5G系统中URLLC业务资源分配方法研究

石靖

【摘要】    在第五代移动通信新空口（5G NR）系统中，频域资源分配（Frequency Domain Resource Allocation，FDRA）方法沿用了第四代移动通信长期演进（4G LTE）系统中的FDRA方法，主要包含离散资源分配和连续资源分配两种方法。本文基于5G NR系统中低时延高可靠（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）业务需求，针对现有频域资源分配方法的不足，提出适用于URLLC业务连续资源分配的优化方法。通过灵活配置起点粒度和长度粒度，可以灵活实现提升资源利用率或降低控制开销，保证基站的调度灵活性。并且在增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）业务和URLLC业务复用时，通过调整资源分配的起点，更多的剩余资源可以分配给URLLC业务，降低使用抢占传输的概率，进而提升整体系统效率，避免总是以牺牲eMBB业务为代价保证URLLC业务传输。

【关键词】    资源分配    URLLC    抢占传输    分配粒度    指示开销

引言

目前5G NR系统[1]中的资源分配重用了4G LTE系统的资源分配方法[2-3]。其中针对连续资源分配，使用1个资源块（Resource Block，RB）的分配粒度。针对低时延高可靠业务URLLC[4-5]，由于在时域上业务信道占用的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符号较少，例如2个OFDM符号，进而在频域上URLLC业务通常会占用较多的资源，因此在频域上使用粗粒度的频域资源分配成为业界共识。使用粗粒度的频域资源分配的好处是能够降低用于频域资源分配的开销进而降低下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）的大小（DCI size），而降低DCI size能够提升用于调度业务信道的物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）传输的可靠性，进而提升URLLC业务可靠性，因此在4G LTE系统和5G NR系统中均采用了粗粒度的频域资源分配用于URLLC业务传输。由于5G系统需要同时支持eMBB业务和URLLC业务，在一个时隙内，起点粒度和长度粒度均使用相同粒度的频域资源分配不利于eMBB和URLLC业务复用，使用抢占传输方式保证URLLC业务及时传输则会牺牲eMBB业务的传输效率。因此本文提出一种优化的连续资源分配方法，可以灵活实现提升资源利用率或降低控制开销，降低使用抢占传输的概率，避免总是以牺牲eMBB业务为代价保证URLLC业务传输。

一、现有技术分析

URLLC连续频域资源分配方法：

目前基于粗粒度的频域资源，采用的是起点粒度和长度粒度使用相同的粗粒度，记为K个RB。由于5G系统需要同时支持eMBB业务和URLLC业务，在同一个时隙内，起点粒度和长度粒度均使用K个RB的频域资源分配不利于eMBB和URLLC业务复用。由于URLLC业务是实时到达的业务，即通常URLLC业务资源分配会在eMBB业务资源分配之后进行。如图1所示，K = 8，此时由于起点粒度和长度粒度均为粗粒度，eMBB业务分配后剩余资源中的部分资源不能分配给URLLC业务进而导致浪费，对应图中无法分配的资源。

URLLC抢占传输：为了保证低时延高可靠业务的性能，基站可以强行为URLLC业务分配资源，允许抢占eMBB业务已经分配到的资源。并且基站通过额外的指示信息通知eMBB用户被抢占的资源，避免eMBB用户合并错误数据信息，通过进一步的重传保证性能。这种方法的优点是保证URLLC业务实现低时延高可靠传输，但是同时牺牲了eMBB业务传输效率。

二、资源分配优化方法

为了实现URLLC低时延需求，一种方法是使用抢占传输，但是这种方法会影响eMBB业务传输效率。另一种方法为优化资源分配，独立配置起点粒度和长度粒度。例如，如图2所示，仅对长度粒度使用粗粒度K=8，而起点粒度仍然保持1个RB的粒度。对于所述优化方法，通过调整资源分配的起点，更多的剩余RB资源可以分配给URLLC业务。

