林高全,曹 芳,林錦全
(廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510630)
第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)在新空口(New Radio,NR)Release 17 中提出了1 個(gè)研究項(xiàng),即在非激活inactive 狀態(tài)[1]下降低上行小包數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延,可以通過在終端隨機(jī)接入時(shí)攜帶小包數(shù)據(jù)方式或者通過無線資源預(yù)分配[2]方式來降低上行時(shí)延,但沒有給出進(jìn)一步的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),而是作為技術(shù)研究項(xiàng)待各參與標(biāo)準(zhǔn)制定的公司進(jìn)一步研究。
本文針對無線資源預(yù)分配方式展開研究,提出1種既可以降低5G 終端傳輸上行小包數(shù)據(jù)的時(shí)延,也可以提升無線頻譜資源利用率的方法。該方法提出1 個(gè)終端資源預(yù)分配模塊。該模塊利用5G 大規(guī)模機(jī)器類型通信(Massive Machine Type Communication,mMTC)終端業(yè)務(wù)特征與小區(qū)靜態(tài)波束,根據(jù)小區(qū)中的終端分類與靜態(tài)波束對終端進(jìn)行分組,并計(jì)算分組中每類終端在不同波束中的出現(xiàn)次數(shù)即波束個(gè)數(shù);再根據(jù)波束個(gè)數(shù)與業(yè)務(wù)QoS 級別的組合優(yōu)先級策略計(jì)算資源預(yù)分配優(yōu)先級來進(jìn)行無線資源預(yù)分配,并且能夠降低mMTC 上行小包數(shù)據(jù)的時(shí)延。
5G的3大應(yīng)用場景包括增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(Enhance Moblie Broad,eMBB)、mMTC和高可靠低時(shí)延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)。其中,eMBB 對應(yīng)的是3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù),mMTC 對應(yīng)的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),而URLLC對應(yīng)的是如無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延高可靠連接的業(yè)務(wù)。mMTC 作為5G 在萬物互聯(lián)趨勢下的主要應(yīng)用場景,主要專注于實(shí)現(xiàn)廣連接、低時(shí)延、高可靠性以及廣覆蓋等性能目標(biāo),且其傳輸特征是比較明顯的小包數(shù)傳方式。
相對于長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)[2-3],5G 的無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)狀態(tài)在保留空閑(Idle)狀態(tài)與連接(Connected)狀態(tài)的基礎(chǔ)上,引入了一種新的RRC 狀態(tài)即Inactive 狀態(tài)。該狀態(tài)的特征是基站保留終端的上下文信息,且面向核心網(wǎng)的信令面與用戶面承載一直保持著。
對于包括小包數(shù)據(jù)在內(nèi)的用戶面數(shù)據(jù)傳輸[4],按照5G Release 16 及之前的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,終端必須在完成Idle 狀態(tài)遷移到連接(Connected)狀態(tài)以及建立該終端的信令面連接與用戶面承載后,才能在建立的用戶面承載上發(fā)送用戶面數(shù)據(jù),如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)流程
圖1 中信令面的信令連接建立至少需要好幾十毫秒的時(shí)間,因此,對于時(shí)延較敏感的小包數(shù)傳的mMTC 應(yīng)用來說,怎么能夠盡量減少部分信令建立的時(shí)延非常關(guān)鍵。
為了降低mMTC 用戶的小包數(shù)傳時(shí)延,3GPP標(biāo)準(zhǔn)討論Release 17 將針對非頻繁小包在Inactive狀態(tài)下的傳輸展開研究。
在Release 17 中,標(biāo)準(zhǔn)引入了研究在Inactive狀態(tài)下的mMTC 小包時(shí)延優(yōu)化,并且提出了如下兩種方法。
