5G 系統(tǒng)中URLLC 免調(diào)度傳輸分析研究

［石靖］

1 引言

目前5G NR 系統(tǒng)[1]和4G LTE[2]系統(tǒng)均支持URLLC業(yè)務(wù)[3～4]，相較于4G系統(tǒng)，5G系統(tǒng)中支持不同的子載波間隔，即除了4G 系統(tǒng)支持的15 kHz，還支持30 kHz、60 kHz和120 kHz 的子載波間隔，使用較大的子載波間隔在降低網(wǎng)絡(luò)時延具有明顯優(yōu)勢。為了支持URLLC 業(yè)務(wù)低時延高可靠特性，尤其是上行業(yè)務(wù)傳輸，通過免調(diào)度傳輸來降低調(diào)度時延，同時結(jié)合重復(fù)傳輸來保證可靠性。通過介紹5G 系統(tǒng)中新引入的免調(diào)度傳輸技術(shù)，分析其工作原理，為今后在實際網(wǎng)絡(luò)部署中基站側(cè)和終端側(cè)使用該技術(shù)提供技術(shù)支持。

2 URLLC 關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前URLLC 的主要應(yīng)用場景包括工廠自動化、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療和虛擬現(xiàn)實等。不同于常規(guī)的公網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸，上述應(yīng)用場景對于業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r延具有更高需求[3]。5G 系統(tǒng)中支持URLLC 業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)相較于4G 系統(tǒng)的新技術(shù)包括。

（1）基于更短時長的傳輸：目前5G 系統(tǒng)中支持符號粒度的業(yè)務(wù)信道調(diào)度，與4G 系統(tǒng)中基于微時隙粒度的傳輸類似。但是5G 系統(tǒng)中支持不同的子載波間隔，即除了4G 系統(tǒng)支持的15 kHz，還支持30 kHz、60 kHz 和120 kHz的子載波間隔，使得符號的時域長度在使用更大的子載波間隔時具有更短的時長。因此URLLC 業(yè)務(wù)的傳輸時長相較于4G 系統(tǒng)明顯降低。

（2）免調(diào)度傳輸：5G 系統(tǒng)中支持兩種類型的免調(diào)度傳輸，一種類似于4G 系統(tǒng)中的上行半靜態(tài)調(diào)度（UpLink Semi-Persistent Scheduling，UL SPS），即需要下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）激活免調(diào)度傳輸，之后以周期方式傳輸上行數(shù)據(jù)節(jié)省調(diào)度請求過程的時延。另一種是無需DCI 激活的免調(diào)度傳輸，基站配置周期性的傳輸資源，當(dāng)終端有上行業(yè)務(wù)需要發(fā)送時，直接使用這些預(yù)先配置好的資源進行傳輸，省去了調(diào)度請求過程和DCI激活過程的時延，相較于4G 系統(tǒng)中的UL SPS 進一步節(jié)省了激活過程的時延。

（3）搶占傳輸：為了保證URLLC 業(yè)務(wù)的性能，基站可以通過搶占eMBB 業(yè)務(wù)已經(jīng)分配到的資源強行分配資源給URLLC 業(yè)務(wù)?；就ㄟ^發(fā)送搶占指示信息，將搶占的資源通知給eMBB 用戶，eMBB 用戶解讀搶占指示信息可以避免合并錯誤數(shù)據(jù)，如果解碼錯誤可以結(jié)合重傳保證eMBB 性能。

