ii研究与探讨ii
杨立"，黄河"，张梦洁"，刘利平“
（1.中兴通讯股份有限公司，广东深圳518057;
2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东深圳518057）
【摘要］5G-NR和B5G系统都需能高效地支持小微数据包（块）的传输，且在不同的无线传输技术（如宽带或超低时延）之间快速灵活地切换。系统梳理和比较和小微数据包（块）相关的多种无线传输技术，如两步RACH、预配置授权和公共资源
竞争等，分析它们对3GPP各个系统和各个RAN协议的影响和复杂度优劣等，并进一步展望其未来发展和应用趋势。【关键词】移动用户业务；小数据包；非激活状态；5G新空口；无连接传输 doi:10.3969/j.issn.l006-1010.2021.01.017中图分类号：TN929.5
文献标志码：A文章编号：1006-1010（2021）01-0090-06
引用格式：杨立，黄河，张梦洁，等.小微数据包高效无线传输技术的发展和趋势口移动通信,2021,45（1）：90-95.
3= OSID：
Development and Tirnd ofHigh Efficient IVansmission Techniques for Small Data
YANG Li1'2,HUANG He",ZHANG Mengjie1"2,LIU Lipin"
(1.ZTE Corporation,Shenzhen518057,China;
2.State Key Laboratory of M obile Network and Mobile Multimedia,Shenzhen518057,China)
[Abstract]Both5G-NR and B5G systems need to efficiently support the transmission of small and micro data packets(blocks),and switch between different wireless transmission technologies(such as broadband or ultra-low delay)rapidly and flexibly.
This paper systematically reviews and compares various wireless transmission technologies related to small and micro data
packets(blocks),such as two-step RACH,pre-configuration authorization and public resource competition,and analyzes
their impacts on3GPP systems and RAN protocols as well as their complexity advantages and disadvantages.Furthennore,
可操作性the prospects of t heir future developments and application trends are prospected.
[Keywords]mobile user service;small data;inactive state;5G NR;connectionless transmission
1小微数据包传输背景和技术发展移动通信系统从第一代1G（纯模拟）开始，发展到今天的5G（智能数字化），是由不断变革发展的ICDT （Information&Communication&Data Technology）技术，和移动用户业务需求所双重驱动前进的。根据被服务的移动用户业务类型，移动通信系统大致可按照“宽带/窄带，实时/非实时，确定性/非确定性”等维度进行技术划分归类。宽带系统技术旨在追求更高效和更低成本地传输连续且高频次的"大中数据包（块）"（Frequent&Large/ Medium Data Volume），从而获得更高的传输峰值和用户吞吐率，这正如4GLTE,WLAN和5G NR等系统技术所至［1］,eMBB（enhanced Mobile Broadband）对应着该
收稿日期：2020-10-09场景目的。窄带系统技术旨在追求更高效和更低成本地传输不连续且低频次的"
小微数据包（块）"（Occasional &Small/Mini Data Burst），从而获得更好的无线覆盖，并实现基本连接保障和终端省电节能等目的，这正如4G MTC,NB-IOT和LORA等系统技术所至［2］,mMTC（massive Machine Type Communication）对应着该场景目的。本文所说的“微”是为了突出比“小”更小数据包（块）的含义, 在实际应用中通常“微”只在几十/百Byte的大小量级，而“小”可在几千/万Byte量级，但3GPP标准对“小微”的具体大小并没有量化统一的定义。
