3GPP中URLLC标准研究进展

张轶，夏亮，徐晓东，胡臻平

（1.中国移动通信有限公司研究院，北京 100053；2.中国移动通信集团公司，北京 100029）

0 引言

为了应对未来移动流量与设备连接数量的爆炸式增长，第五代通信系统（5G）提出“信息随心至，万物触手及”的总体愿景[1]，5G 将通信服务从人与人之间通信渗透到物联网及各种垂直行业领域，与工业控制、智能医疗、自动驾驶等深度结合，培育了新的业务与市场，保持其竞争力日益增长。5G 致力于研究低时延高可靠技术场景，3GPP 于2018 年6 月与2020 年3 月分别完成第一个版本（R15）与第二个版本（R16）的标准化研究工作。本文将从3GPP URLLC 标准化进程、URLLC 用例与需求以及URLLC 物理层关键技术三个方面来介绍URLLC在3GPP 的研究进展。

1 3GPP URLLC 标准化进程

URLLC 在3GPP 标准化进程中包括低时延技术、高可靠技术以及URLLC 与eMBB 复用三个方面的研究。2017 年，NR R15 研究之初即成立工作项目，来研究子载波间隔、灵活帧结构以及短时隙调度等时延降低技术[2]。2017 年12 月，进一步更新URLLC 工作项目范围，着重对URLLC 的高可靠性进行研究[3]，但由于时间关系，只有低码率信道质量指示（Channel Quality Indicator,CQI）/ 调制解调方案（Modulation and Coding Scheme,MCS）表格在R15 完成，控制信道增强以及上行复用等技术都延至R16。R16 URLLC 研究项目自2018 年6 月开始至2019 年第一季度研究项目结束，工作项目开始，先后完成了URLLC 用例的性能评估工作、物理层各信道的增强以及URLLC 与eMBB 上行复用等技术的研究及标准化[4]，但仍然有很多优化工作预计留至R17 来研究。图1 为3GPP URLLC 标准化进程示意图。

图1 3GPP URLLC标准化进程

2 3GPP URLLC 用例与需求

根据R16 URLLC 研究项目范围，R15 &R16 确定的URLLC 用例包括工厂自动化、车联网、智能电网以及AR/VR，详细的用例以及需求总结如表1 所示[5]。

3 URLLC 物理层关键技术研究

3.1 低时延关键技术

用户面时延定义为一个数据包成功地从发送端的层2/层3 传输到接收端的层2/层3 所需要的时间，一般包括获取资源的时延、终端/基站处理时延、帧对齐时延、传输时延以及反馈时延[6]。NR 通过使能以下技术对用户面时延进行降低。

（1）灵活帧结构

NR 除了支持LTE 系统广泛应用的15 kHz 子载波间隔，还额外支持了更高的子载波间隔，如30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz，这将缩短符号/时隙长度进而缩短传输时延。此外，不同于LTE 静态的上下行配比，NR 支持灵活的帧结构配置与更短的上下行转换周期，这使得帧对齐时延与反馈时延大幅降低。

（2）短时隙调度

LTE 系统的调度单元为一个子帧，而NR 系统除了支持时隙（slot-based）调度之外，还额外支持短时隙（mini-slot）调度，例如2-symbol、4-symbol、7-symbol 调度长度，使得传输时延缩短。

（3）免调度传输

在LTE 系统，当用户有上行数据包到达时，需要先发送调度请求给基站，待基站发送上行调度授权（UL Grant）给用户，为其分配可用的上行资源后，才能发送数据包。NR 为了缩短获取资源的时延，支持如图2 所示的免调度传输，即基站预先为用户配置周期性的可用资源，用户有上行数据包到达时，直接在配置的资源上进行传输。

然而NR R15 在每个带宽部分（Bandwidth Part,BWP）上只能激活一个免调度配置(Configured Grant Config,CG Config)，这将导致一系列问题。

表1 3GPP URLLC用例与需求

图2 免调度传输流程

1）物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)只能从冗余版本(Redundant Version,RV)=0 的位置开始，导致帧对齐时延增大。

