5G系統(tǒng)中URLLC業(yè)務(wù)資源分配方法研究

石靖

【摘要】? ? 在第五代移動通信新空口（5G NR）系統(tǒng)中，頻域資源分配（Frequency Domain Resource Allocation，F(xiàn)DRA）方法沿用了第四代移動通信長期演進（4G LTE）系統(tǒng)中的FDRA方法，主要包含離散資源分配和連續(xù)資源分配兩種方法。本文基于5G NR系統(tǒng)中低時延高可靠（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）業(yè)務(wù)需求，針對現(xiàn)有頻域資源分配方法的不足，提出適用于URLLC業(yè)務(wù)連續(xù)資源分配的優(yōu)化方法。通過靈活配置起點粒度和長度粒度，可以靈活實現(xiàn)提升資源利用率或降低控制開銷，保證基站的調(diào)度靈活性。并且在增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)復(fù)用時，通過調(diào)整資源分配的起點，更多的剩余資源可以分配給URLLC業(yè)務(wù)，降低使用搶占傳輸?shù)母怕?，進而提升整體系統(tǒng)效率，避免總是以犧牲eMBB業(yè)務(wù)為代價保證URLLC業(yè)務(wù)傳輸。

【關(guān)鍵詞】? ? 資源分配? ? URLLC? ? 搶占傳輸? ? 分配粒度? ? 指示開銷

引言

目前5G NR系統(tǒng)[1]中的資源分配重用了4G LTE系統(tǒng)的資源分配方法[2-3]。其中針對連續(xù)資源分配，使用1個資源塊（Resource Block，RB）的分配粒度。針對低時延高可靠業(yè)務(wù)URLLC[4-5]，由于在時域上業(yè)務(wù)信道占用的正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符號較少，例如2個OFDM符號，進而在頻域上URLLC業(yè)務(wù)通常會占用較多的資源，因此在頻域上使用粗粒度的頻域資源分配成為業(yè)界共識。使用粗粒度的頻域資源分配的好處是能夠降低用于頻域資源分配的開銷進而降低下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）的大?。―CI size），而降低DCI size能夠提升用于調(diào)度業(yè)務(wù)信道的物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）傳輸?shù)目煽啃?，進而提升URLLC業(yè)務(wù)可靠性，因此在4G LTE系統(tǒng)和5G NR系統(tǒng)中均采用了粗粒度的頻域資源分配用于URLLC業(yè)務(wù)傳輸。由于5G系統(tǒng)需要同時支持eMBB業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)，在一個時隙內(nèi)，起點粒度和長度粒度均使用相同粒度的頻域資源分配不利于eMBB和URLLC業(yè)務(wù)復(fù)用，使用搶占傳輸方式保證URLLC業(yè)務(wù)及時傳輸則會犧牲eMBB業(yè)務(wù)的傳輸效率。因此本文提出一種優(yōu)化的連續(xù)資源分配方法，可以靈活實現(xiàn)提升資源利用率或降低控制開銷，降低使用搶占傳輸?shù)母怕?，避免總是以犧牲eMBB業(yè)務(wù)為代價保證URLLC業(yè)務(wù)傳輸。

一、現(xiàn)有技術(shù)分析

URLLC連續(xù)頻域資源分配方法：

目前基于粗粒度的頻域資源，采用的是起點粒度和長度粒度使用相同的粗粒度，記為K個RB。由于5G系統(tǒng)需要同時支持eMBB業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)，在同一個時隙內(nèi)，起點粒度和長度粒度均使用K個RB的頻域資源分配不利于eMBB和URLLC業(yè)務(wù)復(fù)用。由于URLLC業(yè)務(wù)是實時到達的業(yè)務(wù)，即通常URLLC業(yè)務(wù)資源分配會在eMBB業(yè)務(wù)資源分配之后進行。如圖1所示，K = 8，此時由于起點粒度和長度粒度均為粗粒度，eMBB業(yè)務(wù)分配后剩余資源中的部分資源不能分配給URLLC業(yè)務(wù)進而導(dǎo)致浪費，對應(yīng)圖中無法分配的資源。

URLLC搶占傳輸：為了保證低時延高可靠業(yè)務(wù)的性能，基站可以強行為URLLC業(yè)務(wù)分配資源，允許搶占eMBB業(yè)務(wù)已經(jīng)分配到的資源。并且基站通過額外的指示信息通知eMBB用戶被搶占的資源，避免eMBB用戶合并錯誤數(shù)據(jù)信息，通過進一步的重傳保證性能。這種方法的優(yōu)點是保證URLLC業(yè)務(wù)實現(xiàn)低時延高可靠傳輸，但是同時犧牲了eMBB業(yè)務(wù)傳輸效率。

二、資源分配優(yōu)化方法

為了實現(xiàn)URLLC低時延需求，一種方法是使用搶占傳輸，但是這種方法會影響eMBB業(yè)務(wù)傳輸效率。另一種方法為優(yōu)化資源分配，獨立配置起點粒度和長度粒度。例如，如圖2所示，僅對長度粒度使用粗粒度K=8，而起點粒度仍然保持1個RB的粒度。對于所述優(yōu)化方法，通過調(diào)整資源分配的起點，更多的剩余RB資源可以分配給URLLC業(yè)務(wù)。