在窄带通信系统部署的环境中，通常不会出现“大中数据包（块）”，这是由被服务的移动业务数据特性所先天决定的，但反之，在宽带通信系统中仍然可能出现“小
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微数据包（块）”，比如：无线网络层和应用层的各种控制信令、业务应用背景流量和突发式数据包等，因此如何在宽带系统中，以不同的机制方式同时承载且高效传输“大中”和“小微”两大类的数据包（块），一直是业界关注研究的热点问题。根据3GPP SA1（运营需求和业务）工作组的需求a，未来将有大量的新终端和新移动业务应用会同时触发产生“大中”和“小微”数据包（块），它们仍属于宽带传输领域（而非窄带物联网领域），但如果总用同一种宽带无线传输技术或模式去支持，那将会很不经济且低效，例如：造成系统信令风暴和较大的空口干扰和设备耗电等。总体上，业界倾向于针对“小微数据包（块）”，采取无连接方式（Connectionless Mode）进行数据传输；而针对“大中数据包（块）”，仍然采取传统的基于连接方式（Connected Mode）进行数据传输。
首先，我们先简短回顾一下3GPP系统针对小微数据包（块）的无线传输技术发展。在3G UMTS时代，CellFACH状态能够支持终端（UE,User Equipment）进行无连接方式的数据传输，在此状态下UE可以不受网络的强控制，Cell_FACH就是针对小微数据包的定制化状态。但到了4GLTE时代，由于没有引入类似的Cell_ FACH状态，LTE系统只能支持基于连接方式的数据传输，即当有任何数据待传时，UE必须先经历一系列信令流程，进入RRC_CONNECTED连接状态，建立好UE和小区间的服务
无线链路（RL,Radio Link），才能在调度下开启数据传输。当后续无任何数据待传时，服务RL再被拆链释放，UE退回到Suspend连接挂起状态或RRC_ IDLE空闲状态。上述RL建链和拆链的操作不仅会带来大量的控制信令开销（上行消耗约60~80个Byte，下行消耗约120-180个Byte），还会带来一定的用户面数据传输延时，这使得网络资源利用非常冗余低效，对于“小微数据包（块）”的传输来说非常不经济。到了5G-NR Rel-15版本巴可通过网络切片技术构建端到端的“窄带类业务切片”，并编排赋予其能够最佳适配“小微数据包（块）”传输特征的功能组合，如：非正交接入（MUSA, Multiple User Shared Access）类技术和相关参数设置，但是该“窄带类业务切片”本质上还是一个独立子系统，因而它仅具备支持窄带类数据传输的功能，无法同时高效地支持宽带类或其它类型业务场景。到了5G-NRRel-17版本[5]，通过进一步引入终端UE在RRC_INACTIVE 非激活状态下的直接数据包传输技术，即Small Data无线传输新技术，终于有望通过非连接的方式实现更高效的数据传输[6]o这种Small Data无线传输新技术机制和过去在窄带系统或窄带切片内引入的各种“小数据包（块）”传输技术相比，有下列几个新特点，如图1所示：
Small Data传输技术新特点
Connectionless
—Battery Saving
无连接省电节能
//
Low Latency
低延时
图1Small Data无线传输新技术机制的新特点（1）Small Data无线传输新技术在空口不存在真正意义上的RL，因此不需要进行RL相关的建立释放、维护重配等操作，UE不会进入RRC_CONNECTED连接状态，而尽量被维持在RRCJNACTIVE非激活状态下，因此可以继承RRC_INACTIVE非激活状态的省电、控制信令少、移动管控灵活等优点。
（2）Small Data无线传输新技术所服务的用户业务数据包传输延时要求比窄带的更苛刻一些，通常也不需通过重复多次传输Repetition来提升传输鲁棒性，可有效避免传输冗余；对于某些延时苛刻的业务，甚至可以通过资源预留来实现快速传输，降低传输延时。
（3）Small Data无线传输新技术既可以从上行异步状态下，又可以从上行同步状态下启动，因此并不是每次传输都需伴随PRACH随机接入过程。此外，UE也不需要长期维护着上行同步UL Sync状态，因此当UE检测到上下行失步Out of Sync的时候，无需立即触发RRC 连接重建流程，可减少信令开销。
本文接下来将将系统地阐述分析：即将在5G-NR Rel-17被规范标准化的Small Data无线传输新技术机制，和它将面临的一系列关键问题和技术挑战。这些关键问题以5G-NR当前系统功能和协议细节的缺失不足和遗漏为出发点，散布于5G-NR系统的各个协议层和网元之中。如何保证支持Small Data功能相关协议添加修改后的前后兼容性，实现功能低复杂度和较优的技术性价比和业务适用性，都是对该技术标准化目标的挑战。作为该WID 立项课题在3GPP的唯一牵头公司（中兴通讯）和报告人，我们将结合过去各种Small Data老技术机制，向读者全面呈现诸多的新技术细节，和提出中兴通讯所倾向的总体方案对3GPP协议细节的添加修改建议。
