URLLC關(guān)鍵技術(shù)研究與空口時(shí)延分析

梁健生，陳曉冬

（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

ITU 為5G 定義了eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量大連接）、URLLC（低時(shí)延高可靠）三大應(yīng)用場(chǎng)景。eMBB 典型應(yīng)用包括超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。URLLC 典型應(yīng)用包括工業(yè)控制、無(wú)人機(jī)控制、智能駕駛控制等。mMTC 典型應(yīng)用包括智慧城市、智能家居等。

URLLC 作為5G 系統(tǒng)的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一，廣泛存在于多種行業(yè)中。隨著時(shí)代的進(jìn)步、通信技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)移動(dòng)通信的依賴和要求越來(lái)越高，5G 低時(shí)延高可靠的通信技術(shù)能夠使生活變得更高效、更便捷、更安全、更智能。

1 URLLC 性能指標(biāo)要求

URLLC 的特點(diǎn)是高可靠、低時(shí)延、極高的可用性，其主要應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用和控制、交通安全和控制、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程培訓(xùn)、遠(yuǎn)程手術(shù)等方面。不同的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延有不同的要求，對(duì)時(shí)延要求高的業(yè)務(wù)包括工業(yè)自動(dòng)化和AR/VR[1]，要求空口環(huán)回時(shí)延低至1 ms，3GPP TR 38.913 對(duì)URLLC 的時(shí)延和可靠性方面的指標(biāo)做出了要求[2]：

（1）URLLC 時(shí)延要求：UL/DL 的用戶面時(shí)延要求低至0.5 ms，空口環(huán)回時(shí)延低于1 ms；

（2）URLLC 可靠性要求：對(duì)于大小在32 Byte 的URLLC 業(yè)務(wù)，需要在1 ms 的用戶面時(shí)延下達(dá)到10-5的BLER 可靠度。

2 URLLC 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低時(shí)延技術(shù)

（1）mini-slot

一般eMBB 業(yè)務(wù)為了充分利用RE 資源，業(yè)務(wù)信道使用Type A 的資源映射方式盡量占滿整個(gè)時(shí)隙的RE 資源，mini-slot 業(yè)務(wù)信道使用Type B 的資源映射方式。Type B 的PDSCH/PUSCH 起始符號(hào)位置可以更加靈活配置，分配符號(hào)數(shù)量可以更少，時(shí)延短，在與低時(shí)延（Low Latency）和超可靠（Ultra Reliability）場(chǎng)景結(jié)合的情況下，實(shí)現(xiàn)URLLC 應(yīng)用。Type A 和Type B 資源映射方式如表1 所示。

表1 PUSCH和PDSCH資源分配映射方式

（2）上行免授權(quán)

UE 上行調(diào)度方式可分為動(dòng)態(tài)調(diào)度方式和基于資源預(yù)留的免授權(quán)調(diào)度方式。對(duì)于動(dòng)態(tài)調(diào)度方式，UE 在每次發(fā)送上行數(shù)據(jù)前都需要先通過SR 向基站申請(qǐng)上行資源，再由基站通過PDCCH 給該UE 配置相應(yīng)的上行RB資源后，UE 才能在相應(yīng)的上行信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。此過程中，信令多次交互，耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足URLLC 短時(shí)延的要求，為縮短空口傳輸?shù)沫h(huán)回時(shí)延，可在上行配置免授權(quán)的調(diào)度方式。

圖1 為連接態(tài)下ping 業(yè)務(wù)空口環(huán)回過程，使用動(dòng)態(tài)調(diào)度時(shí)，ping 數(shù)據(jù)在空口環(huán)回時(shí)延包括UE 在上行調(diào)度申請(qǐng)、基站通過PDCCH 向UE 分配PRB 資源、UE 在上行發(fā)送數(shù)據(jù)并最終正確接收基站反饋的下行數(shù)據(jù)的所有過程的時(shí)間總和，其中10%的傳輸錯(cuò)誤數(shù)據(jù)需要重傳，這進(jìn)一步增加了空口數(shù)據(jù)傳輸環(huán)回時(shí)間。使用免授權(quán)的預(yù)調(diào)度時(shí)，gNB 通過激活一次上行資源授權(quán)給UE，在UE 沒收到去激活的情況下，將會(huì)一直使用第一次上行授權(quán)所指定資源進(jìn)行上行傳輸，由于URLLC 使用10-5誤碼率的高可靠性編碼技術(shù)，可忽略重傳的時(shí)延影響，空口環(huán)回時(shí)延需計(jì)算步驟6 到步驟11 中除重傳外其余步驟的時(shí)延。

