URLLC關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性分析

黃韜，李鵬翔

（中國(guó)電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

作為5G 三大場(chǎng)景之一，URLLC 具有超低時(shí)延、超高可靠等特性。一方面，URLLC 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基站與終端之間用戶面上下行時(shí)延均低至0.5 ms；另一方面，該技術(shù)還可以滿足可靠性為10-5級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸需求[1]。因此，URLLC 可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、設(shè)備自動(dòng)化、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程手術(shù)等場(chǎng)景。本文在分析URLLC 技術(shù)高可靠、低時(shí)延特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同種類的URLLC 業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性要求不同這一實(shí)際，討論了不同TDD 系統(tǒng)配置下的上下行平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，并對(duì)URLLC 技術(shù)在TDD 系統(tǒng)中的適用度做出了展望。

1 URLLC 低時(shí)延關(guān)鍵技術(shù)

3GPP R15 版本對(duì)URLLC 空口時(shí)延提出的要求為單向0.5 ms，R16 版本對(duì)URLLC 空口時(shí)延提出的要求為雙向0.5 ms。為達(dá)到降低時(shí)延的目的，NR 在空口進(jìn)行了多項(xiàng)針對(duì)性設(shè)計(jì)，主要包括時(shí)域結(jié)構(gòu)、調(diào)度方式、上行免調(diào)度授權(quán)傳輸、下行搶占設(shè)計(jì)、上行取消設(shè)計(jì)等方面。

NR 在時(shí)域上的結(jié)構(gòu)與LTE 相似，時(shí)域上包括幀、子幀和時(shí)隙三個(gè)概念。在LTE 中，子幀長(zhǎng)1 ms，時(shí)隙固定長(zhǎng)0.5 ms，由7 個(gè)符號(hào)組成。相比于LTE 采用固定長(zhǎng)度的時(shí)隙，NR 中引入靈活的參數(shù)集設(shè)計(jì)，時(shí)隙長(zhǎng)度與子載波間隔掛鉤，每個(gè)時(shí)隙由14 個(gè)符號(hào)組成。在sub 6 GHz頻段，NR 支持15 kHz、30 kHz 和60 kHz 的子載波間隔，對(duì)應(yīng)時(shí)隙的長(zhǎng)度分別為1 ms、0.5 ms 和0.25 ms[2]。

在LTE 中，調(diào)度的基本單位為子幀，即TTI=1 ms。而在NR 中TTI 的基本單位為時(shí)隙，TTI 可為1 ms、0.5 ms和0.25 ms。此外，NR 中為了進(jìn)一步增加調(diào)度機(jī)會(huì)和減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，同時(shí)引入了mini-slot 的概念，mini-slot長(zhǎng)度為2、4、7 個(gè)符號(hào)?；跁r(shí)隙的調(diào)度在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅有1 次調(diào)度機(jī)會(huì)，基于mini-slot 的調(diào)度可在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)有多次調(diào)度機(jī)會(huì)，可以減少數(shù)據(jù)的發(fā)送等待時(shí)延。不同于LTE 中即使小數(shù)據(jù)包也需要最小1 ms 時(shí)間發(fā)送，基于時(shí)隙/mini-slot 的調(diào)度可以減少數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，從而能讓基站或終端更快地將數(shù)據(jù)包交付高層。

除了支持常規(guī)的基于SR（Scheduling Request，調(diào)度請(qǐng)求）調(diào)度的方式，NR 在上行調(diào)度中還支持Type1 和Type2 兩種免授權(quán)調(diào)度傳輸方式[3]。免授權(quán)調(diào)度Type1通過(guò)RRC 信令配置周期、頻域資源、時(shí)域偏置、調(diào)制編碼等參數(shù)，終端在接收到RRC 信令后，根據(jù)其中的時(shí)域偏置進(jìn)行授權(quán)配置的激活，適用于一些周期和資源等無(wú)需頻繁變化的特性穩(wěn)定的業(yè)務(wù)。免授權(quán)調(diào)度Type2 也通過(guò)RRC 信令進(jìn)行周期的配置，但由PDCCH 激活指示的傳輸資源參數(shù)與授權(quán)配置。免授權(quán)調(diào)度Type2 相對(duì)于Type1 是一種更為靈活的授權(quán)配置方式，可進(jìn)行更加靈活的激活與去激活操作，更適合于一些隨機(jī)發(fā)生的短時(shí)間段業(yè)務(wù)。

