3GPP中URLLC標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

張軼，夏亮，徐曉東，胡臻平

（1.中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，北京 100029）

0 引言

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)流量與設(shè)備連接數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)，第五代通信系統(tǒng)（5G）提出“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的總體愿景[1]，5G 將通信服務(wù)從人與人之間通信滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種垂直行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)控制、智能醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等深度結(jié)合，培育了新的業(yè)務(wù)與市場(chǎng)，保持其競(jìng)爭(zhēng)力日益增長(zhǎng)。5G 致力于研究低時(shí)延高可靠技術(shù)場(chǎng)景，3GPP 于2018 年6 月與2020 年3 月分別完成第一個(gè)版本（R15）與第二個(gè)版本（R16）的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。本文將從3GPP URLLC 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、URLLC 用例與需求以及URLLC 物理層關(guān)鍵技術(shù)三個(gè)方面來(lái)介紹URLLC在3GPP 的研究進(jìn)展。

1 3GPP URLLC 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

URLLC 在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中包括低時(shí)延技術(shù)、高可靠技術(shù)以及URLLC 與eMBB 復(fù)用三個(gè)方面的研究。2017 年，NR R15 研究之初即成立工作項(xiàng)目，來(lái)研究子載波間隔、靈活幀結(jié)構(gòu)以及短時(shí)隙調(diào)度等時(shí)延降低技術(shù)[2]。2017 年12 月，進(jìn)一步更新URLLC 工作項(xiàng)目范圍，著重對(duì)URLLC 的高可靠性進(jìn)行研究[3]，但由于時(shí)間關(guān)系，只有低碼率信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator,CQI）/ 調(diào)制解調(diào)方案（Modulation and Coding Scheme,MCS）表格在R15 完成，控制信道增強(qiáng)以及上行復(fù)用等技術(shù)都延至R16。R16 URLLC 研究項(xiàng)目自2018 年6 月開(kāi)始至2019 年第一季度研究項(xiàng)目結(jié)束，工作項(xiàng)目開(kāi)始，先后完成了URLLC 用例的性能評(píng)估工作、物理層各信道的增強(qiáng)以及URLLC 與eMBB 上行復(fù)用等技術(shù)的研究及標(biāo)準(zhǔn)化[4]，但仍然有很多優(yōu)化工作預(yù)計(jì)留至R17 來(lái)研究。圖1 為3GPP URLLC 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程示意圖。

圖1 3GPP URLLC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

2 3GPP URLLC 用例與需求

根據(jù)R16 URLLC 研究項(xiàng)目范圍，R15 &R16 確定的URLLC 用例包括工廠自動(dòng)化、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)以及AR/VR，詳細(xì)的用例以及需求總結(jié)如表1 所示[5]。

3 URLLC 物理層關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 低時(shí)延關(guān)鍵技術(shù)

用戶(hù)面時(shí)延定義為一個(gè)數(shù)據(jù)包成功地從發(fā)送端的層2/層3 傳輸?shù)浇邮斩说膶?/層3 所需要的時(shí)間，一般包括獲取資源的時(shí)延、終端/基站處理時(shí)延、幀對(duì)齊時(shí)延、傳輸時(shí)延以及反饋時(shí)延[6]。NR 通過(guò)使能以下技術(shù)對(duì)用戶(hù)面時(shí)延進(jìn)行降低。

（1）靈活幀結(jié)構(gòu)

NR 除了支持LTE 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的15 kHz 子載波間隔，還額外支持了更高的子載波間隔，如30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz，這將縮短符號(hào)/時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)而縮短傳輸時(shí)延。此外，不同于LTE 靜態(tài)的上下行配比，NR 支持靈活的幀結(jié)構(gòu)配置與更短的上下行轉(zhuǎn)換周期，這使得幀對(duì)齊時(shí)延與反饋時(shí)延大幅降低。

（2）短時(shí)隙調(diào)度

LTE 系統(tǒng)的調(diào)度單元為一個(gè)子幀，而NR 系統(tǒng)除了支持時(shí)隙（slot-based）調(diào)度之外，還額外支持短時(shí)隙（mini-slot）調(diào)度，例如2-symbol、4-symbol、7-symbol 調(diào)度長(zhǎng)度，使得傳輸時(shí)延縮短。

（3）免調(diào)度傳輸

在LTE 系統(tǒng)，當(dāng)用戶(hù)有上行數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，需要先發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求給基站，待基站發(fā)送上行調(diào)度授權(quán)（UL Grant）給用戶(hù)，為其分配可用的上行資源后，才能發(fā)送數(shù)據(jù)包。NR 為了縮短獲取資源的時(shí)延，支持如圖2 所示的免調(diào)度傳輸，即基站預(yù)先為用戶(hù)配置周期性的可用資源，用戶(hù)有上行數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，直接在配置的資源上進(jìn)行傳輸。

