5G新空口下eMBB与URLLC业务复用技术的研究

杨士霄，高月红，张欣，李明菊

（1 北京邮电大学，北京 100876；2 宇龙计算机通信科技（深圳）有限公司，深圳 518057）

从信息交互对象不同的角度出发，2015年ITU正式定义了未来5G网络应用将涵盖的三大场景[1]：增强移动带宽(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超可靠低时延(URLLC)。2020年以后，5G不同应用场景所带来的业务多样化、差异化对移动通信的挑战将尤为显著。其中，eMBB业务主要包括3D/超高清视频等大流量移动宽带型业务，强调人与人之间的极致通信体验。URLLC业务则主要涵盖无人驾驶、工业自动化等业务，需要低时延、高可靠连接。而mMTC主要是针对物联网中大规模机器类通信场景。在此背景下，5G网络将致力于满足超高速率、超低时延、高速移动、高能效以及超高流量与连接数密度等多维能力指标。

5G NR（New Radio， 新空口）设计的其中一个重要目标就是使三大场景下的不同模型的业务能够有效地复用到同一频段上[2]。从3GPP 5G无线网演进策略来看，到5G发展中期（2021-2022年），eMBB与URLLC业务都应较为成熟，而NB-loT/eMTC为mMTC的主力承载网，少量新型mMTC业务由5G NR承载。本文则着眼于eMBB业务与URLLC业务的多种复用场景以及在同一载频上高效共存的方案。

1 URLLC/eMBB的应用与标准化进展

1.1 URLLC/eMBB应用现状与远景

URLLC/eMBB场景为目前5G NR最为迫切需求的场景，其中又以eMBB业务为最基本需求。5G业务发展初期（2019-2020年）以热点区域、城区覆盖eMBB业务为主，主要包括热点高容量、高速率的挑战。过渡到中期（2021-2022年）5G成为eMBB业务的主要承载网，URLLC业务能够在尽量保证eMBB业务频谱效率的情况下与eMBB业务共存。直到5G发展成熟期（2023-2025年）， URLLC业务标准化进展已然成熟，5G NR将大规模承载URLLC业务，主要面向新兴的车辆网、工业自动化等物联网及垂直行业的应用需求。

文献[3]中总结了5G技术路线与场景的演进，如图1所示。目前全球已大规模部署了统一的4G标准(LTE/LTE-Advanced)，为了持续提升用户体验并支持网络平滑演进，4G演进将在传统通信频段引入增强技术，进一步提升4G系统的速率、容量、连接数、时延等空口性指标。根据5G KPI指标可以估算出eMBB场景在6 GHz以下频段需要约1 GHz的传输带宽，在高频段则需要14～20 GHz。由图1中的演进路线可见URLLC的调度主要集中在5G低频新空口频段，该频段全新的空口设计需要灵活配置技术模块及参数来满足不同场景差异化的技术需求。

图1 5G技术路线与场景

1.2 URLLC/eMBB KPI指标

文献[4]中具体描述了三大业务的部署场景与性能需求，eMBB旨在实现0.1～1 Gbit/s的用户体验速率以及数十吉比特每秒峰值速率，URLLC业务KPI主要涵盖用户面时延与可靠性两部分。

根据RAN NR设计需求，URLLC业务上行与下行用户面时延应小于0.5 ms。此处定义的用户面时延是在没有给定URLLC业务分组大小以及可靠性指标情况下的平均目标值。不同URLLC业务对URLLC时延有着不同的需求，尤其是自动驾驶与AR/VR等技术需要超低的用户面时延支持。另外，高可靠性要求一个大小为X byte（如20 byte）的URLLC业务包在1 ms的用户面时延内达到99.999%的成功传输概率。可靠性保障是URLLC关键技术中的核心难题，目前针对性的研究与工作还较少。就还未达成共识的X值，目前各大公司所进行的系统级仿真中使用最为广泛的是RAN 1提出的32 byte。文献[5]中定义URLLC业务模型为泊松流与周期性共存的混合模型，业务分组大小可选择32 byte，50 byte，200 byte，同时定义eMBB业务模型为泊松流或者Full Buffer，业务分组大小为0.1 Mbyte或者0.5 Mbyte。当eMBB用户使用泊松业务模型时，在没有URLLC业务负载的情况下，协议规定eMBB业务应当占用20%～50%的时频资源负载。相较于URLLC业务，eMBB业务的用户面时延可以高到4 ms，可靠性限制可以低至90%。

