5G 系统中URLLC 免调度传输分析研究

2021-06-28石靖

广东通信技术 2021年6期

［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。为了支持URLLC 业务低时延高可靠特性，尤其是上行业务传输，通过免调度传输来降低调度时延，同时结合重复传输来保证可靠性。通过介绍5G 系统中新引入的免调度传输技术，分析其工作原理，为今后在实际网络部署中基站侧和终端侧使用该技术提供技术支持。

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。

（1）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。

（2）免调度传输：5G 系统中支持两种类型的免调度传输，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。

（3）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 免调度传输深入分析

5G 系统中支持的两种类型的免调度传输分别称为免调度类型1（Configured Grant type1，CG type1）和免调度类型2（Configured Grant type2，CG type2）。CG type1只需要通过RRC 信令配置就可以激活；CG type2 在RRC配置资源后还需要通过DCI 激活，类似LTE UL SPS。例如图1 所示PUSCH 传输，基于调度方式的上行业务信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）传输方式为：首先当UE 有数据到达，终端先发送调度请求（Scheduling Request，SR），基站收到SR 之后发送调度授权（Scheduling Grant，SG）获取终端的缓存状态，在终端上报缓存状态报告（Buffer Status Report，BSR）之后，基站发送调度授权以调度终端发送PUSCH，当基站反馈肯定应答ACK 之后完成一次传输。而采用免调度传输，终端可以直接发送PUSCH，以节省调度请求过程中消耗的时延。

图1 上行PUSCH 传输示意

CG type1 和CG type2 仅仅是激活方式的不同，在免调度传输节省时延和重复传输方式是相同的。其中CG type1 适用于周期业务且系统中PDCCH 资源受限场景，CG type2 适用场景更加广泛，可以动态激活/去激活CG PUSCH 传输，更加灵活的使用资源。以下通过重复传输机制，保证K次重复传输，激活和去激活方式的深入分析，全面剖析免调度传输技术。

3.1 重复传输机制

对于URLLC PUSCH 传输，支持两种重复传输机制，分别称为repetition type A 和repetition type B。其中repetition type A 支持基于时隙的重复传输，而repetition type B 支持基于微时隙的重复传输，即基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符号的重复传输。需要说明的是，通过重复传输提升PUSCH传输可靠性不仅可以应用于免调度传输，也可以应用于调度传输。

3.1.1 Repetition type A

Repetition type A支持以slot为单位的重复传输方式，在连续K个slot 中重复传输K次，且在每个slot 中传输所使用的时频资源也相同。如图2 所示，执行K=4 次重复传输，且每次重复传输使用的时域资源相同，即每个slot 中前12 个OFDM 符号，使用的频域资源相同，例如使用N个RB。

图2 Repetition type A 示例

3.1.2 Repetition type B

Repetition type B支持以微时隙为单位的重复传输方式，其中微时隙包含若干OFDM 符号。每次重复传输的名义重复资源相同，但实际重复资源可能不同，当名义重复遇到时隙边界或不可用符号会裂变为2 次实际重复。该方式相较于Repetition type A方式能够进一步以较短的TTI 执行背靠背方式的重复传输，在保证可靠性前提下进一步降低时延。

基站仅指示或配置首次名义重复的时域位置，即在时域资源分配中配置起始符号S和时域占用符号数L，并配置重复传输次数K。剩余K-1 次名义重复的时域位置以背靠背方式依次占用上行符号资源。

当基站配置时域资源分配（Time Domain Resource Allocation，TDRA）如表1 所示且指示使用index=1 时，此时首个名义重复在slot #n 中从符号#2，即第3 个符号开始占用10 个符号，重复传输4 次，如图3 所示。表1中PUSCH mapping type 和K2 分别表示PUSCH 映射类型和上行调度定时。

表1 TDRA 示意

图3 Repetition type B 名义重复示例

由于名义重复遇到slot 边界会裂变为2 次实际重复，即实际重复传输如图4 所示。由于实际重复不会跨越时隙边界，因此以实际重复来确定解调参考信号（DeModulation Reference Signal，DMRS）位置和冗余版本（Redundancy Version，RV）索引。但是由于实际重复是由名义重复裂变而成，为了避免不必要的频繁跳频，因此以名义重复来确定inter-repetition 跳频边界。

图4 Repetition type B 实际重复示例

3.2 保证K 次重复传输

由于CG PUSCH 传输要想保证K次重复传输，需要在业务到达后第一个传输机会就开始传输。对于只有一套CG 配置而言，一旦业务到达晚于CG 配置的首个传输机会，就无法保证K次重复传输。因此，为了保证URLLC 业务传输的可靠性，即保证K次数重复传输且避免较大的等待时延，通过支持多套CG 配置来实现保证K 次重复传输。

多套CG 配置中的每一套资源配置都具有K 次数传输机会，多套资源间通过配置一个时域偏移来保证CG PUSCH 有多个传输起始位置，即当有业务到达就可以选择具有最小等待时延的一套CG 资源执行K次重复传输。如图5 所示，配置4 套CG 资源用于CG PUSCH 重复传输，其中K=4，周期P=4 个slot，4 套CG 配置的起始偏移分别为0,1,2,3 个slot。此时无论CG PUSCH 业务在任何一个slot 达到，都能找到其中一套CG 资源以最小等待时延且执行重复传输4 次。

图5 多套CG 配置

3.3 激活/去激活方式

对于CG type2，激活/去激活方式在NR Release 15 版本和Release 16 版本中也有所不同。对于Release 15 版本，仅支持一套CG PUSCH，激活确认通过对DCI 中HARQ process number和Redundancy version置0来指示，去激活确认通过对DCI中HARQ process number和Redundancy version 置0 以及对Modulation and coding scheme 和Frequency domain resource assignment 置1 来指示。

在Release 16 中，由于支持多套CG PUSCH 传输，因此通过HARQ process number 来进一步指示激活/去激活哪一套CG PUSCH，即该比特域不再用于激活/去激活确认。并且去激活为了更加高效地释放资源以及节省PDCCH 开销，支持联合去激活方式。即由RRC 配置联合去激活的配置表，其中每一行对应一套或多套CG 配置，通过HARQ process number 指示该RRC 配置表格的索引，实现去激活一套或多套CG 配置。

3.4 应用免调度传输

应用免调度传输是保证URLLC 业务99.999%可靠性和1ms 空口时延的需求的重要技术之一。免调度传输主要为URLLC 业务中的上行业务而制定，充分保证低时延高可靠传输特性，并且对周期业务和非周期业务都可以适用。另外，也适用于工业物联网（Industrial Internet Of Things，IIOT）IIOT 传输，对于非整数业务周期的工业应用场景也可以通过多套资源配置来保证。