陳 鋒，譚 津，王 潔，馬曉冬

（1.中國(guó)人民解放軍63896 部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471000；2.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京 100083）

0 引言

5G 應(yīng)用劃分為三大場(chǎng)景，分別為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，URLLC）、海量機(jī)器類通信（Massive Machine Type Communications，mMTC)[1]。其中URLLC 被業(yè)界廣泛認(rèn)為其可以應(yīng)用于工業(yè)控制、工廠自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域，期待典型業(yè)務(wù)需求是低時(shí)延和高可靠性[2-4]。第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）提供了多種URLLC 業(yè)務(wù)以及需求，觸覺(jué)交互業(yè)務(wù)和自動(dòng)化控制業(yè)務(wù)需實(shí)現(xiàn)空口傳輸時(shí)延低于0.5 ms 和1 ms，數(shù)據(jù)傳輸可靠性要達(dá)到10-5或者10-6的誤碼率[5]。5G 系統(tǒng)復(fù)雜，各類參數(shù)選擇和設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，參數(shù)配置不合理將進(jìn)一步影響各類業(yè)務(wù)的性能和用戶感知，因此預(yù)先仿真評(píng)估對(duì)于通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和應(yīng)用意義重大。

針對(duì)超可靠低時(shí)延目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，目前主要研究集中在物理層優(yōu)化和跨層分析兩方面。文獻(xiàn)[6]研究了可達(dá)速率和誤碼率的關(guān)系，通過(guò)帶寬、功率和單用戶不同時(shí)隙來(lái)分配URLLC 資源；文獻(xiàn)[7]提出基于調(diào)頻重傳方式，利用多用戶分集提高可靠性增益；文獻(xiàn)[8]利用接口分集技術(shù)提升URLLC 可靠性，通過(guò)多種通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)獲得分級(jí)增益。

本文針對(duì)URLLC 場(chǎng)景的可靠性進(jìn)行評(píng)估，首先通過(guò)鏈路仿真探索幾類系統(tǒng)參數(shù)和配置對(duì)可靠性的影響，選取較優(yōu)的參數(shù)配。其次，通過(guò)系統(tǒng)仿真方法評(píng)估URLLC 業(yè)務(wù)在不同參數(shù)配置下能否滿足高可靠性的要求。仿真結(jié)果可幫助優(yōu)化資源分配策略，驗(yàn)證和比較不同技術(shù)方案在實(shí)際場(chǎng)景中的效果，有效指導(dǎo)URLLC 在實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)配置。

1 URLLC 可靠性影響因素

URLLC 可靠性是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，3GPP 對(duì)于URLLC 的性能要求和相關(guān)參數(shù)的指導(dǎo)根據(jù)差異化應(yīng)用場(chǎng)景而有所不同[9-12]。表1 為影響URLLC 可靠性的通用參數(shù)和分析。

表1 URLLC 可靠性影響因素

（1）重傳（重復(fù)）次數(shù)：重傳是一種糾錯(cuò)機(jī)制，與可靠性直接相關(guān)，增加重傳次數(shù)通常會(huì)增加傳輸時(shí)延[13]。因此，重傳次數(shù)的選擇涉及時(shí)延和可靠性之間的權(quán)衡。在URLLC 中，時(shí)延要求非常低，需要精確地確定適當(dāng)?shù)闹貍鞔螖?shù)，以在時(shí)延和可靠性之間找到平衡。

（2）接收天線配置：多天線系統(tǒng)可以減小多徑干擾，增加信號(hào)的多樣性，從而提高接收的可靠性[14-15]。天線配置還可以影響通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和抗干擾能力，不同的配置可以在不同場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)更好的可靠性性能。

（3）碼本選擇：碼本選擇涉及所使用的編碼和調(diào)制方案。不同的編碼方案具有不同的糾錯(cuò)能力，可有效糾正傳輸中的錯(cuò)誤，從而提高可靠性[16-17]。調(diào)制方案決定了信號(hào)的靈敏度，即在不同信道條件下的性能。選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案可以使通信系統(tǒng)更具魯棒性，從而提高可靠性。