另外NR 支持eMBB 和URLLC 復(fù)用，主要包括半靜態(tài)復(fù)用和動(dòng)態(tài)復(fù)用兩種方式。對(duì)于半靜態(tài)復(fù)用，即根據(jù)參數(shù)配置預(yù)留一定比例的頻域資源分別供eMBB 與URLLC 使用，這種方式能夠保證URLLC 空口資源，但同時(shí)也降低了空口資源的利用率。對(duì)于動(dòng)態(tài)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)方式為支持下行鏈路通過(guò)PI（Pre-emption Indicator，搶占指示）使URLLC 業(yè)務(wù)占用eMBB 業(yè)務(wù)的資源[4]。PI 承載在DCI 2-1 中[5]，PI 按照小區(qū)為單位組包，RRC 信令會(huì)配置每個(gè)小區(qū)的PI 在DCI 負(fù)載中的位置，每個(gè)PI 長(zhǎng)度固定為14 bit。由于URLLC 業(yè)務(wù)通常業(yè)務(wù)量較小，這種資源搶占通過(guò)打孔的方式實(shí)現(xiàn)，可以保證eMBB 業(yè)務(wù)的正常傳輸。

在R16 版本中，NR 對(duì)eMBB 和URLLC 復(fù)用進(jìn)行了增強(qiáng)[6]，對(duì)于上行終端間發(fā)生URLLC 與eMBB 業(yè)務(wù)復(fù)用的場(chǎng)景，支持兩種實(shí)現(xiàn)復(fù)用的方法。第一種方法是上行鏈路通過(guò)UL cancelation 取消eMBB 業(yè)務(wù)傳輸，所對(duì)應(yīng)的待取消的上行傳輸包含正在進(jìn)行的上行傳輸與還未開(kāi)始的上行傳輸，類似下行鏈路的包含PI 的DCI 2-1，也將考慮設(shè)計(jì)一種新的DCI 格式用于指示上行取消的時(shí)頻資源區(qū)域。第二種方法則是通過(guò)動(dòng)態(tài)增大URLLC 終端的發(fā)射功率，同時(shí)保持eMBB 終端原有發(fā)射功率不變來(lái)實(shí)現(xiàn)上行UE 間的復(fù)用。

相比于LTE 固定4 ms 間隔的HARQ-ACK/NACK反饋，NR 支持靈活可配置的HARQ-ACK/NACK 反饋間隔，最短可在同時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行HARQ-ACK/NACK 反饋。當(dāng)初次傳輸失敗時(shí)，NR 可使得基站更快地接收到重傳指示，進(jìn)而縮短重傳的時(shí)延。

NR 將在R16 版本中進(jìn)一步支持TSN（Time Sensitive Network，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）[7]，通過(guò)在廣播消息SIB9 或?qū)Ｓ玫腞RC 消息中發(fā)送高精度的參考時(shí)間，保障主時(shí)鐘和終端時(shí)鐘的精確時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感傳輸。針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多種業(yè)務(wù)需求和匹配不同業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)間規(guī)律等問(wèn)題，支持在一個(gè)BWP 中配置多個(gè)SPS（Semi Persistent Scheduling，半靜態(tài)調(diào)度）和CG（Configured Grant，配置授權(quán)）配置來(lái)適配這種情況，并通過(guò)以太網(wǎng)頭壓縮機(jī)制提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低時(shí)延。

2 URLLC 高可靠關(guān)鍵技術(shù)

3GPP R15 版本對(duì)可靠性提出的要求為99.999%，R16 版本對(duì)可靠性提出的要求為99.999 9%。為達(dá)到高可靠的要求，NR 在空口和高層協(xié)議層進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)與增強(qiáng)?？傮w來(lái)說(shuō)，提高傳輸可靠性的方法主要包括降低編碼率和增加分集增益。

為提高傳輸?shù)目煽啃?，NR 為URLLC 業(yè)務(wù)單獨(dú)設(shè)計(jì)了一套MCS 映射表格，通過(guò)降低編碼率并限制最高的調(diào)制方式為64QAM 的方式來(lái)增加傳輸?shù)某晒β室蕴嵘煽啃?。與此同時(shí)，保障數(shù)據(jù)一次傳輸即可成功發(fā)送，也降低了時(shí)延。

NR 還支持基于時(shí)隙的重復(fù)傳輸，最多可以在8 個(gè)slot 中重復(fù)傳輸相同的數(shù)據(jù)。而這樣相應(yīng)地增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，所以在R16 版本中，NR 將對(duì)重復(fù)傳輸進(jìn)行增強(qiáng)，數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸可基于mini-slot 進(jìn)行，在提升可靠性的前提下進(jìn)一步縮短了傳輸時(shí)延。