3 免調(diào)度傳輸深入分析

5G 系統(tǒng)中支持的兩種類型的免調(diào)度傳輸分別稱為免調(diào)度類型1（Configured Grant type1，CG type1）和免調(diào)度類型2（Configured Grant type2，CG type2）。CG type1只需要通過RRC 信令配置就可以激活；CG type2 在RRC配置資源后還需要通過DCI 激活，類似LTE UL SPS。例如圖1 所示PUSCH 傳輸，基于調(diào)度方式的上行業(yè)務(wù)信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）傳輸方式為：首先當(dāng)UE 有數(shù)據(jù)到達，終端先發(fā)送調(diào)度請求（Scheduling Request，SR），基站收到SR 之后發(fā)送調(diào)度授權(quán)（Scheduling Grant，SG）獲取終端的緩存狀態(tài)，在終端上報緩存狀態(tài)報告（Buffer Status Report，BSR）之后，基站發(fā)送調(diào)度授權(quán)以調(diào)度終端發(fā)送PUSCH，當(dāng)基站反饋肯定應(yīng)答ACK 之后完成一次傳輸。而采用免調(diào)度傳輸，終端可以直接發(fā)送PUSCH，以節(jié)省調(diào)度請求過程中消耗的時延。

圖1 上行PUSCH 傳輸示意

CG type1 和CG type2 僅僅是激活方式的不同，在免調(diào)度傳輸節(jié)省時延和重復(fù)傳輸方式是相同的。其中CG type1 適用于周期業(yè)務(wù)且系統(tǒng)中PDCCH 資源受限場景，CG type2 適用場景更加廣泛，可以動態(tài)激活/去激活CG PUSCH 傳輸，更加靈活的使用資源。以下通過重復(fù)傳輸機制，保證K次重復(fù)傳輸，激活和去激活方式的深入分析，全面剖析免調(diào)度傳輸技術(shù)。

3.1 重復(fù)傳輸機制

對于URLLC PUSCH 傳輸，支持兩種重復(fù)傳輸機制，分別稱為repetition type A 和repetition type B。其中repetition type A 支持基于時隙的重復(fù)傳輸，而repetition type B 支持基于微時隙的重復(fù)傳輸，即基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符號的重復(fù)傳輸。需要說明的是，通過重復(fù)傳輸提升PUSCH傳輸可靠性不僅可以應(yīng)用于免調(diào)度傳輸，也可以應(yīng)用于調(diào)度傳輸。

3.1.1 Repetition type A

Repetition type A支持以slot為單位的重復(fù)傳輸方式，在連續(xù)K個slot 中重復(fù)傳輸K次，且在每個slot 中傳輸所使用的時頻資源也相同。如圖2 所示，執(zhí)行K=4 次重復(fù)傳輸，且每次重復(fù)傳輸使用的時域資源相同，即每個slot 中前12 個OFDM 符號，使用的頻域資源相同，例如使用N個RB。

圖2 Repetition type A 示例

3.1.2 Repetition type B

Repetition type B支持以微時隙為單位的重復(fù)傳輸方式，其中微時隙包含若干OFDM 符號。每次重復(fù)傳輸?shù)拿x重復(fù)資源相同，但實際重復(fù)資源可能不同，當(dāng)名義重復(fù)遇到時隙邊界或不可用符號會裂變?yōu)? 次實際重復(fù)。該方式相較于Repetition type A方式能夠進一步以較短的TTI 執(zhí)行背靠背方式的重復(fù)傳輸，在保證可靠性前提下進一步降低時延。

基站僅指示或配置首次名義重復(fù)的時域位置，即在時域資源分配中配置起始符號S和時域占用符號數(shù)L，并配置重復(fù)傳輸次數(shù)K。剩余K-1 次名義重復(fù)的時域位置以背靠背方式依次占用上行符號資源。

當(dāng)基站配置時域資源分配（Time Domain Resource Allocation，TDRA）如表1 所示且指示使用index=1 時，此時首個名義重復(fù)在slot #n 中從符號#2，即第3 個符號開始占用10 個符號，重復(fù)傳輸4 次，如圖3 所示。表1中PUSCH mapping type 和K2 分別表示PUSCH 映射類型和上行調(diào)度定時。