1.3 URLLC标准化中的关键技术

本文重点关注的是URLLC标准化进展中可能存在的一些关键技术，相较于URLLC，eMBB场景的构建以及标准化技术在3GPP R15中已有比较清晰的思路与一些共识。针对超低时延的需求，3GPP项目组重点讨论的是URLLC在物理层的一些技术，例如在帧结构设计、占用带宽、调度周期、HARQ反馈等方面相较于传统的4G LTE业务作出满足低时延标准的调整。

LTE中OFDM子载波间隔(SCS)固定为15 kHz，因此符号长度，CP也相对确定。一个业务的调度TTI是用户面时延的组成部分，显然4G常规的参数集配置无法支持URLLC业务的低时延特性，因此提升URLLC空口传输效率最直观的方法就是从频域上增加子载波带宽，例如增加至3 060 kHz。15 kHz的子载波间隔对应于1 ms一个slot，则60 kHz的子载波间隔对应0.25 ms一个slot，一个0.25 ms的slot包含14个符号，URLLC甚至可以用2个或者4个符号作为一个包含常规CP的调度TTI。相对而言，mMTC场景下则需要更窄的子载波间隔。不同子载波宽度的业务需要在频域资源上灵活分配。文献[6]中总结了5G F-OFDM基本概念图，如图2所示。5G F-OFDM技术致力于满足为不同子载波带宽和CP配置的不同业务提供互不干扰的频谱资源，通过优化滤波器的设计解决不同子载波之间非正交的问题，可以将不同配置的子载波之间的保护带宽做到最低限度（如一个子载波带宽），真正实现高效的频谱利用率。

图2 F-OFDM时频资源分配

已知URLLC需要超高的可靠性保障，若分配给URLLC业务的频谱带宽较窄，则首先小区边缘化会严重影响URLLC用户性能，链路预算问题将成为吞吐量下降的主导因素，即在某种给定参数集配置的场景下，无论多低的可靠性指标都无法增加小区负载。综上，从频域上分析，系统需要分配给URLLC用户足够的调度带宽，从时域上分析，URLLC更适合采用mini-slot调度模式。

低时延还限制了不同参数集配置下系统能设置的最大HARQ进程数目，URLLC需要实现HARQ-less传输，例如假设一个TTI在60 kHz子载波间隔下包含了7个符号，则为了满足1 ms用户面时延内超可靠传输的性能，最多使用8个TTI来传输一个URLLC数据分组。8个TTI包括了初始传输，HARQ ACK-NACK反馈以及重传，如果HARQ RTT过长则系统可能没有时间等待ACK/NACK反馈或者重传。URLLC业务的重传模式也可参考eMBB重传，采用CBG-based HARQ重传模式，设定一个TB分为若干个CBG。新的重传模式可以减少业务传输时延。此外还可以通过一些特殊设计，例如接收端提前反馈某几个CBG的ACK于发送端确认接收，从而进一步减少整个HARQ RTT时长。

