黃韜，李鵬翔

（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

作為5G 三大場景之一，URLLC 具有超低時延、超高可靠等特性。一方面，URLLC 技術(shù)可以實現(xiàn)基站與終端之間用戶面上下行時延均低至0.5 ms；另一方面，該技術(shù)還可以滿足可靠性為10-5級別的數(shù)據(jù)傳輸需求[1]。因此，URLLC 可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、設(shè)備自動化、車聯(lián)網(wǎng)、遠程手術(shù)等場景。本文在分析URLLC 技術(shù)高可靠、低時延特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同種類的URLLC 業(yè)務(wù)對時延和可靠性要求不同這一實際，討論了不同TDD 系統(tǒng)配置下的上下行平均數(shù)據(jù)傳輸時延，并對URLLC 技術(shù)在TDD 系統(tǒng)中的適用度做出了展望。

1 URLLC 低時延關(guān)鍵技術(shù)

3GPP R15 版本對URLLC 空口時延提出的要求為單向0.5 ms，R16 版本對URLLC 空口時延提出的要求為雙向0.5 ms。為達到降低時延的目的，NR 在空口進行了多項針對性設(shè)計，主要包括時域結(jié)構(gòu)、調(diào)度方式、上行免調(diào)度授權(quán)傳輸、下行搶占設(shè)計、上行取消設(shè)計等方面。

NR 在時域上的結(jié)構(gòu)與LTE 相似，時域上包括幀、子幀和時隙三個概念。在LTE 中，子幀長1 ms，時隙固定長0.5 ms，由7 個符號組成。相比于LTE 采用固定長度的時隙，NR 中引入靈活的參數(shù)集設(shè)計，時隙長度與子載波間隔掛鉤，每個時隙由14 個符號組成。在sub 6 GHz頻段，NR 支持15 kHz、30 kHz 和60 kHz 的子載波間隔，對應(yīng)時隙的長度分別為1 ms、0.5 ms 和0.25 ms[2]。

在LTE 中，調(diào)度的基本單位為子幀，即TTI=1 ms。而在NR 中TTI 的基本單位為時隙，TTI 可為1 ms、0.5 ms和0.25 ms。此外，NR 中為了進一步增加調(diào)度機會和減少數(shù)據(jù)傳輸時延，同時引入了mini-slot 的概念，mini-slot長度為2、4、7 個符號?；跁r隙的調(diào)度在一個時隙內(nèi)僅有1 次調(diào)度機會，基于mini-slot 的調(diào)度可在一個時隙內(nèi)有多次調(diào)度機會，可以減少數(shù)據(jù)的發(fā)送等待時延。不同于LTE 中即使小數(shù)據(jù)包也需要最小1 ms 時間發(fā)送，基于時隙/mini-slot 的調(diào)度可以減少數(shù)據(jù)的傳輸時延，從而能讓基站或終端更快地將數(shù)據(jù)包交付高層。

除了支持常規(guī)的基于SR（Scheduling Request，調(diào)度請求）調(diào)度的方式，NR 在上行調(diào)度中還支持Type1 和Type2 兩種免授權(quán)調(diào)度傳輸方式[3]。免授權(quán)調(diào)度Type1通過RRC 信令配置周期、頻域資源、時域偏置、調(diào)制編碼等參數(shù)，終端在接收到RRC 信令后，根據(jù)其中的時域偏置進行授權(quán)配置的激活，適用于一些周期和資源等無需頻繁變化的特性穩(wěn)定的業(yè)務(wù)。免授權(quán)調(diào)度Type2 也通過RRC 信令進行周期的配置，但由PDCCH 激活指示的傳輸資源參數(shù)與授權(quán)配置。免授權(quán)調(diào)度Type2 相對于Type1 是一種更為靈活的授權(quán)配置方式，可進行更加靈活的激活與去激活操作，更適合于一些隨機發(fā)生的短時間段業(yè)務(wù)。