重傳次數(shù)、接收天線配置和碼本選擇3 種參數(shù)直接影響通信系統(tǒng)中的糾錯(cuò)、信號(hào)多樣性、抗干擾能力以及編碼和調(diào)制方案的選擇，這些因素對(duì)于實(shí)現(xiàn)URLLC 通信的高可靠性至關(guān)重要。在研究中，通過(guò)優(yōu)化和調(diào)整這些因素，可以有效地提高URLLC 通信的可靠性，同時(shí)滿足低時(shí)延要求。

2 可靠性評(píng)估方法

URLLC 可靠性評(píng)估采用系統(tǒng)級(jí)與鏈路級(jí)仿真協(xié)同的方法，綜合考慮大尺度和小尺度衰落。通過(guò)在系統(tǒng)級(jí)仿真中獲得大尺度衰落的信息，進(jìn)行資源分配的初步優(yōu)化。然后，將這些信息傳遞到鏈路級(jí)仿真中，精細(xì)調(diào)整參數(shù)以滿足URLLC 可靠性要求。

由于系統(tǒng)級(jí)仿真中考慮大尺度衰落，而在鏈路級(jí)仿真中考慮小尺度衰落，因此評(píng)估中，首先通過(guò)鏈路仿真探索重傳（重復(fù)）次數(shù)、接收天線配置、碼本選擇3 種參數(shù)配置對(duì)可靠性的影響，選取相對(duì)較優(yōu)的參數(shù)配置方案，然后通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真的信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR）分布曲線，選出5% SINR點(diǎn)作為小區(qū)邊緣，將此SINR 點(diǎn)輸入鏈路級(jí)仿真平臺(tái)，根據(jù)選取最優(yōu)參數(shù)配置，驗(yàn)證小尺度衰落的情況下小區(qū)邊緣用戶是否可以滿足URLLC 的可靠性要求，即小于10-5，若滿足則可以保證整個(gè)小區(qū)的用戶都滿足可靠性要求。URLLC 可靠性評(píng)估方法如圖1 所示。

圖1 URLLC 可靠性評(píng)估流程圖

這種協(xié)同的方法可以幫助優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保在考慮了大尺度衰落和小尺度衰落的情況下，小區(qū)邊緣用戶的可靠性要求得到滿足，有助于提高整個(gè)小區(qū)的用戶體驗(yàn)和可靠性，更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估URLLC 通信的可靠性。

3 URLLC 仿真模型構(gòu)建

本小節(jié)構(gòu)建鏈路級(jí)仿真模型和系統(tǒng)級(jí)仿真模型。鏈路級(jí)仿真模型用于深入分析單個(gè)通信鏈路的性能，設(shè)計(jì)和優(yōu)化參數(shù)配置。系統(tǒng)級(jí)仿真模型用于評(píng)估整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，決策系統(tǒng)級(jí)參數(shù)和資源分配。

由于多邊矩陣剖面框架和復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)據(jù)的取值大小沒(méi)有關(guān)系，多邊矩陣剖面廣義交叉乘法的運(yùn)算可以反映研究人員收集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析一般方法，根據(jù)相應(yīng)的剖面的矩陣表示，可以模擬證明相應(yīng)的分析方法和數(shù)據(jù)分析人員的各種操作是否基本沒(méi)有關(guān)系, 如果模擬分析其數(shù)據(jù)分析方法具有再現(xiàn)性的特點(diǎn)，那么相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法是可以采用的數(shù)據(jù)挖掘方法。所以多邊矩陣的剖面廣義交叉乘法是值得推薦的方法。

3.1 鏈路級(jí)仿真模型構(gòu)建

構(gòu)建5G URLLC 物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel,PUSCH）鏈路級(jí)仿真模型。鏈路級(jí)主要參數(shù)配置見(jiàn)表2。