在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層，NR 支持PDCP 層的兩條支路復(fù)制機(jī)制，數(shù)據(jù)包可在PDCP 層進(jìn)行復(fù)制，分別在兩個(gè)獨(dú)立的邏輯信道傳輸，實(shí)現(xiàn)分集增益，提升可靠性。PDCP 的復(fù)制機(jī)制在R16 中得到了進(jìn)一步增強(qiáng)，最多可支持四條支路的復(fù)制，可通過(guò)CA 復(fù)制、DC 復(fù)制和CA 復(fù)制+DC 復(fù)制的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了獲得更多的分集增益，在R16 中NR 還將支持Multi-TRP 傳輸機(jī)制，可以從兩個(gè)或多個(gè)TRP 發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，并在接收端進(jìn)行軟合并，提升解碼的成功率。多TRP 傳輸?shù)姆绞桨⊿DM、FDM、時(shí)隙內(nèi)TDM 和時(shí)隙間TDM 四種，同時(shí)支持這四種方式的組合及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換[8]。

NR 在R16 版本中引入了24 bit 的compact DCI，通過(guò)降低DCI 的大小，可以使用較高的AL（Aggregation Level，聚合等級(jí)）來(lái)降低編碼率，提升傳輸?shù)目煽啃?。而減少的比特?cái)?shù)則考慮從時(shí)頻資源調(diào)度、調(diào)制編碼方式、進(jìn)程數(shù)、PUCCH 資源指示、HARQ 反饋時(shí)序指示和冗余版本等幾個(gè)方面著手。另外引入compact DCI 可以優(yōu)化小區(qū)中多用戶并行業(yè)務(wù)的情況，減少由于缺少PDCCH 資源導(dǎo)致PDCCH 被阻塞而無(wú)法進(jìn)行調(diào)度的情況，在一定程度上起到了降低時(shí)延的作用。

3 TDD 網(wǎng)絡(luò)的URLLC 適應(yīng)性

當(dāng)然，在實(shí)際中并非所有URLLC 業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性的要求都如此嚴(yán)格，不同種類的URLLC 業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性的要求不同，表1 給出了幾個(gè)示例[9]：

表1 不同URLLC業(yè)務(wù)的時(shí)延和可靠性要求

雖然3GPP 制定了如前面章節(jié)所述的多種技術(shù)來(lái)支持URLLC 業(yè)務(wù)，但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)對(duì)于URLLC 業(yè)務(wù)的支持性還有待研究。在現(xiàn)網(wǎng)中，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在3.5 GHz 頻段采用了2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，具體配置如圖1 所示。

圖1 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)

圖2 下行傳輸及ACK/NACK反饋示例

在這種幀結(jié)構(gòu)下，下行數(shù)據(jù)傳輸及相應(yīng)的ACK/NACK 反饋的可能存在情況如圖2 所示。在下行slot有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，可直接發(fā)送，下行數(shù)據(jù)在遇到上行slot時(shí)，則需等待下一個(gè)下行slot 才能進(jìn)行發(fā)送。在K1=1 時(shí)，即下行數(shù)據(jù)發(fā)送到ACK 反饋的時(shí)延偏置為激進(jìn)值，不考慮重傳的情況下，下行數(shù)據(jù)最小的時(shí)延為1 ms，最大的時(shí)延為3 ms，平均時(shí)延約為1.65 ms。而目前業(yè)界K1 典型值一般為2，此時(shí)，下行數(shù)據(jù)最小的時(shí)延為1.5 ms，最大的時(shí)延為3 ms，平均時(shí)延約為1.95 ms。

圖3 上行動(dòng)態(tài)調(diào)度傳輸示例

上行傳輸在基于SR 調(diào)度時(shí)，其傳輸方式如圖3 所示，在遇到下行slot 時(shí)，終端需要等待到上行slot 才能發(fā)送SR，并在下一個(gè)或下兩個(gè)下行slot 接收上行調(diào)度，具體等待間隔和K5 值有關(guān)。即上行調(diào)度請(qǐng)求SR 到上行調(diào)度授權(quán)的時(shí)延偏置，這里K5 取業(yè)界典型值為2，最后等待上行slot 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在不考慮重傳的情況下，上行最小時(shí)延為2.5 ms，最大時(shí)延為5 ms，平均時(shí)延約為3.75 ms。若是采用預(yù)調(diào)度的方式進(jìn)行上行傳輸，則省去了終端發(fā)送SR 到上行調(diào)度的這個(gè)過(guò)程，此時(shí)上行最小時(shí)延為0.5 ms，最大時(shí)延為2.5 ms，平均時(shí)延約為1.3 ms。