表1 TDRA 示意

圖3 Repetition type B 名義重復(fù)示例

由于名義重復(fù)遇到slot 邊界會裂變?yōu)? 次實際重復(fù)，即實際重復(fù)傳輸如圖4 所示。由于實際重復(fù)不會跨越時隙邊界，因此以實際重復(fù)來確定解調(diào)參考信號（DeModulation Reference Signal，DMRS）位置和冗余版本（Redundancy Version，RV）索引。但是由于實際重復(fù)是由名義重復(fù)裂變而成，為了避免不必要的頻繁跳頻，因此以名義重復(fù)來確定inter-repetition 跳頻邊界。

圖4 Repetition type B 實際重復(fù)示例

3.2 保證K 次重復(fù)傳輸

由于CG PUSCH 傳輸要想保證K次重復(fù)傳輸，需要在業(yè)務(wù)到達后第一個傳輸機會就開始傳輸。對于只有一套CG 配置而言，一旦業(yè)務(wù)到達晚于CG 配置的首個傳輸機會，就無法保證K次重復(fù)傳輸。因此，為了保證URLLC 業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃裕幢ＷCK次數(shù)重復(fù)傳輸且避免較大的等待時延，通過支持多套CG 配置來實現(xiàn)保證K 次重復(fù)傳輸。

多套CG 配置中的每一套資源配置都具有K 次數(shù)傳輸機會，多套資源間通過配置一個時域偏移來保證CG PUSCH 有多個傳輸起始位置，即當(dāng)有業(yè)務(wù)到達就可以選擇具有最小等待時延的一套CG 資源執(zhí)行K次重復(fù)傳輸。如圖5 所示，配置4 套CG 資源用于CG PUSCH 重復(fù)傳輸，其中K=4，周期P=4 個slot，4 套CG 配置的起始偏移分別為0,1,2,3 個slot。此時無論CG PUSCH 業(yè)務(wù)在任何一個slot 達到，都能找到其中一套CG 資源以最小等待時延且執(zhí)行重復(fù)傳輸4 次。

圖5 多套CG 配置

3.3 激活/去激活方式

對于CG type2，激活/去激活方式在NR Release 15 版本和Release 16 版本中也有所不同。對于Release 15 版本，僅支持一套CG PUSCH，激活確認通過對DCI 中HARQ process number和Redundancy version置0來指示，去激活確認通過對DCI中HARQ process number和Redundancy version 置0 以 及 對Modulation and coding scheme 和Frequency domain resource assignment 置1 來指示。

在Release 16 中，由于支持多套CG PUSCH 傳輸，因此通過HARQ process number 來進一步指示激活/去激活哪一套CG PUSCH，即該比特域不再用于激活/去激活確認。并且去激活為了更加高效地釋放資源以及節(jié)省PDCCH 開銷，支持聯(lián)合去激活方式。即由RRC 配置聯(lián)合去激活的配置表，其中每一行對應(yīng)一套或多套CG 配置，通過HARQ process number 指示該RRC 配置表格的索引，實現(xiàn)去激活一套或多套CG 配置。

3.4 應(yīng)用免調(diào)度傳輸

應(yīng)用免調(diào)度傳輸是保證URLLC 業(yè)務(wù)99.999%可靠性和1ms 空口時延的需求的重要技術(shù)之一。免調(diào)度傳輸主要為URLLC 業(yè)務(wù)中的上行業(yè)務(wù)而制定，充分保證低時延高可靠傳輸特性，并且對周期業(yè)務(wù)和非周期業(yè)務(wù)都可以適用。另外，也適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet Of Things，IIOT）IIOT 傳輸，對于非整數(shù)業(yè)務(wù)周期的工業(yè)應(yīng)用場景也可以通過多套資源配置來保證。

4 結(jié)束語

本文通過分析研究5G 系統(tǒng)中新引入的免調(diào)度傳輸機制，分析其工作原理，在實現(xiàn)低時延傳輸?shù)耐瑫r如何通過重復(fù)傳輸保證可靠性，以保證URLLC 上行業(yè)務(wù)的性能需求。為今后實際網(wǎng)絡(luò)部署中更加高效地使用免調(diào)度傳輸技術(shù)提供參考。