(1)在信令中攜帶用戶數(shù)據(jù):在隨機(jī)接入過程中(包括4 步隨機(jī)接入與兩步隨機(jī)接入)的Msg3/MsgA 中攜帶小包數(shù)據(jù)以降低時(shí)延,相對時(shí)延可降低50%以上。圖2 是4 步隨機(jī)接入的信令小包數(shù)據(jù)傳輸流程。
圖2 隨機(jī)接入信令中傳輸小包數(shù)據(jù)的流程
(2)用戶數(shù)據(jù)在用戶面?zhèn)鬏敚和ㄟ^預(yù)分配資源給Inactive 態(tài)的mMTC 終端以降低時(shí)延,相對時(shí)延可降低90%以上。圖3 是資源預(yù)分配的小包數(shù)據(jù)傳輸流程。
圖3 資源預(yù)分配的小包數(shù)據(jù)傳輸示意
現(xiàn)有的3GPP Release 17 的臨時(shí)文檔(TemporaryDocument,TDoc)討論稿中只提到了inactive 狀態(tài)下預(yù)分配資源以降低小包數(shù)傳時(shí)延的這種方式,但沒有涉及具體的mMTC 終端預(yù)分配資源的方案,相關(guān)問題如下文所述。
(1)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)只是給出了用戶數(shù)據(jù)可以放在用戶面?zhèn)鬏?,且通過無線資源預(yù)分配方式來實(shí)現(xiàn),但沒有給出具體的無線資源預(yù)分配方案。
(2)更重要的是,由于無線資源的寶貴性,一般運(yùn)營商都會(huì)設(shè)置小區(qū)可以用于預(yù)分配的無線資源數(shù)量即門限參數(shù)。這是因?yàn)轭A(yù)分配的無線資源過多,則其他用戶接入與業(yè)務(wù)體驗(yàn)會(huì)受到很大影響,進(jìn)而影響小區(qū)整體性能。此外,由于預(yù)分配的無線資源有時(shí)候可能不會(huì)被終端真正使用,也會(huì)造成小區(qū)無線資源的浪費(fèi)。
(3)由于一個(gè)小區(qū)內(nèi)連接的mMTC 終端數(shù)量可能很多,需要考慮資源的預(yù)分配策略:既能保證盡量多的mMTC 終端的業(yè)務(wù)要求與業(yè)務(wù)性能,也要保證其他非mMTC 用戶的業(yè)務(wù)要求。
考慮到當(dāng)前5G 基本上都使用大規(guī)模多入多出(massive Multiple Input Multiple Output,massive MIMO)[5]技術(shù)形成多波束覆蓋小區(qū),此時(shí)各波束可以復(fù)用相同的頻域資源,可以大大提高小區(qū)的資源利用效率。因此,基于多波束覆蓋的場景,本文提出了一種在降低空口時(shí)延基礎(chǔ)上能夠高效利用可預(yù)分配的無線資源的資源預(yù)分配方法。
圖4 是包含資源預(yù)分配模塊的無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
圖4 含資源預(yù)分配模塊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
其中,終端是指5G mMTC 終端;基站就是5G基站;資源預(yù)分配模塊是基站內(nèi)部的一個(gè)邏輯功能模塊,內(nèi)置在基站中,也可以是基站現(xiàn)有的功能模塊如無線資源分配模塊,則該已有模塊就要求同時(shí)具有描述的資源預(yù)分配模塊的功能?;旧蠄?bào)的終端業(yè)務(wù)特征包括業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)級別[6]、每次業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔、每次業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包大小等信息,以及基站上報(bào)的該終端所屬的小區(qū)靜態(tài)波束信息以及調(diào)制編碼方案(Modulation and Code Schemes,MCS)[7]等。資源預(yù)分配模塊主要的功能是:在每個(gè)波束內(nèi)根據(jù)上述業(yè)務(wù)特征、QoS 級別、MCS 方案對終端分類標(biāo)識(shí);然后根據(jù)終端分類標(biāo)識(shí)與波束標(biāo)識(shí)(Identity,ID)進(jìn)行終端分組,并計(jì)算終端分組后的波束個(gè)數(shù);最后根據(jù)終端分組的波束個(gè)數(shù)與QoS 級別組合的優(yōu)先策略進(jìn)行無線資源的預(yù)分配,從而最大限度地利用無線資源。
本文主要針對小包數(shù)傳時(shí)延要求較高的5G mMTC 業(yè)務(wù)場景,且基站根據(jù)終端的業(yè)務(wù)特征已經(jīng)確定需要為處于inactive 狀態(tài)的mMTC 終端進(jìn)行無線資源預(yù)分配的場景展開研究。
如背景介紹,由于運(yùn)營商對小區(qū)的可預(yù)分配的無線資源有一定的限制,因此,需要尋找到一種更有效的方法來預(yù)分配無線資源,以滿足盡可能多的mMTC 終端進(jìn)行無線資源預(yù)分配。
2.2.1 mMTC 終端分組