然而NR R15 在每個(gè)帶寬部分（Bandwidth Part,BWP）上只能激活一個(gè)免調(diào)度配置(Configured Grant Config,CG Config)，這將導(dǎo)致一系列問(wèn)題。

表1 3GPP URLLC用例與需求

圖2 免調(diào)度傳輸流程

1）物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)只能從冗余版本(Redundant Version,RV)=0 的位置開(kāi)始，導(dǎo)致幀對(duì)齊時(shí)延增大。

2）PUSCH 傳輸總是小于等于K次（K為免調(diào)度配置的重復(fù)傳輸次數(shù)），無(wú)法永遠(yuǎn)滿(mǎn)足可靠性需求。

3）不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的時(shí)延可靠性需求不同，其需要配置的免調(diào)度傳輸參數(shù)也不同。

基于上述問(wèn)題，R16 支持同一個(gè)BWP 激活多個(gè)免調(diào)度配置，有效降低了時(shí)延，提升可靠性。圖3 為同一個(gè)BWP 激活多個(gè)免調(diào)度配置示意圖。

圖3 同一個(gè)BWP激活多個(gè)免調(diào)度配置

（4）子時(shí)隙反饋

NR R15 只支持slot 級(jí)別的反饋，即一個(gè)slot 上最多有一個(gè)物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH) 承載HARQ-ACK，這在一定程度上影響了URLLC 業(yè)務(wù)的反饋時(shí)延。如圖4 所示，基站在slot n 調(diào)度PDSCH 0，其HARQ-ACK 在slot n+1 上 的HARQ-ACK 0 上反饋。若由于URLLC 下行數(shù)據(jù)包的時(shí)延需求，還需要在slot n 調(diào)度PDSCH 1，而由于處理時(shí)延的限制使得其無(wú)法在HARQ-ACK 0 進(jìn)行反饋，按照R15的規(guī)則，PDSCH 1 的HARQ-ACK 將無(wú)法在slot n+1 上反饋，URLLC 業(yè)務(wù)的反饋時(shí)延需求將難以滿(mǎn)足?；诖耍琑16 支持子時(shí)隙級(jí)別的反饋，即在同一個(gè)slot 上可以有多個(gè)PUCCH 承載HARQ-ACK。

圖4 R15 HARQ-ACK傳輸限制

（5）增強(qiáng)的設(shè)備處理能力

在LTE 系統(tǒng)，設(shè)備的編解碼、調(diào)制解調(diào)以及資源映射一般需要毫秒級(jí)別的處理時(shí)延，NR 系統(tǒng)通過(guò)提升設(shè)備處理速度、改進(jìn)資源映射方式等方法，將設(shè)備的處理時(shí)延降低到符號(hào)級(jí)別。NR 支持的PDSCH 處理時(shí)延N1 與PUSCH 準(zhǔn)備時(shí)延N2 如表2 和表3 所示，其中capability 1 為基礎(chǔ)終端能力，capability 2 為激進(jìn)終端能力。

表2 PDSCH處理時(shí)延

表3 PUSCH準(zhǔn)備時(shí)延

3.2 高可靠關(guān)鍵技術(shù)

可靠性定義為在一定的用戶(hù)面時(shí)延限制下和在一定信道質(zhì)量下，傳輸一定比特?cái)?shù)的信息的成功概率[6]，NR通過(guò)使能以下技術(shù)來(lái)增強(qiáng)可靠性。

（1）數(shù)據(jù)信道

1）低碼率CQI/MCS 表格

在NR 設(shè)計(jì)之初，CQI/MCS 表格的設(shè)計(jì)主要滿(mǎn)足了eMBB 業(yè)務(wù)的需求，即實(shí)現(xiàn)10% BLER（Block Error Rate），因此為了滿(mǎn)足URLLC 業(yè)務(wù)99.999%甚至99.999 9%的可靠性需求，只能通過(guò)重復(fù)或者重傳來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，在某些幀結(jié)構(gòu)配置下，重復(fù)傳輸或者重傳將使得URLLC 的時(shí)延需求無(wú)法滿(mǎn)足。而基于10% BLER target 的CQI 報(bào)告，通過(guò)實(shí)現(xiàn)的方式調(diào)整調(diào)制編碼方式，使其滿(mǎn)足更低的BLER，結(jié)果并不準(zhǔn)確，且給基站增加了額外的復(fù)雜度。因此，NR 通過(guò)在已有CQI/MCS 表格的基礎(chǔ)上，去掉高碼率的配置，添加低碼率的配置，設(shè)計(jì)了更高可靠性的CQI/MCS 表格，使得URLLC 業(yè)務(wù)可以同時(shí)滿(mǎn)足其時(shí)延和可靠性需求。

