面向垂直行业的超可靠低时延业务时延分析

杨瑾， 尚星宇， 刘丹谱

(北京邮电大学信息与通信工程学院， 北京 100876)

作为5G三大场景之一，超可靠低时延通信(ultra-reliable and low-latency communication, URLLC)将是5G网络服务应用到各垂直行业的重要推动力。在电子制造、自动化配电、差动保护等工业场景中，大量的生产数据需要进行实时监测与上传汇总[1]。如何在不同通信场景下进行带宽资源分配，进而满足各业务的时延与可靠性要求，就成为5G网络从理论设计到工程落地需解决的关键问题之一。

必须指出的是，5G网络实际可以满足的时延、可靠性要求除了与分配的带宽大小密切相关之外，还取决于业务类型、调度方式、以及天线端口数、载波频率、编码调制方案(modulation and coding scheme，MCS)、帧结构等诸多因素在内的系统参数配置[2-3]。其中的关系错综复杂，无法获得简单的闭式表达。因此，如何建立一个完整的URLLC业务时延、可靠性与通信资源关系的分析模型，进而为各个垂直行业提供与资源分配相关的工程参考数据是一个亟待解决的问题。

现有关于URLLC的研究可分为关键技术和应用分析两个方面。其中文献[4] 针对URLLC场景在3GPP R15和R16中的设计，如微时隙帧结构、上行免调度传输、高可靠控制信道、多小区间干扰协调等，提出了一种了协调多小区的资源分配方法。为了减少URLLC的重传等待时间，文献[5]提出了一种允许用户在混合自动重复请求进程之外重复传输、基站配备连续干扰消除接收机时的传输机制，并且验证了该机制对于降低能耗以及提高可靠性方面的增益。文献[6]针对URLLC在5G 新空口(new radio, NR)下行链路中的物理层挑战，基于业务的关键要求阐述了物理层问题和支撑技术，包括分组和帧结构、调度方案和可靠性改进技术。文献[7]基于M/G/1排队模型分析了URLLC多用户业务的错误传输恢复时延，并分析了将其应用于自适应控制方案中的可行性。文献[8]则具体评估了典型URLLC应用场景(港口远程控制和工厂自动导引车)下，基于运营商典型网络配置的系统级业务模型。文献[9]介绍了URLLC的关键技术，包括下行资源抢占和不同可靠性要求下的调制编码映射表等，并分析了URLLC业务的空口时延组成。文献[10]介绍了URLLC为增加分集增益以提高可靠性的关键技术，并分析了现网帧结构对URLLC业务时延的影响。文献[11]为海量数据环境下智能电网系统建设及管理运用，提出了一种结合云计算和改进极限学习机的电力负荷预测模型。文献[12]针对5G 通信网络的特征，提出了一种考虑可靠性约束的配电网分布式供电恢复策略，构建了可靠性业务的传输模型。

然而,上述的相关工作缺少基于URLLC业务性能要求的一般性理论建模以及链路级仿真支撑，无法得出URLLC业务的时延、可靠性指标与5G网络资源需求之间的定量关系，不能满足为垂直行业应用部署5G NR专网时的工程测算需求。基于此，现建立用于描述URLLC时延的通用模型，为分析URLLC业务性能与5G网络资源需求之间的定量关系提供了一种实用解决方案，可用于5G NR专网部署时的实际工程测算。

1 URLLC业务时延模型

URLLC业务的端到端时延为数据包从到达发送端MAC调度器开始，直到所有信息位在接收端MAC层成功解码的持续时间。因此，该时延应该包括数据传输时延、各部分处理和调度时延以及重传时延，并与系统参数配置紧密相关。

首先分析5G系统的时域帧结构。5G NR将1个10 ms帧分为10个1 ms子帧，每个子帧由若干时隙组成。NR传输数据或控制信息的基本时间单位即为时隙，1个时隙中则包含14个正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)符号。每个OFDM符号的持续时间由子载波间隔决定，其关系如图1所示。其中Δf=2μ×15 kHz为子载波间隔(μ=0,1,2,…)。图1右半部分以子载波间隔30 kHz为例，展示了时分双工(time-division duplex, TDD)模式下4种典型的帧结构配置。与 4G以子帧为单位进行上、下行切换相比，这种配置大大减小了切换时间。