圖1 SA網(wǎng)絡(luò)連接態(tài)下ping業(yè)務(wù)空口環(huán)回過程

上行資源免授權(quán)有兩種配置類型[3]：配置授權(quán)Type 1由RRC 通過高層信令(IE ConfiguredGrantConfig)進(jìn)行配置；配置授權(quán)Type 2 由DCI 進(jìn)行指示上行免授權(quán)的激活和去激活，其需要的參數(shù)由IE ConfiguredGrantConfig進(jìn)行配置，但是需要由DCI 激活時(shí)才使用。

（3）下行資源搶占

一個(gè)終端突發(fā)的URLLC 業(yè)務(wù)可以搶占其他終端已經(jīng)在傳輸?shù)膃MBB 業(yè)務(wù)的資源進(jìn)行傳輸（如圖2 所示）[4]，這種傳輸方式會(huì)對(duì)eMBB 的傳輸性能造成一定影響。為了降低這種影響，引入了下行搶占（Premption Indication,PI）指示機(jī)制[5]，即通過組播發(fā)送PI 指示信息，通知終端在一個(gè)RDR（Reference DL Region）內(nèi)被搶占的資源，從而減少eMBB 資源被搶占造成的影響。

圖2 URLLC下行資源搶占

2.2 高可靠技術(shù)

（1）不同可靠性目標(biāo)的CQI 與MCS 映射表

5G 協(xié)議支持以兩種不同BLER 為目標(biāo)的CQI 與MCS 映射表格，分別對(duì)應(yīng)90%的可靠性要求與99.999%（低碼率）的可靠性要求。針對(duì)eMBB 業(yè)務(wù)，可選擇90%可靠性要求的CQI 與MCS 映射表格；針對(duì)URLLC 業(yè)務(wù)，可選擇99.999%可靠性要求的CQI 與MCS 映射表格。

（2）上行免授權(quán)下的重復(fù)發(fā)送

URLLC 在使用上行免授權(quán)調(diào)度方式下支持重復(fù)發(fā)送，以保證傳輸可靠性。通過RRC 配置重復(fù)的次數(shù)（1,2,4,8）與RV 序列，在一個(gè)上行免授權(quán)周期內(nèi)完成上行重復(fù)。在R15 協(xié)議中，僅能基于slot 進(jìn)行上行重復(fù)，暫無(wú)法應(yīng)用于低時(shí)延業(yè)務(wù)，R16 正制定基于mini-slot 的上行重復(fù)。

（3）One-Shot 與Two-Shot 的傳輸機(jī)制（如圖3）

1）One-Shot：保證1 次傳送即達(dá)到99.999%的高可靠性要求（直接配置99.999%可靠性要求的CQI 與MCS 映射表格），犧牲頻譜效率與空口資源，以保證可靠性與時(shí)延。

2）Two-Shot：保證2 次傳輸中有1 次或2 次的可靠性達(dá)到99.999%的要求，第1 次傳輸以90%可靠性為目標(biāo)，若存在誤塊需進(jìn)行第2 次傳輸，則以99.999%可靠性為目標(biāo)。

圖3 One-Shot與Two-Shot的傳輸機(jī)制

3 URLLC 與eMBB 空口時(shí)延分析

3.1 eMBB 空口時(shí)延分析

（1）FDD NR 上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序關(guān)系（如圖4）

動(dòng)態(tài)調(diào)度下終端在上行需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，以終端在slot n 開始發(fā)送SR 為例，考慮基站處理時(shí)延，基站接收SR 在slot n+y 下發(fā)PDCCH（最小取值y=2）；終端在slot n+y+K2 發(fā)送PUSCH（最小取值K2=2）；再算上基站處理時(shí)延，基站在slot n+y+K2+z 發(fā)送重傳PDCCH，這部分處理時(shí)延主要包括接收PUSCH 與發(fā)PDCCH（最小取值z(mì)=2 slot）；UE 則在slot n+y+K2+z+K2' 重傳PUSCH（K2'取值與K2 相同）。

圖4 FDD NR上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序關(guān)系

如果使用SPS 預(yù)調(diào)度的方式，終端不需要平均等待半個(gè)SR 周期的時(shí)間，也不需要通過SR 向基站申請(qǐng)上行資源，只需要平均等待半個(gè)SPS 周期，即可在預(yù)先保留的上行資源發(fā)送數(shù)據(jù)，可節(jié)省上行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

（2）FDD NR 下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延時(shí)序關(guān)系（如圖5）

基站在下行需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，以基站在slot n 發(fā)送數(shù)據(jù)為例，首先基站下行在slot n 通過PDCCH 調(diào)度PDSCH，在slot n+K0 上發(fā)送PDSCH；假設(shè)不進(jìn)行跨時(shí)隙調(diào)度，最小取K0=0；終端在slot n+K0+K1 上發(fā)送AN反饋，考慮UE 處理能力，最小支持K1=2；考慮基站的處理時(shí)延并在處理完成后的下個(gè)slot 可進(jìn)行發(fā)送，基站則可在slot n+K0+K1+x 發(fā)送重傳，處理時(shí)延包括解調(diào)AN與準(zhǔn)備重傳數(shù)包，簡(jiǎn)化考慮取x=2。

