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低时延高可靠(URLLC)技术及应用详解

移动互联高雪娟│文

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,为我们的生活的方方面面带来了许多便利。随着时代的发展,随着通信的发展,随着人们生活水平的提高,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,能够让我们的生活变得更高效、更便捷、更安全、更智能,能够给我们更丰富多彩的体验。

一、引言

第五代移动通信系统(5G NR)包括三大应用场景,即增强移动宽带(eMBB)、海量大连接(mMTC)以及低时延高可靠(URLLC)。URLLC有两个基本特点,即高可靠和低时延,例如10-5或10-6量级的BLER性能,0.5ms或1ms的空口传输时延。

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。如娱乐产业中的AR/VR,工业控制系统,交通和运输,智能电网和智能家居的管理,交互式的远程医疗诊断等。

生活中、工作中、学习中,我们与移动通信密不可分。随着时代的发展,随着通信的发展,随着人们生活水平的提高,人们对移动通信的依赖和要求越来越高。通过VR,我们可以不用“身临其境”却能感受到身临其境的影像效果;通过精确的自动化控制,我们可以大幅度提高生产效率和产品质量;通过精准的远程控制,我们可以在不用以身涉险的基础上实现对高危任务的远程把控;通过智能可穿戴设备,我们可以随时监控自己和家人的健康、安全……低时延高可靠的通信,能够让我们的生活变得更高效、更便捷、更安全、更智能,能够给我们更丰富多彩的体验。

二、URLLC的物理层关键技术

URLLC物理层的设计方案将直接影响URLLC低时延和高可靠指标的实现,因此在具体设计信道结构时需要额外考虑可靠性以及时延方面的影响,例如采用更加稳健的传输方案、物理结构,更短的传输时延等。

(1)PDCCH

从支持低时延和高可靠双重标准的角度,设计了基于CORESET(Control Resource Set)和搜索空间相结合的PDCCH传输方式。

CORESET由时域上的1-3个OFDM符号、频域上以连续的6个PRB为资源粒度进行配置的多个RB构成。通过对不同的CORESET配置不同的传输参数,可以实现对不同传输需求的支持。例如,通过配置较少的符号,可以实现更低的传输时延;通过配置不同的波束,可以实现URLLC终端更加稳健的传输;通过配置CCE到REG的交织映射方式,可以实现PDCCH传输的频域分集增益。

搜索空间由一组候选PDCCH组成。通过配置不同的搜索空间类型,可以匹配不同的业务类型和场景,传输不同的DCI格式等。例如,通过配置合理的PDCCH的监听周期和监听图样,可以实现较为密集的PDCCH监听机会,从而降低调度时延;通过配置较高的聚合等级,可以提高PDCCH的传输可靠性。

CORESET和搜索空间之间通过编号关联,结合两者各自指示的时频域信息可以确定PDCCH的监听机会和相关传输参数。图1为CORESET和搜索空间配置示例。

图1PDCCH在一个时隙中的监听机会示意图

为了保证URLLC下行控制信道在低速和高速等不同场景下都具有足够的覆盖和可靠性,其传输模式需要非常健壮。URLLC采用了单端口的REG组间的预编码轮询传输的方案,以克服SFBC需要成对的RE用于数据传输需要更大导频开销支持多端口传输的缺点。评估结果表明,单端口预编码轮询的性能均接近或者超过SFBC。

此外,在现阶段,正在从DCI压缩和增加PDCCH检测能力的角度上进行相应的增强研究,以期使用更小的DCI实现更快速和更高效的PDCCH传输,并且通过提升UE一个时隙内的检测能力,以支持进行较为密集的PDCCH监听,避免PDCCH阻塞。

(2)PUCCH

PUCCH作为承载HARQ-ACK、CSI和SR的信道,其设计除了考虑时延和可靠性之外,还需要考虑承载容量、复用容量等方面的因素。

为了实现URLLC较低的传输时延,可以使用时域占用1到2个符号的短PUCCH,即NR系统中定义的PUCCH格式0和PUCCH格式2,分别用于承载不超过2比特以及2比特以上UCI的传输。

PUCCH格式0用于传输1到2比特UCI。为了保证在一个OFDM符号上较低的PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)特性,以及多用户复用传输特性,PUCCH格式0不使用参考信号,在其占用的每个OFDM符号上采用序列选择方式传输1到2比特HARQ-ACK,如图 2所示。

PUCCH格式2用于传输大于2比特的UCI,可以通过配置不同的RB数以及码率支持不同的承载容量。采用编码方式传输UCI。当PUCCH仅占用1个OFDM符号时不能支持UCI和DMRS的TDM复用传输,因此采用了UCI和DMRS在同一个OFDM符号上FDM复用的结构,如图 2所示。综合考虑解调性能和RS开销,结合仿真评估,确定DMRS在每个RB上的开销为1/3。

为了进一步缩短HARQ-ACK反馈时延,现阶段,正在研究基于sub-slot的HARQ-ACK传输。具体的实现方案还在研究讨论阶段。

图2PUCCH格式0和2的传输结构示意图

为了缩短SR的反馈时延,从而降低上行传输的时延,可以配置以2、4、7个符号为周期的SR传输。短于一个时隙的SR周期可以更好支持随时到达的低时延业务传输。考虑到对不同业务类型的上行数据的调度请求的并发支持,可以同时为一个用户配置最多8个SR配置。不同的SR配置对应了不同的业务需求。