U和D分别表示上、下行传输时隙，而S表示上、下行均可传输的特殊时隙图1 NR时域结构Fig.1 NR time domain structures

对于下行链路传输，基站调度时频资源后会直接下发数据，然后根据用户反馈的混合自动重传请求(hybrid automatic repeat request, HARQ)判断是否需要重传，直至收到确认数据已正确解码的反馈(Acknowledgement, ACK)为止。因此，下行链路传输的端到端时延包括以下部分,即

LDL=LTx+LRxProc+LSch1+(N-1)LRTT

(1)

式(1)中：LTx表示基站在下行共享物理信道(physical downlink shared channel, PDSCH)发送数据的传输时延;LRxProc表示用户接收到数据的处理时延，LSch1表示用户在上行控制物理信道(physical uplink control channel, PUCCH)回复HARQ反馈的调度时延;N表示为满足可靠性要求所需的最大传输次数;LRTT表示重传时延，包括基站从收到NACK反馈到发送数据的处理及传输时延、用户的处理时延以及回复HARQ反馈的调度时延。

上行链路传输分为基于授权和免授权两种模式。基于授权的上行传输需要用户先发送调度请求(scheduling request, SR)，等待基站回复下行链路控制信息(downlink control information, DCI)授权之后，方可在基站分配的时频资源上传输数据。若基站无法正确解码，则会下发控制信息指示用户重传。因此，基于授权的上行链路传输时延将包括以下部分,即

LUL=LSch2+LRxProc+LSch3+LTx+(N-1)LRTT

(2)

式(2)中：LSch2表示用户在PUCCH发送SR请求的调度时延；LRxProc表示基站接收到SR后的处理时延；LSch3表示基站在下行控制物理信道(physical downlink control channel, PDCCH)发送DCI的调度时延；LTx表示用户在上行共享物理信道(physical uplink shared channel, PUSCH)发送数据的传输时延；LRTT表示重传时延，包括基站从收到数据到发送重传DCI的调度时延以及用户从收到DCI到重新发送数据的处理和传输时延。免授权传输时，基站会为用户保留部分资源，用户无需发送SR即可传输数据。此时，式(2)中的前三项时延均为零。

基于上述时延模型，设计如图2所示的时延计算流程。首先，在初始化阶段进行各类系统参数配置。基于子载波间隔、TDD/FDD制式、帧结构、基于授权或免授权等参数配置，确定各类处理时延、调度时延以及相应的重传时延。另基于边缘速率、子载波间隔、基站和用户的天线配置、物理时频资源块(physical resource block, PRB)数量等参数，确定满足边缘速率要求的最低阶编码调制方案(modulation and coding scheme, MCS)。此MCS作为入口参数，与载波频率、信道模型、基站和终端的天线配置、带宽、子载波间隔等参数一起输入至链路级仿真平台，通过Monte-Carlo仿真得到上述特定场景下的误块率 (block error rate, BLER) 与信噪比(signal to noise ratio, SNR)曲线。基于该曲线可得满足业务可靠性要求的最大传输次数。最终，根据式(1)、式(2)可得URLLC业务的端到端时延。

图2 时延计算流程Fig.2 Latency calculation process

2 时延组成分析

URLLC时延的计算与5G NR的具体传输模式紧密相关，包括TDD/FDD、帧结构、授权/免授权等因素都会影响到其大小。为便于分析和说明，如图3所示，将时延计算分为TDD/FDD的上行链路(up link, UL)/下行链路(down link, DL)4种模式，并分别考察每种模式下各部分时延的组成。

图3 传输时序图Fig.3 Transmission timing sequence

2.1 TDD DL

在TDD DL的模式下，以图3所示的子载波间隔为30 kHz、2.5 ms双周期的TDD帧为例说明。首先，当基站数据到达调度器后，需等待至D或S时隙传输PDSCH，LTx为基站等待到合适的时隙并发送数据的传输时延。终端接收到数据包后经过从PUSCH到PDCCH的处理时延LRxProc，等待至U或S时隙发送HARQ反馈，LSch1为用户等待到合适时隙并发送ACK/NACK的调度时延。若终端已正确解码则发送ACK，传输结束；否则发送NACK，开始重传。重传时延LRTT包括：基站从收到NACK到准备下发数据的处理时延、基站等待至合适时隙发送数据的传输时延、终端从PUSCH到PDCCH的处理时延以及用户等待至合适时隙发送HARQ反馈的调度时延。

