裴旭明，賈建鑫,2，錢驊，朱正航，唐振宇，康凱

（1. 中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201210；2. 上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 210306）

1 引言

各種新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)使移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈指數(shù)級(jí)增長，蜂窩網(wǎng)正承受前所未有的流量負(fù)載壓力。為更好地應(yīng)對(duì)急劇增長的數(shù)據(jù)流量，有效提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，3GPP在Release 12[1]中引入了雙連接的概念，即終端可在RRC(radio resource control)連接狀態(tài)下同時(shí)利用主基站(MN，main node)與輔基站(SN，secondary node)的物理信道進(jìn)行并行傳輸，雙連接擴(kuò)展了載波聚合的應(yīng)用，其可以有效提升頻譜效率并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[2-3]。

基于Release12，3GPP在Release14中進(jìn)一步提出了 LTE-NR雙連接技術(shù)[4]，其定義了 4G、5G緊密互操作的技術(shù)規(guī)范，開創(chuàng)性地將 RAT(radio access technology)間的互操作過程下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣。對(duì)于5G而言，基于LTE-NR雙連接技術(shù)的非獨(dú)立組網(wǎng)模式可使5G核心網(wǎng)與接入網(wǎng)分步部署，有利于 5G的快速部署與應(yīng)用。隨后，在R2-1811712[4]中，3GPP TS 37.340[5]又將 NR-NR 雙連接(5G雙連接)場景加入其中。

針對(duì) 5G雙連接的關(guān)鍵問題研究，業(yè)界可謂百家爭鳴，例如針對(duì)5G雙連接場景的RRC信令設(shè)計(jì)問題[6-8]、針對(duì)5G雙連接場景的測量配置問題[9-16]，以及針對(duì)雙連接場景終端切換后的數(shù)據(jù)按序交付問題[17-20]。切換是 5G雙連接的一個(gè)重要功能，而針對(duì) 5G雙連接場景的切換時(shí)延問題卻少有討論。

在5G雙連接場景中，一種稱為終止于主基站的分離承載(MN terminated split bearer)的雙連接形式如圖1所示。UE(user equipment)同時(shí)具有到MN與SN的傳輸鏈路，UE發(fā)送的上行數(shù)據(jù)可以被分別發(fā)送至MN與SN，SN將上行數(shù)據(jù)通過Xn-U接口轉(zhuǎn)發(fā)至MN，MN將2路數(shù)據(jù)合并后通過NG-U接口傳輸至用戶面功能模塊（UPF, user plane function）。UPF發(fā)送的下行數(shù)據(jù)，先通過NG-U接口被發(fā)送至MN，MN將其分成2路，一路直接通過MN的空口發(fā)送至UE，另一路則首先通過Xn-U接口轉(zhuǎn)發(fā)至SN，再由SN通過空口發(fā)送至UE。網(wǎng)絡(luò)側(cè)的PDCP(packet data convergence protocol)實(shí)體位于MN，其向下分別對(duì)接位于MN的RLC(radio link control)實(shí)體和位于SN的RLC實(shí)體。UE側(cè)的PDCP實(shí)體向下分別對(duì)接2個(gè)RLC實(shí)體，RLC實(shí)體向下分別對(duì)接各自的MAC(media access control)實(shí)體與PHY(physical)實(shí)體。

圖1 終止于主基站的分離承載雙連接的協(xié)議棧

一個(gè)典型的雙連接切換場景如下：UE與源MN及源SN已經(jīng)建立雙連接，此時(shí)觸發(fā)切換，UE由源MN及源SN切換至目標(biāo)MN及目標(biāo)SN；源MN與目標(biāo)MN是不同的基站，但源SN與目標(biāo)SN為同一個(gè)基站。