猛麟丨
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2小微数据包传输关键技术
3GPP移动通信系统在3G UMTS时代，就早已支持通过Cell_FACH状态来进行小微数据包的传输，某服务小区内半静态配置和预留好一些上下行无线公共资源，NodeB 节点中的MAC-C实体管控着该服务小区内所有处于FACH 态的UE小微数据包的调度收发。基于4G LTE演进到后期的（e）NB-IoT/（e）MTC窄带系统，在Rel-16®新弓I入了提早数据传输技术（EDT,Early Data Transmission），实现了UE在Suspend连接挂起状态下快速地进行数据传输，但EDT传输机制总是伴随着RRC空口信令，女口：上行用户业务数据总是和RRCConnectionResumeRequest连接恢复请求消息_起被传输，而下行数据总是和RRCConnectionRelease连接释放消息一起被传输；此外EDT技术还只支持一个小数据包（块）的传输。如果待传的数据包（块）较大，UE还是要进入RRC_CONNECTED连接态下进行数据传输。
三光气5GNR系统在Rel-14SID阶段，就已早早地开始研究如何支持RRCJNACTTVE非激活状态下直接传输数据，如：利用上述LT&EDT机制的思想，终端UE伴随着RRC Resume连接恢复信令同时携带用户业务数据包（块），将它们Multiplex复用到同一个MAC PDU中。但是仅仅如此简单地技术移植还不够，相比于LT&EDT技术，业界希望5GNR 系统中的Small Data传输技术可以获得更好的传输性能和更高的资源利用率闷。因此，在借鉴ETE-EDT思想的基础上，5G-NR还需进一步研究如何在RRCJNACTTVE非激活状态下支持小微数据包更高效的传输，特别在某些场景条件下，不用总伴随RRC空口信令，即：用户业务数据包可以被独立地传输，且允许有多个数据包（块）被连续或间隔传
输。这些技术增强涉及到所适用的业务应用/用户移动场景，新子状态模型和传输机制的具体设计，还有网络侧RRC状态管控和资源预配置等多个方面，因此至少涉及到3GPPRAN1（空口物理层）、RAN2（空口高层）、RAN3（网络接口）等工作组的规范内容，下面我们将对此逐一地进行阐述分析。
2.1空口物理层关键问题和技术
首先，3GPP移动通信系统内的数据传输，都要遵循基于上下行时序同步和调度资源授权的基本原则。在微服务小区内（通常IA=0,TA,Timing Advance）或UE已知道未来有效的IA值（比如通过本地IA推导或侧指示）的情况下，UE可利用网络预留好的上下行时频资源块（PUR,Preallocated UL Resource）宜接进行"免动态调度的"数据传输（PUSCH-only），其中PUR资源基于第一类上行授权（Grant
an I疗軫亚■诸
aZ I2021年1月第1期Type1）预配置。反之，如果UE没有有效的1A值，则UE 在尝试发送小微数据包之前，必须先通过PRACH随机接入过程获得上行同步，再接收PDCCH动态的授权指令等参数，继而基于动态分配的Grant上行授权传输小微卿包。
根据上述两种资源传输的过程，小微数据包的传输可基于如下两种机制实现：传输资源预配置PURBased（也叫CG Based,CG,Configured Grant）RRC_INACTIVE数据传输和资源动态分配（4/2-step）RACH Based RRC_INACTIVE 数据传输。针对同一UE，这两种机制可以同时共存，且UE可以根据不同情况选择适用的传输机制，例如UE本地是否有有效的TA值，如图2所示。以2-step RACH操作为例，在RACH Based方案中，MsgA可以把RRC Resume信令和用户上行小微数据包合并同时上传，而MsgB可以把RRC冲突检测信令和用户下行小微数据包合并同时下发。而在PUR/CG Based方案中，UE可宜接在预配置好的PUR/ CG资源上把RRC信令和用户上行小微数据包合并同时上传。若UE需要连续传输多个数据包，在后续传输中，网络侧则可以基于用户标识进行上下行小微数据包的传输调度，这和RRC_CONNECTED连接态下的数据传输类似。
UE gNB Without vaUd TA:RACH baled
MsgA:RRC Resume Request+UL User Data
MsgB:Contention Resolution+DL User Data
With vaUd T A:CG baied
RRC Resume Request+UL User Data
UE id Based Scheduling of U L User Data
UE id Based Scheduling of D L User Data
RKC Release(go back to INACTIVE)
图22种典型的RRC」NACTIVE数据传输新机制
