NR RLC(四) AM mode

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这篇是RLC AM mode的相关内容，RLC的ARQ是一种重传机制，其实NR三个不同的协议层MAC(HARQ)、 RLC(ARQ)和PDCP都有重传功能。为什么三层协议都需要具备重传功能？早期也有思考过这个问题，这里引用5G NR The Next Generation Wireless Access Technology中的一段话来解释这个问题。

MAC层HARQ机制的目标是实现快速重传，因此，在UE收到TB后需要对DL的接收情况进行HARQ ACK/NACK的反馈，而对于UL传输，则没有类似HARQ-ACK的显式反馈机制，主要原因是UL场景中，网络侧既是接收侧也是data的调度端，网络侧通过DCI 中NDI就可以指示UE是否需要进行重传。虽然HARQ可以达到一个非常低的错误概率，但是HARQ是以牺牲传输资源作为代价。有些情况这种做法就不太试用，一个明显的例子就是超可靠低时延的数据传输的场景，在这种情况下，要么需要降低反馈错误率，要么必须接受反馈信令增加的成本，或者在不依赖反馈信号的情况下进行额外的重传，但是这样就会降低频谱效率。低错误率不仅是URLLC类型服务的关注点，而且从数据速率的角度来看也很重要。TCP 的高数据速率可能需要将数据包几乎无错误地传送到 TCP 层。如ACM/IEEE Trans TCP reno performance: a simple model and its empirical validation133–145所述，对于可持续的数据速率超过 100Mbit/s的情况，需要小于 10^-5 的丢包概率。 

与HARQ 确认相比，RLC Status report的传输频率相对较低，获得 10^-5或更低可靠性的成本比较小。将HARQ和RLC ARQ两种重传机制组合在一起就可以取得RTT足够小且反馈开销适度的效果，所以两个机制相互补充，HARQ负责快速重传，RLC ARQ现实数据包的可靠传送。

为什么PDCP仍然具备重传的功能？主要原因是PDCP重传主要用于inter-gNB切换场景。切换时，未送达的下行数据包将通过PDCP由从旧 gNB 转发到新 gNB。这种情况下，在新gNB中会建立新的 RLC entity以及HARQ entity,这样原有的RLC状态就会丢失。PDCP重传功能可以确保在切换过程中没有数据包丢失。在UL，因为HARQ buffer在切换时会被刷新，UE的PDCP entity将处理之前所有为传输给gNB的UL数据包。

下面开始看下本篇NR RLC AM mode的具体内容，除此之外有将几个其他的琐碎知识点放在最后。

 

AM data transfer 发送端

 AM RLC entity的发送端要优先处理RLC control PDU。AM RLC entity传输端也要优先传输包含先前传输过的RLC SDU或RLC SDU segment的AMD PDU(比如重传场景)，后面再处理新的要传输的 RLC SDU 或 RLC SDU segment的 AMD PDU。

AM RLC entity的发送端要根据TX_Next_Ack维护发送窗，发送窗对应的SN范围为[TX_Next_Ack，TX_Next_Ack+AM_Window_Size)，只有TX_Next_Ack 更新，发送窗才会更新，如果TX_Next_Ack长时间不更新(例如收不到网络侧的postive ack)，在发送窗范围内的SN发送完后，UE就不能继续发送新的data，即window stalling。

 

AM mode TX_Next本身是发送状态的变量，保存的是下一个新生成的 AMD PDU 的 SN 值。初始设置为 0，并且每当AM RLC entity构造一个SN= TX_Next 的 AMD PDU 其包含一个RLC SDU 或一个 last segment RLC SDU 时，该变量就会更新。从PDCP收到RLC SDU后，AM RLC entity应该将其与当前TX_Next的SN相关联，将新生成AMD PDU的SN设置为TX_Next对应的值；之后TX_Next +1，指向下一个要产生的SN。

TX_Next的这种自增方式主要和AM RLC SN的规定有关，对于AM RLC， sn是以RLC SDU为单位递增的，即每个RLC SDU有唯一的SN，一个RLC SDU要进行分段，分段后的每个segment的SN和原始的RLC SDU SN相同。 

