V2X中的流控技术应用发展

与传统1G 到4G 单纯的追求数据流量不同，5G 更加注重对垂直行业的赋能赋智，包含城市管理、汽车、娱乐、医疗、工业等，以促进各行各业的数字化、智能化的发展［18－19］。5G 致力于打造全新的生态模式，各行各业相互融合，互利共赢。以5G 车联网为例，车联网也叫V2X（Vehicle to Everything），即汽车与万物互联。如图6 所示，汽车与汽车、汽车与路边单元、汽车与行人之间都可以进行数据通信和信息共享，这也是5G实现自动驾驶的前提之一。V2X 设备与设备之间的通信接口在3GPP中统一称为Sidelink PC5接口，3GPP对Sidelink PC5 接口进行了标准化为车联网通信提供了必要的理论基础。

图6 5G－V2X场景

为了支持更广覆盖的V2X通信，3GPP考虑在V2X场景中引入中继节点［20］。如图7 所示，移动的汽车可以通过中继节点实现和另一个车或路边单元或行人之间的通信。其中中继节点也可能是车或路边单元或行人。中继的引入，一方面可以带来覆盖性能的增加，但同时也可能带来数据传输的拥塞问题。因此，在3GPP 5G Sidelink Relay 的讨论中也会引入对应的流控机制。

图7 5G－V2X Sidelink Relay场景

相比5G IAB 中的流控技术聚焦于无线回传链路的拥塞，5G Sidelink Relay 中的流控未来主要聚焦于解决PC5链路的拥塞以及空口与PC5接口之间流控和协同处理。此外，不同于传统的基站调度下的数据传输过程，流控技术主要关注下行拥塞的处理，在5G Sidelink Relay 中，各个设备都是平等的进行数据发送和接收，因此无论是下行还是上行数据传输拥塞都需要有相应的流控处理，而现有的5G 3GPP 已经标准化的流控技术中，上行拥塞处理仍是空白的，值得进行深入研究的技术点非常多。因此，在可预见的未来，对5G Sidelink Relay PC5 流控的研究会在3GPP Release 17/18中进一步地展开。

5 总结和展望

5G“万物互联”的愿景已经逐渐落地并被规模化商用，成为势不可挡的大趋势。在5G丰富的应用场景中，通过引入中继节点实现大覆盖范围已成为一个优选项，本文介绍的IAB 场景和V2X－Sidelink Relay 场景就是比较好的例证。通过本文分析，在不同的接口上引入流控技术是提升数据传输吞吐量的关键技术，而有中继节点的场景则更离不开流控技术来解决广覆盖下的多跳数据传输拥塞问题。本文从流控技术在蜂窝移动通信系统中的背景展开，进一步分析了流控技术在3GPP 5G－NR 网络中的处理机制以及在5G IAB 网络中的应用增强。并基于现有流控中存在的局限性，提出流控技术在5G－IAB 网络中因地制宜的增强方案。在未来5G－IAB 及5G－Sidelink Relay 场景或其他5G、6G 场景中，流控技术还有很多的增强技术需要突破，如支持双向流控反馈机制、更细粒度或更粗粒度的流控反馈机制、更具代表性的流控反馈内容、基于定时流控触发机制、基于QoS的流控反馈机制等，这些方案都是未来研究中需要关注的内容。且随着场景的扩展和演进，会有更多更丰富的流控增强技术值得进一步去挖掘。