圖5 FDD NR下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序關(guān)系

eMBB 業(yè)務(wù)考慮UE Capability #1，根據(jù)協(xié)議簡(jiǎn)化取處理時(shí)延N2=12 symbol，此時(shí)以slot 為單位，即處理時(shí)延為1 個(gè)slot，則可在處理完成后的下個(gè)slot 進(jìn)行發(fā)送，因此取x=2?；咎幚頃r(shí)延根據(jù)協(xié)議討論，可參考終端處理時(shí)延，后續(xù)基站處理時(shí)延均如此來(lái)進(jìn)行考慮。

（3）TDD NR 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序關(guān)系（如圖6）

TDD NR 的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序順序與FDD NR 是一致的，數(shù)據(jù)在上下行發(fā)送同樣要滿足FDD 的K0、K1、K2 以及x、y、z 的時(shí)延要求，同時(shí)在滿足這個(gè)時(shí)延要求的情況下，必須等待在相應(yīng)的上下行時(shí)隙才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖6 TDD NR數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序關(guān)系

將5 ms 的10 個(gè)slot 分為如圖7 的三個(gè)區(qū)間，圖7為ping 數(shù)據(jù)在5 ms 不同的區(qū)間到達(dá)時(shí)，TDD NR 數(shù)據(jù)發(fā)送的環(huán)回時(shí)序。

區(qū)間可發(fā)送數(shù)據(jù)，表示上行數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好并且隨時(shí)可以發(fā)送。區(qū)間1 可發(fā)送數(shù)據(jù)，前面4 個(gè)時(shí)隙為下行時(shí)隙或特殊時(shí)隙，數(shù)據(jù)在這幾個(gè)時(shí)隙是無(wú)法發(fā)送SR 請(qǐng)求的，必須等待到上行時(shí)隙的到來(lái)才可以發(fā)送SR 請(qǐng)求。區(qū)間2 可發(fā)送數(shù)據(jù)也是跟區(qū)間1 一樣需要等待上行時(shí)隙到達(dá)才可以發(fā)送SR，對(duì)于區(qū)間3 可發(fā)送數(shù)據(jù)，由于本時(shí)隙已是上行時(shí)隙，因此可以立刻發(fā)送SR 請(qǐng)求。

圖7 TDD NR 數(shù)據(jù)收發(fā)過程

表2 空口傳輸時(shí)延

（4）eMBB 環(huán)回時(shí)延

數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)刻對(duì)時(shí)延也會(huì)有一定影響，對(duì)于一般數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不能搶占已調(diào)度的資源，數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)隙如果可以馬上調(diào)度傳輸，則所需等待的時(shí)間最小，反之?dāng)?shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)隙無(wú)法調(diào)度，則需要等待相應(yīng)的調(diào)度時(shí)刻才能進(jìn)行傳輸。下面以ping 數(shù)據(jù)在各個(gè)到達(dá)時(shí)刻為例，分析不同時(shí)隙到達(dá)ping 數(shù)據(jù)的空口環(huán)回時(shí)延。

對(duì)于TDD NR，數(shù)據(jù)必須在對(duì)應(yīng)的上下行時(shí)刻才能發(fā)送；對(duì)于FDD NR，任何時(shí)刻到達(dá)的數(shù)據(jù)上下行都可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，不會(huì)像TDD NR需要等待那么長(zhǎng)的時(shí)間。表2 是在不考慮SR 周期等待的情況下，數(shù)據(jù)在不同時(shí)隙到達(dá)時(shí)的發(fā)送時(shí)延。

表2 計(jì)算的是不考慮SR 周期的時(shí)延，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)態(tài)調(diào)度還需要配置SR 周期，并且終端在收到下行數(shù)據(jù)之后，還需要1 個(gè)slot 的時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)。在不同SR 周期，不同子載波帶寬下，TDD NR 和FDD NR 的空口理論平均時(shí)延如表3 所示：