針對(duì)上述切換場景，當(dāng)前 5G標(biāo)準(zhǔn)[21]沒有對(duì)其進(jìn)行特殊處理，而是歸于源SN與目標(biāo)SN為不同的基站來進(jìn)行處理?，F(xiàn)有的處理流程沒有利用“SN在切換過程中未發(fā)生改變”這一條件，未能有效減小該情況下核心網(wǎng)與 UE間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。鑒于此，本文提出一種針對(duì) 5G雙連接場景的新型切換機(jī)制，本文的主要貢獻(xiàn)如下。

1) 針對(duì)5G雙連接切換的場景，提出了一種能夠降低切換過程中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的新型切換機(jī)制，并對(duì)該機(jī)制的信令交互流程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2) 基于信令交互流程，建立了傳統(tǒng)切換機(jī)制與新型切換機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序模型。

3) 基于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序模型，以數(shù)學(xué)推導(dǎo)與仿真的方式對(duì)新型切換機(jī)制與傳統(tǒng)切換機(jī)制進(jìn)行對(duì)比，其中主要關(guān)注的性能指標(biāo)包括單個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時(shí)延及數(shù)據(jù)分組的總傳輸時(shí)延，推導(dǎo)結(jié)果及仿真結(jié)果可顯示出新型機(jī)制的有效性與優(yōu)越性。

下文中，源SN與目標(biāo)SN實(shí)際為同一設(shè)備，將根據(jù)情況用源SN、目標(biāo)SN及SN指代。

2 傳統(tǒng)切換機(jī)制

傳統(tǒng)切換機(jī)制的信令流程如圖2所示，信令的交互流程的具體解釋如下所示。

1) 如圖3(a)場景1所示，切換前，UE與源MN及源SN的雙連接已經(jīng)建立。源MN向目標(biāo)MN發(fā)送信令handover request來發(fā)起一次切換過程。

2) 目標(biāo) MN向目標(biāo) SN發(fā)送信令 SN addition request。

3) 目標(biāo)SN向目標(biāo)MN回復(fù)信令SN addition request ACK，該信令包含RRC信令，它將經(jīng)過目標(biāo)MN與源MN最終發(fā)送給UE。

4) 目標(biāo) MN向源 MN發(fā)送信令 handover request ACK，其中包含RRC信令。

5) 源MN向源SN發(fā)送信令SN release request。

6) 源SN收到信令SN release request后即停止對(duì)UE的數(shù)據(jù)服務(wù)。此后下行分離承載僅在源MN與UE間傳送。源SN向源MN回復(fù)信令SN release request ACK。

圖2 傳統(tǒng)切換機(jī)制信令交互流程

7) 源MN通過空口向UE下發(fā)RRC信令RRC connection reconfiguration，發(fā)送成功后即開始將來自UPF的下行數(shù)據(jù)從源MN轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)MN。由于此時(shí)UE還未與目標(biāo)MN建立連接，并且源SN已經(jīng)停止對(duì)UE的數(shù)據(jù)服務(wù)，所以轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)需要由目標(biāo) MN暫時(shí)緩存而無法發(fā)給 UE，因此引發(fā)了下行傳輸時(shí)延的增加。

8) UE收到RRC connection reconfiguration信令后，首先注銷與源MN相關(guān)的PDCP實(shí)體及RLC實(shí)體，并注銷與源SN相關(guān)的RLC實(shí)體，然后斷開與源MN和源SN的連接，如圖3(b)場景2所示。UE的上行數(shù)據(jù)開始無法發(fā)送，引發(fā)了上行傳輸時(shí)延的增加。之后UE向目標(biāo)MN執(zhí)行隨機(jī)接入；成功后，再根據(jù)RRC connection reconfiguration信令，新建與目標(biāo)MN相關(guān)的PDCP實(shí)體與RLC實(shí)體，新建與目標(biāo)SN相關(guān)的RLC實(shí)體。

