URLLC关键技术研究与空口时延分析

梁健生，陈晓冬

（中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，广东 广州 510630）

0 引言

ITU 为5G 定义了eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、URLLC（低时延高可靠）三大应用场景。eMBB 典型应用包括超高清视频、虚拟现实、增强现实等。URLLC 典型应用包括工业控制、无人机控制、智能驾驶控制等。mMTC 典型应用包括智慧城市、智能家居等。

URLLC 作为5G 系统的三大应用场景之一，广泛存在于多种行业中。随着时代的进步、通信技术的发展和生活水平的提高，人们对移动通信的依赖和要求越来越高，5G 低时延高可靠的通信技术能够使生活变得更高效、更便捷、更安全、更智能。

1 URLLC 性能指标要求

URLLC 的特点是高可靠、低时延、极高的可用性，其主要应用于工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等方面。不同的业务对时延有不同的要求，对时延要求高的业务包括工业自动化和AR/VR[1]，要求空口环回时延低至1 ms，3GPP TR 38.913 对URLLC 的时延和可靠性方面的指标做出了要求[2]：

（1）URLLC 时延要求：UL/DL 的用户面时延要求低至0.5 ms，空口环回时延低于1 ms；

（2）URLLC 可靠性要求：对于大小在32 Byte 的URLLC 业务，需要在1 ms 的用户面时延下达到10-5的BLER 可靠度。

2 URLLC 关键技术

2.1 低时延技术

（1）mini-slot

一般eMBB 业务为了充分利用RE 资源，业务信道使用Type A 的资源映射方式尽量占满整个时隙的RE 资源，mini-slot 业务信道使用Type B 的资源映射方式。Type B 的PDSCH/PUSCH 起始符号位置可以更加灵活配置，分配符号数量可以更少，时延短，在与低时延（Low Latency）和超可靠（Ultra Reliability）场景结合的情况下，实现URLLC 应用。Type A 和Type B 资源映射方式如表1 所示。

表1 PUSCH和PDSCH资源分配映射方式

（2）上行免授权

UE 上行调度方式可分为动态调度方式和基于资源预留的免授权调度方式。对于动态调度方式，UE 在每次发送上行数据前都需要先通过SR 向基站申请上行资源，再由基站通过PDCCH 给该UE 配置相应的上行RB资源后，UE 才能在相应的上行信道上发送数据。此过程中，信令多次交互，耗时较长，无法满足URLLC 短时延的要求，为缩短空口传输的环回时延，可在上行配置免授权的调度方式。

图1 为连接态下ping 业务空口环回过程，使用动态调度时，ping 数据在空口环回时延包括UE 在上行调度申请、基站通过PDCCH 向UE 分配PRB 资源、UE 在上行发送数据并最终正确接收基站反馈的下行数据的所有过程的时间总和，其中10%的传输错误数据需要重传，这进一步增加了空口数据传输环回时间。使用免授权的预调度时，gNB 通过激活一次上行资源授权给UE，在UE 没收到去激活的情况下，将会一直使用第一次上行授权所指定资源进行上行传输，由于URLLC 使用10-5误码率的高可靠性编码技术，可忽略重传的时延影响，空口环回时延需计算步骤6 到步骤11 中除重传外其余步骤的时延。

图1 SA网络连接态下ping业务空口环回过程

上行资源免授权有两种配置类型[3]：配置授权Type 1由RRC 通过高层信令(IE ConfiguredGrantConfig)进行配置；配置授权Type 2 由DCI 进行指示上行免授权的激活和去激活，其需要的参数由IE ConfiguredGrantConfig进行配置，但是需要由DCI 激活时才使用。

（3）下行资源抢占

一个终端突发的URLLC 业务可以抢占其他终端已经在传输的eMBB 业务的资源进行传输（如图2 所示）[4]，这种传输方式会对eMBB 的传输性能造成一定影响。为了降低这种影响，引入了下行抢占（Premption Indication,PI）指示机制[5]，即通过组播发送PI 指示信息，通知终端在一个RDR（Reference DL Region）内被抢占的资源，从而减少eMBB 资源被抢占造成的影响。

图2 URLLC下行资源抢占

2.2 高可靠技术

（1）不同可靠性目标的CQI 与MCS 映射表

5G 协议支持以两种不同BLER 为目标的CQI 与MCS 映射表格，分别对应90%的可靠性要求与99.999%（低码率）的可靠性要求。针对eMBB 业务，可选择90%可靠性要求的CQI 与MCS 映射表格；针对URLLC 业务，可选择99.999%可靠性要求的CQI 与MCS 映射表格。