2.1資源分配指示

URLLC連續(xù)資源分配優(yōu)化方法為起點粒度和長度粒度使用不同的粒度，其中長度粒度記為K個RB，起點粒度記為αK個RB，其中α={1/8，1/4，1/2，1}，使得優(yōu)化方法具有更靈活的起點粒度指示。通過分段函數(shù)給出起點和長度的聯(lián)合編碼并通過資源指示值（Resource Indication Value，RIV）進行指示，其中RBstart=0，αK，2αK，...，（NRB-1）αK表示起始資源塊，LRBs=K，2K，...，NRBK表示分配的資源長度，NRB=[NRB/K]且NRB表示帶寬中包含的RB數(shù)目。其中LRBs=LRBs/K，RBstart=RBstart/αK，且LRBs不能超過NRB-RBstart。

2.2資源分配方法開銷比較

對于eMBB連續(xù)資源分配開銷與帶寬成正比，其中起點粒度和長度粒度均為1個RB，具體開銷為[log2（NRB（NRB+1）/2）]比特。對于URLLC連續(xù)資源分配，K取值優(yōu)選使用離散資源分配中使用的資源塊組（RB Group，RBG）的整數(shù)倍，使用不同粗粒度的URLLC連續(xù)資源分配方法開銷節(jié)省如表1所示?？梢钥闯?，開銷節(jié)省與系統(tǒng)帶寬相關(guān)，當(dāng)起點粒度與長度粒度均使用1個RBG時，開銷節(jié)省2-8比特。當(dāng)使用URLLC連續(xù)資源分配優(yōu)化方法，例如起點粒度使用1個RB且長度粒度使用1個RBG時，開銷節(jié)省1-4比特。注意這里會有額外的[log2N]比特用于基于RB粒度的起點指示，因此開銷降低不如起點粒度與長度粒度使用相同粒度降低明顯。但是起點粒度與長度粒度使用不同粒度更加靈活，可以綜合考慮資源分配開銷降低與分配粒度精細(xì)化程度，例如起點粒度使用半個RBG且長度粒度使用1個RBG時，開銷節(jié)省1-7比特。因此URLLC資源分配優(yōu)化方法可以兼顧可靠性與系統(tǒng)效率。

2.3資源分配方法性能比較

URLLC連續(xù)資源分配方法和優(yōu)化方法的效果與eMBB業(yè)務(wù)的具體資源占用情況有關(guān)。為了更好的分析該問題，對兩種方法進行數(shù)值分析和仿真驗證。

2.3.1數(shù)值分析

URLLC連續(xù)資源分配方法（方法1）和優(yōu)化方法（方法2）使用的粗粒度為1個RBG，在帶寬為5MHz時共計25個RB，此時1個RBG為4個RB。對于方法1，URLLC頻域資源使用方法為：限定調(diào)度器中分配頻域位置的起始RB是固定的，例如RB#1，RB#5，RB#9，...，此時未被eMBB占滿的RBG會有RB浪費，類似圖1所示。對于方法2，URLLC頻域資源使用方法為：在可用RB上按照順序的連續(xù)RB進行占用，類似圖2所示，URLLC用戶1分配的頻域位置為從僅挨著eMBB已分配的資源之后第一個RB開始占用，URLLC用戶2分配的頻域位置是緊鄰著用戶1分配頻域位置的結(jié)束位置。因此，對于相同業(yè)務(wù)包大小的URLLC業(yè)務(wù)，在eMBB資源占用由少到多的情況下，對比方法1和方法2能夠分配的URLLC用戶數(shù)量。其中，將eMBB占用資源作為輸入?yún)?shù)，將可以支持的URLLC用戶數(shù)作為輸出變量?？紤]到URLLC業(yè)務(wù)通常為小包業(yè)務(wù)，僅需要一兩個RB，即1個UE占用1個RBG。

場景一：小區(qū)有2個eMBB UE分別從帶寬兩側(cè)占用資源，根據(jù)eMBB占用資源的多少，對比方法1和方法2。例如當(dāng)eMBB UE1占用RB#0，eMBB UE2占用RB #24，此時方法1最多可以分配4個URLLC UE，方法2最多可以分配5個URLLC UE，此時可以體現(xiàn)出方法2可以分配更多URLLC用戶的優(yōu)勢。又例如：當(dāng)eMBB UE1占用RB #0-3，即RBG0，eMBB UE2占用RBG5，此時方法1和方法2均為最多可以分配4個URLLC UE，即此時方法1和方法2效果相同。因此，當(dāng)eMBB業(yè)務(wù)占用整數(shù)個RBG時，方法1和方法2資源分配效果相同。當(dāng)eMBB業(yè)務(wù)占用不滿整數(shù)個RBG時，方法2可能會比方法1具有更高的資源利用率。