基站的無線資源預(yù)分配模塊首先根據(jù)每個(gè)小區(qū)的mMTC 終端的業(yè)務(wù)特征[8-9]與MCS 對mMTC 終端進(jìn)行分類。其中,業(yè)務(wù)特征包括業(yè)務(wù)的QoS 級別、業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔、每次業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量或數(shù)據(jù)包大小等。具體的分類是在業(yè)務(wù)QoS 級別相同基礎(chǔ)上再根據(jù)業(yè)務(wù)特征以及MCS 計(jì)算出來分配的無線資源塊(Resource Block,RB[10])的數(shù)量相同的mMTC終端才能分為同一類。
當(dāng)基站支持massive MIMO 且小區(qū)具有多個(gè)靜態(tài)波束時(shí),比如同步廣播塊(SS/PBCH Block,SSB)波束或信道狀態(tài)信息參考信號(hào)(Channel State Information-Reference Signal,CSI-RS)波束,則分類的終端還需要增加波束ID 信息,這個(gè)波束ID 代表小區(qū)的不同靜態(tài)波束。然后無線資源預(yù)分配模塊再根據(jù)波束ID 與終端分類對mMTC 終端進(jìn)行分組,不同的波束ID 與相同的終端分類分為一組。同時(shí)計(jì)算每組的波束個(gè)數(shù)以及單個(gè)波束中相同終端分類的終端數(shù)量,波束個(gè)數(shù)計(jì)算方法是累加分組中不同的波束ID 的個(gè)數(shù)。此外,如果終端分類只屬于一個(gè)波束ID,則也分為一個(gè)組;同理,對于沒有波束的小區(qū),則相同的終端分類也分為一個(gè)組,最后生成一個(gè)小區(qū)級的mMTC 終端分組。
例如,有3 個(gè)mMTC 終端A、B、C 根據(jù)業(yè)務(wù)特征確定為都需要進(jìn)行無線資源預(yù)分配。假設(shè),終端A 的業(yè)務(wù)特征是QoS 級別為2,業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔為10 s,每次業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包大小是20 Bytes,MCS 是16 正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation,16QAM)的調(diào)制方式;終端B 的業(yè)務(wù)特征是QoS 級別為2,業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔為10 s,每次業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包大小是10 Bytes,MCS 是正交相位鍵控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)的調(diào)制方式;終端C 的業(yè)務(wù)特征是QoS 級別為2,業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔為10 s,每次業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包大小是40 Bytes,MCS 是64 正交幅度調(diào)制(64QAM)的調(diào)制方式。因?yàn)锳、B、C3個(gè)終端的QoS 級別都是2,根據(jù)業(yè)務(wù)特征可知具有相同的業(yè)務(wù)請求時(shí)間間隔,雖然它們的MCS 方案不同,但經(jīng)過業(yè)務(wù)特征的數(shù)據(jù)包大小與MCS 方案計(jì)算后需要的無線資源RB 數(shù)量都為1 個(gè),則A、B、C3個(gè)mMTC 終端可以分類為同一類mMTC 終端。
另外,為了保證無線資源預(yù)分配方法的高效性,當(dāng)小區(qū)具有多個(gè)波束時(shí),在資源預(yù)分配時(shí),還可以考慮分組時(shí)每個(gè)分組中的波束之間設(shè)定一定的隔離度。比如波束的隔離度為2,即需要波束之間互不相鄰的波束ID 才能分為一組,這樣的影響是增加了分組數(shù)量,但能夠保證分組之間的資源不會(huì)相互影響,防止波束之間的相互干擾。圖5 是小區(qū)有4個(gè)靜態(tài)波束的波束隔離度示意圖。
圖5 小區(qū)4 個(gè)靜態(tài)波束的不同隔離度
2.2.2 優(yōu)先級策略的無線資源預(yù)分配方案
當(dāng)無線資源預(yù)分配模塊完成mMTC 終端的分組之后,就可以根據(jù)下面的業(yè)務(wù)QoS 級別與波束個(gè)數(shù)的優(yōu)先級策略來進(jìn)行小區(qū)的無線資源預(yù)分配,從而更有效地利用無線資源。下面分別介紹3 種優(yōu)先級策略的無線資源預(yù)分配方法。
(1)QoS 優(yōu)先的無線資源預(yù)分配方法