表2 URLLC 鏈路級(jí)仿真參數(shù)表

為保證最小時(shí)延，仿真基本參數(shù)傳輸時(shí)間間隔（Transmission Time Interval,TTI）設(shè)置為4-symbol minislot，子載波間隔設(shè)置為30 kHz 或60 kHz，帶寬為80 MHz。使用抽頭延遲線-相關(guān)模型（Tap Delay Line -Correlated,TDL-C）寬帶信道模型，有效模擬多徑效應(yīng)。數(shù)據(jù)包（Transport Block Size,TBS）大小為32 B，采用QPSK調(diào)制，調(diào)制編碼方案（Modulation and Coding Scheme,MCS）為1/6，并添加相應(yīng)的糾錯(cuò)碼，生成傳輸數(shù)據(jù)。URLLC 可靠性的3 種主要影響因素中，重傳次數(shù)設(shè)置為1、2 或4 次重傳，收發(fā)天線數(shù)可以選擇2×2、2×4 或2×8 等不同的配置，碼本選擇指定碼本和自選碼本兩種不同配置。

針對(duì)影響URLLC 可靠性的三類主要參數(shù)進(jìn)行多種參數(shù)組合的評(píng)估，探索較優(yōu)組合。

3.2 系統(tǒng)級(jí)仿真模型構(gòu)建

5G URLLC PUSCH 系統(tǒng)級(jí)仿真模型采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)仿真方法。首先，基于snapshot 靜態(tài)仿真方法[18]建立廣泛應(yīng)用的城市宏小區(qū)（Urban Micro,UMa）場(chǎng)景；其次，構(gòu)建發(fā)射設(shè)備、信道和接收設(shè)備模型，在TTI 循環(huán)內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)用不同設(shè)備，完成用戶調(diào)度、資源分配和數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，不斷觸發(fā)更新snapshot，并獲得仿真參數(shù)。

根據(jù)3GPP TR 38.900/TR 38.901 中對(duì)系統(tǒng)機(jī)仿真要求，主要參數(shù)配置如表3 所示。

表3 URLLC 系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)表

4 影響URLLC 可靠性參數(shù)選取

本節(jié)針對(duì)不同參數(shù)下URLLC 可靠性開(kāi)展鏈路級(jí)仿真，從擬定的重傳次數(shù)、不同接收天線數(shù)、不同碼本的參數(shù)配置中擇優(yōu)選取。

4.1 重傳次數(shù)參數(shù)分析

對(duì)比1、2、4 不同重傳次數(shù)下誤塊率（Block Error Rare,BLER）與信噪比（Signal to Noise Ratio,SINR）的關(guān)系，如圖2 所示，可以看出在經(jīng)過(guò)衰落信道之后，重傳2 次相對(duì)于重傳1 次帶來(lái)的增益約為2.3 dB，重傳4 次相對(duì)于重傳2 次帶來(lái)的增益約為2 dB。因此重傳次數(shù)越多，傳輸可靠性越高，但傳輸時(shí)延也相對(duì)越大。因此需要在滿足可靠性要求的情況下，盡可能減少重傳次數(shù)。

圖2 不同天線數(shù)在指定碼本與自選碼本時(shí)的性能對(duì)比

4.2 接收天線數(shù)參數(shù)分析

對(duì)比2×2、2×4、2×8 不同接收天線數(shù)配置下的BLER。如圖3 所示，可以看出在過(guò)衰落信道自選碼本的情況下，2×8 天線和2×4 天線之間的增益約為2.5 dB，2×4 天線相對(duì)于2×2 天線增益約為4 dB。因此在信道質(zhì)量較差時(shí)，選擇多天線配置，可通過(guò)多天線的分集增益和陣列增益，有效抵抗信道的多徑衰落作影響。同時(shí)，采用多天線也會(huì)提升發(fā)射端和接收端的計(jì)算復(fù)雜度。因此，需要根據(jù)具體的信道模型選擇合適的天線配置，實(shí)現(xiàn)性能與復(fù)雜度的折中。

