梁健生，陳曉冬

（中國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（增強移動寬帶）、mMTC（海量大連接）、URLLC（低時延高可靠）三大應(yīng)用場景。eMBB 典型應(yīng)用包括超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等。URLLC 典型應(yīng)用包括工業(yè)控制、無人機控制、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)用場景之一，廣泛存在于多種行業(yè)中。隨著時代的進(jìn)步、通信技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對移動通信的依賴和要求越來越高，5G 低時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 的特點是高可靠、低時延、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)對時延有不同的要求，對時延要求高的業(yè)務(wù)包括工業(yè)自動化和AR/VR[1]，要求空口環(huán)回時延低至1 ms，3GPP TR 38.913 對URLLC 的時延和可靠性方面的指標(biāo)做出了要求[2]：

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

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

2 URLLC 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 低時延技術(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時隙的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 起始符號位置可以更加靈活配置，分配符號數(shù)量可以更少，時延短，在與低時延（Low Latency）和超可靠（Ultra Reliability）場景結(jié)合的情況下，實現(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。對于動態(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，耗時較長，無法滿足URLLC 短時延的要求，為縮短空口傳輸?shù)沫h(huán)回時延，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，使用動態(tài)調(diào)度時，ping 數(shù)據(jù)在空口環(huán)回時延包括UE 在上行調(diào)度申請、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)的所有過程的時間總和，其中10%的傳輸錯誤數(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)回時間。使用免授權(quán)的預(yù)調(diào)度時，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)，可忽略重傳的時延影響，空口環(huán)回時延需計算步驟6 到步驟11 中除重傳外其余步驟的時延。

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 激活時才使用。

（3）下行資源搶占

一個終端突發(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]，這種傳輸方式會對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）指示機制[5]，即通過組播發(fā)送PI 指示信息，通知終端在一個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，分別對應(yīng)90%的可靠性要求與99.999%（低碼率）的可靠性要求。針對eMBB 業(yè)務(wù)，可選擇90%可靠性要求的CQI 與MCS 映射表格；針對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)，暫無法應(yīng)用于低時延業(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的傳輸機制

3 URLLC 與eMBB 空口時延分析

3.1 eMBB 空口時延分析

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

動態(tài)調(diào)度下終端在上行需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，以終端在slot n 開始發(fā)送SR 為例，考慮基站處理時延，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）；再算上基站處理時延，基站在slot n+y+K2+z 發(fā)送重傳PDCCH，這部分處理時延主要包括接收PUSCH 與發(fā)PDCCH（最小取值z=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SR 周期的時間，也不需要通過SR 向基站申請上行資源，只需要平均等待半個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)傳輸時延。

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

基站在下行需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，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；考慮基站的處理時延并在處理完成后的下個slot 可進(jìn)行發(fā)送，基站則可在slot n+K0+K1+x 發(fā)送重傳，處理時延包括解調(diào)AN與準(zhǔn)備重傳數(shù)包，簡化考慮取x=2。

圖5 FDD NR下行數(shù)據(jù)傳輸時序關(guān)系

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

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

TDD NR 的數(shù)據(jù)收發(fā)時序順序與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 的時延要求，同時在滿足這個時延要求的情況下，必須等待在相應(yīng)的上下行時隙才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖6 TDD NR數(shù)據(jù)收發(fā)時序關(guān)系

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

區(qū)間可發(fā)送數(shù)據(jù)，表示上行數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好并且隨時可以發(fā)送。區(qū)間1 可發(fā)送數(shù)據(jù)，前面4 個時隙為下行時隙或特殊時隙，數(shù)據(jù)在這幾個時隙是無法發(fā)送SR 請求的，必須等待到上行時隙的到來才可以發(fā)送SR 請求。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隙到達(dá)才可以發(fā)送SR，對于區(qū)間3 可發(fā)送數(shù)據(jù)，由于本時隙已是上行時隙，因此可以立刻發(fā)送SR 請求。