9) UE向目標(biāo)MN發(fā)送對(duì)RRC信令的響應(yīng)，即RRC connection reconfiguration complete。此后源 MN 轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo) MN 的下行數(shù)據(jù)才能被目標(biāo)MN 分流。目標(biāo) MN分流的數(shù)據(jù)或直接經(jīng)目標(biāo)MN 的空口發(fā)給 UE，或通過 Xn-U 接口發(fā)送給目標(biāo)SN。UE產(chǎn)生的上行數(shù)據(jù)開始可以通過空口發(fā)給目標(biāo) MN，再由目標(biāo) MN 發(fā)給UPF。

圖3 基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的切換場景

10) UE向目標(biāo)SN執(zhí)行隨機(jī)接入。成功后，目標(biāo)MN通過Xn-U接口發(fā)給目標(biāo)SN的數(shù)據(jù)才能經(jīng)目標(biāo)SN 的空口發(fā)給UE。UE的上行數(shù)據(jù)可以由空口發(fā)給目標(biāo)MN或目標(biāo)SN，切換后的雙連接已經(jīng)恢復(fù)，如圖3(c)場景3所示。

11) 切換成功后，目標(biāo)MN向目標(biāo)SN發(fā)送SN reconfiguration complete。

12) 目標(biāo) MN向接入與移動(dòng)功能管理模塊（AMF, access and mobility management function）發(fā)送PDU session path switch request，請(qǐng)求UPF將下行數(shù)據(jù)發(fā)送給目標(biāo)MN。

13) 核心網(wǎng)內(nèi)的路徑切換信令交互過程。

14) AMF向目標(biāo)MN發(fā)送信令PDU session path switch response ACK。下行數(shù)據(jù)從由UPF發(fā)送給源MN改為發(fā)送給目標(biāo)MN。此后，源MN不會(huì)再收到來自 UPF的下行數(shù)據(jù)，如圖 3(d)場景 4所示。

15) 目標(biāo) MN向源 MN發(fā)送信令 UE context release。

16) 源MN向源SN發(fā)送 UE release request。

切換流程結(jié)束。

3 新型切換機(jī)制

新型切換機(jī)制的信令流程如圖4所示，信令交互流程的具體解釋，如下所示。

1) 切換前，源MN、源SN和UE之間的雙連接已經(jīng)建立，如圖5(a)場景1所示，空口協(xié)議實(shí)體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖4 新型切換機(jī)制信令交互流程

圖5 基于新型切換機(jī)制的切換場景

源MN向目標(biāo)MN發(fā)送信令handover request，信令中新增一個(gè)標(biāo)志位SN static request，用來建議目標(biāo)MN在本次切換中保持SN不變，即源SN與目標(biāo)SN實(shí)際為同一基站。信令中還包含有UE的空口協(xié)議棧實(shí)體的當(dāng)前配置信息，即 UE側(cè)的RLC-source main U、RLC-source-secondary U 和PDCP-source U。

圖6 切換前協(xié)議棧對(duì)應(yīng)關(guān)系

2) 目標(biāo)MN接受在本次切換中保持SN不變。目標(biāo)MN向SN發(fā)送SN addition request信令，信令中新增一個(gè)標(biāo)志位SN static request，指明UE在本次切換過程中需要保持SN不變。

3) SN新建一個(gè)RLC實(shí)體RLC-target secondary N，并回復(fù)信令 SN addition request ACK給目標(biāo)MN，信令新增一個(gè)標(biāo)志 SN static response，指明SN接受在本次切換中保持SN不變。信令中還包含將通過目標(biāo)MN、源MN，最終發(fā)給UE的RRC信令。RRC信令請(qǐng)求UE在切換過程中不對(duì)SN執(zhí)行隨機(jī)接入，并請(qǐng)求 UE新建 RLC實(shí)體RLC-target secondary U。

4)目標(biāo)MN新建一個(gè)PDCP 實(shí)體 PDCP-target N，新建一個(gè)RLC實(shí)體RLC-target main N。目標(biāo)MN向源MN發(fā)送信令handover request ACK，信令新增一個(gè)標(biāo)志SN static response，指明目標(biāo)MN接受本次切換中保持SN不變，并將待發(fā)送給UE的RRC信令發(fā)送給源MN。該RRC信令包含步驟3)中提到的RRC 信令；還包含目標(biāo)MN生成的RRC信令，內(nèi)容為請(qǐng)求 UE建立新 PDCP實(shí)體PDCP-target U、新RLC實(shí)體 RLC-target main U，并請(qǐng)求UE注銷RLC實(shí)體 RLC-source main U。

