張軼，夏亮，徐曉東，胡臻平

（1.中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；2.中國移動通信集團公司，北京 100029）

0 引言

為了應(yīng)對未來移動流量與設(shè)備連接數(shù)量的爆炸式增長，第五代通信系統(tǒng)（5G）提出“信息隨心至，萬物觸手及”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、自動駕駛等深度結(jié)合，培育了新的業(yè)務(wù)與市場，保持其競爭力日益增長。5G 致力于研究低時延高可靠技術(shù)場景，3GPP 于2018 年6 月與2020 年3 月分別完成第一個版本（R15）與第二個版本（R16）的標準化研究工作。本文將從3GPP URLLC 標準化進程、URLLC 用例與需求以及URLLC 物理層關(guān)鍵技術(shù)三個方面來介紹URLLC在3GPP 的研究進展。

1 3GPP URLLC 標準化進程

URLLC 在3GPP 標準化進程中包括低時延技術(shù)、高可靠技術(shù)以及URLLC 與eMBB 復(fù)用三個方面的研究。2017 年，NR R15 研究之初即成立工作項目，來研究子載波間隔、靈活幀結(jié)構(gòu)以及短時隙調(diào)度等時延降低技術(shù)[2]。2017 年12 月，進一步更新URLLC 工作項目范圍，著重對URLLC 的高可靠性進行研究[3]，但由于時間關(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，控制信道增強以及上行復(fù)用等技術(shù)都延至R16。R16 URLLC 研究項目自2018 年6 月開始至2019 年第一季度研究項目結(jié)束，工作項目開始，先后完成了URLLC 用例的性能評估工作、物理層各信道的增強以及URLLC 與eMBB 上行復(fù)用等技術(shù)的研究及標準化[4]，但仍然有很多優(yōu)化工作預(yù)計留至R17 來研究。圖1 為3GPP URLLC 標準化進程示意圖。

圖1 3GPP URLLC標準化進程

2 3GPP URLLC 用例與需求

根據(jù)R16 URLLC 研究項目范圍，R15 &R16 確定的URLLC 用例包括工廠自動化、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)以及AR/VR，詳細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 低時延關(guān)鍵技術(shù)

用戶面時延定義為一個數(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 所需要的時間，一般包括獲取資源的時延、終端/基站處理時延、幀對齊時延、傳輸時延以及反饋時延[6]。NR 通過使能以下技術(shù)對用戶面時延進行降低。

（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/時隙長度進而縮短傳輸時延。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，這使得幀對齊時延與反饋時延大幅降低。

（2）短時隙調(diào)度

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

（3）免調(diào)度傳輸

在LTE 系統(tǒng)，當用戶有上行數(shù)據(jù)包到達時，需要先發(fā)送調(diào)度請求給基站，待基站發(fā)送上行調(diào)度授權(quán)（UL Grant）給用戶，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延，支持如圖2 所示的免調(diào)度傳輸，即基站預(yù)先為用戶配置周期性的可用資源，用戶有上行數(shù)據(jù)包到達時，直接在配置的資源上進行傳輸。

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

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 的位置開始，導(dǎo)致幀對齊時延增大。

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)），無法永遠滿足可靠性需求。

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

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

圖3 同一個BWP激活多個免調(diào)度配置

（4）子時隙反饋

NR R15 只支持slot 級別的反饋，即一個slot 上最多有一個物理上行控制信道(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)包的時延需求，還需要在slot n 調(diào)度PDSCH 1，而由于處理時延的限制使得其無法在HARQ-ACK 0 進行反饋，按照R15的規(guī)則，PDSCH 1 的HARQ-ACK 將無法在slot n+1 上反饋，URLLC 業(yè)務(wù)的反饋時延需求將難以滿足。基于此，R16 支持子時隙級別的反饋，即在同一個slot 上可以有多個PUCCH 承載HARQ-ACK。