另外，在严格的低时延限制下，还可以通过一些物理层技术有效提高URLLC的可靠性指标。99.999%的可靠性要求URLLC PDCCH的解调成功率不得低于这个值，据此URLLC用户可以采用小负载DCI设计(Compact DCI)。物理层中，如果带有CRC（Cyclic Redundancy Check， 循环冗余校验）的DCI开销减少一半，则相应的AL (Aggregation Level， 聚合等级）可以提高一级。更高的AL (16，32)选择可以降低PDCCH的编码率从而降低解调误码率。与此同时，用户可以选择一个固定的AL来进行PDCCH检测，进一步减少NR-PDCCH的盲检次数。与常规DCI相比，开销更小的Compact DCI主要可以通过以下方法来设计：指示只配置了低调制等级与编码率的MCS表；指示以RB组为单位的低精度频域资源分配；更少的HARQ进程数；与MIMO相关更少的天线端口模式等。

通过重复发送的方法也可以提高NR-PDCCH可靠性：在一个mini-slot内重复配置NR-PDCCH用于多个重复的mini-slot调度，或者在多个重复的minislot上分别配置NR-PDCCH，UE进行多次检测直到DCI正确解调。理论上讲前者将带来更低的解调时延。文献[7]中还提出了在URLLC用户频分复用的情况下，通过group-DCI检测的形式来减少NR-PDCCH的开销，增加PDCCH检测的可靠性。此外还有一些方案提升NR-PDSCH可靠性，比如将URLLC CQI表与eMBB CQI表独立出来，采用增强型CQI反馈，增强型CQI反馈具有低时延特性并支持灵活的误码率目标值。

以上是物理层设计对URLLC用户面时延的影响。事实上，针对超低时延指标，URLLC关键技术重点还包括URLLC网络架构在内。传统LTE网络中，业务流转发经过的网络节点较多，历经的时延已远远无法满足新兴业务的需求。5G网络架构中新兴的网络切片、移动/多接入边缘计算、控制面与用户面分离、用户面网关下沉等技术都将减少端到端时延。同时不仅仅是URLLC，eMBB与mMTC的需求也在促进着5G无线网络虚拟化和超密集组网技术的发展。由于本文重点探讨的是URLLC在链路层、物理层调度与资源分配的性能，这里对于URLLC的网络架构就不再详细论述了。

2 eMBB/URLLC业务复用场景与基本方法

2.1 4种业务复用场景

文献[8]中总结不同传输方向上两种业务相互碰撞的4种场景，如图3所示。

不同场景需要的复用技术存在差异，要讨论如何动态地解决eMBB业务与URLLC业务碰撞从而最大化系统容量需要具体到每一个应用场景。场景1与场景2主要应用FDD工作模式下，场景3与场景4则属于TDD模式下可能会出现的业务碰撞情形。相比于FDD，TDD模式下基站需要频繁地切换传输方向，为了满足URLLC业务的超低时延性，切换时间应小于0.125 ms。频繁的上下行切换会消耗许多资源用于PDCCH传输，而且下行转上行切换需要特殊时隙作为保护间隔，因此这可能会使得保护间隔占用过多资源，从而导致eMBB业务性能下降。

图3 业务复用场景

2.2 不同场景中的业务复用方法

对于FDD模式下的同向业务复用，两种业务采用不同的参数集配置，则URLLC业务的超低时延限制将被eMBB业务较长的调度间隔破坏，因此URLLC业务必须能占用一部分承载eMBB业务的资源。在场景2的上行传输过程中，基站无法中断用户的上行业务，为此必须采用半静态调度的方式周期性地预留出空闲资源块以应对URLLC业务的突发性。根据调度需求可以预留出不同大小的带宽。其中eMBB为slot-based调度，URLLC调度为mini-slot based调度，为了便于论述，我们将一个eMBB调度间隔称之为Normal TTI，将一个URLLC调度间隔称之为Short TTI。

资源预留法存在较为明显的弊端：当预留资源较少时，URLLC KPI无法保障；当预留资源较多时，eMBB频谱效率将严重受损，系统资源浪费明显增加。

为了节约资源提高频谱效率，在场景1中，除了预留空闲资源外，基站还可以为随机达到的下行URLLC业务分配已经分配给eMBB用户的资源。这种动态资源复用的方法可以在资源复用时最大程度避免资源浪费。当然这会造成eMBB用户解调数据失败，极大增加误码率，引发额外的HARQ反馈，因此eMBB用户需要接收额外的指示信令获知被干扰的数据从而增加自身成功解调数据的概率。