5) 源MN收到信令handover request ACK后，就開始將接收到的來自 UPF的下行數(shù)據(jù)，都通過RLC-source secondary N實(shí)體經(jīng)過空口發(fā)送給UE，而不會(huì)通過Xn-U接口轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)MN。源MN通過空口向 UE發(fā)送RRC信令RRC connection reconfiguration。源 MN在完成當(dāng)前正在執(zhí)行的通過RLC-source main N的數(shù)據(jù)傳輸后，注銷RLC-source main N。

UE在收到 RRC信令后，新建 PDCP實(shí)體PDCP-target U，新建RLC實(shí)體RLC-target main U，新建 RLC實(shí)體RLC-target secondary U。UE 注銷RLC 實(shí)體 RLC-source main U，并將通過RLC-source main U發(fā)送失敗的上行數(shù)據(jù)，改由RLC-source secondary U重新發(fā)送。此后分離承載都經(jīng)過RLC-source secondary U傳輸，空口協(xié)議棧關(guān)系如圖7所示，虛線框表示實(shí)體已經(jīng)建立，但由于底層的同步此時(shí)并未建立，所以不能經(jīng)過這些實(shí)體傳輸數(shù)據(jù)。該狀態(tài)下，從UPF發(fā)來的下行數(shù)據(jù)到達(dá)源MN，源 MN通過RLC-source secondary N發(fā)送給UE。UE的上行數(shù)據(jù)通過PDCP-source U實(shí)體、RLC- source secondary U實(shí)體、RLC-source secondary N實(shí)體和PDCP-source N實(shí)體，經(jīng)過源MN發(fā)給UPF，如圖5(b)場景2所示。

圖7 UE收到RRC信令后協(xié)議棧對(duì)應(yīng)關(guān)系

6) UE對(duì)目標(biāo)MN執(zhí)行隨機(jī)接入，成功后協(xié)議棧對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。

7) UE向目標(biāo)MN發(fā)送信令RRC connection reconfiguration complete，此后UE的上行數(shù)據(jù)可以經(jīng)過PDCP-target U實(shí)體發(fā)送。UE與目標(biāo)MN和SN之間的雙連接已經(jīng)恢復(fù)，如圖5(c)場景3所示。

圖8 UE成功接入目標(biāo)MN后協(xié)議棧對(duì)應(yīng)關(guān)系

8) 目標(biāo)MN向SN 發(fā)送信令SN reconfiguration complete。

9) 目標(biāo)MN向AMF發(fā)送信令PDU session path switch request，請(qǐng)求切換下行數(shù)據(jù)路徑。

10) 核心網(wǎng)內(nèi)的路徑切換信令交互過程。

11) AMF向目標(biāo)MN回復(fù)信令PDU session path switch request ACK。UPF向源MN發(fā)送一個(gè)特殊幀end marker，之后UPF產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)不再發(fā)送給源MN，全部發(fā)送給目標(biāo)MN。源MN在將end marker之前收到的下行數(shù)據(jù)全部發(fā)給UE后，將end marker發(fā)給目標(biāo)MN。

12) 目標(biāo) MN 收到 PDU session path switch request ACK和end marker后，向UE發(fā)送RRC信令，注銷 UE的 PDCP-source U和 RLC-source secondary U。

13) UE 向目標(biāo)MN回復(fù)信令RRC connection reconfiguration complete。

14) 目標(biāo) MN向源 MN發(fā)送信令 UE context release。

15) 源MN向SN發(fā)送SN release request。SN注銷 RLC-source secondary N。源 MN注銷PDCP-source N。此時(shí)空口協(xié)議棧狀態(tài)如圖9所示，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖 5(d)場景 4所示。