目前考虑到终端的处理能力，终端的处理时延设置为典型值2个时隙。当选择蓝箭头所指时隙下行传输数据时，终端在S或U时隙发送HARQ反馈，此时单次传输时延最小为1.5 ms。当选择红箭头所指时隙下行传输数据时，基站需等待至D或S时隙发送数据，再继续等待至U或S时隙接收HARQ反馈。因此传输过程中的等待时隙数最多，单次传输时延最大为3 ms。

2.2 TDD UL

当终端基于授权发送上行数据时，数据到达调度器后，需等待至U或S时隙发送调度请求SR，LSch2为终端等待到合适时隙并发送SR的调度时延。基站在经过PUCCH到PDCCH的处理时延LRxProc后，等待至D或S时隙发送DCI，LSch3为基站等待至合适时隙并在PDCCH发送DCI的调度时延。终端接收到DCI后，经过从PDCCH到PUSCH的处理时延后等待至U时隙传输数据，这部分时延之和为LTx。至此，初次传输完成。重传时延LRTT包括：基站从收到数据到产生再次发送指令的PUSCH-to-PDCCH处理时延、基站等待至D或S时隙发送DCI的调度时延、终端从收到DCI调度到准备发送数据的PDCCH-to-PUSCH处理时延、终端等待至U时隙发送数据的传输时延。

当终端在蓝箭头所指时隙上传数据时，传输过程中的等待时隙数最少，单次传输时延最小为2.5 ms。当基站在红箭头所指时隙上传数据时，需等待至S时隙发送SR，再等待至D时隙接收DCI，最后在U时隙发送数据，此时单次传输时延最大为5 ms。上行免授权的情况不需要考虑SR的发送至接收过程，终端只需要等待U时隙传输数据即可。因此数据在U时隙发送的单次时延最小, 在黄箭头所指时隙发送的单次时延最大。遍历一个TDD帧中的每个时隙后可得到平均时延。

表1是对TDD DL、TDD UL、基于授权及TDD UL、免授权三种模式下，数据在子载波间隔为30 kHz、2.5 ms双周期的TDD帧上传输时，单次传输的最大、最小和平均时延计算结果。可以看到，TDD UL免授权方式的单次传输时延相对最小，这是由于不需考虑授权过程以及HARQ反馈；而TDD UL基于授权方式的单次传输时延相对最大，这是由于传输过程的步骤较多以及2.5 ms双周期TDD帧的U时隙数量较少。

表1 单次传输时延Table 1 Single transmission latency

2.3 FDD DL

FDD模式下，不必像TDD一样遍历帧中的每个时隙，因为它的时隙对于上下行没有传输限制。当基站在需要发送下行数据时，首先通过PDCCH调度PDSCH，图3中是不进行跨时隙调度的情况，LTx为1个时隙。终端在经过PDSCH-to-PUCCH的处理时延LRxProc后发送HARQ反馈。LSch1为发送ACK/NACK的调度时延。如需重传，LRTT包括：基站PUCCH-to-PDSCH的处理时延、再次发送数据的传输时延、终端PDSCH-to-PUCCH的处理时延以及发送HARQ反馈的调度时延。

2.4 FDD UL

当终端基于授权发送上行数据时，终端首先发送SR，其调度时延为LSch2。基站接收SR后需PUCCH-to-PDCCH的处理时延LRxProc产生调度信息，再经过调度时延LSch3发送DCI。终端收到调度信息后经过PDCCH-to-PUSCH的处理时延后发送数据，这部分时延之和为LTx。如需重传，LRTT包括：基站从收到数据到产生重传调度信息的PUSCH-to-PDCCH处理时延、基站发送DCI的调度时延、终端PDCCH-to-PUSCH处理时延、终端发送数据的传输时延。如果上行免授权，那么终端直接发送上行数据。

3 最大传输次数

如式(1)和式(2)所示，URLLC业务端到端时延的计算除了要已知各部分时延分量取值外，还需要确定最大传输次数N。该参数与URLLC业务的可靠性要求以及物理层所用调制编码方案紧密相关。

通常，可靠性要求为Pr表示一个数据包经N次传输后仍解码失败的概率小于1-Pr[13]。因此可靠性要求为Pr时的最大传输次数N与单次传输的误块率(block error rate, BLER)PeB之间具有如下关系，即

(3)