场景1中随机到达的下行URLCC业务会占用下行eMBB业务的一部分资源。如果有URLLC用户接入基站进行业务调度，则eMBB用户需要接收到干扰资源的位置信息才能在接收端缓存中去掉干扰正确解调，因此基站需要通过以位图的形式配置下行DCI信令PI (Pre-emption Indication)及时告知eMBB用户其被占用资源的信息，系统通过RRC子层信令通知eMBB用户周期性地检测PI。PI的检测区域一般位于一个eMBB slot的末尾或者起始位置。PI用于指示eMBB用户资源中被URLLC占用的部分，PI所指示可能发生资源占用的区域称为参考区域，参考区域根据PI指示精度的不同被划分为若干个指示区域。

显而易见的是，越高的精度也会增加自身的负载开销，消耗大量eMBB用户资源。因此，更好地权衡PI的负载及相应指示精度的动态变化可以有效提升eMBB在与URLLC复用时的性能，这也是下行动态资源复用研究的核心问题之一。

总而言之，下行URLLC业务抢占下行eMBB业务资源进行传输可以避免预留资源法带来的过多资源浪费，但同时引发额外eMBB HARQ。eMBB用户通过检测资源占用指示信息PI更新接收端的数据从而将URLLC业务的干扰降到最低。PI从指示格式与指示精度的配置到检测区域的配置都不同程度地影响着eMBB用户的设计成本与eMBB业务的性能。

在场景3中，上行Normal TTI内如果有突发的下行URLLC业务，则为了满足超低时延特性，基站必须以Short TTI为单位预留出空闲的资源。在场景4中，下行Normal TTI内如果有突发的上行URLLC业务，则首先考虑随机到达的上行URLLC业务能否抢占已经分配给eMBB用户的下行资源。事实上，在下行Normal TTI内，如果不采用预留的空闲资源，基站则不能接收到SR信息，基站无法获知上行URLLC业务的到达，因此预留空闲的符号用于接收SR信息也是无法避免的。由于必须以符号为单位预留空闲资源，TDD模式（场景3与场景4）下的资源浪费比FDD模式以RB组为单位预留资源带来的浪费更为严重。

2.3 小结与展望

文献[9]中总结不同双工模式下不同复用场景中URLLC/eMBB业务复用资源的基本调度方法，如图4所示。

事实上，根据RAN 1#86会议内容，TDD/FDD模式下，URLLC为了降低上行传输时延，甚至可以使用无需上行Grant的调度模式。在上行eMBB/URLLC业务复用中，除了预留资源外，两种上行业务通过部分资源重叠的方式（即共同占用一部分资源）共存在相同载频上也是一种可能的复用方法，基站通过功率域控制机制减少eMBB用户对URLLC用户的干扰，这种方法主要是针对两种业务来自不同的用户。NR支持两种业务共存于一个用户，并且用户内URLLC/eMBB上行干扰相对于用户间的干扰更容易被处理。

图4 不同场景下的业务复用方法

相比于设计难度较大的上行业务复用，下行业务之间的动态资源调度是现在3GPP项目组研究需求最多的内容。

3 结束语

在4G网络向5G网络持续的演进中，eMBB作为NR早期阶段的重点策略场景，最为直观的展示了未来业务的高速率需求，与我们现行的生活也最为贴近。而URLLC则作为NR区别与LTE的典型场景，以超低时延与超可靠性的业务需求标志着人类生活日新月异的虚拟化与信息化。本文主要从物理层设计的角度出发，分析了eMBB与URLLC的相关技术与标准化进展，并研究了不同参数集配置下的两种业务在不同复用场景下高效复用的可行性。不同需求的业务如何复用到同一频段将是解决5G发展过程中频谱资源稀缺的一项重要手段。