5G系统中uRLLC抢占传输分析研究

［石靖］

1 引言

目前5G NR系统[1]和4G LTE[2]系统均支持uRLLC业务[3～4]，相较于4G系统，5G系统中支持不同的子载波间隔，即除了4G系统支持的15 kHz，还支持30 kHz、60 kHz和120 kHz的子载波间隔，使用较大的子载波间隔在降低网络时延具有明显优势。并且由于5G系统可以同时支持eMBB业务和uRLLC业务，基站侧在时频资源充足时，在一个时隙内可以同时分配用于eMBB业务和uRLLC业务的频域资源。但是如果面临实时到达的uRLLC业务，此时基站侧已经将时频资源分配给了eMBB业务，5G系统支持使用抢占传输方式保证uRLLC业务及时传输，这是4G系统所不具备的功能。通过介绍5G系统中新引入的抢占传输，分析其工作原理，以及在实际网络部署中基站侧和终端侧如何使用该技术。

2 uRLLC关键技术

当前uRLLC的主要应用场景包括工厂自动化、智能电网、车联网、远程医疗和虚拟现实等。不同于常规的公网业务传输，上述应用场景对于业务传输的可靠性和时延具有更高需求[3]。5G系统中支持uRLLC业务的关键技术相较于4G系统的新技术包括：

基于更短时长的传输：目前5G系统中支持符号粒度的业务信道调度，与4G系统中基于微时隙粒度的传输类似。但是5G系统中支持不同的子载波间隔，即除了4G系统支持的15 kHz，还支持30 kHz、60 kHz和120 kHz的子载波间隔，使得符号的时域长度在使用更大的子载波间隔时具有更短的时长。因此uRLLC业务的传输时长相较于4G系统明显降低。

免调度传输：5G系统中支持两种免授权调度，一种类似于4G系统中的上行半静态调度（UpLink Semi-Persistent Scheduling，UL SPS），即需要下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）激活免调度传输，之后以周期方式传输上行数据节省调度请求过程的时延。另一种是无需DCI激活的免调度传输，基站配置周期性的传输资源，当终端有上行业务需要发送时，直接使用这些预先配置好的资源进行传输，省去了调度请求过程和DCI激活过程的时延，相较于4G系统中的UL SPS进一步节省了激活过程的时延。

抢占传输：为了保证uRLLC业务的性能，基站可以通过抢占eMBB业务已经分配到的资源强行分配资源给uRLLC业务。基站通过发送抢占指示信息，将抢占的资源通知给eMBB用户，eMBB用户解读抢占指示信息可以避免合并错误数据，如果解码错误可以结合重传保证eMBB性能。

3 抢占传输深入分析

传输时长（transmission duration）不等的物理下行业务信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH），主要应用场景为下行eMBB业务和下行uRLLC业务之间动态复用有两种机制。一种是通过调度实现二者之间没有资源重叠，例如两者以FDM或TDM方式复用；另一种是通过抢占传输实现uRLLC业务抢占eMBB业务已经分配的资源进行传输。对于第一种方式，完全通过基站调度实现即可。对于第二种方式，主要应用场景为uRLLC业务没有足够的资源并且同时eMBB业务已经占用了大量资源，此时考虑到uRLLC业务的时延和可靠性需求，允许其抢占已经分配了资源的eMBB业务的资源，并且发送相应的抢占指示信息通知被抢占的eMBB业务的资源位置。

例如图1所示，参考下行资源时域上为1个时隙（slot），频域上为1个部分带宽（BandWidth Part，BWP），通过在slot #n+1的前两个正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符号中的物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）承载抢占指示信息（Preemption Indication，PI），通知eMBB UE在slot #n中哪些资源被抢占。

图1 抢占传输示意

3.1 抢占传输配置

在5G系统中，抢占传输作为一种可选功能，UE是否需要监控抢占指示信息由基站通过RRC信令配置确定。当配置需要监控抢占指示信息时，基站通过抢占指示信息通知UE哪些物理下行资源被抢占。对于抢占指示信息指示的资源，UE认为在这些资源上没有数据传输。因此，如果UE没有被配置监控抢占指示信息，则不会知晓其eMBB传输是否被抢占资源，此时基站可以通过动态调度实现eMBB与uRLLC以无资源冲突的方式复用。另外，无论基站配置该UE是基于传输块（Transmission Block，TB）方式还是基于码块组（Code block group，CBG）方式传输，均可配置抢占传输。

3.2 参考下行资源RDR

在一个确定的时频资源区域，标准中称为参考下行资源（Reference Downlink Resource，RDR），通过携带抢占指示信息的组公共DCI（Group Common DCI，GC DCI）在RDR中指示被抢占资源。

RDR的时域区域：等于携带抢占指示信息的GC DCI的监控周期，该周期由RRC信令配置，支持时隙粒度的监控周期，不支持微时隙粒度的监控周期，支持的具体周期取值为{1，2，或4}个slots。对于时分复用（Time Division Duplexing，TDD）系统，对于半静态配置的上行符号（UL symbols）不包含在参考下行资源内。对于配置的周期，RDR起始于前一个控制资源集（Control Resource Set，CORESET）的第一个符号，终止于当前承载PI的CORESET之前，即当前COREST的前一个符号。

