5G eMBB空口時(shí)延分析與增強(qiáng)技術(shù)研究

魏垚　熊尚坤

【摘? 要】為進(jìn)一步增強(qiáng)面向eMBB場(chǎng)景的空口時(shí)延性能，從5G NR的空口設(shè)計(jì)、物理層關(guān)鍵技術(shù)入手，分析了eMBB場(chǎng)景下的5G NR空口時(shí)延，并提出一種基于TDD/FDD協(xié)同的上行增強(qiáng)技術(shù)，最后通過(guò)Ping業(yè)務(wù)時(shí)延分析為例，給出在3GPP模型假設(shè)下的4G LTE、5G NR和采用上行增強(qiáng)技術(shù)后的5G NR的時(shí)延對(duì)比，論證了所提方案的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)移動(dòng)寬帶;幀結(jié)構(gòu);空口時(shí)延;上行增強(qiáng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.008? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0042-05

引用格式：魏垚，熊尚坤. 5G eMBB空口時(shí)延分析與增強(qiáng)技術(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 42-46.

Analysis on 5G eMBB Uu Interface Latency and Study on Enhancement Technique

WEI Yao， XIONG Shangkun

[Abstract]?In order to enhance the latency performance of 5G NR systems， this paper investigates 5G NR Uu interface design and key technologies of physical layer to analyze the latency of eMBB NR. An uplink enhancement scheme is further proposed based on the TDD/FDD coordination. Taking the Ping service delay analysis as an example， the delay comparisons are given among 4G LTE， 5G NR with and without the uplink enhancement technique under 3GPP model， which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

[Key words]eMBB; frame structure; Uu interface latency; uplink enhancement

1? ?引言

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)5G而言是一個(gè)重要的系統(tǒng)指標(biāo)，更低的時(shí)延意味著更優(yōu)的用戶體驗(yàn)。在ITU提出的IMT-2020八大關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)[1]中提出了1 ms的單向空口時(shí)延目標(biāo)，主要是針對(duì)uRLLC高可靠低時(shí)延的業(yè)務(wù)，如工業(yè)操控、遠(yuǎn)程手術(shù)刀、車聯(lián)網(wǎng)等。同時(shí)，1 ms的空口時(shí)延是針對(duì)用戶面時(shí)延而言，區(qū)別于控制面時(shí)延，用戶面時(shí)延更能體現(xiàn)一代通信系統(tǒng)的空口設(shè)計(jì)的核心能力。3GPP針對(duì)時(shí)延要求進(jìn)一步明確場(chǎng)景，對(duì)URLLC場(chǎng)景，單向空口時(shí)延低于0.5 ms，較ITU縮短一半[2];eMBB場(chǎng)景空口環(huán)回時(shí)延低于8 ms（LTE的空口用戶面環(huán)回時(shí)延要求為10 ms）。相對(duì)而言，eMBB場(chǎng)景對(duì)空口時(shí)延的改善并不如uRLLC有革命性的提升。

然而，現(xiàn)實(shí)情況中很多業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的需求無(wú)法完全按業(yè)務(wù)場(chǎng)景區(qū)分，如VR、高清視頻直播和遠(yuǎn)程視頻+控制等業(yè)務(wù)，既需要畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)母咔逦?，也需要用戶體驗(yàn)不受時(shí)延影響，提出了eMBB+uRLLC的大容量、低時(shí)延的新要求。另一方面，歷代網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)始終聚焦在峰值速率的提升上，而容易被忽略的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延其實(shí)也會(huì)從側(cè)面影響用戶的速率，直到2015年3月在3GPP RAN 67次全會(huì)上才首次提出基于LTE時(shí)延減少的研究項(xiàng)目（SI）立項(xiàng)，相關(guān)技術(shù)成果也被5G NR標(biāo)準(zhǔn)所繼承。目前，全球5G網(wǎng)絡(luò)以面向eMBB場(chǎng)景為主，那么如何進(jìn)一步降低eMBB網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，實(shí)現(xiàn)滿足大容量的同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)空口時(shí)延，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文首先對(duì)影響5G空口時(shí)延的幀結(jié)構(gòu)、空口設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)和信令處理時(shí)延、資源請(qǐng)求等方面進(jìn)行介紹，并提出一種基于TDD/FDD協(xié)同的上行增強(qiáng)技術(shù)，通過(guò)ping時(shí)延分析證明該方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能的有效性。

2? ?5G NR物理層設(shè)計(jì)與時(shí)延分析

2.1? 幀結(jié)構(gòu)和空口參數(shù)