 如上图，SRB UL RLC发送的log 打印，UE发送了6个RLC PDU，分别是SN=3,4,5,6 的RLC SDU，因为UL grant不足，SN=4 的RLC SDU 被分成三个segment，通过SI可以看出具体segment信息，分别是first segment，中间部分的segment及last segment，后面的SO字段指示各个RLC SDU segment的第一个字节在原始RLC SDU中所对应的位置，3个segment的SN都是4，正如上述TX_Next 自增的规定。

 

当向MAC层提交包含segment RLC SDU的 AMD PDU 时，AM RLC entity发送端应将AMD PDU的SN设置为相应RLC SDU的SN。

AM RLC entity发送端可以通过从对端AM RLC entity接收STATUS PDU的方式来确定相关 RLC SDU 的positive ack(代表对端AM RLC entity有成功接收)：

当接收到SN = x 的 RLC SDU positive ACK时，AM RLC entity发送端应向PDCP发送 RLC SDU 成功传递的指示；将 TX_Next_Ack 按顺序递增，将其设置为当前最小的还没有收到ack 的RLC SDU SN， 这个SN需要在[TX_Next_Ack，TX_Next]区间范围内。

 比如 TX_Next_Ack=1 TX_Next=7,其中只有SN 2和4 收到positive ack，接下来通过对端的STATUS PDU 收到了SN 1和5的positive ack，UE发送了SN=7的RLC AMD PDU，那要更新发送窗，新发送窗的最低边界TX_Next_Ack=3，而TX_Next=8。

 

AM data transfer 接收端

 AM RLC entity接收端会根据RX_Next维护一个接收窗，接收窗的范围对应[RX_Next，RX_Next+AM_Window_Size)。当从MAC 收到AMD PDU时，AM RLC entity接收端会根据场景将收到的AMD PDU discard或者将其放置在接收buffer中；对于处于接收buffer中的AMD PDU，会对状态变量进行更新，将AMD PDU重组后传递给PDCP，并根据需要start/stop t-Reassembly。t-Reassembly超时，AM RLC entity的接收端要更新对应的状态变量并将根据需要start t-Reassembly。

这种由下边界RX_Next推动更新的窗口机制，就是所谓的push窗口；而UM mode接收端的由上边界RX_Next_Highest驱动的更新reassembly window的机制，就是所谓的pull窗口。采用不同的机制，主要也是由各自的特性确定的，例如UM更多考虑实时性，AM更多考虑可靠性等。

AM接收端从MAC收到AMD PDU时要进行判断，以便丢弃没用的数据，将有用的数据放入buffer后，再进行数据的重组及向PDCP的转发。主要涉及过程就是接收到AMD PDU的SN与接收窗状态变量的比较。

 

从MAC收到AMD PDU时

 当从MAC收到AMD PDU时，AMD PDU 包含 SN = x 的 RLC SDU 的segment number y ~ z，AM RLC entity接收端应按照下面的情况处理：

(1)如果 x 落在接收窗口之外或者如果之前收到过SN=x的RLC SDU 的segment number y ~ z，就丢弃收到的 AMD PDU。

(2)其他情况就将收到的AMD PDU放入接收buffer；如果某些segement之前接收到过，要丢弃重复的segment。

 

接收buffer中有AMD PDU时

 

对于放置在接收buffer中SN = x 的AMD PDU，

(1)如果 x >= RX_Next_Highest，将 RX_Next_Highest 更新为 x+ 1。

(2)如果收到SN = x RLC SDU 的所有字节，将SN = x 的 AMD PDU重组成RLC SDU，remove RLC header，并将重组的RLC SDU 传送到PDCP；

如果此时x = RX_Highest_Status，将 RX_Highest_Status 更新为第一个大于当前RX_Highest_Status的尚未收全RLC SDU 的SN；如果此时x = RX_Next，就将 RX_Next 更新为第一个大于当前RX_Next且尚未接收到所有字节的RLC SDU的SN。

 例如最初RX_Next=1 RX_Next_Highest=7，黄色代表收全的SN，绿色代表未收全的SN，下面收到了SN=7 AMD PDU 的segment，但是SN=1的 PDU还没有收全，下一步 RX_Next_Highest=8。  