RDR的频域区域：等于激活的DL BWP，包含B个PRB。

3.3 抢占传输指示

抢占传输指示信息PI通过PDCCH承载，使用GC DCI。抢占指示信息不会包含在调度数据传输/重传的DCI中，即作为独立的DCI使用。承载抢占指示信息的DCI格式为format 2_1，指示基站配置的多个服务小区的PI信息。使用基站配置的中断传输无线网络临时标识（Interrupted transmission Radio Network Temporary Identifier，INT-RNTI）加扰CRC。具有固定比特大小的PI信息（不包含CRC和padding bits），在参考下行资源中以bitmap方式指示被抢占的资源。在一个激活DL BWP中，使用14比特的bitmap指示一个或多个频域部分（N＞=1）和/或一个或多个时域部分（M＞=1）；其中可选的{M，N}组合有两种，分别为{14，1}或{7，2}，通过1bit RRC信令配置其中之一。抢占指示信息使用14bit，分别指示{M，N}={14，1}或{7，2}共计14个资源子块，其中资源子块按照先频域后时域的顺序编号，使用14比特与资源子块一一对应进行指示。配置UE监控PI指示是基于每个BWP指示的。发生抢占传输与发送抢占指示信息的定时关系为，在当前RDR发生抢占传输，由紧邻的后一个RDR中的CORESET内承载的PI进行指示。

对于载波聚合场景，在同一个物理上行控制信道组（Physical Uplink Control Channel group，PUCCH group），UE可以被配置在一个服务小区指示多个服务小区的PI信息，每个服务小区对应一个PI指示，由RRC配置每个PI指示对应的小区。

特别的，对于TDD系统，如何实现{M，N}={14，1}或{7，2}。RRC信令配置监控PI的周期为T个slot，T=1，2，或4，包含14T个OFDM符号，去除高层配置帧结构中的上行符号数，剩余符号数为N1。对于{14，1}，使用14比特指示14个符号组，前个符号组包含个符号，后个符号组包含个符号。对于{7，2}，使用7对比特指示7个符号组，前个符号组包含个符号，后个符号组包含个符号，其中每对比特的前1个比特指示该符号组中前个PRB，后1个比特指示该符号组中后个PRB。例如1个slot中有4个UL symbols，当配置监控PI周期为1个slot时，则配置为{14，1}时使用14比特的前10比特以1OS的粒度一一对应指示10个非UL符号，后4比特保留；配置为{7，2}时使用7对比特（共计14比特）指示7个符号组，前3个符号组每组包含2个符号，后4个符号组每组包含1个符号，且每对比特分别指示该符号组前一半BWP和后一半BWP。

通过示例更加清楚的描述抢占传输指示。抢占传输指示信息使用14比特，其中每个比特指示“1”表示被抢占，指示“0”表示没有被抢占。如图2所示，根据URLLC业务占用情况，对于{M，N}={14，1}，每个资源子块大小为{1OS，1BWP}，PI指示为“00001100000000”，对于和{M，N}={7，2}，每个资源子块大小为{2OS，1/2 BWP}，PI也指示为“00001100000000”。再例如图3所示URLLC业务占用情况，对于{M，N}={14，1}且PI指示为“00001111000000”，对于和{M，N}={7，2}且PI指示为“00000101000000”。

图2 抢占传输示意

图3 抢占传输示意

3.4 UE行为

标准中几乎没有限制UE接收PI后的行为，少量的规定仅有：对于基于slot粒度的监控周期，UE没有被调度PDSCH传输时无需监控抢占指示信息；UE无需在非连续接收的slots中监控抢占指示信息；UE无需在非激活DL BWP中监控抢占指示信息。UE无需考虑将一个BWP中检测到的PI指示应用到同一载波的另一个BWP中调度的PDSCH。PDSCH传输的HARQ时序不受抢占指示影响。

3.5 应用抢占指示

由于标准中没有规定UE接收到抢占指示信息后如何使用PI，因此进一步分析可行的应用抢占指示的方式。

UE接收到PI是否重新解码或重新生成HARQ-ACK信息，可以取决于UE能力或根据规定的时间门限值确定。当UE不具备该能力或时间不足时，则不使用PI进行重解码或重新生成HARQ-ACK。当能够重接码或重新生成HARQ-ACK时，可以提高系统传输效率，避免不必要的重传。

UE在进行HARQ合并时，可以使用PI信息将前一次传输的PDSCH中被抢占部分的数据丢弃再与本次重传的数据进行HARQ合并，提升解码性能。

当PI与码块组刷新指示（Code Block Group Flushing out Information，CBGFI）都收到时，一种方式为PI优先级更高，即无需清楚整个buffer，优先按照PI指示丢弃被抢占的数据进行译码或HARQ合并，仍然错误时再按照CBGFI指示清空buffer。另一种方式为按照CBGFI指示，忽略PI指示，这样更快的清空buffer用于新数据传输。

4 结束语

本文通过分析研究5G系统中新引入的抢占传输机制，分析其工作原理，在基站侧如何使用抢占指示信息通知给eMBB UE被抢占的资源，以保证URLLC业务的性能。对应终端侧如何理解抢占信息以及如何应用抢占指示信息也给出了相关建议，为今后实际网络部署中基站侧和终端侧更加高效的使用抢占传输技术提供参考。