2）重復(fù)傳輸

重復(fù)傳輸通過(guò)為數(shù)據(jù)包分配更多的傳輸資源，降低碼率，以達(dá)到提高可靠性的目的。NR R15 對(duì)PUSCH/PDSCH 支持了slot 級(jí)別的重復(fù)傳輸，最大重復(fù)次數(shù)為8。與此同時(shí)，每次傳輸可以使用不同的冗余版本，以提高軟合并的性能。然而，slot 級(jí)別的重復(fù)傳輸在很多時(shí)候無(wú)法滿(mǎn)足URLLC 業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，因此NR R16 對(duì)PUSCH 進(jìn)一步支持了mini-slot 級(jí)別的重復(fù)傳輸，重復(fù)傳輸次數(shù)最大可配置為16，且可以由DCI 中的時(shí)域資源指示域動(dòng)態(tài)指示。如圖5 所示，當(dāng)配置的傳輸跨越slot 邊界或者跨越半靜態(tài)配置的下行符號(hào)時(shí)，需要對(duì)此次傳輸進(jìn)行分段。

圖5 mini-slot PUSCH重復(fù)傳輸

（2）控制信道

URLLC 的高可靠性需求不僅針對(duì)數(shù)據(jù)信道，控制信道的BLER 也將在很大程度上影響URLLC 數(shù)據(jù)包的正確傳輸，因此在NR URLLC 的研究進(jìn)程中，出現(xiàn)了如高聚合等級(jí)、PDCCH 重復(fù)、緊湊DCI（compact DCI）等一系列候選技術(shù)。最終，NR 在R15 支持了最高聚合等級(jí)為16 的PDCCH 傳輸，通過(guò)為下行控制信息分配更多的資源，提高控制信道的可靠性。NR R16 支持compact DCI 的設(shè)計(jì)，通過(guò)改變指示域的指示方式以及靈活配置每個(gè)指示域的大小，可以實(shí)現(xiàn)比DCI format 0_0/1_0 更小的有效載荷大小，也可以實(shí)現(xiàn)與DCI format 0_1/1_1可比的調(diào)度靈活性。此外，R16 對(duì)PDCCH 的檢測(cè)能力進(jìn)行了增強(qiáng)，支持per span 定義PDCCH 檢測(cè)能力（包括不重疊的CCE 數(shù)以及最大檢測(cè)的候選PDCCH 數(shù)），可以在降低PDCCH 幀對(duì)齊時(shí)延的基礎(chǔ)上，提高PDCCH 可靠性。

3.3 URLLC 與eMBB 復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)URLLC 的時(shí)延和可靠性需求，3GPP 和ITU 組織業(yè)內(nèi)各公司進(jìn)行了分析與仿真評(píng)估，由評(píng)估結(jié)果[7]可以看出，NR 系統(tǒng)通過(guò)一定的配置與調(diào)度方案，可以滿(mǎn)足單用戶(hù)/單業(yè)務(wù)的時(shí)延與可靠性需求。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，傳輸資源往往是多用戶(hù)/多業(yè)務(wù)共享的，因此需要關(guān)注多用戶(hù)/多業(yè)務(wù)復(fù)用時(shí)的系統(tǒng)性能，主要包括不同業(yè)務(wù)類(lèi)型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)（Inter-UE 復(fù)用）以及同一終端同時(shí)存在多種業(yè)務(wù)類(lèi)型（Intra-UE 復(fù)用）兩種場(chǎng)景。

（1）Inter-UE 復(fù)用

1）下行搶占

當(dāng)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，很容易出現(xiàn)以下場(chǎng)景：基站調(diào)度eMBB 用戶(hù)的下行數(shù)據(jù)占用整個(gè)時(shí)隙傳輸，此時(shí)有URLLC 數(shù)據(jù)到達(dá)，為了要保證URLLC業(yè)務(wù)的時(shí)延需求，NR 支持URLLC 業(yè)務(wù)搶占正在傳輸?shù)膃MBB 業(yè)務(wù)的資源?；景l(fā)送中斷傳輸指示給eMBB 用戶(hù)，指示eMBB 用戶(hù)其被搶占了哪些資源，以提升eMBB用戶(hù)的解調(diào)性能。圖6 為下行中斷傳輸指示與上行消除指示。

2）上行消除和上行功控

與下行搶占類(lèi)似，當(dāng)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，也很容易出現(xiàn)如圖6 所示的URLLC 用戶(hù)搶占eMBB 用戶(hù)上行資源的場(chǎng)景。NR R16 對(duì)此場(chǎng)景支持兩種解決方案：上行消除和上行功控。