（2）上行免授权下的重复发送

URLLC 在使用上行免授权调度方式下支持重复发送，以保证传输可靠性。通过RRC 配置重复的次数（1,2,4,8）与RV 序列，在一个上行免授权周期内完成上行重复。在R15 协议中，仅能基于slot 进行上行重复，暂无法应用于低时延业务，R16 正制定基于mini-slot 的上行重复。

（3）One-Shot 与Two-Shot 的传输机制（如图3）

1）One-Shot：保证1 次传送即达到99.999%的高可靠性要求（直接配置99.999%可靠性要求的CQI 与MCS 映射表格），牺牲频谱效率与空口资源，以保证可靠性与时延。

2）Two-Shot：保证2 次传输中有1 次或2 次的可靠性达到99.999%的要求，第1 次传输以90%可靠性为目标，若存在误块需进行第2 次传输，则以99.999%可靠性为目标。

图3 One-Shot与Two-Shot的传输机制

3 URLLC 与eMBB 空口时延分析

3.1 eMBB 空口时延分析

（1）FDD NR 上行数据传输时序关系（如图4）

动态调度下终端在上行需要发送数据时，以终端在slot n 开始发送SR 为例，考虑基站处理时延，基站接收SR 在slot n+y 下发PDCCH（最小取值y=2）；终端在slot n+y+K2 发送PUSCH（最小取值K2=2）；再算上基站处理时延，基站在slot n+y+K2+z 发送重传PDCCH，这部分处理时延主要包括接收PUSCH 与发PDCCH（最小取值z=2 slot）；UE 则在slot n+y+K2+z+K2' 重传PUSCH（K2'取值与K2 相同）。

图4 FDD NR上行数据传输时序关系

如果使用SPS 预调度的方式，终端不需要平均等待半个SR 周期的时间，也不需要通过SR 向基站申请上行资源，只需要平均等待半个SPS 周期，即可在预先保留的上行资源发送数据，可节省上行数据传输时延。

（2）FDD NR 下行数据传输时延时序关系（如图5）

基站在下行需要发送数据时，以基站在slot n 发送数据为例，首先基站下行在slot n 通过PDCCH 调度PDSCH，在slot n+K0 上发送PDSCH；假设不进行跨时隙调度，最小取K0=0；终端在slot n+K0+K1 上发送AN反馈，考虑UE 处理能力，最小支持K1=2；考虑基站的处理时延并在处理完成后的下个slot 可进行发送，基站则可在slot n+K0+K1+x 发送重传，处理时延包括解调AN与准备重传数包，简化考虑取x=2。

图5 FDD NR下行数据传输时序关系

eMBB 业务考虑UE Capability #1，根据协议简化取处理时延N2=12 symbol，此时以slot 为单位，即处理时延为1 个slot，则可在处理完成后的下个slot 进行发送，因此取x=2。基站处理时延根据协议讨论，可参考终端处理时延，后续基站处理时延均如此来进行考虑。

（3）TDD NR 数据传输时序关系（如图6）

TDD NR 的数据收发时序顺序与FDD NR 是一致的，数据在上下行发送同样要满足FDD 的K0、K1、K2 以及x、y、z 的时延要求，同时在满足这个时延要求的情况下，必须等待在相应的上下行时隙才能进行数据的发送。

图6 TDD NR数据收发时序关系

将5 ms 的10 个slot 分为如图7 的三个区间，图7为ping 数据在5 ms 不同的区间到达时，TDD NR 数据发送的环回时序。

区间可发送数据，表示上行数据已准备好并且随时可以发送。区间1 可发送数据，前面4 个时隙为下行时隙或特殊时隙，数据在这几个时隙是无法发送SR 请求的，必须等待到上行时隙的到来才可以发送SR 请求。区间2 可发送数据也是跟区间1 一样需要等待上行时隙到达才可以发送SR，对于区间3 可发送数据，由于本时隙已是上行时隙，因此可以立刻发送SR 请求。

图7 TDD NR 数据收发过程

表2 空口传输时延

（4）eMBB 环回时延

数据到达的时刻对时延也会有一定影响，对于一般数据业务，不能抢占已调度的资源，数据到达的时隙如果可以马上调度传输，则所需等待的时间最小，反之数据到达的时隙无法调度，则需要等待相应的调度时刻才能进行传输。下面以ping 数据在各个到达时刻为例，分析不同时隙到达ping 数据的空口环回时延。