2）PUSCH 传输总是小于等于K次（K为免调度配置的重复传输次数），无法永远满足可靠性需求。

3）不同业务类型的时延可靠性需求不同，其需要配置的免调度传输参数也不同。

基于上述问题，R16 支持同一个BWP 激活多个免调度配置，有效降低了时延，提升可靠性。图3 为同一个BWP 激活多个免调度配置示意图。

图3 同一个BWP激活多个免调度配置

（4）子时隙反馈

NR R15 只支持slot 级别的反馈，即一个slot 上最多有一个物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH) 承载HARQ-ACK，这在一定程度上影响了URLLC 业务的反馈时延。如图4 所示，基站在slot n 调度PDSCH 0，其HARQ-ACK 在slot n+1 上 的HARQ-ACK 0 上反馈。若由于URLLC 下行数据包的时延需求，还需要在slot n 调度PDSCH 1，而由于处理时延的限制使得其无法在HARQ-ACK 0 进行反馈，按照R15的规则，PDSCH 1 的HARQ-ACK 将无法在slot n+1 上反馈，URLLC 业务的反馈时延需求将难以满足。基于此，R16 支持子时隙级别的反馈，即在同一个slot 上可以有多个PUCCH 承载HARQ-ACK。

图4 R15 HARQ-ACK传输限制

（5）增强的设备处理能力

在LTE 系统，设备的编解码、调制解调以及资源映射一般需要毫秒级别的处理时延，NR 系统通过提升设备处理速度、改进资源映射方式等方法，将设备的处理时延降低到符号级别。NR 支持的PDSCH 处理时延N1 与PUSCH 准备时延N2 如表2 和表3 所示，其中capability 1 为基础终端能力，capability 2 为激进终端能力。

表2 PDSCH处理时延

表3 PUSCH准备时延

3.2 高可靠关键技术

可靠性定义为在一定的用户面时延限制下和在一定信道质量下，传输一定比特数的信息的成功概率[6]，NR通过使能以下技术来增强可靠性。

（1）数据信道

1）低码率CQI/MCS 表格

在NR 设计之初，CQI/MCS 表格的设计主要满足了eMBB 业务的需求，即实现10% BLER（Block Error Rate），因此为了满足URLLC 业务99.999%甚至99.999 9%的可靠性需求，只能通过重复或者重传来实现。然而，在某些帧结构配置下，重复传输或者重传将使得URLLC 的时延需求无法满足。而基于10% BLER target 的CQI 报告，通过实现的方式调整调制编码方式，使其满足更低的BLER，结果并不准确，且给基站增加了额外的复杂度。因此，NR 通过在已有CQI/MCS 表格的基础上，去掉高码率的配置，添加低码率的配置，设计了更高可靠性的CQI/MCS 表格，使得URLLC 业务可以同时满足其时延和可靠性需求。

2）重复传输

重复传输通过为数据包分配更多的传输资源，降低码率，以达到提高可靠性的目的。NR R15 对PUSCH/PDSCH 支持了slot 级别的重复传输，最大重复次数为8。与此同时，每次传输可以使用不同的冗余版本，以提高软合并的性能。然而，slot 级别的重复传输在很多时候无法满足URLLC 业务的时延需求，因此NR R16 对PUSCH 进一步支持了mini-slot 级别的重复传输，重复传输次数最大可配置为16，且可以由DCI 中的时域资源指示域动态指示。如图5 所示，当配置的传输跨越slot 边界或者跨越半静态配置的下行符号时，需要对此次传输进行分段。

图5 mini-slot PUSCH重复传输

（2）控制信道

URLLC 的高可靠性需求不仅针对数据信道，控制信道的BLER 也将在很大程度上影响URLLC 数据包的正确传输，因此在NR URLLC 的研究进程中，出现了如高聚合等级、PDCCH 重复、紧凑DCI（compact DCI）等一系列候选技术。最终，NR 在R15 支持了最高聚合等级为16 的PDCCH 传输，通过为下行控制信息分配更多的资源，提高控制信道的可靠性。NR R16 支持compact DCI 的设计，通过改变指示域的指示方式以及灵活配置每个指示域的大小，可以实现比DCI format 0_0/1_0 更小的有效载荷大小，也可以实现与DCI format 0_1/1_1可比的调度灵活性。此外，R16 对PDCCH 的检测能力进行了增强，支持per span 定义PDCCH 检测能力（包括不重叠的CCE 数以及最大检测的候选PDCCH 数），可以在降低PDCCH 帧对齐时延的基础上，提高PDCCH 可靠性。