另外NR 支持eMBB 和URLLC 復(fù)用，主要包括半靜態(tài)復(fù)用和動態(tài)復(fù)用兩種方式。對于半靜態(tài)復(fù)用，即根據(jù)參數(shù)配置預(yù)留一定比例的頻域資源分別供eMBB 與URLLC 使用，這種方式能夠保證URLLC 空口資源，但同時也降低了空口資源的利用率。對于動態(tài)復(fù)用，實現(xiàn)方式為支持下行鏈路通過PI（Pre-emption Indicator，搶占指示）使URLLC 業(yè)務(wù)占用eMBB 業(yè)務(wù)的資源[4]。PI 承載在DCI 2-1 中[5]，PI 按照小區(qū)為單位組包，RRC 信令會配置每個小區(qū)的PI 在DCI 負載中的位置，每個PI 長度固定為14 bit。由于URLLC 業(yè)務(wù)通常業(yè)務(wù)量較小，這種資源搶占通過打孔的方式實現(xiàn)，可以保證eMBB 業(yè)務(wù)的正常傳輸。

在R16 版本中，NR 對eMBB 和URLLC 復(fù)用進行了增強[6]，對于上行終端間發(fā)生URLLC 與eMBB 業(yè)務(wù)復(fù)用的場景，支持兩種實現(xiàn)復(fù)用的方法。第一種方法是上行鏈路通過UL cancelation 取消eMBB 業(yè)務(wù)傳輸，所對應(yīng)的待取消的上行傳輸包含正在進行的上行傳輸與還未開始的上行傳輸，類似下行鏈路的包含PI 的DCI 2-1，也將考慮設(shè)計一種新的DCI 格式用于指示上行取消的時頻資源區(qū)域。第二種方法則是通過動態(tài)增大URLLC 終端的發(fā)射功率，同時保持eMBB 終端原有發(fā)射功率不變來實現(xiàn)上行UE 間的復(fù)用。

相比于LTE 固定4 ms 間隔的HARQ-ACK/NACK反饋，NR 支持靈活可配置的HARQ-ACK/NACK 反饋間隔，最短可在同時隙內(nèi)進行HARQ-ACK/NACK 反饋。當(dāng)初次傳輸失敗時，NR 可使得基站更快地接收到重傳指示，進而縮短重傳的時延。

NR 將在R16 版本中進一步支持TSN（Time Sensitive Network，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）[7]，通過在廣播消息SIB9 或?qū)Ｓ玫腞RC 消息中發(fā)送高精度的參考時間，保障主時鐘和終端時鐘的精確時間同步，實現(xiàn)時間敏感傳輸。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多種業(yè)務(wù)需求和匹配不同業(yè)務(wù)的發(fā)送時間規(guī)律等問題，支持在一個BWP 中配置多個SPS（Semi Persistent Scheduling，半靜態(tài)調(diào)度）和CG（Configured Grant，配置授權(quán)）配置來適配這種情況，并通過以太網(wǎng)頭壓縮機制提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低時延。

2 URLLC 高可靠關(guān)鍵技術(shù)

3GPP R15 版本對可靠性提出的要求為99.999%，R16 版本對可靠性提出的要求為99.999 9%。為達到高可靠的要求，NR 在空口和高層協(xié)議層進行了針對性設(shè)計與增強?？傮w來說，提高傳輸可靠性的方法主要包括降低編碼率和增加分集增益。

為提高傳輸?shù)目煽啃裕琋R 為URLLC 業(yè)務(wù)單獨設(shè)計了一套MCS 映射表格，通過降低編碼率并限制最高的調(diào)制方式為64QAM 的方式來增加傳輸?shù)某晒β室蕴嵘煽啃?。與此同時，保障數(shù)據(jù)一次傳輸即可成功發(fā)送，也降低了時延。

NR 還支持基于時隙的重復(fù)傳輸，最多可以在8 個slot 中重復(fù)傳輸相同的數(shù)據(jù)。而這樣相應(yīng)地增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，所以在R16 版本中，NR 將對重復(fù)傳輸進行增強，數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸可基于mini-slot 進行，在提升可靠性的前提下進一步縮短了傳輸時延。

在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層，NR 支持PDCP 層的兩條支路復(fù)制機制，數(shù)據(jù)包可在PDCP 層進行復(fù)制，分別在兩個獨立的邏輯信道傳輸，實現(xiàn)分集增益，提升可靠性。PDCP 的復(fù)制機制在R16 中得到了進一步增強，最多可支持四條支路的復(fù)制，可通過CA 復(fù)制、DC 復(fù)制和CA 復(fù)制+DC 復(fù)制的組合來實現(xiàn)。