5G NR的幀結(jié)構(gòu)可以靈活配置[3]（如圖1上半部分），相對(duì)LTE 15 kHz固定的子載波間隔而言，NR的子載波間隔可配置為15 kHz/30 kHz/60 kHz，子載波間隔的成倍增加，符號(hào)長(zhǎng)度（子載波間隔的倒數(shù)）則成倍縮短，NR的調(diào)度周期縮短至1 ms/0.5 ms/0.25 ms（分別對(duì)應(yīng)15 kHz/30 kHz/60 kHz子載波間隔），而LTE的調(diào)度周期TTI則固定為1 ms。

對(duì)于eMBB場(chǎng)景，典型的子載波配置為30 kHz，調(diào)度周期為0.5 ms，是LTE的一半;而uRLLC場(chǎng)景子載波配置為60 kHz，調(diào)度周期進(jìn)一步縮短為L(zhǎng)TE的四分之一。

另一方面，5G NR可以通過(guò)特殊的空口參數(shù)來(lái)進(jìn)一步減少調(diào)度周期的符號(hào)數(shù)。引入mini-slot幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1下半部分），能夠?qū)⒄{(diào)度周期從一個(gè)slot進(jìn)一步縮短至symbol級(jí)別，mini-slot配置包括2/4/7/14個(gè)symbol。最短時(shí)調(diào)度周期可縮短至0.036 ms（60 kHz子載波，2 symbol mini-slot）。

2.2? 終端和基站的數(shù)據(jù)包以及信令處理時(shí)間

數(shù)據(jù)包處理時(shí)延主要指數(shù)據(jù)包生成和解包的時(shí)延，信令處理時(shí)延是指從高層向底層傳遞的處理時(shí)延。經(jīng)研究，終端和基站的數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間跟數(shù)據(jù)包的大小、處理器能力相關(guān)，隨著芯片計(jì)算能力的提升，5G NR基站和終端處理時(shí)延，無(wú)論單次從發(fā)送到接收的處理時(shí)延總和，都較LTE有所增強(qiáng)。在3GPP自評(píng)估報(bào)告[4]中，對(duì)基站和終端的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)處理時(shí)延進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2.3? 資源請(qǐng)求調(diào)度與ACK/NACK反饋等時(shí)延

當(dāng)有上行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，終端需向基站發(fā)起無(wú)線資源請(qǐng)求的申請(qǐng)（Scheduling Request），基站根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況向終端發(fā)送上行調(diào)度準(zhǔn)許（Grant），這部分時(shí)延占用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的一大部分。在Rel-14以前，LTE已經(jīng)可以通過(guò)預(yù)調(diào)度功能來(lái)改善時(shí)延，即通過(guò)在固定位置周期性地提供上行資源用于上行數(shù)據(jù)的傳輸，不需要經(jīng)過(guò)資源請(qǐng)求過(guò)程來(lái)縮短時(shí)延。在2016年3月3GPP RAN 71會(huì)議進(jìn)一步提出半靜態(tài)調(diào)度，引入了更短的半靜態(tài)調(diào)度周期1 ms，大大縮短了資源請(qǐng)求調(diào)度的時(shí)間。5G的上行免調(diào)度（Grant free transmission）也繼承了半靜態(tài)調(diào)度的思路并進(jìn)一步增強(qiáng)，5G可以將預(yù)留資源分配給一組終端用戶，并且提出了在上行無(wú)線資源發(fā)生沖撞時(shí)的解決機(jī)制，降低時(shí)延的同時(shí)也提高了無(wú)線資源的利用率。

另一方面，在Rel-15中對(duì)ACK/NACK的反饋時(shí)延進(jìn)行了壓縮。LTE系統(tǒng)的ACK/NACK是固定時(shí)延4 ms，在反饋NACK后數(shù)據(jù)重傳的時(shí)延也是4 ms。而5G NR則通過(guò)K0-K5等時(shí)域偏置參數(shù)表征包括ACK/NACK以及重傳在內(nèi)的多個(gè)時(shí)間偏置[5-7]，具體包括：

（1）K0：下行數(shù)據(jù)發(fā)送的PDCCH和對(duì)應(yīng)的PDSCH間的時(shí)延偏置;

（2）K1：下行數(shù)據(jù)發(fā)送到ACK反饋的時(shí)延偏置;

（3）K2：上行調(diào)度準(zhǔn)許Grant到上行數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)延偏置;

（4）K3：下行數(shù)據(jù)NACK到下行數(shù)據(jù)重發(fā)的時(shí)延偏置;

（5）K4：上行數(shù)據(jù)發(fā)送到上行數(shù)據(jù)重發(fā)的時(shí)延偏置;