場景二：小區(qū)中有1個eMBB UE從帶寬一側(cè)占用資源，此時無論該UE如何占用資源，剩余資源對于方法1和方法2來說，資源分配效果均相同。

因此，結(jié)合不同eMBB業(yè)務(wù)占用帶寬資源的情況，方法1和方法2資源分配效果在部分場景中分配效果相同，在部分場景中方法2可能會比方法1具有更高的資源利用率，所以綜合來看，URLLC連續(xù)資源分配優(yōu)化方法有一定的優(yōu)勢。

2.3.2仿真驗證

為了進一步驗證URLLC連續(xù)資源分配優(yōu)化方法在實際應(yīng)用中存在優(yōu)勢，通過系統(tǒng)仿真比較兩種方法。對于真實的eMBB和URLLC復(fù)用場景，同一時刻調(diào)度的eMBB用戶數(shù)時隨機的，URLLC用戶也是隨機的，需要根據(jù)實際業(yè)務(wù)模型來仿真比較。方法1：起點粒度和長度粒度相同，均使用4RBs;方法2：起點粒度使用1RB且長度粒度使用4RBs。仿真使用的是NR URLLC典型評估場景R15 enabled use case，評估兩種方法的丟包率和平均每時隙分配用戶數(shù)。在評估中，資源首先由eMBB UE以時隙長度進行頻域資源占用，之后URLLC在每個微時隙分配未被eMBB UE占用的RB資源，其中所述微時隙未1個時隙中按照預(yù)設(shè)圖樣劃分出若干微時隙，本次仿真使用1個時隙劃分為3個微時隙，每個微時隙分別具有{5，5，4}個OFDM符號。在仿真中，eMBB基于子帶CQI反饋和連續(xù)資源分配，URLLC基于寬帶CQI反饋和兩種待比較的資源分配方法。具體的，仿真場景為4GHz載頻20MHz帶寬且子載波間隔為30KHz，采用UMa仿真場景，基站間距500m;基站側(cè)配置為8發(fā)送天線端口，天線高度為25m，天線單元增益和連接器損耗8dBi，基站接收噪聲系數(shù)5dB，基站接收器采用MMSE-IRC;終端測配置為平均每小區(qū)10個eMBB UE和15個URLLC UE，使用4接收天線，天線高度1.5m，天線增益0dBi，UE接收噪聲系數(shù)9dB，URLLC用戶分布為室外80%和室內(nèi)20%，URLLC業(yè)務(wù)模型為包大小為32字節(jié)的周期業(yè)務(wù)且達到率為每秒4000包，eMBB業(yè)務(wù)為包大小為100字節(jié)的ftp3業(yè)務(wù)且達到率為每秒2000包。如表2所示兩種方法的系統(tǒng)仿真結(jié)果，可以看出方法2相較于方法1降低大約12%的丟包率，同時增加大約23%的URLLC調(diào)度用戶數(shù)。

因此，通過系統(tǒng)仿真驗證URLLC連續(xù)資源分配優(yōu)化方法具有提升系統(tǒng)效率的優(yōu)勢，在eMBB和URLLC復(fù)用場景中能夠提升URLLC業(yè)務(wù)系統(tǒng)性能。

頻域資源分配方法 丟包率 每個微時隙平均可以分配到資源的URLLC用戶數(shù)

方法1：起點粒度和長度粒度均為4RBs 47.42% 5.2536

方法2：起點粒度為1RB且長度粒度為4RBs 35.29% 6.4674

三、結(jié)束語

本文提出一種優(yōu)化的連續(xù)資源分配方法，該方法針對eMBB業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)復(fù)用場景，通過為資源分配的起點粒度和長度粒度配置不同粒度，將更多的剩余RB資源分配給URLLC業(yè)務(wù)。通過該資源分配優(yōu)化方法，可以靈活實現(xiàn)提升資源利用率或降低控制開銷，降低使用搶占傳輸?shù)母怕剩苊饪偸且誀奚黣MBB業(yè)務(wù)為代價保證URLLC業(yè)務(wù)傳輸。結(jié)合數(shù)值分析和系統(tǒng)仿真可知，本文所提出的優(yōu)化方法在相同eMBB業(yè)務(wù)資源占用情況下可以提升分配URLLC用戶數(shù)量，提升系統(tǒng)利用率。

參? 考? 文? 獻

[1] 3GPP. NR and NG-RAN Overall Description. TS 38.300 V16.2.0[S]. 2020-07

[2] 3GPP. Physical layer procedures. TS 36.213 V16.2.0[S]. 2020-07

[3] 3GPP. Physical layer procedures for data. TS 38.214 V16.2.0[S]. 2020-07

[4] 3GPP. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies. TR 38.913 V15.0.0[S]. 2018

[5] DURISI G， KOCU T， POPOVSKI P. Toward Massive， Ultra-reliable， and Low-Latency Wireless Communication with Short Packets[J]. Proceedings of the IEEE， 2016，104（9）：1711-1726