圖4 R15 HARQ-ACK傳輸限制

（5）增強的設(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別的處理時延，NR 系統(tǒng)通過提升設(shè)備處理速度、改進資源映射方式等方法，將設(shè)備的處理時延降低到符號級別。NR 支持的PDSCH 處理時延N1 與PUSCH 準備時延N2 如表2 和表3 所示，其中capability 1 為基礎(chǔ)終端能力，capability 2 為激進終端能力。

表2 PDSCH處理時延

表3 PUSCH準備時延

3.2 高可靠關(guān)鍵技術(shù)

可靠性定義為在一定的用戶面時延限制下和在一定信道質(zhì)量下，傳輸一定比特數(shù)的信息的成功概率[6]，NR通過使能以下技術(shù)來增強可靠性。

（1）數(shù)據(jù)信道

1）低碼率CQI/MCS 表格

在NR 設(shè)計之初，CQI/MCS 表格的設(shè)計主要滿足了eMBB 業(yè)務(wù)的需求，即實現(xiàn)10% BLER（Block Error Rate），因此為了滿足URLLC 業(yè)務(wù)99.999%甚至99.999 9%的可靠性需求，只能通過重復(fù)或者重傳來實現(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 的時延需求無法滿足。而基于10% BLER target 的CQI 報告，通過實現(xiàn)的方式調(diào)整調(diào)制編碼方式，使其滿足更低的BLER，結(jié)果并不準確，且給基站增加了額外的復(fù)雜度。因此，NR 通過在已有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)計了更高可靠性的CQI/MCS 表格，使得URLLC 業(yè)務(wù)可以同時滿足其時延和可靠性需求。

2）重復(fù)傳輸

重復(fù)傳輸通過為數(shù)據(jù)包分配更多的傳輸資源，降低碼率，以達到提高可靠性的目的。NR R15 對PUSCH/PDSCH 支持了slot 級別的重復(fù)傳輸，最大重復(fù)次數(shù)為8。與此同時，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 級別的重復(fù)傳輸在很多時候無法滿足URLLC 業(yè)務(wù)的時延需求，因此NR R16 對PUSCH 進一步支持了mini-slot 級別的重復(fù)傳輸，重復(fù)傳輸次數(shù)最大可配置為16，且可以由DCI 中的時域資源指示域動態(tài)指示。如圖5 所示，當配置的傳輸跨越slot 邊界或者跨越半靜態(tài)配置的下行符號時，需要對此次傳輸進行分段。

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 的研究進程中，出現(xiàn)了如高聚合等級、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為16 的PDCCH 傳輸，通過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，通過改變指示域的指示方式以及靈活配置每個指示域的大小，可以實現(xiàn)比DCI format 0_0/1_0 更小的有效載荷大小，也可以實現(xiàn)與DCI format 0_1/1_1可比的調(diào)度靈活性。此外，R16 對PDCCH 的檢測能力進行了增強，支持per span 定義PDCCH 檢測能力（包括不重疊的CCE 數(shù)以及最大檢測的候選PDCCH 數(shù)），可以在降低PDCCH 幀對齊時延的基礎(chǔ)上，提高PDCCH 可靠性。

3.3 URLLC 與eMBB 復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)

針對URLLC 的時延和可靠性需求，3GPP 和ITU 組織業(yè)內(nèi)各公司進行了分析與仿真評估，由評估結(jié)果[7]可以看出，NR 系統(tǒng)通過一定的配置與調(diào)度方案，可以滿足單用戶/單業(yè)務(wù)的時延與可靠性需求。然而，在實際系統(tǒng)中，傳輸資源往往是多用戶/多業(yè)務(wù)共享的，因此需要關(guān)注多用戶/多業(yè)務(wù)復(fù)用時的系統(tǒng)性能，主要包括不同業(yè)務(wù)類型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)（Inter-UE 復(fù)用）以及同一終端同時存在多種業(yè)務(wù)類型（Intra-UE 復(fù)用）兩種場景。