由于5G NR引入了服务波束Beam的新维度，截至Rel-16,3GPP在RRC_CONNECTED状态下如何管控Beam方面已做了详细规范，而如何在RRC_ INACTIVE数据传输状态下有效地管控多波束Beams则有待进一步分析考虑。比如：在一个INACTIVE状态数据传输窗内，是否允许UE进行波束切换以及UE如何实现波束之间切换等操作。由于在Rel-17Small Data Transmission WID中[6],RANI并没有被分配专门的线上研讨时间（TU,Time Unit），因此，默认原则上，3GPP业界将尽量重用现有的连接态波束管控机制，以减少RAN1引入的规范新内容。
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沈阳建筑大学图书馆杨立，黄河，张梦洁，等：小微数据包高效无线传输技术的发展和趋势
在没有用户Small Data数据传输的背景下，每个服务小区也会预留好一定的PRACH或MsgA PUSCH资源，但它们过去仅仅服务于一般用户控制面接入的需求。未来为了更好地支持用户业务数据的传输，需要根据预留资源和传输数据块大小（TB,Transport Block）重新规划PRACH和MsgA PUSCH资源池。当UE有有效TA的时候，可直接利用PUR/CG资源传输，因此也需要考虑预留资源和TB的影响，对PUR/CG资源池进行重新规划。此外，PUR/CG资源既可以是UE Specific的（通过UE专有信令预配置），也可是多个UE同小区内共享的（通过系统广播消息配置），上述内容对RAN1协议都将会有不同程度的影响。
2.2空口高层关键问题和技术
在3GPP移动通信系统内，UE所在RRC状态及不同RRC状态之间的转换仍然受到的强控制。当UE的业务数据无法通过一次授权的资源块TB Burst传输完毕时，剩余的数据量既可在UE进入RRC_CONNECTED连接状态（通过RRC resume恢复流程）后继续传输；也可将UE 继续保留在RRC_INACTIVE状态下（通过RRC Release 释放流程），等待后续传输机会到来后再进行数据传输，因此需做出更好的RRC状态迁移判决，如图3所示。为了辅助判决，UE可上报一些关于业务数据的用户辅助信息UE Assistance Information给，或核心网CN下发类似的辅助信息给，如：UE traffic&Mobility model等。通常对于延时不敏感的业务，可选择把UE 尽可能地保留在RRC_INACTIVE状态下，即使UE缓存着剩余的数据量，也可等待下一次RRC_INACTIVE传输窗的
机会到来后再继续传输。图3中的Semi-INACTIVE 不是一个被标准化的正式状态，它只是一个和RRC_ INACTIVE关联的虚拟子状态，也可以理解为介于RRC_ CONNECTED和RRC_INACTIVE状态之间的中间态。
由于在RRC_INACTIVE状态下，可使用的时频资源块（或预配置或临时动态分配）会受到较大的约束，导致可用的时频资源块不充足且不连续，例如：时频资源块的间隔时间较长，每次有效传输窗的长度不确定等，因此需要考虑它对HARQ操作和RLC重传操作的影响。如果支持RLC AM无损传输模式，当出现RLC最大重传失败时，需要考虑UE是否要触发RRC连接重建立过程，以重新进入RRC_CONNECTED状态。此外，当UE有机会连续传输多个数据块TB Burst的时候，UE是否还要检测RL状况，是否可能触发无线链路失败（RLF,Radio Link Failure），以及在连续的数据传输过程中是否要引入新的RRC_INACTIVE测量机制来满足移动性的需求，例如是否需要配置测量空隙measurement gap及如何配置等。在RRC_INACTIVE状态下，这些异常情况的处理方式，可能和RRC_CONNECTED状态下的有所不同，因此，具体问题和处理机制还有待进一步研究确认。
3GPP Rel-16版本新引入2-step RACH机制，它可有效减少UE随机接入的流程步数和时延开销。针对用户业务数据Small data的传输，2-step RACH机制也可被结合使用，从而进一步缩短Small data的传输延时。此外，在RRC_INACTIVE下，UE可能会触发本地小区重选的过程（特别是传输能力异构和跨节点的场景下），因而也需要考虑在小区重选发生后如何保证UE缓存的PDCP SDU数据包不被丢失。
进一步地，在UE移动场景下，由于有安全密钥Key更新的需求，通常认为首传伴随RRC信令发送更合理，但如果UE—直驻留在被控制进入RRC_INACTIVE状态的源锚点小区Anchor Node/ Cell内，则也可以不伴随发送RRC信令，直接发送纯的业务数据块，这样传输效率更高。
在多种“RRCJNACTIVE状态数据传输新机制”都有效适用的情况下，需根据实际情况优先选用其中某种最佳的机制，并确定它们之间回退操作的优先级关系。此外无论小微数据包的首传还是后续传输，UE都需要根据网络配置的条件，判决何时何地能启动哪种"RRCJNACTTVE状态数据传输新机制”，或启动回退RRC Resume恢复流程。上述判决需综合考虑：当前服务小区的数据传输支持能力和资源配置情况、本地RL质量情况和UE上行数据特性（例如：对延时/丢包率的要求和待传剩余的数据量）等。