圖9 源MN向源SN發(fā)送SN release request后協(xié)議棧對(duì)應(yīng)關(guān)系

16) SN向源MN回復(fù)信令SN release request ACK。

17) 源MN向SN發(fā)送UE context release。

切換流程結(jié)束。需要補(bǔ)充說明的是，新型切換機(jī)制的處理流程由源 MN發(fā)起，通過在信令中附加的標(biāo)志位，由目標(biāo)MN和SN協(xié)商決定是否執(zhí)行新型機(jī)制處理流程。如果目標(biāo)MN或SN認(rèn)為不適合執(zhí)行新型切換機(jī)制，可以直接回退到傳統(tǒng)切換機(jī)制，因此新型切換機(jī)制不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成破壞性影響。

4 性能評(píng)估

4.1 數(shù)學(xué)模型建立

設(shè)切換前源MN與源SN已經(jīng)與UE建立雙連接，設(shè)雙連接空口下行總傳輸速率為R，源SN側(cè)下行傳輸速率為αR，源 MN側(cè)下行傳輸速率為(1-α)R，其中 0≤α≤1。設(shè)T1為源 MN 發(fā)出信令“RRC connection reconfiguration”到目標(biāo)MN發(fā)出信令“SN reconfiguration complete”的時(shí)間間隔；T2為目標(biāo)MN發(fā)出信令“SN reconfiguration complete”到目標(biāo) MN接收信令“PDU session path switch request ACK”的時(shí)間間隔。在切換過程中，雙連接下行數(shù)據(jù)發(fā)送速率變化如圖10所示。此外，將一個(gè)下行數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延定義為從UPF發(fā)出到UE完成接收所消耗的時(shí)間。

圖10 雙連接下行數(shù)據(jù)發(fā)送速率變化

設(shè)UPF發(fā)送的下行數(shù)據(jù)分組全部等長，并設(shè)UPF發(fā)送下行數(shù)據(jù)分組的持續(xù)時(shí)間為Tx，0≤Tx≤T1+T2。設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)分組在 NG-U 鏈路中的傳輸耗時(shí)為Tp，且Tp≤T1，則UPF發(fā)出的下行數(shù)據(jù)分組總數(shù)為

設(shè)切換前一個(gè)數(shù)據(jù)分組在雙連接鏈路中的傳輸耗時(shí)為Tw，設(shè)切換前與切換中的α保持不變，則在使用新型切換機(jī)制的切換過程中，一個(gè)數(shù)據(jù)分組在雙連接鏈路中的傳輸耗時(shí)為

用于評(píng)估數(shù)據(jù)傳輸性能的3種時(shí)延如下。

單個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延：假設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)分組的長度為若干比特，單個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延定義為UPF發(fā)出該數(shù)據(jù)分組第一個(gè)比特的時(shí)間與UE接收完成該數(shù)據(jù)分組最后一個(gè)比特的時(shí)間的差值。

N個(gè)數(shù)據(jù)分組的總傳輸時(shí)延：指UPF發(fā)出第一個(gè)數(shù)據(jù)分組的第一個(gè)比特的時(shí)間與UE接收完成第N個(gè)數(shù)據(jù)分組最后一比特的時(shí)間的差值。

N個(gè)數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時(shí)延：即N個(gè)數(shù)據(jù)分組的總傳輸時(shí)延與數(shù)據(jù)分組個(gè)數(shù)N的比值。

基于上述定義，本文以UPF連續(xù)發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)分組為例，來分析下述3種情況的數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延。

情況1 未發(fā)生切換時(shí)，UPF連續(xù)下發(fā)N個(gè)數(shù)據(jù)分組，UE與基站及 UPF間的傳輸時(shí)序如圖 11所示。

根據(jù)圖11，未發(fā)生切換時(shí)，N個(gè)數(shù)據(jù)分組的總傳輸時(shí)延為

令SDi代表第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延，其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù)，則未發(fā)生切換時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延為