圖6 下行中斷傳輸指示與上行消除指示

上行消除即支持URLLC 用戶(hù)搶占eMBB 用戶(hù)的上行資源，基站發(fā)送上行消除指示給eMBB 用戶(hù)，指示哪些資源被URLLC 用戶(hù)占用；eMBB 用戶(hù)收到上行消除指示后，停止所指示資源的上行傳輸，以消除對(duì)URLLC 數(shù)據(jù)的干擾，提高URLLC 數(shù)據(jù)的可靠性。

然而，使用上行消除指示停止eMBB 用戶(hù)的上行傳輸是以降低eMBB 用戶(hù)吞吐量為代價(jià)的，而URLLC 數(shù)據(jù)能否正確解調(diào)取決于所受到干擾的大小。在某些場(chǎng)景下，只需要降低eMBB 用戶(hù)的功率，提升URLLC 用戶(hù)的功率即可滿(mǎn)足URLLC 業(yè)務(wù)的可靠性需求。因此NR R16 還支持了上行功率控制的方式來(lái)進(jìn)行Inter-UE 復(fù)用，通過(guò)靈活的開(kāi)環(huán)功控參數(shù)選擇，在保證URLLC 業(yè)務(wù)可靠性的同時(shí)，提高復(fù)用效率。

（2）Intra-UE 復(fù)用

在諸多垂直行業(yè)應(yīng)用中，廣泛存在同一終端多種業(yè)務(wù)復(fù)用的場(chǎng)景，如智能電網(wǎng)終端將集成三種業(yè)務(wù)：差動(dòng)保護(hù)、三遙業(yè)務(wù)（遙測(cè)、遙信、遙控）以及網(wǎng)絡(luò)授時(shí)業(yè)務(wù)。網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)/智能車(chē)聯(lián)網(wǎng)終端將集成兩種業(yè)務(wù)：控制信息以及音視頻業(yè)務(wù)，不同業(yè)務(wù)類(lèi)型對(duì)時(shí)延、可靠性、數(shù)據(jù)速率等性能指標(biāo)的需求有很大差異。NR R15 無(wú)法在物理層區(qū)分業(yè)務(wù)，因此容易出現(xiàn)不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的數(shù)據(jù)/控制信息一同編碼與傳輸?shù)膯?wèn)題。如URLLC HARQ-ACK與eMBB HARQ-ACK 將構(gòu)建在同一個(gè)HARQ-ACK 碼本中，使用相同的碼率傳輸。若碼率選擇為滿(mǎn)足eMBB業(yè)務(wù)的可靠性，則URLLC 業(yè)務(wù)的可靠性無(wú)法滿(mǎn)足；若碼率選擇為滿(mǎn)足URLLC HARQ-ACK 的可靠性，則將降低eMBB 業(yè)務(wù)的頻譜效率。因此，NR Release 16 支持對(duì)同一個(gè)終端同時(shí)構(gòu)建至少兩個(gè)HARQ-ACK 碼本，用于承載不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的HARQ-ACK 信息，不同HARQ-ACK碼本的PUCCH 配置參數(shù)、UCI 復(fù)用參數(shù)等都可以針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求分別配置。不同HARQ-ACK 碼本可以通過(guò)DCI 或者RRC 配置來(lái)區(qū)分。

進(jìn)一步地，為了解決不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的上下行信道沖突問(wèn)題，R16 支持在物理層將數(shù)據(jù)包區(qū)分為兩種優(yōu)先級(jí)（高優(yōu)先級(jí)與低優(yōu)先級(jí)），不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的區(qū)分可以通過(guò)DCI 或者RRC 配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間限制，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)與低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)沖突時(shí)，R16 只支持丟棄低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)而傳輸高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)之間的復(fù)用預(yù)計(jì)延至R17 來(lái)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)3GPP URLLC 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、URLLC 用例與需求以及使能URLLC 的物理層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。3GPP 對(duì)URLLC 技術(shù)的研究已經(jīng)歷經(jīng)了2 個(gè)版本，在低時(shí)延技術(shù)、高可靠技術(shù)、URLLC 與eMBB 復(fù)用技術(shù)三個(gè)方面均取得了很大的進(jìn)展，為URLLC 在垂直行業(yè)的應(yīng)用提供了有力的支撐。隨著5G 規(guī)模試驗(yàn)在智能港口、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療等多種業(yè)務(wù)中相繼開(kāi)展，URLLC 技術(shù)未來(lái)將在實(shí)踐中不斷完善與增強(qiáng)。與此同時(shí)，由于時(shí)間限制，R16 遺留了一些問(wèn)題有待優(yōu)化，這些將在3GPP 下一個(gè)版本中繼續(xù)研究，旨在保證URLLC 業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，不斷提升網(wǎng)絡(luò)性能。