（6）K5：上行調(diào)度請(qǐng)求SR到上行調(diào)度授權(quán)Grant的時(shí)延偏置。

這些時(shí)間偏置受設(shè)備和終端處理能力、網(wǎng)絡(luò)配置和廠家調(diào)度機(jī)制等多方面影響，一般而言，K0～K5會(huì)有一個(gè)取值范圍，其最小值可視為在設(shè)備處理能力內(nèi)且能得到最快的調(diào)度，根據(jù)調(diào)研，業(yè)界目前典型的最小值為K0=0、K1=2、K2=2、K3=3、K4=3、K5=2，單位為調(diào)度周期時(shí)隙slot。在這種情況下，NR從一次下行數(shù)據(jù)發(fā)送到ACK/NACK反饋2個(gè)時(shí)隙，再到重傳3個(gè)時(shí)隙，最快2.5 ms完成，比LTE的8 ms大幅度降低。

2.4? 等待時(shí)延與發(fā)送時(shí)延

等待與發(fā)送時(shí)延是指數(shù)據(jù)包生成后等待，并最終被發(fā)出去的時(shí)延，主要包含三個(gè)部分：數(shù)據(jù)到達(dá)后等待本時(shí)隙的結(jié)束TNR_sym，待上下行的調(diào)度機(jī)會(huì)時(shí)延束TNR_TDD，以及需要一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送束TNR_tsm。

如圖2所示，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)是可能會(huì)在一個(gè)時(shí)隙中的任何時(shí)刻，而數(shù)據(jù)處理通常是按時(shí)隙顆粒度進(jìn)行的，因此需要等待該時(shí)隙結(jié)束。TNR_sym的平均等待時(shí)延為1/2個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度，例如子載波為30 kHz時(shí)，平均

TNR_sym=0.25 ms。

等待上下行的調(diào)度機(jī)會(huì)時(shí)延TNR_TDD是TDD雙工特有的時(shí)延。由于Massive-MIMO技術(shù)對(duì)TDD有一定的依賴性，5G NR采用TDD制式將成為主流選擇。相對(duì)FDD時(shí)隙連續(xù)而言，TDD上下行時(shí)隙分布離散，與運(yùn)營(yíng)商幀結(jié)構(gòu)選擇有關(guān)。上下行數(shù)據(jù)需要等對(duì)應(yīng)的上下行子幀到來(lái)才能被調(diào)度，F(xiàn)DD在這點(diǎn)上則有天然的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)分析，假設(shè)數(shù)據(jù)包隨機(jī)到達(dá)，2.5 ms雙周期平均等待上行時(shí)隙到來(lái)的時(shí)延約為T(mén)NR_TDD=0.75 ms，下行約為T(mén)NR_TDD=0.25 ms。

數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延TNR_tsm與TNR_sym類似，數(shù)據(jù)發(fā)送也需要一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行處理，子載波為30 kHz時(shí)，發(fā)送時(shí)延TNR_tsm=0.5 ms。

總體而言，對(duì)30 kHz、2.5 ms雙周期系統(tǒng)一次數(shù)據(jù)發(fā)送而言，NR即使因?yàn)門(mén)DD雙工時(shí)延落后了0.5 ms，但得益于更短的時(shí)隙長(zhǎng)度和調(diào)度周期，總體的等待和發(fā)送時(shí)延上仍然有0.25 ms的優(yōu)勢(shì)，如表1所示：

2.5? 其他增強(qiáng)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)1 ms極致的空口時(shí)延，5G除了子載波間隔和mini-slot，還推出了一系列方法，如物理層采用更短的CP長(zhǎng)度、更短的GP間隔和更頻繁的上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換頻率，通過(guò)采用自包含技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速的ACK/NACK反饋;通過(guò)改變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按時(shí)間維度串行解碼進(jìn)一步減少了時(shí)延，如導(dǎo)頻、控制信息、解調(diào)數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)在時(shí)頻域上的結(jié)構(gòu)。另外，5G使用了LDPC和Polar碼也在某種程度上提高了編解碼的效率，降低了處理時(shí)延。

3? ?基于TDD/FDD協(xié)同的上行增強(qiáng)技術(shù)

時(shí)延分析

通過(guò)第2節(jié)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)分析，5G已經(jīng)通過(guò)多種手段在降低空口時(shí)延上做出努力。然而基于目前5G技術(shù)框架，想要進(jìn)一步降低eMBB網(wǎng)絡(luò)時(shí)延已經(jīng)困難。在現(xiàn)網(wǎng)中通常幀結(jié)構(gòu)和空口參數(shù)是固定不變的，唯一能進(jìn)一步挖掘的只有等待時(shí)延。

由于5G面向eMBB場(chǎng)景主要是以下行業(yè)務(wù)為主，幀結(jié)構(gòu)配置上行時(shí)隙占空比較少且分散，因此考慮利用FDD的上下行時(shí)隙連續(xù)的特點(diǎn)，可以有效避免TDD特有的等待時(shí)延TNR_TDD，達(dá)到降低時(shí)延的效果。