3.3 URLLC 与eMBB 复用关键技术

针对URLLC 的时延和可靠性需求，3GPP 和ITU 组织业内各公司进行了分析与仿真评估，由评估结果[7]可以看出，NR 系统通过一定的配置与调度方案，可以满足单用户/单业务的时延与可靠性需求。然而，在实际系统中，传输资源往往是多用户/多业务共享的，因此需要关注多用户/多业务复用时的系统性能，主要包括不同业务类型终端共存于同一网络（Inter-UE 复用）以及同一终端同时存在多种业务类型（Intra-UE 复用）两种场景。

（1）Inter-UE 复用

1）下行抢占

当不同业务类型终端共存于同一网络时，很容易出现以下场景：基站调度eMBB 用户的下行数据占用整个时隙传输，此时有URLLC 数据到达，为了要保证URLLC业务的时延需求，NR 支持URLLC 业务抢占正在传输的eMBB 业务的资源。基站发送中断传输指示给eMBB 用户，指示eMBB 用户其被抢占了哪些资源，以提升eMBB用户的解调性能。图6 为下行中断传输指示与上行消除指示。

2）上行消除和上行功控

与下行抢占类似，当不同业务类型终端共存于同一网络时，也很容易出现如图6 所示的URLLC 用户抢占eMBB 用户上行资源的场景。NR R16 对此场景支持两种解决方案：上行消除和上行功控。

图6 下行中断传输指示与上行消除指示

上行消除即支持URLLC 用户抢占eMBB 用户的上行资源，基站发送上行消除指示给eMBB 用户，指示哪些资源被URLLC 用户占用；eMBB 用户收到上行消除指示后，停止所指示资源的上行传输，以消除对URLLC 数据的干扰，提高URLLC 数据的可靠性。

然而，使用上行消除指示停止eMBB 用户的上行传输是以降低eMBB 用户吞吐量为代价的，而URLLC 数据能否正确解调取决于所受到干扰的大小。在某些场景下，只需要降低eMBB 用户的功率，提升URLLC 用户的功率即可满足URLLC 业务的可靠性需求。因此NR R16 还支持了上行功率控制的方式来进行Inter-UE 复用，通过灵活的开环功控参数选择，在保证URLLC 业务可靠性的同时，提高复用效率。

（2）Intra-UE 复用

在诸多垂直行业应用中，广泛存在同一终端多种业务复用的场景，如智能电网终端将集成三种业务：差动保护、三遥业务（遥测、遥信、遥控）以及网络授时业务。网联无人机/智能车联网终端将集成两种业务：控制信息以及音视频业务，不同业务类型对时延、可靠性、数据速率等性能指标的需求有很大差异。NR R15 无法在物理层区分业务，因此容易出现不同业务类型的数据/控制信息一同编码与传输的问题。如URLLC HARQ-ACK与eMBB HARQ-ACK 将构建在同一个HARQ-ACK 码本中，使用相同的码率传输。若码率选择为满足eMBB业务的可靠性，则URLLC 业务的可靠性无法满足；若码率选择为满足URLLC HARQ-ACK 的可靠性，则将降低eMBB 业务的频谱效率。因此，NR Release 16 支持对同一个终端同时构建至少两个HARQ-ACK 码本，用于承载不同业务优先级的HARQ-ACK 信息，不同HARQ-ACK码本的PUCCH 配置参数、UCI 复用参数等都可以针对不同的业务需求分别配置。不同HARQ-ACK 码本可以通过DCI 或者RRC 配置来区分。

进一步地，为了解决不同业务类型的上下行信道冲突问题，R16 支持在物理层将数据包区分为两种优先级（高优先级与低优先级），不同业务类型的区分可以通过DCI 或者RRC 配置来实现。由于标准化时间限制，当高优先级业务与低优先级业务冲突时，R16 只支持丢弃低优先级业务而传输高优先级业务，不同优先级业务之间的复用预计延至R17 来完成。

4 结束语

本文对3GPP URLLC 标准化进程、URLLC 用例与需求以及使能URLLC 的物理层关键技术进行了详细的介绍。3GPP 对URLLC 技术的研究已经历经了2 个版本，在低时延技术、高可靠技术、URLLC 与eMBB 复用技术三个方面均取得了很大的进展，为URLLC 在垂直行业的应用提供了有力的支撑。随着5G 规模试验在智能港口、工业互联网、智慧医疗等多种业务中相继开展，URLLC 技术未来将在实践中不断完善与增强。与此同时，由于时间限制，R16 遗留了一些问题有待优化，这些将在3GPP 下一个版本中继续研究，旨在保证URLLC 业务需求的同时，不断提升网络性能。