現(xiàn)階段TDD 網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的雙向時(shí)延最大為8 ms，最小為4.5 ms，平均為5.7 ms，即使考慮上行使用免調(diào)度傳輸，在每個(gè)上行時(shí)隙都預(yù)留資源用于免調(diào)度傳輸，TDD 網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的雙向時(shí)延最大5.5 ms，最小為2 ms，平均為3.25 ms，最小時(shí)延仍然不滿足URLLC 最嚴(yán)格的雙向1 ms 的要求。雖然此時(shí)的2.5 ms 雙周期的TDD 網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延為3.25 ms，可滿足部分AR/VR 應(yīng)用、部分電力系統(tǒng)應(yīng)用、智能傳輸系統(tǒng)等URLLC 業(yè)務(wù)的要求，但仍有50%用戶達(dá)不到良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。而且在每個(gè)上行時(shí)隙預(yù)留資源，即使只預(yù)留10 MHz～20 MHz 的帶寬資源，也將對(duì)eMBB 業(yè)務(wù)的上行速率造成10%～20%的損失，對(duì)于上行受限的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，這個(gè)開(kāi)銷會(huì)對(duì)上行性能造成一定影響。

除了現(xiàn)網(wǎng)所使用的2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，為了降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以支持URLLC 業(yè)務(wù)，還可使用1 ms 單周期的幀結(jié)構(gòu)，1 ms 的幀結(jié)構(gòu)由1 個(gè)下行時(shí)隙和1 個(gè)特殊時(shí)隙組成，其中特殊時(shí)隙由2 個(gè)GAP 符號(hào)和12 個(gè)上行符號(hào)組成。采用1 ms 單周期的幀結(jié)構(gòu)，可有效地降低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)雙向時(shí)延小于2 ms。但如果采用這種幀結(jié)構(gòu)，GP開(kāi)銷將占7.1%，并且上行資源占比過(guò)高不適用于下行業(yè)務(wù)為主的eMBB 網(wǎng)絡(luò)。如果想在同一張網(wǎng)絡(luò)里部署兩個(gè)不同的幀結(jié)構(gòu)，則需要預(yù)留出較大的保護(hù)帶進(jìn)行隔離，以避免不同幀結(jié)構(gòu)帶來(lái)的上下行不對(duì)齊問(wèn)題，這樣的開(kāi)銷將對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成較大的影響。

基于mini-slot 的調(diào)度，雖然可以減少數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，但TDD 系統(tǒng)的時(shí)延主要來(lái)自于雙工特性與幀結(jié)構(gòu)上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時(shí)延，這些是無(wú)法通過(guò)mini-slot 技術(shù)來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)的。而URLLC 下行搶占和上行取消技術(shù)也是如此，雖然可以通過(guò)打孔方式或取消其他業(yè)務(wù)傳輸使URLLC 終端快速發(fā)出數(shù)據(jù)，但TDD幀結(jié)構(gòu)的上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時(shí)延是無(wú)法避免的。

不難發(fā)現(xiàn)，TDD 系統(tǒng)在傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)配置下，對(duì)于時(shí)延影響較大的即為上行/下行數(shù)據(jù)到達(dá)后至上行/下行時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送之間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等待時(shí)延是無(wú)法通過(guò)URLLC 技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)的。對(duì)于時(shí)延要求不嚴(yán)格的業(yè)務(wù)，例如智能傳輸系統(tǒng)、配電系統(tǒng)中的差動(dòng)保護(hù)等業(yè)務(wù)，現(xiàn)網(wǎng)的TDD 系統(tǒng)是可以滿足要求的。而對(duì)于時(shí)延要求嚴(yán)格的URLLC 業(yè)務(wù)，例如工業(yè)自動(dòng)化、AR/VR 等，TDD 系統(tǒng)的適用度還是稍顯不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

URLLC 技術(shù)在高可靠、低時(shí)延等方面的特性使URLLC 技術(shù)成為傳統(tǒng)通信切入垂直行業(yè)的重要突破口。雖然3GPP 制定了多種針對(duì)性的技術(shù)和方法來(lái)支持URLLC 的特性，但仍然無(wú)法解決TDD 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時(shí)延，所以TDD系統(tǒng)對(duì)URLLC 的適應(yīng)性不足。因此，URLLC 業(yè)務(wù)建議部署在FDD 系統(tǒng)上，在FDD 系統(tǒng)中擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。而具體的部署方式，可通過(guò)一張獨(dú)立的FDD 網(wǎng)絡(luò)部署也可通過(guò)NR 與LTE 動(dòng)態(tài)頻譜共享的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這還有待進(jìn)一步的探討和研究。