СПОСОБ ОТПРАВКИ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ДВУХ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ 5G NEW RADIO
METHOD FOR SENDING DATA USING TWO 5G NEW RADIO BASE STATIONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к системам беспроводной связи 5G, в которых передача данных на пользовательские устройства может осуществляться с использованием двух частотных каналов: низкочастотного (несущая частота <7 ГГц) и высокочастотного (>24 ГГц).
Уровень техники
В настоящее время активно развиваются приложений виртуальной и дополненной реальности, в которых осуществляется передача видеопотока высокого разрешения с удаленного сервера на пользовательское устройство, подключенное к сети с использованием технологий беспроводной передачи данных. Со стороны сети передачи данных для таких приложений требуется обеспечить одновременно как высокую пропускную способность, так и низкую задержку с целью выполнений заданных требований пользователя к качеству обслуживания (например, высокая задержка доставки видеокадров приводит к искажению изображения на стороне пользователя, что может привести к таким неприятным ощущениям у последнего, как головокружение, дезориентация и тошнота).
Одним из способов достижения высоких скоростей передачи данных и низкой задержки в беспроводной сети является использование технологии пятого поколения 5G New Radio. В технологии New Radio предусмотрена возможность одновременного использования двух частотных диапазонов: традиционного низкочастотного диапазона (несущая частота до 7 ГГц) и миллиметрового диапазона длин волн (несущая частота от 24 ГГц). В миллиметровом диапазоне длин волн доступны более широкие частотные каналы, что теоретически позволяет достигать высоких скоростей передачи данных (более 1 Гбит/c на пользователя), необходимых для обслуживания в том числе приложений виртуальной и дополненной реальности. Однако использование высоких частот имеет ряд недостатков. Появление препятствий или увеличение расстояния между устройством и базовой станцией влекут за собой значительные колебания мощности сигнала, которые могут приводить к значительному снижению пропускной способности или вовсе отсутствию возможности передавать данные. Это особенно критично в случае обслуживания трафика реального времени, поскольку резкое снижение пропускной способности высокочастотного канала приведет к невозможности выполнить ограничение на время доставки данных и искажению видеоизображения на пользователе.
Для повышения надежности передачи данных в технологии New Radio (NR) предусмотрена возможность работы устройства в режиме двойного подключения (англ: Dual Connectivity), при которой пользовательское устройство подключается одновременно  к двум базовым станциям: к базовой станции, работающей в традиционном низкочастотном диапазоне, и к базовой станции, работающей в миллиметровом диапазоне. Эти две базовые станции обозначаются как основная (Master Next Generation Node B, MgNB) и вторичная (Secondary Next Generation Node B, SgNB). Как правило, основной назначается низкочастотная, а вторичной - высокочастотная базовая станция для того, чтобы обеспечить непрерывное подключение пользователя к сети.
Для повышения надежности доставки данных и обеспечения минимальной задержки в случае использования двух частотных каналов применяется подход, заключающийся в дублировании пакетов на уровне PDCP (Packet Data Convergence Protocol) и их последующей отправки через обе базовые станции. На пользовательском устройстве при необходимости осуществляется удаление дубликатов и переупорядочивание пакетов. Существенный недостаток этого подхода заключается в высоком потреблении канальных ресурсов на базовой станции, работающей в низкочастотном диапазоне. Этого следует избегать, поскольку к низкочастотной базовой станции подключается большое количество устройств как к обеспечивающей гораздо бóльшую зону покрытия и более высокую мощность принимаемого сигнала. Подключение к высокочастотной базовой станции, в свою очередь, рассматривается как дополнительная возможность для повышения скорости передачи данных. Создание высокой нагрузки при передаче видеопотоков высокого разрешения через низкочастотную базовую станцию может приводить к значительному снижению качества обслуживания большого количества других пользовательских устройств, подключенных к этой базовой станции.
Аналогом данного технического решения является Discarding a Duplicate Packet of an RLC Entity in Response to an Acknowledgement (рус. Отбрасывание пакета сущности RLC вследствие подтверждения) (US2020344723A1, опубл. 29.10.2020). Недостатком приведенного аналога является высокое потребление канальных ресурсов базовой станции, использующей низкочастотный диапазон, ввиду необходимости передавать пакеты с использованием низкочастотного диапазона до того момента, как получено подтверждение доставки данных с использованием высокочастотного диапазона.