式(3)中：PeB的大小取决于MCS和SNR，通常是在选定MCS后，通过Monte-Carlo链路级仿真得到SNR与BLER之间的关系曲线。因此，确定最大传输次数的关键首先是选定合适的MCS。

MCS的选择与业务要求的传输速率、可用时频资源块大小等因素密切相关。根据3GPP TS38.214中的相关定义，本文设计MCS选择的流程如下。

(1)基于业务要求的传输速率Rt[14]和传输块大小STB计算关系为

Rt=2μSTB×1 000

(4)

(2)根据如图4所示3GPP TS38.214中定义的STB计算过程，倒推出中间信息位数Ninfo的大小。

(3)根据式(5)以及3GPP TS38.214中定义的目标码率R、调制阶数Qm与MCS的映射关系确定 合适的MCS,即

Ninfo=NRERQmv

(5)

式(5)中:NRE为业务信道实际可用的资源单元数量;v为天线端口数。

、为向上、下取整运算图4 传输块大小计算流程图Fig.4 Transport Block Size calculation process

4 URLLC业务端到端时延性能仿真

4.1 链路仿真

如上所述，在确定了满足边缘速率要求的MCS后，为得到采用该MCS传输数据包的正确译码概率，需要对不同调制编码方案下的传输过程进行Monte-Carlo仿真。为此，在不同调制编码方案、信噪比及系统参数配置下仿真了约106个独立时隙上的数据传输过程。其中，载波频率参考了目前电信、联通运营商的5G工作频段；信道模型等其他参数参考了3GPP文件[1] [4] [15] 中对于URLLC业务的链路配置以及文献[16]中对于时延敏感网络的时延特性仿真。通过分析这些时隙中的数据包能否被正确解码，可以得到SNR与BLER的关系曲线。仿真参数配置如表2所示。

图5是通过链路仿真得到的不同MCS下SNR与BLER的关系曲线。可以看到，BLER会随着SNR的减小以及MCS阶数的增加而增大。

图5 BLER瀑布曲线Fig.5 BLER waterfall curve

4.2 URLLC业务端到端时延

基于对各种传输模式下的时延组成与最大传输次数分析，图6给出了在不同带宽资源和边缘速率下URLLC业务端到端时延分布特性。其中初始参数配置为表2，TDD帧结构为电信、联通运营商采用的2.5 ms双周期，可靠性要求为99.999%，SNR为1.2 dB。

从图6中可以看出，不同传输模式下时延分布为0.5～40 ms以上不等。其中TDD制式相较于FDD制式的时延整体要高2～8 ms。这是由于TDD帧结构所导致的等待时延更大。免授权(grant-free，GF)模式相较于基于授权(grant-based，GB)模式的时延大约低2 ms左右。原因是GB模式中从SR发送到DCI调度的过程需要额外的处理时延和调度时延。

图6 URLLC时延结果图Fig.6 URLLC latency results

此外，随着边缘速率的增加，各种传输模式下所对应的传输时延均逐渐增大，这是由于选择的MCS阶数增大，为满足可靠性要求的最大传输次数也会增加，这部分的重传会导致最终整体时延增大。同理，特定边缘速率下，随着带宽资源，即PRB数量的减小，各种传输模式所对应的时延均逐渐增大，最后带宽仅为5 PRB下的时延将超过40 ms。这是由于带宽资源小于一定值后，为满足业务速率而选择的MCS阶数会大幅增加，因此BLER可能会增大至多次传输仍无法满足可靠性要求的程度，端到端时延甚至会超过40 ms。

5 结论

URLLC适用于不同垂直行业的高延迟敏感型应用，是5G切入各垂直行业的关键。通过对时延的一般性理论建模，提出一种基于给定系统配置参数的时延计算方法；进一步依托5G NR的链路级仿真，分析了特定可靠性要求与系统参数配置下URLLC业务的时延分布特性。仿真结果表明，通过充分分析业务的具体需求、传输系统中的调度方式、收发机天线端口数、射频链路的载波频率、编码调制方案、上下行帧结构等与URLLC业务数据传输过程相关的各种参数，结合本文提出的URLLC业务时延分析模型对URLLC业务进行链路级仿真以及各分量时延计算后，能够为垂直行业实际工程测算提供理论依据和仿真支撑，为分析具体应用场景下URLLC业务性能与5G网络资源需求之间的定量关系提供一种实用解决方案。