為了獲得更多的分集增益，在R16 中NR 還將支持Multi-TRP 傳輸機制，可以從兩個或多個TRP 發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，并在接收端進行軟合并，提升解碼的成功率。多TRP 傳輸?shù)姆绞桨⊿DM、FDM、時隙內(nèi)TDM 和時隙間TDM 四種，同時支持這四種方式的組合及動態(tài)轉(zhuǎn)換[8]。

NR 在R16 版本中引入了24 bit 的compact DCI，通過降低DCI 的大小，可以使用較高的AL（Aggregation Level，聚合等級）來降低編碼率，提升傳輸?shù)目煽啃?。而減少的比特數(shù)則考慮從時頻資源調(diào)度、調(diào)制編碼方式、進程數(shù)、PUCCH 資源指示、HARQ 反饋時序指示和冗余版本等幾個方面著手。另外引入compact DCI 可以優(yōu)化小區(qū)中多用戶并行業(yè)務(wù)的情況，減少由于缺少PDCCH 資源導(dǎo)致PDCCH 被阻塞而無法進行調(diào)度的情況，在一定程度上起到了降低時延的作用。

3 TDD 網(wǎng)絡(luò)的URLLC 適應(yīng)性

當(dāng)然，在實際中并非所有URLLC 業(yè)務(wù)對時延和可靠性的要求都如此嚴格，不同種類的URLLC 業(yè)務(wù)對時延和可靠性的要求不同，表1 給出了幾個示例[9]：

表1 不同URLLC業(yè)務(wù)的時延和可靠性要求

雖然3GPP 制定了如前面章節(jié)所述的多種技術(shù)來支持URLLC 業(yè)務(wù)，但實際網(wǎng)絡(luò)對于URLLC 業(yè)務(wù)的支持性還有待研究。在現(xiàn)網(wǎng)中，中國電信和中國聯(lián)通在3.5 GHz 頻段采用了2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，具體配置如圖1 所示。

圖1 2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)

圖2 下行傳輸及ACK/NACK反饋示例

在這種幀結(jié)構(gòu)下，下行數(shù)據(jù)傳輸及相應(yīng)的ACK/NACK 反饋的可能存在情況如圖2 所示。在下行slot有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，可直接發(fā)送，下行數(shù)據(jù)在遇到上行slot時，則需等待下一個下行slot 才能進行發(fā)送。在K1=1 時，即下行數(shù)據(jù)發(fā)送到ACK 反饋的時延偏置為激進值，不考慮重傳的情況下，下行數(shù)據(jù)最小的時延為1 ms，最大的時延為3 ms，平均時延約為1.65 ms。而目前業(yè)界K1 典型值一般為2，此時，下行數(shù)據(jù)最小的時延為1.5 ms，最大的時延為3 ms，平均時延約為1.95 ms。

圖3 上行動態(tài)調(diào)度傳輸示例

上行傳輸在基于SR 調(diào)度時，其傳輸方式如圖3 所示，在遇到下行slot 時，終端需要等待到上行slot 才能發(fā)送SR，并在下一個或下兩個下行slot 接收上行調(diào)度，具體等待間隔和K5 值有關(guān)。即上行調(diào)度請求SR 到上行調(diào)度授權(quán)的時延偏置，這里K5 取業(yè)界典型值為2，最后等待上行slot 進行數(shù)據(jù)傳輸。在不考慮重傳的情況下，上行最小時延為2.5 ms，最大時延為5 ms，平均時延約為3.75 ms。若是采用預(yù)調(diào)度的方式進行上行傳輸，則省去了終端發(fā)送SR 到上行調(diào)度的這個過程，此時上行最小時延為0.5 ms，最大時延為2.5 ms，平均時延約為1.3 ms。