圖11 未發(fā)生切換時(shí)的傳輸時(shí)序

情況2 當(dāng)使用傳統(tǒng)切換機(jī)制時(shí)，UPF連續(xù)下發(fā)N個(gè)數(shù)據(jù)分組，UE與基站及UPF間的傳輸時(shí)序如圖12所示，此時(shí)數(shù)據(jù)分組總傳輸時(shí)延為

圖12 基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的傳輸時(shí)序

同樣的，令SDi代表第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延，其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù)，則基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延為

此外，令 ADlegacy為基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的數(shù)據(jù)分組平均傳輸時(shí)延，則ADlegacy可由式(6)獲得。

情況3 當(dāng)使用新型切換機(jī)制時(shí)，UPF連續(xù)下發(fā)N個(gè)數(shù)據(jù)分組，UE與基站及UPF間的傳輸時(shí)序如圖13所示。

由圖 13可得，基于新型切換機(jī)制的數(shù)據(jù)分組總傳輸時(shí)延為

令SDi代表第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延，其中i為大于或等于1且小于或等于N的整數(shù)，則基于新型切換機(jī)制的每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延為

圖13 基于新型切換機(jī)制的傳輸時(shí)序

令 ADproposed為基于新型切換機(jī)制的數(shù)據(jù)分組平均傳輸時(shí)延，則ADproposed可通過式(9)獲得。

4.2 單個(gè)數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延評(píng)估

設(shè)新型切換機(jī)制中第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延為SDproposedi，設(shè)傳統(tǒng)切換機(jī)制中第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延為SDlegacyi，則當(dāng)?shù)趇個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延滿足SDproposedi＜SDlegacyi時(shí)，第i-1個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延也滿足SDproposedi-1＜SDlegacyi-1，證明過程如式(10)所示。

由此，在已知其他參數(shù)的情況下，可以通過比較2種切換機(jī)制的第N個(gè)分組(即在Tx時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)送的最后一個(gè)下行數(shù)據(jù)分組)的傳輸時(shí)延來計(jì)算α的取值范圍，使新型切換機(jī)制的單個(gè)數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的相同索引的數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延，如式(11)。

根據(jù)式(11)和 0＜α＜1，所以α應(yīng)滿足式(12)。

證明

為觀察α對(duì)將單個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延的影響，取圖 14所示的特殊值并通過計(jì)算得到所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，切換過程中發(fā)送的數(shù)據(jù)分組總數(shù)N是根據(jù)式(1)求出的，即數(shù)據(jù)分組索引可以取的最大值，在本文為15。圖14中“＋”代表基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延，其他9條曲線代表當(dāng)α分別取 0.1～0.9時(shí)基于新型切換機(jī)制的每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延。

圖14 α的值對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延的影響

為更清楚地體現(xiàn)α取0.6～0.9時(shí)新型機(jī)制的性能，對(duì)圖14中當(dāng)α取0.6～0.9時(shí)代表新型切換機(jī)制的 4條曲線與傳統(tǒng)切換機(jī)制的時(shí)延對(duì)比進(jìn)行了放大顯示，如圖15所示。當(dāng)α的取值落在式(12)給出的范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)不超過N的任意一個(gè)數(shù)據(jù)分組索引i，能保證基于新型切換機(jī)制的切換過程中第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延小于基于傳統(tǒng)切換機(jī)制切換過程中第i個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延。例如，當(dāng)α的取值為0.8時(shí)（圖15中“?”所示），基于新型切換機(jī)制的第15個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延小于基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的第15個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延時(shí)，新型切換機(jī)制第14個(gè)分組也小于傳統(tǒng)切換機(jī)制第14個(gè)分組的時(shí)延，依此類推。

圖15 對(duì)圖14中α取0.6～0.9時(shí)與傳統(tǒng)機(jī)制時(shí)延對(duì)比的放大顯示

4.3 數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)延評(píng)估

根據(jù)式(6)與式(9)，在已知其他參數(shù)的情況下，計(jì)算α的取值范圍，使新型切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延，如式(13)所示。