該資源預(yù)分配策略是在配置的可預(yù)分配資源中,優(yōu)先預(yù)分配QoS 級別高的mMTC 終端組的資源。
具體地,先對小區(qū)內(nèi)的需要預(yù)分配資源的mMTC終端分組按照QoS 優(yōu)先級高低排序;當(dāng)分組中某個(gè)波束的終端數(shù)量大于1 時(shí),則預(yù)分配的無線資源按照最大的終端數(shù)量所需的無線資源進(jìn)行分配;最后無線資源預(yù)分配模塊根據(jù)QoS 優(yōu)先級高低進(jìn)行無線資源預(yù)分配,直到預(yù)分配資源門限時(shí)停止預(yù)分配。
(2)QoS 優(yōu)先與波束個(gè)數(shù)加權(quán)的無線資源預(yù)分配方法
該資源預(yù)分配策略是在配置的可預(yù)分配資源中,對QoS 與波束個(gè)數(shù)分別乘以1 個(gè)加權(quán)系數(shù)后再計(jì)算優(yōu)先級的mMTC 終端組的資源。
具體地,對小區(qū)內(nèi)的需要預(yù)分配資源的mMTC終端分組的QoS 乘以1 個(gè)加權(quán)系數(shù)W1,再加上1 個(gè)波束個(gè)數(shù)乘以1 個(gè)加權(quán)系數(shù)W2,然后計(jì)算優(yōu)先級并按計(jì)算的優(yōu)先級高低對每個(gè)組進(jìn)行排序。因?yàn)槊總€(gè)分組中可能存在某個(gè)波束的終端數(shù)量大于1,針對這種情況,每次加權(quán)優(yōu)先級后對分組中的每個(gè)波束中的終端數(shù)量減1。再按照上面的方法計(jì)算加權(quán)優(yōu)先級,直到所有波束的終端數(shù)量都變?yōu)? 為止。最后,無線資源預(yù)分配模塊再根據(jù)計(jì)算的加權(quán)優(yōu)先級高低進(jìn)行無線資源預(yù)分配,直到預(yù)分配資源門限時(shí)停止預(yù)分配。
(3)波束個(gè)數(shù)優(yōu)先的無線資源預(yù)分配方法
該資源預(yù)分配策略是在配置的可預(yù)分配資源中,優(yōu)先預(yù)分配波束個(gè)數(shù)多的mMTC 終端組的資源。
具體地,先對小區(qū)內(nèi)的需要預(yù)分配資源的mMTC 終端分組按照波束個(gè)數(shù)從大到小排序,因?yàn)槊總€(gè)分組中可能存在某個(gè)波束的終端數(shù)量大于1,針對這種情況,每次波束個(gè)數(shù)優(yōu)先級后對分組中的每個(gè)波束中的終端數(shù)量減1;然后,再按照上面的方法計(jì)算波束個(gè)數(shù)優(yōu)先級,直到所有波束的終端數(shù)量都變?yōu)? 為止;最后,無線資源預(yù)分配模塊再根據(jù)波束個(gè)數(shù)優(yōu)先級高低進(jìn)行無線資源預(yù)分配,直到預(yù)分配資源門限時(shí)停止預(yù)分配。此外,如果存在波束個(gè)數(shù)相等的情況,則根據(jù)QoS 高低判定優(yōu)先級。
為了簡化分析,本文測試時(shí)不考慮無線信號(hào)質(zhì)量的影響,僅以終端UE 在小區(qū)波束中的分布來仿真分析無線資源預(yù)分配的資源節(jié)約效果。
為了分析方便,假設(shè)有10 個(gè)mMTC 終端需要資源預(yù)分配,且它們已經(jīng)按照前面章節(jié)介紹的終端分類方法分為同一類mMTC 終端,分別為A(1)、B(2)、C(3)、D(4)、E(1)、F(1)、G(2)、H(2)、J(3)、K(4),其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示波束ID。按照前面描述的分組方法,它們都分為同一組,該組有4 個(gè)波束,其中,波束ID 為1 的終端有A、E、F3 個(gè),波束ID 為2的終端有B、G、H3 個(gè),波束ID 為3 的終端有C、J兩個(gè),波束ID 為4 的終端有D、K 兩個(gè)。并且假設(shè)小區(qū)可以預(yù)分配的無線資源為4 個(gè)RB,且分組后的每個(gè)終端都需要有1 個(gè)RB 的預(yù)分配資源。
根據(jù)不同的優(yōu)先級策略,具體數(shù)據(jù)分析如下文所述。
2.3.1 策略1:QoS 優(yōu)先的資源預(yù)分配分析
假設(shè)上面的10 個(gè)mMTC 終端屬于相同QoS 級別,因?yàn)樽畲蟮慕K端數(shù)量為3 的波束ID 是1 與2,預(yù)分配資源就選擇波束1 來分配,總共需要分配3個(gè)RB,其中第1 個(gè)RB 與第2 個(gè)RB 資源都是4 個(gè)波束空分復(fù)用的,而第3 個(gè)RB 資源是波束1 與波束2 空分復(fù)用的。這樣,只需要3 個(gè)RB 用于無線資源預(yù)分配即可滿足要求。
2.3.2 策略2:QoS 優(yōu)先與波束個(gè)數(shù)加權(quán)的資源預(yù)分配分析