 假如最初RX_Next=1，RX_Next_Highest=7，RX_Highest_Status=1 ，此时SN 2和4已经收全；下面收到了SN=7 AMD PDU 的segment，并且SN=1 的AMD PDU也收全了，此时RX_Next=3，RX_Next_Highest=8，RX_Highest_Status=3，由于RX_Next=3，此时AM接收窗也向前移动了2个SN。            

 

t-Reassembly

 假如t-Reassembly 正在运行，如果 RX_Next_Status_Trigger = RX_Next或者RX_Next_Status_Trigger = RX_Next + 1(此时RX_Next对应SN的SDU所有收到segment的最后一个byte之前没有缺失的segment)或者

RX_Next_Status_Trigger 落在接收窗之外并且 RX_Next_Status_Trigger不等于 RX_Next + AM_Window_Size，就要停止并reset t-Reassembly。

RX_Next_Status_Trigger对应t-Reassembly 状态变量，该状态变量保存的是触发 t-Reassembly的 RLC SDU SN 的下一个 SN。

 上图对应的就是t-Reassembly run期间要stop并reset t-Reassembly的三个场景举例。

 假如t-Reassembly没有运行(包括 t-Reassembly 由于上述操作而停止的情况)，如果RX_Next_Highest > RX_Next +1或者RX_Next_Highest = RX_Next + 1(此时RX_Next对应SN的SDU所有收到segment最后一个byte之前至少有1 byte segment缺失)，就要开启t-Reassembly并将RX_Next_Status_Trigger设置为RX_Next_Highest。

 如上图场景t-Reassembly没有运行，RX_Next_Highest > RX_Next +1，这时候将RX_Next_Status_Trigger更新到RX_Next_Highest=7的位置。

 

t-Reassembly 超时

 假如t-Reassembly超时，将RX_Highest_Status更新为第一个大于等于RX_Next_Status_Trigger且还没有收全的 RLC SDU SN；

如果RX_Next_Highest>RX_Highest_Status +1或RX_Next_Highest=RX_Highest_Status+1 (此时RX_Highest_Status对应SN的SDU所有收到segment最后1 byte之前至少有1 byte segment缺失)，就start t-Reassembly并将 RX_Next_Status_Trigger设置为 RX_Next_Highest。

 如上图假如RX_Next_Highest >RX_Highest_Status +1，要开启t-Reassembly，然后再将RX_Next_Status_Trigger更新到RX_Next_Highest=7的位置。

 假如RX_Next_Highest =RX_Highest_Status +1，其中RX_Highest_Status对应SN 6 的SDU所有收到的segment最后1 byte之前至少有1 byte segment缺失，要开启t-Reassembly，然后再将RX_Next_Status_Trigger更新到RX_Next_Highest=7的位置。

 

ARQ procedures

ARQ(Automatic Repeat request) procedures是AM RLC entity特有过程 ，UM 和TM都没有ARQ。

重传丢失的PDU也是RLC AM mode 主要功能之一。大多数错误可以由HARQ处理，而ARQ是第二级重传机制，作为HARQ的补充。AM RLC接收端可以检查接收到PDU的数量，如果发现有PDU丢失，就可以通过STATUS report的方式请求对端发送端重传相应data。

下面就看看ARQ是怎么进行重传的。

 AM RLC entity发送端可以通过接收对端AM RLC entity的STATUS PDU，然后来确定对端RLC接收端是否存在某些RLC SDU或segment接收失败的情况 。

当收到NACK，如果NACK 对应 RLC SDU 的 SN 落在 TX_Next_Ack <= SN < = 交给MAC层发送的最大AMD PDU SN value的范围内，就要将对端报NACK的SN 对应的RLC SDU 或segement进行重传。这段话的描述就是ARQ的大概过程。

 对于要进行重传的RLC SDU或segment，如果 RLC SDU或segment是第一次重传，将与该RLC SDU关联的 RETX_COUNT初始化为0；如果对应的RLC SDU或segment送出去了，但是在STATUS PDU中又收到了NACK，RLC 就会再次进行重传，此时将RETX_COUNT++。

每个 RLC SDU 都会维护一个 RETX_COUNT计数器；如果RETX_COUNT = maxRetxThreshold就要指示上层已达到最大重传，这时候就引起rlc max numRetx进而导致RLF。