根據(jù)式(13)及條件 0＜α＜1，當(dāng)α滿足式(14)所示條件時(shí)，新型切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延恒小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延。

N可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，得式(15)。

進(jìn)一步，將傳統(tǒng)切換機(jī)制與新型切換機(jī)制進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，仿真結(jié)果如圖16所示。可以看出，對(duì)于數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時(shí)延，當(dāng)取圖16所示的特殊值時(shí)，在α＞0.6時(shí)，新型切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延恒小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的平均傳輸時(shí)延。

圖16 平均傳輸時(shí)延對(duì)比

4.4 數(shù)據(jù)總傳輸時(shí)延評(píng)估

設(shè)新型切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延為TDproposed，傳統(tǒng)切換機(jī)制的總時(shí)延為TDlegacy，在已知其他參數(shù)的情況下，計(jì)算α的取值范圍，使得新型切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延恒小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延，如式(16)所示。

根據(jù)式(16)及條件 0＜α＜1，當(dāng)α滿足式(17)時(shí)，新型切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延恒小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延。

進(jìn)一步，將傳統(tǒng)切換機(jī)制與新型切換機(jī)制進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，仿真結(jié)果如圖 17所示。可以看出，對(duì)于數(shù)據(jù)分組的平均傳輸時(shí)延，當(dāng)取如圖 17所示的特殊值時(shí)，在α＞0.6時(shí)，新型切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延恒小于傳統(tǒng)切換機(jī)制的總傳輸時(shí)延。

圖17 總傳輸時(shí)延對(duì)比

4.5 新型切換機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用條件

5G雙連接系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)信道條件來計(jì)算α?？紤]切換過程中UPF發(fā)出的下行數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，當(dāng)實(shí)際的α落在式(12)給出的范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)用新型切換機(jī)制時(shí)單個(gè)下行數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延小于應(yīng)用傳統(tǒng)切換機(jī)制時(shí)單個(gè)下行數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延，此時(shí)可以啟用新型切換機(jī)制進(jìn)行切換；若實(shí)際的α超出式(12)給出的范圍，則可以使用傳統(tǒng)切換機(jī)制進(jìn)行切換。同樣地，通過式(15)或式(17)得到的α取值范圍，也可以作為是否應(yīng)該啟用新型切換機(jī)制切換的判定標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際α落在式(15)給出的范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)用新型切換機(jī)制時(shí)下行數(shù)據(jù)分組平均傳輸時(shí)延小于應(yīng)用傳統(tǒng)切換機(jī)制時(shí)下行數(shù)據(jù)分組平均傳輸時(shí)延；實(shí)際α落在式(17)給出的范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)用新型切換機(jī)制時(shí)下行數(shù)據(jù)分組總傳輸時(shí)延小于應(yīng)用傳統(tǒng)切換機(jī)制時(shí)下行數(shù)據(jù)分組總傳輸時(shí)延。

5 結(jié)束語

針對(duì)雙連接切換中輔基站不變的場景中核心網(wǎng)與UE之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延問題，提出了一種新型切換機(jī)制。首先，針對(duì)傳統(tǒng)切換機(jī)制進(jìn)行分析并對(duì)影響數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的關(guān)鍵問題進(jìn)行定位；其次，對(duì)新型切換機(jī)制的信令交互流程進(jìn)行詳細(xì)闡述，利用輔基站在切換過程中傳輸數(shù)據(jù)，避免雙連接在切換中完全斷開，以此減少由切換過程中數(shù)據(jù)傳輸暫時(shí)中斷引起的傳輸時(shí)延；最后，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)與仿真對(duì)所提機(jī)制與傳統(tǒng)機(jī)制進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，相關(guān)結(jié)果顯示出新型機(jī)制在單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)平均傳輸時(shí)延及總傳輸時(shí)延方面的優(yōu)越性。