現(xiàn)階段TDD 網(wǎng)絡(luò)能達到的雙向時延最大為8 ms，最小為4.5 ms，平均為5.7 ms，即使考慮上行使用免調(diào)度傳輸，在每個上行時隙都預(yù)留資源用于免調(diào)度傳輸，TDD 網(wǎng)絡(luò)能達到的雙向時延最大5.5 ms，最小為2 ms，平均為3.25 ms，最小時延仍然不滿足URLLC 最嚴格的雙向1 ms 的要求。雖然此時的2.5 ms 雙周期的TDD 網(wǎng)絡(luò)平均時延為3.25 ms，可滿足部分AR/VR 應(yīng)用、部分電力系統(tǒng)應(yīng)用、智能傳輸系統(tǒng)等URLLC 業(yè)務(wù)的要求，但仍有50%用戶達不到良好的業(yè)務(wù)體驗。而且在每個上行時隙預(yù)留資源，即使只預(yù)留10 MHz～20 MHz 的帶寬資源，也將對eMBB 業(yè)務(wù)的上行速率造成10%～20%的損失，對于上行受限的網(wǎng)絡(luò)來說，這個開銷會對上行性能造成一定影響。

除了現(xiàn)網(wǎng)所使用的2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，為了降低網(wǎng)絡(luò)時延以支持URLLC 業(yè)務(wù)，還可使用1 ms 單周期的幀結(jié)構(gòu)，1 ms 的幀結(jié)構(gòu)由1 個下行時隙和1 個特殊時隙組成，其中特殊時隙由2 個GAP 符號和12 個上行符號組成。采用1 ms 單周期的幀結(jié)構(gòu)，可有效地降低時延，實現(xiàn)雙向時延小于2 ms。但如果采用這種幀結(jié)構(gòu)，GP開銷將占7.1%，并且上行資源占比過高不適用于下行業(yè)務(wù)為主的eMBB 網(wǎng)絡(luò)。如果想在同一張網(wǎng)絡(luò)里部署兩個不同的幀結(jié)構(gòu)，則需要預(yù)留出較大的保護帶進行隔離，以避免不同幀結(jié)構(gòu)帶來的上下行不對齊問題，這樣的開銷將對網(wǎng)絡(luò)性能造成較大的影響。

基于mini-slot 的調(diào)度，雖然可以減少數(shù)據(jù)的傳輸時延，但TDD 系統(tǒng)的時延主要來自于雙工特性與幀結(jié)構(gòu)上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時延，這些是無法通過mini-slot 技術(shù)來進行彌補的。而URLLC 下行搶占和上行取消技術(shù)也是如此，雖然可以通過打孔方式或取消其他業(yè)務(wù)傳輸使URLLC 終端快速發(fā)出數(shù)據(jù)，但TDD幀結(jié)構(gòu)的上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時延是無法避免的。

不難發(fā)現(xiàn)，TDD 系統(tǒng)在傳統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)配置下，對于時延影響較大的即為上行/下行數(shù)據(jù)到達后至上行/下行時隙進行發(fā)送之間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等待時延是無法通過URLLC 技術(shù)來彌補的。對于時延要求不嚴格的業(yè)務(wù)，例如智能傳輸系統(tǒng)、配電系統(tǒng)中的差動保護等業(yè)務(wù)，現(xiàn)網(wǎng)的TDD 系統(tǒng)是可以滿足要求的。而對于時延要求嚴格的URLLC 業(yè)務(wù)，例如工業(yè)自動化、AR/VR 等，TDD 系統(tǒng)的適用度還是稍顯不足。

4 結(jié)束語

URLLC 技術(shù)在高可靠、低時延等方面的特性使URLLC 技術(shù)成為傳統(tǒng)通信切入垂直行業(yè)的重要突破口。雖然3GPP 制定了多種針對性的技術(shù)和方法來支持URLLC 的特性，但仍然無法解決TDD 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時延，所以TDD系統(tǒng)對URLLC 的適應(yīng)性不足。因此，URLLC 業(yè)務(wù)建議部署在FDD 系統(tǒng)上，在FDD 系統(tǒng)中擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。而具體的部署方式，可通過一張獨立的FDD 網(wǎng)絡(luò)部署也可通過NR 與LTE 動態(tài)頻譜共享的方法來實現(xiàn)，這還有待進一步的探討和研究。