 当在进行RLC SDU或segment的重传时，根据MAC 层提供的UL grant大小，UE可以对 RLC SDU 或 RLC SDU segment进行分段(比如UL grant不足以发送时)，生成一个MAC足够发送的New AMD PDU，交给MAC 层。 

形成新的 AMD PDU 时，AM RLC entity发送端仅会将原始RLC SDU 或 RLC SDU segment映射到新 AMD PDU 的Data field并根据具体情况设置new AMD PDU的header。

 

Polling

AM RLC entity发送端可以通过poll的方式要求对端RLC entity发送STATUS report，以便知晓对端RLC SN 的ack nack情况，进行重发或者更新发送窗，具体的是在发送的AMD PDU中设置 p bit 为1，具体场景如下述。

 在MAC层通知传输机会后，对于提交传输的每个AMD PDU，如果包含未传输过的RLC SDU或者segment，这时AM RLC entity发送端要将PDU_WITHOUT_POLL +1；将 BYTE_WITHOUT_POLL 加上 AMD PDU data field中对应的新传 byte； 

如果 PDU_WITHOUT_POLL >= pollPDU或BYTE_WITHOUT_POLL >= pollByte，就要在AMD PDU 中包含一个poll bit。

 在MAC层通知传输机会后，对于提交传输的每个 AMD PDU，

如果传新传和重传buffer都为空(不包括等待ack的已经发送的 RLC SDU 或segment)；或者在传输完AMD PDU后，没有新的RLC SDU可以传输的情况下(例如发送窗满了，不能继续发送新的RLC SDU，需要TX_Next_Ack更新后，才能发送新的RLC SDU，这时候就需要对端的STATUS report)，这时候就要在 AMD PDU 中包含一个poll。

 在AMD PDU中包含poll的方法，就是将 AMD PDU 的 P field置为“1”；然后还要将 PDU_WITHOUT_POLL和BYTE_WITHOUT_POLL 设置为 0，以便后续poll的生成。

在向MAC层提交包含poll的AMD PDU后，AM RLC entity发送端要将 POLL_SN设置为提交给MAC层的 AMD PDU 中最高的SN value；如果t-PollRetransmit没有运行，就启动t-PollRetransmit，否则 就重启t-PollRetransmit。

 在收到来自对端RLC AM entity的 STATUS report后，如果STATUS report包含 POLL_SN 对应RLC SDU 的ack或nack，就停止并重置 t-PollRetransmit(如果 t-PollRetransmit 正在运行)。

 在 t-PollRetransmit 超时后，如果新传和重传buffer都为空(不包括等待ack的已经发送的 RLC SDU 或segment)；或者在传输完AMD PDU后，没有新的RLC SDU可以传输的情况下(例如发送窗满了，卡住了)，就将highest SN提交给MAC 重发，或者重传任意没有收到ack的RLC SDU。这种情况下也要在 AMD PDU 中包含一个poll，要对端发送STATUS report。毕竟UE发送端之前已经通过poll要了对端的STATUS report，但是对应t-PollRetransmit超时，UE就会接着要；这里可以看出在t-PollRetransmit运行期间，不能多次触发poll，t-PollRetransmit超时后，才能新的poll过程。

这里先看一个RLC AM DL接收的例子，log是一个VONR场景，一般voice场景更注重实时性会采用RLC UM mode，但是也有例外，之前LTE时代也有voice用RLC AM mode的情况，在网络状况良好的情况，也没什么问题，网络状况差就另说了，下面这个例子正好对应5G场景下voice用RLC AM mode的情况，简单看下 。

 一开始建立起PDU session 2，其qfi 4相关配置用于IMS signalling的传输(5qi=5)，对应DRB5 LCID 5，AM mode。

 上图是RRCReconfiguration中相关的RLC配置参数的打印。

 之后进行VONR通话，配置了qfi 7 用于voice的传输，对应DRB6 LCID 6，RLC AM mode。

 上图是RRCReconfiguration中相关的voice DRB RLC配置参数的打印。

 之后可以看到RLC AM mode发送端的4个参数的变化，RX_Next始终等于RX_Next_Highest，即当前所有的RLC PDU都收全了，并传递给了PDCP，对应的是接收状况最佳情况，类似下图的场景。