對于不同QoS 級別的計(jì)算加權(quán)優(yōu)先級只是QoS級別差異,因此,僅針對同一分組中的不同波束中終端數(shù)量不同時(shí)的計(jì)算過程進(jìn)行說明。假設(shè)上面的10 個(gè)mMTC 終端的QoS 級別是15,QoS 的加權(quán)系數(shù)是W1,波束個(gè)數(shù)的加權(quán)系數(shù)是W2,因?yàn)椴ㄊ?與波束2 中的終端數(shù)量為3,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量為2,則計(jì)算過程為:
(1)第1 次加權(quán)計(jì)算時(shí),4 個(gè)波束都有終端,則優(yōu)先級計(jì)算:15×W1+4×W2;
(2)第2 加權(quán)計(jì)算時(shí),因?yàn)? 個(gè)波束中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2 中的終端數(shù)量變?yōu)?,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量變?yōu)?,則4 個(gè)波束都還有終端,則優(yōu)先級計(jì)算為15×W1+4×W2;
(3)第3 次加權(quán)計(jì)算時(shí),因?yàn)? 個(gè)波束中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2 中的終端數(shù)量變?yōu)?,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量變?yōu)?,則只有兩個(gè)波束都還有終端,則優(yōu)先級計(jì)算為15×W1+2×W2;
(4)第4 次加權(quán)計(jì)算時(shí),因?yàn)椴ㄊ? 與波束2中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2 中的終端數(shù)量變?yōu)?,則停止優(yōu)先級計(jì)算。
這樣,就得到該分組的3 個(gè)優(yōu)先級計(jì)算結(jié)果值用于無線資源預(yù)分配。因此,只需要3 個(gè)RB 用于預(yù)分配即可。
2.3.3 策略3:波束個(gè)數(shù)優(yōu)先的資源預(yù)分配分析
假設(shè)上面的10 個(gè)mMTC 終端QoS 級別相同,因?yàn)椴ㄊ? 與波束2 中的終端數(shù)量為3,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量為2,則計(jì)算波束個(gè)數(shù)過程為:
(1)因?yàn)榈? 次波束個(gè)數(shù)計(jì)算時(shí),4 個(gè)波束都有終端,則波束個(gè)數(shù)為4;
(2)第2 次波束個(gè)數(shù)計(jì)算時(shí),因?yàn)? 個(gè)波束中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2 中的終端數(shù)量變?yōu)?,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量變?yōu)?,則4 個(gè)波束都還有終端,則波束個(gè)數(shù)為4;
(3)第3 次波束個(gè)數(shù)計(jì)算時(shí),因?yàn)? 個(gè)波束中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2 中的終端數(shù)量變?yōu)?,波束3 與波束4 中的終端數(shù)量變?yōu)?,則只有兩個(gè)波束都還有終端,則波束個(gè)數(shù)為2;
(4)第4 次波束個(gè)數(shù)計(jì)算時(shí),因?yàn)椴ㄊ? 與波束2 中的終端數(shù)量都減1,此時(shí)波束1 與波束2中的終端數(shù)量變?yōu)?,則停止波束個(gè)數(shù)計(jì)算。
這樣就得到該分組的QoS 對應(yīng)的3 個(gè)波束個(gè)數(shù),用于波束個(gè)數(shù)優(yōu)先的無線資源預(yù)分配。因此,只需要3 個(gè)RB 用于預(yù)分配即可。
2.3.4 分析結(jié)論
如果按照傳統(tǒng)的每個(gè)mMTC 終端都預(yù)分配1 個(gè)RB,則只能分配給4 臺(tái)終端,而按照本文介紹的3種資源預(yù)分配策略進(jìn)行無線資源的預(yù)分配,不但能夠滿足10 臺(tái)終端的資源預(yù)分配要求,而且還能節(jié)約1 個(gè)RB 可以給其他QoS 級別的終端用于預(yù)分配。因此,按照本文的算法能夠大大提高可預(yù)分配的無線資源的利用率。
本文介紹的無線資源預(yù)分配方法在充分利用5G 的MIMO 波束以及mMTC 終端的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行終端分組,并通過對3 種不同的優(yōu)先級策略進(jìn)行無線資源預(yù)分配的結(jié)果進(jìn)行理論分析。在終端分布滿足不同波束下時(shí),能夠有效地利用所配置的預(yù)分配的無線資源,提高同時(shí)數(shù)傳的5G mMTC終端的數(shù)量,從而提升小區(qū)容量,同時(shí),也能順帶降低5G mMTC終端的上行時(shí)延。