Другим аналогом данного технического решения является PDCP и управление потоком для разделенного однонаправленного канала (RU2658586 C2, опубл. 22.06.2018). Недостатком приведенного аналога также является высокое использование канальных ресурсов базовой станции, использующей низкочастотный диапазон, так как отправка данных ведется сразу через обе базовые станции.
Одним из возможных решений описанной выше проблемы является разработка нового способа отправки данных в режиме Dual Connectivity с первоначальной отправкой пакетов через высокочастотную базовую станцию и буферизацией этих пакетов на низкочастотной базовой станции. При этом данные отправляются через низкочастотную базовую станцию только в том случае, когда они не могут быть успешно доставлены за заданное время через высокочастотную базовую станцию.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом данного технического решения является обеспечение доставки данных в сети 5G New Radio, использующей двойное подключение пользователя через высокочастотный и низкочастотный каналы, с выполнением ограничения на время доставки данных и минимальным потреблением канальных ресурсов низкочастотного канала.
Заявленный технический результат достигается посредством способа отправки данных с помощью двух базовых станций 5G New Radio, работающих в низкочастотном и высокочастотном диапазонах, содержащий следующие этапы: поступление пакетов на передачу на уровень PDCP низкочастотной базовой станции (MgNB); буферизация на уровне PDCP и оценка максимального времени хранения каждого пакета на низкочастотной базовой станции (MgNB) с учетом скорости передачи данных, длины очереди и ограничения на время доставки пакета; отправка дубликатов пакетов через высокочастотную базовую станцию (SgNB) пользователю, получение подтверждений на высокочастотную базовую станцию (SgNB) о доставке пакетов и оповещение об этом уровня PDCP на низкочастотной базовой станции (MgNB); удаление уже доставленных пакетов из очереди ожидания на низкочастотной базовой станции (MgNB); при истечении таймера на время хранения пакета на уровне PDPC на низкочастотной базовой станции (MgNB), пакет отправляется пользователю через низкочастотную базовую станцию (MgNB).
В частном варианте выполнения максимальное время хранения пакета пересчитывается каждый раз при изменении длины очереди, а также изменении скорости передачи данных на низкочастотной базовой станции MgNB.
В другом варианте выполнения в роли низкочастотной базовой станции выступает базовая станция LTE, связанная с высокочастотной базовой станцией New Radio по принципу Multi-Radio Dual Connectivity.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 - архитектура сети New Radio с двойным подключением пользовательского устройства.
Фигура 2 - стек протоколов базовых станций New Radio в режиме двойного подключения.
Фигура 3 - блок-схема предложенного способа, описывающей обработку пакетов на базовых станциях.
Осуществление изобретения
(130)
(121)
(122
(111)
(112)
(113)
(102)
(113)
(101)
(123)
На фигуре 1 изображена схема сети New Radio (NR), где пользовательское устройство  подключено к двум базовым станциям: главная (Master Next Generation Node B, MgNB), работающая в низкочастотном диапазоне (например, 3500 МГц @ 100 МГц) , и вторичная (Secondary Next Generation NodeB, SgNB), работающая в высокочастотном диапазоне (например, 25 ГГц @ 400 МГц) ). Базовые станции подключены к функциям SMF , AMF , UPF и другим функциям, входящим в ядро сети NR (5GC) . С помощью функции UPF  осуществляется связь с сетью общего доступа, в которую входит удаленный сервер, генерирующий поток пользовательских данных . Контрольные данные вышележащих уровней (таких как RRC) передаются через MgNB. Пользовательские данные передаются через MgNB и/или SgNB, а также между этими базовыми станциями с помощью интерфейса Xn .