2.1资源分配指示

URLLC连续资源分配优化方法为起点粒度和长度粒度使用不同的粒度，其中长度粒度记为K个RB，起点粒度记为αK个RB，其中α={1/8，1/4，1/2，1}，使得优化方法具有更灵活的起点粒度指示。通过分段函数给出起点和长度的联合编码并通过资源指示值（Resource Indication Value，RIV）进行指示，其中RBstart=0，αK，2αK，...，（NRB-1）αK表示起始资源块，LRBs=K，2K，...，NRBK表示分配的资源长度，NRB=[NRB/K]且NRB表示带宽中包含的RB数目。其中LRBs=LRBs/K，RBstart=RBstart/αK，且LRBs不能超过NRB-RBstart。

2.2资源分配方法开销比较

对于eMBB连续资源分配开销与带宽成正比，其中起点粒度和长度粒度均为1个RB，具体开销为[log2（NRB（NRB+1）/2）]比特。对于URLLC连续资源分配，K取值优选使用离散资源分配中使用的资源块组（RB Group，RBG）的整数倍，使用不同粗粒度的URLLC连续资源分配方法开销节省如表1所示。可以看出，开销节省与系统带宽相关，当起点粒度与长度粒度均使用1个RBG时，开销节省2-8比特。当使用URLLC连续资源分配优化方法，例如起点粒度使用1个RB且长度粒度使用1个RBG时，开销节省1-4比特。注意这里会有额外的[log2N]比特用于基于RB粒度的起点指示，因此开销降低不如起点粒度与长度粒度使用相同粒度降低明显。但是起点粒度与长度粒度使用不同粒度更加靈活，可以综合考虑资源分配开销降低与分配粒度精细化程度，例如起点粒度使用半个RBG且长度粒度使用1个RBG时，开销节省1-7比特。因此URLLC资源分配优化方法可以兼顾可靠性与系统效率。

2.3资源分配方法性能比较

URLLC连续资源分配方法和优化方法的效果与eMBB业务的具体资源占用情况有关。为了更好的分析该问题，对两种方法进行数值分析和仿真验证。

2.3.1数值分析

URLLC连续资源分配方法（方法1）和优化方法（方法2）使用的粗粒度为1个RBG，在带宽为5MHz时共计25个RB，此时1个RBG为4个RB。对于方法1，URLLC频域资源使用方法为：限定调度器中分配频域位置的起始RB是固定的，例如RB#1，RB#5，RB#9，...，此时未被eMBB占满的RBG会有RB浪费，类似图1所示。对于方法2，URLLC频域资源使用方法为：在可用RB上按照顺序的连续RB进行占用，类似图2所示，URLLC用户1分配的频域位置为从仅挨着eMBB已分配的资源之后第一个RB开始占用，URLLC用户2分配的频域位置是紧邻着用户1分配频域位置的结束位置。因此，对于相同业务包大小的URLLC业务，在eMBB资源占用由少到多的情况下，对比方法1和方法2能够分配的URLLC用户数量。其中，将eMBB占用资源作为输入参数，将可以支持的URLLC用户数作为输出变量。考虑到URLLC业务通常为小包业务，仅需要一两个RB，即1个UE占用1个RBG。

场景一：小区有2个eMBB UE分别从带宽两侧占用资源，根据eMBB占用资源的多少，对比方法1和方法2。例如当eMBB UE1占用RB#0，eMBB UE2占用RB #24，此时方法1最多可以分配4个URLLC UE，方法2最多可以分配5个URLLC UE，此时可以体现出方法2可以分配更多URLLC用户的优势。又例如：当eMBB UE1占用RB #0-3，即RBG0，eMBB UE2占用RBG5，此时方法1和方法2均为最多可以分配4个URLLC UE，即此时方法1和方法2效果相同。因此，当eMBB业务占用整数个RBG时，方法1和方法2资源分配效果相同。当eMBB业务占用不满整数个RBG时，方法2可能会比方法1具有更高的资源利用率。