圖3 不同天線數(shù)下的性能對(duì)比

4.3 碼本參數(shù)分析

（1）不同碼本對(duì)重復(fù)增益的影響

指定碼本與自選碼本不同重復(fù)次數(shù)下的性能對(duì)比如圖4 所示，可以看出在重復(fù)4 次和重復(fù)2 次時(shí)，自選碼本和指定碼本的性能差異較??；在重復(fù)1 次時(shí)，自選碼本相對(duì)于指定碼本，隨著信道質(zhì)量的變好，自選碼本的BLER 下降更快，性能更優(yōu)。

圖4 指定碼本與自選碼本不同重復(fù)次數(shù)下的性能對(duì)比

（2）不同碼本對(duì)天線增益的影響

分別選取2×2、2×4 和2×8 天線配置，重復(fù)1 次，非理想信道估計(jì)，比較自選碼本和指定碼本為的情況下的性能。

指定碼本與自選碼本在不同天線數(shù)配置下的BLER對(duì)比如圖5 所示，可以看出對(duì)于同樣的收發(fā)天線數(shù)，信道質(zhì)量越好，自選碼本帶來(lái)的增益越明顯，在2×2 天線時(shí)，自選碼本相對(duì)于指定碼本帶來(lái)的增益約為2 dB。

圖5 不同天線數(shù)在指定碼本與自選碼本時(shí)的性能對(duì)比

5 URLLC 可靠性評(píng)估

5.1 SINR 選取

基于系統(tǒng)級(jí)仿真，明確小區(qū)邊緣用戶所需的SINR，系統(tǒng)級(jí)仿真PUSCH 的輸出SINR 累積分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function,CDF）曲線如圖6 所示。選取為5%時(shí)對(duì)應(yīng)的SINR 為小區(qū)邊緣用戶，確保在通信網(wǎng)絡(luò)的邊緣區(qū)域，用戶仍然能夠獲得高質(zhì)量連接，以保證URLLC 場(chǎng)景的性能需求。從圖中可以看出，5%對(duì)應(yīng)的目標(biāo)SINR 為-7 dB。

圖6 SINR CDF 曲線

5.2 可靠性評(píng)估

根據(jù)系統(tǒng)級(jí)仿真曲線，小區(qū)邊緣用戶的SINR 為-7 dB。在鏈路級(jí)仿真中，選取較優(yōu)的仿真配置參數(shù)，驗(yàn)證2×8 天線和2×4 天線下，重復(fù)次數(shù)為1 次和4 次，指定碼本與自選碼本時(shí)候的小區(qū)邊緣用戶可靠性是否滿足要求。

URLLC 場(chǎng)景下可靠性評(píng)估結(jié)果如表4 所示。可以看出，自選碼本與指定碼本對(duì)URLLC 可靠性影響差異較小，天線和重復(fù)次數(shù)對(duì)URLLC 可靠性影響較大。2×8天線在重復(fù)1 次和4 次時(shí)，都可以滿足可靠性10-5要求，而2×4 天線在重復(fù)4 次時(shí)可以滿足可靠性要求，但在重復(fù)1 次時(shí)可靠性為10-3，不滿足可靠性要求。

表4 5% SINR 點(diǎn)可靠性評(píng)估結(jié)果

6 結(jié)論

本文評(píng)估了不同重傳次數(shù)、不同收發(fā)天線數(shù)和不同碼本選擇三類情況下對(duì)傳輸可靠性的影響，從結(jié)果可以看出，重傳次數(shù)越多，收發(fā)天線數(shù)和碼本配置合理，可以獲得較大的增益；進(jìn)一步評(píng)估了URLLC 場(chǎng)景下的可靠性，證明了可以通過(guò)上述合理參數(shù)配置，滿足URLLC 場(chǎng)景的可靠性需求。本文仿真驗(yàn)證和結(jié)論可以為URLLC的實(shí)際應(yīng)用和部署提供參考和參數(shù)配置經(jīng)驗(yàn)。