 上面是一个RLC AM mode DL接收正常的例子，至于其他情况，还需要根据RLC AM mode发送端的4个参数的变化，具体情况具体分析，这里就不一一举例了。

 

再看一个UL的问题，UE在发送RRCSetup Complete时，UL RLC一直收不到sn ack，导致重发到达最大次数，引起RLF，下面看下log中RLC相关过程。

 在RRC setup中配置下来SRB1，后面的RRCSetup Complete要通过SRB1 发送，由于RRC setup中没有配置RLC级别的参数，这时候就要应用38.331中SRB1的默认配置，如上橙色框中对应的参数。

 紧接着通过上图就可看到SRB1 RLC的相关参数配置，例如sn length=12bit， max retx threshold =8等等，后面RLC entity就发送了SN=0的AMD PDU，TX_Next_Ack=0，说明在等网络侧通过STATUS report回复sn=0的ack，TX_Next=1代表下一个新产生的AMD PDU的SN。通过上面的RLC header SN=0 SI=00可以看出发送的SN=0对应的AMD PDU 是个完整RLC SDU；通过 P =1 说明 有进行 poll STATUS report；通过NEW_TX/RE_TX/RE_TX/RE_TX，可以看到UE一直在重传 SN=0 的PDU，log中一共打印了8次RE_TX，正好对应max retx threshold =8，后面就以RLCUL MAX RETX 触发了RLF。

 通过RLC UL Stats的打印，也可以看出进行了8次PDU 的Retx，后面看到期间一个status pdu都没有收到，也就是没有收到STATUS report。

最后再关注下为什么在第一次new tx sn=0 时，RLC header就带上了P(Polling bit)=1,即Status report is requested。印象最深刻的触发Polling的判断条件和pollPDU与pollBYTE 有关系，具体是PDU_WITHOUT_POLL >= pollPDU或BYTE_WITHOUT_POLL >= pollByte，就要在AMD PDU 中包含一个poll bit。但是38.331中SRB1 的默认配置pollPDU=pollBYTE=infinity，显然不可能通过上面这个条件触发，那还有什么情况可以触发？翻看38.322，最后找到了那个最容易忽略的要触发polling的条件：

“如果传输和重传buffer都为空(不包括等待ack的已经发送的 RLC SDU 或segment)；或者在传输完AMD PDU后，没有新的RLC SDU可以传输的情况下(例如window stalling)，这时候就要在 AMD PDU 中包含一个poll。” 那log中的P=1显然是前面传输缓冲区和重传缓冲区都为空的条件触发的，UE在发送完SN=0的PDU后，就没有东西要发了，毕竟这个场景UE只需要发送RRCSetup Complete，剩下就是AM RLC 发送端等peer AM RLC 接收端通过STATUS PDU指示的ack。

紧接着看下AM RLC entity接收端什么情况下要进行STATUS report以及如何构造STATUS PDU。

 

Status reporting

 STATUS PDU 由一个 STATUS PDU payload和一个RLC control PDU header组成。RLC control PDU header由D/C 和CPT字段组成。STATUS PDU payload的起始位置是从RLC control PDU header后面的第一个bit开始的，它由一个ACK_SN和一个E1，及零个或多个NACK_SN和一个E1，一个E2和一个E3组成，有时候可能还有一对SOstart 以及每个 NACK_SN 的 SOend 或 NACK 范围字段，根据NACK_SN的场景不同，上述所需的field也不同，需要具体情况具体分析。

 AM RLC entity会向peer AM RLC entity发送STATUS PDU，以便给对端RLC 发送端提供其RLC SDU(或segment)的ack和nack。

触发STATUS reporting的情况如下：

(1)当从MAC层收到对端的 SN = x 的AMD PDU且 P field=1时，AM RLC entity接收端首先按照上面从MAC 层收到AMD PDU的规定判断这个AMD PDU 是否需要discard，之后要触发STATUS report，以防止对端继续发送重复的AMD PDU；

如果 x < RX_Highest_Status 或 x >= RX_Next + AM_Window_Size，就要触发STATUS report；

其他情况，就延迟触发STATUS report直到 x < RX_Highest_Status 或 x>= RX_Next + AM_Window_Size。

值得注意的是RLC STATUS report是在HARQ reordering后才能传输，即先进行HARQ级别的底层数据重传，待HARQ操作结束后，再开始RLC级别的状态反馈，两种反馈机制搭配，干活不累。