（1）Inter-UE 復(fù)用

1）下行搶占

當不同業(yè)務(wù)類型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)時，很容易出現(xiàn)以下場景：基站調(diào)度eMBB 用戶的下行數(shù)據(jù)占用整個時隙傳輸，此時有URLLC 數(shù)據(jù)到達，為了要保證URLLC業(yè)務(wù)的時延需求，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，指示eMBB 用戶其被搶占了哪些資源，以提升eMBB用戶的解調(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

與下行搶占類似，當不同業(yè)務(wù)類型終端共存于同一網(wǎng)絡(luò)時，也很容易出現(xiàn)如圖6 所示的URLLC 用戶搶占eMBB 用戶上行資源的場景。NR R16 對此場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 用戶搶占eMBB 用戶的上行資源，基站發(fā)送上行消除指示給eMBB 用戶，指示哪些資源被URLLC 用戶占用；eMBB 用戶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 用戶的上行傳輸是以降低eMBB 用戶吞吐量為代價的，而URLLC 數(shù)據(jù)能否正確解調(diào)取決于所受到干擾的大小。在某些場景下，只需要降低eMBB 用戶的功率，提升URLLC 用戶的功率即可滿足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進行Inter-UE 復(fù)用，通過靈活的開環(huán)功控參數(shù)選擇，在保證URLLC 業(yè)務(wù)可靠性的同時，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)用的場景，如智能電網(wǎng)終端將集成三種業(yè)務(wù)：差動保護、三遙業(yè)務(wù)（遙測、遙信、遙控）以及網(wǎng)絡(luò)授時業(yè)務(wù)。網(wǎng)聯(lián)無人機/智能車聯(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)類型對時延、可靠性、數(shù)據(jù)速率等性能指標的需求有很大差異。NR R15 無法在物理層區(qū)分業(yè)務(wù)，因此容易出現(xiàn)不同業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)/控制信息一同編碼與傳輸?shù)膯栴}。如URLLC HARQ-ACK與eMBB HARQ-ACK 將構(gòu)建在同一個HARQ-ACK 碼本中，使用相同的碼率傳輸。若碼率選擇為滿足eMBB業(yè)務(wù)的可靠性，則URLLC 業(yè)務(wù)的可靠性無法滿足；若碼率選擇為滿足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 支持對同一個終端同時構(gòu)建至少兩個HARQ-ACK 碼本，用于承載不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級的HARQ-ACK 信息，不同HARQ-ACK碼本的PUCCH 配置參數(shù)、UCI 復(fù)用參數(shù)等都可以針對不同的業(yè)務(wù)需求分別配置。不同HARQ-ACK 碼本可以通過DCI 或者RRC 配置來區(qū)分。

進一步地，為了解決不同業(yè)務(wù)類型的上下行信道沖突問題，R16 支持在物理層將數(shù)據(jù)包區(qū)分為兩種優(yōu)先級（高優(yōu)先級與低優(yōu)先級），不同業(yè)務(wù)類型的區(qū)分可以通過DCI 或者RRC 配置來實現(xiàn)。由于標準化時間限制，當高優(yōu)先級業(yè)務(wù)與低優(yōu)先級業(yè)務(wù)沖突時，R16 只支持丟棄低優(yōu)先級業(yè)務(wù)而傳輸高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)之間的復(fù)用預(yù)計延至R17 來完成。

4 結(jié)束語

本文對3GPP URLLC 標準化進程、URLLC 用例與需求以及使能URLLC 的物理層關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的介紹。3GPP 對URLLC 技術(shù)的研究已經(jīng)歷經(jīng)了2 個版本，在低時延技術(shù)、高可靠技術(shù)、URLLC 與eMBB 復(fù)用技術(shù)三個方面均取得了很大的進展，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)中相繼開展，URLLC 技術(shù)未來將在實踐中不斷完善與增強。與此同時，由于時間限制，R16 遺留了一些問題有待優(yōu)化，這些將在3GPP 下一個版本中繼續(xù)研究，旨在保證URLLC 業(yè)務(wù)需求的同時，不斷提升網(wǎng)絡(luò)性能。