(211)
(200)
(212),
(213)
(230)
(221)
(213)
(221)
(222)
На фигуре 2 изображена стек протоколов, задействованных на MgNB и SgNB для передачи пользовательских данных в нисходящем канале. Будем рассматривать конфигурацию сети, при которой пользовательские данные, т.е.  IP пакеты, приходят на протокол SDAP на базовой станции MgNB по MCG (Master Cell Group, рус.: группа главной базовой станции) split bearer (рус.: разделенное виртуальное соединение) , На уровне PDCP  в зависимости от реализованной процедуры отправки данных, не специфицированной стандартом, пакеты могут быть: (а) переданы на протокол RLC на базовой станции MgNB и, таким образом, в дальнейшем передаваться по низкочастотному каналу, (б) переданы по интерфейсу Xn на протокол RLC вторичной базовой станции SgNB ,и, соответственно, передаваться по высокочастотному каналу, (в) дублированы и переданы на оба протокола RLC и. MAC-уровень  осуществляет доступ к среде и планирование радиоресурсов для передачи пользовательских данных, а также оповещает протокол RLC об успешной доставке данных. Все указанные на схеме протоколы сообщаются двунаправленными интерфейсами, т.е. поддерживают обратную связь.
На фигуре 3 изображена блок-схема предложенной процедуры обработки и отправки пакетов с использованием двойного подключения с ограниченным временем буферизации пакетов и минимальным использованием ресурсов низкочастотного канала. Для простоты рассмотрим процедуру обработки одного пакета.
(310).
(311)
(312)
Для начала рассмотрим действия со стороны базовой станции MgNB. На протокол PDCP на базовой станции MgNB поступает пакет с вышележащего уровня SDAP Протокол PDCP осуществляет сжатие и шифрование пакета и добавляет к нему заголовок, содержащий порядковый номер (англ.: sequence number, seqNo) данного пакета . Пакет с добавленным к нему заголовком будем далее называть PDCP PDU (Protocol Data Unit). Протокол PDCP на базовой станции MgNB отправляет дубликат данного PDCP PDU на базовую станцию SgNB по интерфейсу Xn .
Базовая станция MgNB поддерживает очередь QUEUE1, в которой PDCP PDU упорядочены по времени поступления (т.е. по их порядковым номерам). Для каждого пакета  определено максимальное время отправки , при котором данный пакет (а также последующие за ним) будут доставлены по соединению MgNB-UE за заданное время . Ограничение  задается протоколами вышележащих уровней при при установке виртуального соединения MCG split bearer.
(313)
(314)
При поступлении нового PDCP PDU он добавляется в хвост очереди QUEUE1 , и происходит перерасчет времен отправки всех пакетов (т.к. добавление нового пакета увеличивает время доставки пакетов, хранящихся в QUEUE1) . Расчет времен отправки пакетов начинается с хвоста очереди. Для вновь поступившего пакета максимальное время отправки =, где  - текущее время,  - размер PDCP PDU,  - оценка скорости передачи данных по соединению MgNB-UE, которая может быть получена из оценки качества канала по соединению MgNB-UE и объема доступных частотных ресурсов. Для других пакетов новое время отправки пересчитывается следующим образом:  . Следует отметить, что при таком подходе времена отправки  пакетов в очереди QUEUE1 будут отсортированы от меньшего к большему.
(315)
(316)
(314).
Если от SgNB пришло подтверждение успешной доставки PDCP PDU с заданным порядковым номером PDCP , в отправке пакета по низкочастотному беспроводному каналу нет необходимости, и он удаляется из очереди QUEUE1 . В одной из реализаций данной процедуры, при удалении пакетов из QUEUE1 возможно опционально перезапустить процедуру пересчета времен отправки оставшихся пакетов
(317)
(318)
(316)
При наступлении времени отправки головного пакета  с условием непринятия подтверждения его успешной доставки по низкочастотному беспроводному каналу  выполняется его отправка на уровень RLC MgNB , пакет удаляется из очереди QUEUE1 .