对于TDD NR，数据必须在对应的上下行时刻才能发送；对于FDD NR，任何时刻到达的数据上下行都可以同时发送数据，不会像TDD NR需要等待那么长的时间。表2 是在不考虑SR 周期等待的情况下，数据在不同时隙到达时的发送时延。

表2 计算的是不考虑SR 周期的时延，在实际网络中，动态调度还需要配置SR 周期，并且终端在收到下行数据之后，还需要1 个slot 的时间来处理数据。在不同SR 周期，不同子载波带宽下，TDD NR 和FDD NR 的空口理论平均时延如表3 所示：

表3 不同SR周期下的环回时延

考虑SR 周期=10 ms，终端接收数据处理时间为1 个slot，TDD SCS=30 kHz，动态调度最大环回时延为16.5 ms，平均环回时延为10.3 ms，使用预调度，最大环回时延为5 ms，平均环回时延3.3 ms（按SPS=1 ms 计算）。对于FDD SCS=15 kHz，动态调度最大环回时延18 ms，平均环回时延13 ms，使用预调度最大环回时延5 ms，平均时延4.5 ms（按SPS=1 ms 计算）。在不采用URLLC技术下，即使采用最短周期的预调度技术，也无法满足空口环回时延小于1 ms 的要求。

3.2 URLLC 空口时延分析

对于URLLC 而言，由于低时延与高可靠的要求，尽量避免重传发送，因此尽可能使用10-5误码的MCS/CQI映射表格使得单次传输达到可靠性要求，不进行重传。

URLLC 如果部署在TDD NR 网络中，必须在相应的时隙才能进行数据的收发，以中国已分配的n41 和n78 NR 频段为例，在当前的上下行时隙配比下，部分数据的时延会比较大，即使部署了URLLC 也难以满足1 ms 的空口环回时延要求，因此URLLC 应部署在FDD 网络才能获得更短的时延。

（1）上行数据发送时延

URLLC 上行基于免授权方式进行调度，无需进行SR 上报，上行在slot n 中的免授权位置使用mini-slot发送PUSCH。基站处理时间为解调PUSCH 时间，处理时间参考Capability #2，即为N1/2，15 kHz 下为1.5 symbol，30 kHz 下为2.25 symbol。UE 处理接收PDSCH时间（暂不算入AN 反馈准备时间），使用Capability #2进行考虑，即为N1/2，15 kHz 下为1.5 symbol，30 kHz 下为2.25 symbol。

URLLC 编码冗余性高，使得一次传输可靠性高（99.999%可靠性），避免二次重传，只计算单次传输时延。引入mini-slot，最快可以在2 symbol 完成数据的发送。

（2）下行数据发送时延

URLLC 下行数据发送基于资源抢占的调度方式，下行在slot n 中的某个符号通过PDCCH 调度PDSCH，并在PDCCH 后一个符号开始的mini-slot 上进行PDSCH数据发送。UE 处理接收PDSCH 时间（暂不算入AN 反馈准备时间），使用Capability #2 进行考虑，即为N1/2，15 kHz 下为1.5 symbol，30 kHz 下为2.25 symbol。

（3）URLLC 环回时延

图8 为基于FDD NR 的mini-slot 数据收发时序，SCS=15 kHz，终端使用两个符号在预留资源发上行数据，基站收到数据后处理数据时间为2 symbol，并使用一个符号的PDCCH 调度资源，然后用两个符号传输下行数据，终端收到数据后使用2 symbol 的时间完成数据接收的处理。

mini-slot 发送数据不考虑SR 周期，上行采用资源预留方式，下行采用资源抢占方式，对于FDD SCS=15 kHz，最大环回时延0.71 ms，平均环回时延0.68 ms。

图8 FDD NR mini-slot数据收发时序

4 结束语

URLLC 作为5G 系统的三大应用场景之一，具有低时延、高可靠的特性，可以广泛存在于多个行业中，为生活的方方面面带来了许多便利。目前中国最新分配给运营商的5G 频段包括n41 和n78 都是TDD 频段，TDD 的特性使得在这些频段上部署URLLC 难以满足1 ms 的空口环回时延要求。因此，开展LTE FDD 频段NR 重耕，在LTE FDD 频段通过频谱共享技术引入NR 并部署URLLC，将是运营商部署URLLC 的一个重要手段。