表3 不同SR周期下的環(huán)回時(shí)延

考慮SR 周期=10 ms，終端接收數(shù)據(jù)處理時(shí)間為1 個(gè)slot，TDD SCS=30 kHz，動(dòng)態(tài)調(diào)度最大環(huán)回時(shí)延為16.5 ms，平均環(huán)回時(shí)延為10.3 ms，使用預(yù)調(diào)度，最大環(huán)回時(shí)延為5 ms，平均環(huán)回時(shí)延3.3 ms（按SPS=1 ms 計(jì)算）。對(duì)于FDD SCS=15 kHz，動(dòng)態(tài)調(diào)度最大環(huán)回時(shí)延18 ms，平均環(huán)回時(shí)延13 ms，使用預(yù)調(diào)度最大環(huán)回時(shí)延5 ms，平均時(shí)延4.5 ms（按SPS=1 ms 計(jì)算）。在不采用URLLC技術(shù)下，即使采用最短周期的預(yù)調(diào)度技術(shù)，也無(wú)法滿足空口環(huán)回時(shí)延小于1 ms 的要求。

3.2 URLLC 空口時(shí)延分析

對(duì)于URLLC 而言，由于低時(shí)延與高可靠的要求，盡量避免重傳發(fā)送，因此盡可能使用10-5誤碼的MCS/CQI映射表格使得單次傳輸達(dá)到可靠性要求，不進(jìn)行重傳。

URLLC 如果部署在TDD NR 網(wǎng)絡(luò)中，必須在相應(yīng)的時(shí)隙才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，以中國(guó)已分配的n41 和n78 NR 頻段為例，在當(dāng)前的上下行時(shí)隙配比下，部分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)延會(huì)比較大，即使部署了URLLC 也難以滿足1 ms 的空口環(huán)回時(shí)延要求，因此URLLC 應(yīng)部署在FDD 網(wǎng)絡(luò)才能獲得更短的時(shí)延。

（1）上行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延

URLLC 上行基于免授權(quán)方式進(jìn)行調(diào)度，無(wú)需進(jìn)行SR 上報(bào)，上行在slot n 中的免授權(quán)位置使用mini-slot發(fā)送PUSCH?；咎幚頃r(shí)間為解調(diào)PUSCH 時(shí)間，處理時(shí)間參考Capability #2，即為N1/2，15 kHz 下為1.5 symbol，30 kHz 下為2.25 symbol。UE 處理接收PDSCH時(shí)間（暫不算入AN 反饋準(zhǔn)備時(shí)間），使用Capability #2進(jìn)行考慮，即為N1/2，15 kHz 下為1.5 symbol，30 kHz 下為2.25 symbol。

URLLC 編碼冗余性高，使得一次傳輸可靠性高（99.999%可靠性），避免二次重傳，只計(jì)算單次傳輸時(shí)延。引入mini-slot，最快可以在2 symbol 完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

（2）下行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延

URLLC 下行數(shù)據(jù)發(fā)送基于資源搶占的調(diào)度方式，下行在slot n 中的某個(gè)符號(hào)通過PDCCH 調(diào)度PDSCH，并在PDCCH 后一個(gè)符號(hào)開始的mini-slot 上進(jìn)行PDSCH數(shù)據(jù)發(fā)送。UE 處理接收PDSCH 時(shí)間（暫不算入AN 反饋準(zhǔn)備時(shí)間），使用Capability #2 進(jìn)行考慮，即為N1/2，15 kHz 下為1.5 symbol，30 kHz 下為2.25 symbol。

（3）URLLC 環(huán)回時(shí)延

圖8 為基于FDD NR 的mini-slot 數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序，SCS=15 kHz，終端使用兩個(gè)符號(hào)在預(yù)留資源發(fā)上行數(shù)據(jù)，基站收到數(shù)據(jù)后處理數(shù)據(jù)時(shí)間為2 symbol，并使用一個(gè)符號(hào)的PDCCH 調(diào)度資源，然后用兩個(gè)符號(hào)傳輸下行數(shù)據(jù)，終端收到數(shù)據(jù)后使用2 symbol 的時(shí)間完成數(shù)據(jù)接收的處理。

mini-slot 發(fā)送數(shù)據(jù)不考慮SR 周期，上行采用資源預(yù)留方式，下行采用資源搶占方式，對(duì)于FDD SCS=15 kHz，最大環(huán)回時(shí)延0.71 ms，平均環(huán)回時(shí)延0.68 ms。

圖8 FDD NR mini-slot數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序

4 結(jié)束語(yǔ)

URLLC 作為5G 系統(tǒng)的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一，具有低時(shí)延、高可靠的特性，可以廣泛存在于多個(gè)行業(yè)中，為生活的方方面面帶來(lái)了許多便利。目前中國(guó)最新分配給運(yùn)營(yíng)商的5G 頻段包括n41 和n78 都是TDD 頻段，TDD 的特性使得在這些頻段上部署URLLC 難以滿足1 ms 的空口環(huán)回時(shí)延要求。因此，開展LTE FDD 頻段NR 重耕，在LTE FDD 頻段通過頻譜共享技術(shù)引入NR 并部署URLLC，將是運(yùn)營(yíng)商部署URLLC 的一個(gè)重要手段。