2.3网络接口关键问题和技术
RAN3的工作主要面向NG（和核心网间的接
慢性再生障碍性贫血砂軫込佶I
2021年1月第1期盘索里
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口），Xn （间的接口），F1 （中心控制单元CU 和 分布单元DU 间的接口），E1 （中心控制单元CU 中 控制面实体和用户面实体间的接口）等网络接口，以便 为“控制面实体和用户面实体间状态数据传输机制”做
相关的协议流程和功能适配。比如：在下行方向，NG
接口可能需要增强Paging 流程和相关Small Data 数据 传输策略的指示；F1接口需要增强对gNB-DU 内UE
Context 上下文的预配置和维护，以让gNB-DU 能识别 收发的PDCP PDU 数据包；Xn 接口需要考虑在UE 跨
移动的场景下，如何实现数据块向/从锚点 Anchor Node 进行前传Data Forwarding 操作等。对于
小数据包的前传，既可通过传统的GTP-U 专有隧道的
方式，也可通过接口控制面消息携带的方式，比如：在 相关消息中引入User Data Container 等。如图4所示，
在gNB-CU 和gNB-DU 分离的情况下，gNB-DU 内需 预配置有UE Context ±下文，才能对空口接收到的上 行小数据包进行解码或对F1接口下行小数据包进行编
码等操作；gNB-CU 和gNB-DU 之间的数据前传可按照 传统GTP-U 隧道或F1AP 消息随路携带的方式。在UE 锚点控制不改变（Non Anchor Relocation ）场景下， 类似地，服务UE 的当前临时收发Current gNB 也
需要有U E Context 上下文，才能对接收到的上行小
数据包进行解码或对下行小数据包进行编码等操作； Anchor gNB 和Current gNB 之间的数据前传可按照传
统GTP-U 隧道或XnAP 消息随路携带的方式。
Wlthont valid TA: RACH blued
gNB-DU
gNB-CU
MsgA: RRC Resume Request + UL User Data
图4 gNB-CU 和gNB-DU 分离下RRC_INACTrVE 小数据包传输和前传
3小微数据包传输潜在的增强技术
随着Rel-17 RRC_INACTIVE 小微数据传输新机制即
将被标准化引入，未来5G-NR 系统在业务数据传输方面，
又多了一种选择手段。对于非单个TB Burst 小数据量场景， 到底是选择RRC_INACTIVE 的某种数据传输新机制，还
是回退使用传统RRC_CONNECTED 的数据传输老机制， 以及哪种方式的综合传输效率更高且更省电节能，这些都 还需要进一步的量化研究对比（需要最终的标准化方案细 节被确定）。如果选择了 RRC_INACTIVE 数据传输新方
式，gNB 如何更精准地进行资源（预）分配和传输调度，
这也需要进一步仿真评估和算法迭代优化。如前所述，利
用UE 辅助信息，可更好地实现RRC （子）状态管 控和资源预配置，同时gNB 自身也可利用人工智能（AI, Artificial Intelligence ）先进算法，结合历史管控调度信息，
对UE 的Traffic 和Mobility Profile 进行主动预测，实现 的更智能管控和资源优化利用。在PUR/CG Based 传 输方式下，如果需支持特定UE 在多个或RAN 节点
更大的物理范围内做PUR/CG Based 数据传输，则锚点基
站Anchor gNB 需通过Xn 和Fl 接口和它相邻节点提前进 行PUR/CG 资源的协调和预配置，联合协同完成预配置之
后，再通过空口 RRC 信令将配置下发给UE，这样UE 才 可在跨节点的更大物理范围内，自由地进行PUR/CG Based 小微数据包主动传输，如图5所示。
此外，在Xn 和F1接口上数据前传方面，由于RRC_
CONNECTED 下都采用了 UE 专有GTP-U 隧道的方式， 对于小微数据包，这显得有些低效浪费，因此是否可采用 公共共享的GTP-U 隧道进行数据前传也值得迸一步研究。
面向上述各种增强内容，笔者认为在Rel-17标准化时间周中明
窗内可能来不及完成，可在Rel-18版本阶段被进一步研究
讨论并进行标准化。因此策略上，Rel ・17可先实现RRC_ INACTIVE 小微数据传输的基本功能，奠定行为方式和性 能指标基线，而Rel-18再进一步实现相关增强功能。
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猛諡
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