场景二：小区中有1个eMBB UE从带宽一侧占用资源，此时无论该UE如何占用资源，剩余资源对于方法1和方法2来说，资源分配效果均相同。

因此，结合不同eMBB业务占用带宽资源的情况，方法1和方法2资源分配效果在部分场景中分配效果相同，在部分场景中方法2可能会比方法1具有更高的资源利用率，所以综合来看，URLLC连续资源分配优化方法有一定的优势。

2.3.2仿真验证

为了进一步验证URLLC连续资源分配优化方法在实际应用中存在优势，通过系统仿真比较两种方法。对于真实的eMBB和URLLC复用场景，同一时刻调度的eMBB用户数时随机的，URLLC用户也是随机的，需要根据实际业务模型来仿真比较。方法1：起点粒度和长度粒度相同，均使用4RBs;方法2：起点粒度使用1RB且长度粒度使用4RBs。仿真使用的是NR URLLC典型评估场景R15 enabled use case，评估两种方法的丢包率和平均每时隙分配用户数。在评估中，资源首先由eMBB UE以时隙长度进行频域资源占用，之后URLLC在每个微时隙分配未被eMBB UE占用的RB资源，其中所述微时隙未1个时隙中按照预设图样划分出若干微时隙，本次仿真使用1个时隙划分为3个微时隙，每个微时隙分别具有{5，5，4}个OFDM符号。在仿真中，eMBB基于子带CQI反馈和连续资源分配，URLLC基于宽带CQI反馈和两种待比较的资源分配方法。具体的，仿真场景为4GHz载频20MHz带宽且子载波间隔为30KHz，采用UMa仿真场景，基站间距500m;基站侧配置为8发送天线端口，天线高度为25m，天线单元增益和连接器损耗8dBi，基站接收噪声系数5dB，基站接收器采用MMSE-IRC;终端测配置为平均每小区10个eMBB UE和15个URLLC UE，使用4接收天线，天线高度1.5m，天线增益0dBi，UE接收噪声系数9dB，URLLC用户分布为室外80%和室内20%，URLLC业务模型为包大小为32字节的周期业务且达到率为每秒4000包，eMBB业务为包大小为100字节的ftp3业务且达到率为每秒2000包。如表2所示两种方法的系统仿真结果，可以看出方法2相较于方法1降低大约12%的丢包率，同时增加大约23%的URLLC调度用户数。

因此，通过系统仿真验证URLLC连续资源分配优化方法具有提升系统效率的优势，在eMBB和URLLC复用场景中能够提升URLLC业务系统性能。

频域资源分配方法 丢包率 每个微时隙平均可以分配到资源的URLLC用户数

方法1：起点粒度和长度粒度均为4RBs 47.42% 5.2536

方法2：起点粒度为1RB且长度粒度为4RBs 35.29% 6.4674

三、结束语

本文提出一种优化的连续资源分配方法，该方法针对eMBB业务和URLLC业务复用场景，通过为资源分配的起点粒度和长度粒度配置不同粒度，将更多的剩余RB资源分配给URLLC业务。通过该资源分配优化方法，可以灵活实现提升资源利用率或降低控制开销，降低使用抢占传输的概率，避免总是以牺牲eMBB业务为代价保证URLLC业务传输。结合数值分析和系统仿真可知，本文所提出的优化方法在相同eMBB业务资源占用情况下可以提升分配URLLC用户数量，提升系统利用率。

參  考  文  献

[1] 3GPP. NR and NG-RAN Overall Description. TS 38.300 V16.2.0[S]. 2020-07

[2] 3GPP. Physical layer procedures. TS 36.213 V16.2.0[S]. 2020-07

[3] 3GPP. Physical layer procedures for data. TS 38.214 V16.2.0[S]. 2020-07

[4] 3GPP. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies. TR 38.913 V15.0.0[S]. 2018

[5] DURISI G， KOCU T， POPOVSKI P. Toward Massive， Ultra-reliable， and Low-Latency Wireless Communication with Short Packets[J]. Proceedings of the IEEE， 2016，104（9）：1711-1726