圖7 TDD NR 數(shù)據(jù)收發(fā)過程

表2 空口傳輸時延

（4）eMBB 環(huán)回時延

數(shù)據(jù)到達(dá)的時刻對時延也會有一定影響，對于一般數(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)的時隙如果可以馬上調(diào)度傳輸，則所需等待的時間最小，反之?dāng)?shù)據(jù)到達(dá)的時隙無法調(diào)度，則需要等待相應(yīng)的調(diào)度時刻才能進(jìn)行傳輸。下面以ping 數(shù)據(jù)在各個到達(dá)時刻為例，分析不同時隙到達(dá)ping 數(shù)據(jù)的空口環(huán)回時延。

對于TDD NR，數(shù)據(jù)必須在對應(yīng)的上下行時刻才能發(fā)送；對于FDD NR，任何時刻到達(dá)的數(shù)據(jù)上下行都可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)，不會像TDD NR需要等待那么長的時間。表2 是在不考慮SR 周期等待的情況下，數(shù)據(jù)在不同時隙到達(dá)時的發(fā)送時延。

表2 計算的是不考慮SR 周期的時延，在實際網(wǎng)絡(luò)中，動態(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slot 的時間來處理數(shù)據(jù)。在不同SR 周期，不同子載波帶寬下，TDD NR 和FDD NR 的空口理論平均時延如表3 所示：

表3 不同SR周期下的環(huán)回時延

考慮SR 周期=10 ms，終端接收數(shù)據(jù)處理時間為1 個slot，TDD SCS=30 kHz，動態(tài)調(diào)度最大環(huán)回時延為16.5 ms，平均環(huán)回時延為10.3 ms，使用預(yù)調(diào)度，最大環(huán)回時延為5 ms，平均環(huán)回時延3.3 ms（按SPS=1 ms 計算）。對于FDD SCS=15 kHz，動態(tài)調(diào)度最大環(huán)回時延18 ms，平均環(huán)回時延13 ms，使用預(yù)調(diào)度最大環(huán)回時延5 ms，平均時延4.5 ms（按SPS=1 ms 計算）。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)，也無法滿足空口環(huán)回時延小于1 ms 的要求。

3.2 URLLC 空口時延分析

對于URLLC 而言，由于低時延與高可靠的要求，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)的時隙才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，以中國已分配的n41 和n78 NR 頻段為例，在當(dāng)前的上下行時隙配比下，部分?jǐn)?shù)據(jù)的時延會比較大，即使部署了URLLC 也難以滿足1 ms 的空口環(huán)回時延要求，因此URLLC 應(yīng)部署在FDD 網(wǎng)絡(luò)才能獲得更短的時延。

（1）上行數(shù)據(jù)發(fā)送時延

URLLC 上行基于免授權(quán)方式進(jìn)行調(diào)度，無需進(jìn)行SR 上報，上行在slot n 中的免授權(quán)位置使用mini-slot發(fā)送PUSCH。基站處理時間為解調(diào)PUSCH 時間，處理時間參考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時間（暫不算入AN 反饋準(zhǔn)備時間），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，只計算單次傳輸時延。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 中的某個符號通過PDCCH 調(diào)度PDSCH，并在PDCCH 后一個符號開始的mini-slot 上進(jìn)行PDSCH數(shù)據(jù)發(fā)送。UE 處理接收PDSCH 時間（暫不算入AN 反饋準(zhǔn)備時間），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)回時延

圖8 為基于FDD NR 的mini-slot 數(shù)據(jù)收發(fā)時序，SCS=15 kHz，終端使用兩個符號在預(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)時間為2 symbol，并使用一個符號的PDCCH 調(diào)度資源，然后用兩個符號傳輸下行數(shù)據(jù)，終端收到數(shù)據(jù)后使用2 symbol 的時間完成數(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，對于FDD SCS=15 kHz，最大環(huán)回時延0.71 ms，平均環(huán)回時延0.68 ms。

圖8 FDD NR mini-slot數(shù)據(jù)收發(fā)時序

4 結(jié)束語

URLLC 作為5G 系統(tǒng)的三大應(yīng)用場景之一，具有低時延、高可靠的特性，可以廣泛存在于多個行業(yè)中，為生活的方方面面帶來了許多便利。目前中國最新分配給運營商的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，將是運營商部署URLLC 的一個重要手段。