(2)当检测到有AMD PDU接收失败的情况时，如果这时候t-Reassembly也超时，AM RLC entity接收端也应触发 STATUS report。t-Reassembly超时会引起RX_Highest_Status 的更新和 STATUS 报告的触发，这两者有先后处理顺序，STATUS report应在RX_Highest_Status更新后再触发。

 当触发STATUS report时，如果t-StatusProhibit没有运行 ，当在MAC层指示有传输机会时，AM RLC接收端就构造一个STATUS PDU并将其提交给下层发送；否则，在t-StatusProhibit 超时后的第一个传输机会，根据当前的情况构建单个STATUS PDU(即使在t-StatusProhibit 运行期间触发了多次STATUS report)并将其提交给下层。

当一个STATUS PDU提交给MAC层时，AM RLC接收端应该立刻启动t-StatusProhibit。

 在构造一个STATUS PDU时，AM RLC entity应该：

对于SN处于RX_Next <= SN < RX_Highest_Status中的尚未收全的RLC SDU，相同SN的RLC SDU中的segment，按照byte升序，；不同SN的RLC SDU按照SN升序， 从SN=RX_Next开始生成的STATUS PDU， 直到足够当前UL grant发送为止：

(1)对于没有收到任何byte segment的RLC SDU，将其SN设定为NACK_SN 包含在STATUS PDU中；

(2)如果某个RLC SDU 有部分连续 byte的segment没有收到，将其SN设置为NACK_SN，并将未收到的部分通过SOstart和SOend表示出来；

(3)对于尚未收到的连续完整 RLC SDU，将其SN 设定为NACK_SN， 并通过NACK range表示未收到的RLC SDU，如果需要的话，可以在STATUS PDU中包含一对SOstart 和 SOend。

将ACK_SN设置为没有在STATUS PDU指示为丢失的SN，这个SN对应的是下一个没有收到的RLC SDU的SN。

 以12 bit SN STATUS PDU 为例，看下应该如何填写具体field，假如RLC 接收端接收窗如上，那ACK_SN=8；其中SN=1的RLC SDU 全没收到，STATUS report中的内容对应蓝色字体部分；SN=2 中间部分没收到，STATUS report中的内容对应绿色字体部分，SOstart=X和SOend=Y 表示的是SN=2缺失的中间部范围 ；SN=5,6,7，5收到前半部分，6 全没收到，7收到后半部分，STATUS report中的内容对应紫色字体部分，SOstart=W和SOend=Z代表的是SN 5~7 连续缺失的范围。通过上面的STATUS report的内容，peer发送端就可以知道当前UE 接收端SN =3 和4 已经收到，以及未收到的SN 1，2，5，6，7具体哪部分没有收到，之后peer发送端就可以安排对应SN的重传。  

 

SDU discard procedures

 当PDCP指示要丢弃特定的RLC SDU，如果相关RLC SDU或其segment都没有提交给MAC时，AM RLC发送端应该discard对应RLC SDU。在丢弃 RLC SDU时RLC 发送端不应引入RLC SN gap，即假如要发送的SN=3的SDU 要丢弃，将后面要发送的SDU替补成SN=3继续按SN编号升序发送，防止出现SN gap，以避免可能引起对端RLC接收窗卡住的问题。

 

Data volume calculation

 

UE在进行MAC BSR时，会进行data volume估计，以便网络收到BSR后分配足够的UL grant，RLC data volume包含以下部分：

(1)尚未包含在 RLC data PDU 中的 RLC SDU 和 RLC SDU segment；

(2)等待初始传输的 RLC data PDU；

(3)等待重传的 RLC data PDU (RLC AM)。

此外，如果STATUS PDU已经被触发并且t-StatusProhibit没有运行或者已经超时，UE应该评估下一个传输机会将要传输的STATUS PDU的大小，并将其视为RLC data volume的一部分。

 如果收到的RLC PDU 包含一个reserved 或invalid value，这时UE要discard 这个RLC PDU。例如收到的RLC STATUS PDU CPT field的值为001，此时UE要discard该RLC STATUS PDU。