(3)调度和资源分配

在PDSCH和PUSCH资源分配方面,采用以符号为单位的灵活的时域资源分配。通过调度较少的时域符号,可以缩短PDSCH和PUSCH的传输和处理时延。通过使用DMRS总是映射在数据传输的最开始符号的前置DMRS映射方式,使接收端可以尽快基于DMRS进行信道估计,以压缩处理时延。在调度和反馈方面,支持灵活的调度和反馈时序。对于处理能力比较高的终端,通过调整调度和反馈时间间隔,可以实现本时隙内调度以及本时隙内反馈。

考虑到现有的LTE CQI和MCS表格不能实现单次传输达到10-5 BLER的性能要求,分别为URLLC PDSCH和PUSCH定义了新的MCS和CQI表格。通过引入更低码率的CQI等级以及更低频谱效率的MCS元素,实现对10-5 BLER的性能的支持。

现阶段,正在研究如何支持乱序调度和反馈,从而保证一个突然到达的URLLC业务可以及时被调度传输或者及时进行HARQ-ACK反馈。

(4)免调度PUSCH

免调度PUSCH,即PUSCH传输之前,终端不需要向基站发送SR进行资源请求,而是由终端在预先配置或激活的资源自主进行PUSCH传输。相对于基于调度的数据传输,省去了调度请求和数据调度的时延。上行免调度的流程如图3所示。为了提供更多、更密集的传输机会,以便更好的适应上行数据达到,减少等待时延,免调度资源的周期最小可以为2个OFDM符号。

图3上行免调度流程示意图

上行免调度传输方案分为Type 1和Type 2两种。在Type 1中,PUSCH的传输参数是通过RRC配置的,根据配置信息,可以确定周期性的PUSCH传输机会。当终端上行有新数据到达时,可以在最近的传输机会直接进行PUSCH传输。在Type 2中,PUSCH的传输参数是通过RRC和PDCCH共同配置的,RRC配置周期和偏移等参数,PDCCH激活信令通知配置的Type2激活并同时指示调度信息。只有在收到激活信令之后,终端才能使用对应的PUSCH资源进行上行免调度传输。如果想释放Type2 PUSCH资源,可以通过发送PDCCH去激活信令来实现。

上行免调度可以通过一个传输周期中的多个传输机会实现同一个TB的K次重复传输,以提高传输的可靠性。K次重复传输可以通过改变RV获得更大的增益,但为了保证可译码性,须以RV=0对应的传输机会作为起始位置。显然一个周期中包含的对应RV=0的传输机会越多,能够提供给上行免调度传输的起始机会越多。目前定义了{0,0,0,0}、{0,3,0,3}、{0,2,3,1}共计3个不同的RV序列,用以支持在可靠性和时延上的不同需求。

NR系统设计中从实现简单角度考虑,目前仅支持以时隙为单位的重复传输。因此,K次重复传输只能以时隙为单位进行。这在一定程度上增加了重复传输的时延,因此,在现阶段,正在对跨时隙的重复传输进行研究,以期在保证重复传输可靠性的基础上,减少重复传输代理的时延。

(5)eMBB和URLLC的复用传输

为了提高系统的资源利用率,并满足URLLC对时延的要求,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,从而终端eMBB传输。显然,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,如图4所示,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。

图4下行PI指示示意图

上行传输也会存在URLLC和eMBB之间的抢占问题,但由于eMBB和URLLC的上行传输来自不同的终端,当占用相同资源时,会存在相互干扰。为了避免这种干扰,一方面可以通过对URLLC传输进行功率提升,另一方面,可以定义上行停止(Cancellation Indication,CI)指示机制,告知eMBB终端停止其上行传输,以避免eMBB上行对URLLC上行的干扰。CI的发送机会需要与URLLC的调度和传输机会相匹配才能及时反应出URLLC业务的存在,因此,如何使eMBB终端及时获得CI信息是关键。现阶段,正在对功率提升和CI指示机制的具体方案进行相关研究和讨论。

三、标准化进程

为了实现URLLC时延和可靠性指标,各标准化组织展开了对URLLC的立项研究。在NR Release 15阶段中,3GPP 物理层(RAN1)就已经在各信道、信号传输的方案设计上,将URLLC作为支持的主要场景之一,并初步展开了对URLLC的专属研究。在2017年12月召开的3GPP RAN#78次会议中通过了Release 15阶段的URLLC Scope,并从2018年2月到5月通过RAN1召开的三次会议完成了该Scope的研究。

在随后的NR Release16阶段,对URLLC的增强研究在稳步推行。在2018年6月召开的3GPP RAN#80次会议上通过了Release16 URLLC的SI立项,并从2018年8月到2019年2月通过RAN1召开的四次会议完成了该SI阶段的评估工作。在2019年3月召开的3GPP RAN#83次会议上通过了Release16 URLLC的WI立项,基于SI阶段形成的评估结果和指导方案,继续从各技术方面展开URLLC的增强研究。该WI从2019年4月的RAN1会议开始执行,预计到2019年底结束,并初步形成URLLC的标准版本。

大唐移动在URLLC方面做了充分的预研准备,并全面参与了上述各阶段的URLLC研究和标准化工作。大唐移动全面参与了各方面的系统仿真和链路仿真评估,所输出的结果对URLLC的评估和调研起到了重要支撑作用。在下行控制、上行控制、免调度PUSCH传输、preemption指示等方面多做出了积极的贡献,成为标准化推动的主要动力。