(321)
(322)
(323)
(324)
(325)
(326)
(327)
(328)
Далее опишем действия со стороны SgNB. Протокол RLC базовой станции SgNB получает PDCP PDU от базовой станции MgNB и добавляет его в хвост очереди RLC . Уровень МАС (Medium Access Control, рус.: управление доступом к среде) базовой станции SgNB периодически получает доступ к беспроводному каналу и при наличии данных для передачи формирует MAC PDU, в который помещаются PDCP PDU, хранимые в очереди на RLC . Протокол RLC создает таблицу MAP1, куда при отправке MAC PDU сохраняется ассоциация MAC PDU с порядковыми номерами PDCP PDU, которые содержатся в отправленном MAC PDU . После отправки MAC PDU необходимо ожидать подтверждения успешного получения этого MAC PDU уровнем MAC пользовательского устройства. Для этого на уровне MAC используется протокол HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest). Получатель, при получении MAC PDU и его успешном декодировании, отправляет обратно подтверждение его получения (HARQ-ACK). Отправитель (SgNB), при получении этого подтверждения , может сопоставить этому подтверждению MAC PDU. MAC-уровень оповещает протокол RLC об успешной доставке MAC PDU . Протокол RLC использует таблицу MAP1 для определения соответствующих порядковых номеров PDCP PDU , которые были доставлены в данном MAC PDU, и отправляет информацию об успешно доставленных PDCP PDU протоколу PDCP базовой станции MgNB .
Возможна ситуация, при которой PDCP PDU успешно дошел до пользователя через SgNB, но подтверждение получения не успело дойти до MgNB до истечения таймера хранения PDCP PDU в очереди. В таком случае обе базовые станции отправят пользователю один и тот же PDU. Однако алгоритмы удаления дубликатов и перестановки пакетов, работающие на уровне PDCP пользовательского устройства, позволят избежать получения дубликатов на прикладном уровне и доставить данные в корректном порядке.
Пример
Пусть удаленный сервер отправил пользователю 10 пакетов, и каждый из них дошел до протокола SDAP на базовой станции MgNB. Будем считать, что данные пакеты приходят первыми после установления соединения пользовательского устройства с базовыми станциями, и их порядковые номера PDCP начинаются с 0. При установке MGC split bearer вышестоящими протоколами выставлено целевое время доставки пакетов 10 мс. Оценка скорости передачи данных по низкочастотному беспроводному каналу на период передачи этих данных составляет 50 Мбит/с и варьируется незначительно.
(310)
(311)
(312)
(313)
(314)
Пусть в момент времени  на протокол PDCP базовой станции MgNB последовательно поступают 10 пакетов . Ограничение на время доставки пакетов  составляет 10 мс. После сжатия и добавления заголовков  размер каждого пакета равен 1500 байт. Каждый пакет отправляется на передачу через базовую станцию SgNB по интерфейсу Xn . Пакеты, начиная с порядкового номера 0 и далее в порядке его возрастания, добавляются в очередь QUEUE1 . Для каждого пакета подсчитываются максимальные времена доставки , которые, с учетом размера PDCP PDU, целевого времени доставки и оценки скорости передачи данных, равны 7,6 мс, 7,84 мс, 8,08 мс, ..., 9,76 мс (от первого к последнему элементу QUEUE1).
(315)
(328)
(316)
(314)
(317)
(318)
(316)
(314)
(315)
(316)
Пусть в момент времени 5 мс протокол PDCP MgNB получает подтверждение успешной доставки пакетов по соединению SgNB-UE с порядковыми номерами PDCP от 0 до 7 , отправленное протоколом RLC SgNB . Тогда эти пакеты удаляются из очереди QUEUE1 , а времена отправки оставшихся пакетов - с номерами 8 и 9 - пересчитываются . Новые времена отправки пакетов с номерами 8 и 9 составляют 9,52 и 9,76 мс соответственно. По состоянию на момент времени 9,52 мс подтверждения для пакета с номером 8 не пришло, и время его отправки истекает . Тогда этот пакет направляется на отправку по низкочастотному беспроводному каналу  и удаляется из очереди , время отправки пакета с номером 9 остается равным 9,76 мс . Пусть подтверждение доставки пакетов 8 и 9 приходит в момент времени 9,7 мс . Тогда пакет 9 удаляется из очереди QUEUE1 , очередь становится пустой.
Данные были успешно доставлены до получателя, и при этом только один пакет был направлен на передачу по низкочастотному беспроводному каналу, тогда как при использовании известного подхода дублированной отправки пакетов каждый пакет был бы отправлен по низкочастотному каналу, из чего следует значительное снижение потребления канальных ресурсов низкочастотного беспроводного канала.