基于TDD/FDD協(xié)同的5G上行增強(qiáng)技術(shù)正是采用這一理念實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空口時(shí)延的降低。該方案實(shí)現(xiàn)方式在于終端使用高低頻雙載波，下行可以是單載波或者下行載波聚合。由于上下行時(shí)隙配比導(dǎo)致上行時(shí)隙稀疏，上行等待時(shí)延明顯比下行等待時(shí)延更長(zhǎng)，因此本方案主要作用于上行等待時(shí)延，對(duì)下行等待時(shí)延的優(yōu)化效果甚微。如圖3所示，以國(guó)內(nèi)典型的2.5 ms雙周期為例，假設(shè)數(shù)據(jù)包隨機(jī)到達(dá)，部分?jǐn)?shù)據(jù)包（如3.5 G載波上第1、2、5、6、10時(shí)隙）到達(dá)后不在需要等待3.5 G的上行時(shí)隙，而是由網(wǎng)絡(luò)直接通過(guò)跨載波調(diào)度到低頻載波最近的上行子幀進(jìn)行發(fā)送，普遍等待時(shí)延能減少0.5 ms，最大可減少1.5 ms。同時(shí)，目前協(xié)議也支持HARQ動(dòng)態(tài)指派，在上下行不同子載波間隔配置的反饋時(shí)間點(diǎn)指示，同樣達(dá)到減少時(shí)延的效果。

4? ?Ping業(yè)務(wù)時(shí)延分析示例

基于對(duì)時(shí)延的理論分析，針對(duì)國(guó)內(nèi)典型eMBB商用組網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)和5G空口參數(shù)（2.5 ms雙周期TDD幀結(jié)構(gòu)，0.5 ms調(diào)度周期，子載波間隔30 kHz），結(jié)合3GPP自評(píng)估研究報(bào)告對(duì)于基站和終端硬件處理時(shí)延的假設(shè)，并采用時(shí)延最小的配置和調(diào)度算法，對(duì)于小數(shù)據(jù)包（一次調(diào)度可傳送的數(shù)據(jù)包），綜合考慮初傳和10%重傳，對(duì)5G NR、開(kāi)啟上行增強(qiáng)功能的5G NR和LTE的Ping時(shí)延進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示：

在基站開(kāi)啟上行免調(diào)度時(shí)，數(shù)據(jù)包空口環(huán)回平均時(shí)間時(shí)延，5G為3.76 ms，LTE FDD為9.6 ms;在基站不開(kāi)啟上行免調(diào)度時(shí)，則會(huì)增加上行調(diào)度申請(qǐng)所需的時(shí)長(zhǎng)：5G為5.92 ms，LTE FDD為15.24 ms。5G的空口時(shí)延的降低，一方面得益于終端和基站的處理時(shí)延減少，另一方面，更短的調(diào)度周期雖然有利于減小發(fā)送等待時(shí)間，但同時(shí)5G TDD雙工相比LTE FDD會(huì)額外增加上下行調(diào)度等待時(shí)間，因此5G的單次發(fā)送及等待時(shí)間合計(jì)平均只有約0.25 ms的優(yōu)勢(shì)。

為減少5G TDD雙工的影響，在開(kāi)啟TDD/FDD協(xié)同的上行增強(qiáng)功能前后，數(shù)據(jù)包空口環(huán)回平均時(shí)間減少0.35 ms，從5G NR的3.76 ms進(jìn)一步減少為3.34 ms;在基站不開(kāi)啟上行免調(diào)度情況下，則從5G的5.92 ms減少為5.15 ms。從結(jié)果上看，本文所提方案有效地減少了TDD上行等待時(shí)延，對(duì)eMBB場(chǎng)景的時(shí)延降低效果明顯。

需知道，以上結(jié)論都是基于3GPP的理論假設(shè)，實(shí)際的外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果普遍要比理論分析值高，主要來(lái)自于實(shí)際更長(zhǎng)的基站和終端處理時(shí)延，以及與設(shè)備商的調(diào)度策略相關(guān)。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

5G NR采用了靈活動(dòng)態(tài)的幀結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變子載波間隔、資源請(qǐng)求調(diào)度和ACK/NACK反饋等一系列方法，實(shí)現(xiàn)了更短空口時(shí)延。盡管TDD雙工相對(duì)FDD不可避免地帶來(lái)了調(diào)度機(jī)會(huì)的等待時(shí)延，但5G NR在數(shù)據(jù)等待和發(fā)送時(shí)延上仍然有0.25 ms的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)引入TDD/FDD協(xié)同的上行增強(qiáng)技術(shù)改善上行時(shí)延，驗(yàn)證在典型的eMBB場(chǎng)景下，通過(guò)3.5 G增加FDD低頻雙載波，空口環(huán)回時(shí)延能進(jìn)一步降低至3.34 ms，有效地避免TDD等待時(shí)延，降低空口環(huán)回時(shí)延。

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