5G eMBB空口时延分析与增强技术研究

魏垚　熊尚坤

【摘  要】为进一步增强面向eMBB场景的空口时延性能，从5G NR的空口设计、物理层关键技术入手，分析了eMBB场景下的5G NR空口时延，并提出一种基于TDD/FDD协同的上行增强技术，最后通过Ping业务时延分析为例，给出在3GPP模型假设下的4G LTE、5G NR和采用上行增强技术后的5G NR的时延对比，论证了所提方案的可行性和有效性。

【关键词】增强移动宽带;帧结构;空口时延;上行增强

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.008        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）09-0042-05

引用格式：魏垚，熊尚坤. 5G eMBB空口时延分析与增强技术研究[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 42-46.

Analysis on 5G eMBB Uu Interface Latency and Study on Enhancement Technique

WEI Yao， XIONG Shangkun

[Abstract] In order to enhance the latency performance of 5G NR systems， this paper investigates 5G NR Uu interface design and key technologies of physical layer to analyze the latency of eMBB NR. An uplink enhancement scheme is further proposed based on the TDD/FDD coordination. Taking the Ping service delay analysis as an example， the delay comparisons are given among 4G LTE， 5G NR with and without the uplink enhancement technique under 3GPP model， which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

[Key words]eMBB; frame structure; Uu interface latency; uplink enhancement

1   引言

网络时延对5G而言是一个重要的系统指标，更低的时延意味着更优的用户体验。在ITU提出的IMT-2020八大关键网络性能指标[1]中提出了1 ms的单向空口时延目标，主要是针对uRLLC高可靠低时延的業务，如工业操控、远程手术刀、车联网等。同时，1 ms的空口时延是针对用户面时延而言，区别于控制面时延，用户面时延更能体现一代通信系统的空口设计的核心能力。3GPP针对时延要求进一步明确场景，对URLLC场景，单向空口时延低于0.5 ms，较ITU缩短一半[2];eMBB场景空口环回时延低于8 ms（LTE的空口用户面环回时延要求为10 ms）。相对而言，eMBB场景对空口时延的改善并不如uRLLC有革命性的提升。

然而，现实情况中很多业务对网络性能指标的需求无法完全按业务场景区分，如VR、高清视频直播和远程视频+控制等业务，既需要画面传输的高清晰度，也需要用户体验不受时延影响，提出了eMBB+uRLLC的大容量、低时延的新要求。另一方面，历代网络演进始终聚焦在峰值速率的提升上，而容易被忽略的网络时延其实也会从侧面影响用户的速率，直到2015年3月在3GPP RAN 67次全会上才首次提出基于LTE时延减少的研究项目（SI）立项，相关技术成果也被5G NR标准所继承。目前，全球5G网络以面向eMBB场景为主，那么如何进一步降低eMBB网络时延，实现满足大容量的同时降低网络空口时延，成为业界关注的焦点。

本文首先对影响5G空口时延的帧结构、空口设计、数据和信令处理时延、资源请求等方面进行介绍，并提出一种基于TDD/FDD协同的上行增强技术，通过ping时延分析证明该方案对网络时延性能的有效性。

2   5G NR物理层设计与时延分析

2.1  帧结构和空口参数

5G NR的帧结构可以灵活配置[3]（如图1上半部分），相对LTE 15 kHz固定的子载波间隔而言，NR的子载波间隔可配置为15 kHz/30 kHz/60 kHz，子载波间隔的成倍增加，符号长度（子载波间隔的倒数）则成倍缩短，NR的调度周期缩短至1 ms/0.5 ms/0.25 ms（分别对应15 kHz/30 kHz/60 kHz子载波间隔），而LTE的调度周期TTI则固定为1 ms。

对于eMBB场景，典型的子载波配置为30 kHz，调度周期为0.5 ms，是LTE的一半;而uRLLC场景子载波配置为60 kHz，调度周期进一步缩短为LTE的四分之一。

另一方面，5G NR可以通过特殊的空口参数来进一步减少调度周期的符号数。引入mini-slot帧结构设计（如图1下半部分），能够将调度周期从一个slot进一步缩短至symbol级别，mini-slot配置包括2/4/7/14个symbol。最短时调度周期可缩短至0.036 ms（60 kHz子载波，2 symbol mini-slot）。

2.2  终端和基站的数据包以及信令处理时间

数据包处理时延主要指数据包生成和解包的时延，信令处理时延是指从高层向底层传递的处理时延。经研究，终端和基站的数据包的处理时间跟数据包的大小、处理器能力相关，随着芯片计算能力的提升，5G NR基站和终端处理时延，无论单次从发送到接收的处理时延总和，都较LTE有所增强。在3GPP自评估报告[4]中，对基站和终端的发送和接收数据处理时延进行了详细的分析。

2.3  资源请求调度与ACK/NACK反馈等时延

当有上行数据发送时，终端需向基站发起无线资源请求的申请（Scheduling Request），基站根据当前网络状况向终端发送上行调度准许（Grant），这部分时延占用网络时延的一大部分。在Rel-14以前，LTE已经可以通过预调度功能来改善时延，即通过在固定位置周期性地提供上行资源用于上行数据的传输，不需要经过资源请求过程来缩短时延。在2016年3月3GPP RAN 71会议进一步提出半静态调度，引入了更短的半静态调度周期1 ms，大大缩短了资源请求调度的时间。5G的上行免调度（Grant free transmission）也继承了半静态调度的思路并进一步增强，5G可以将预留资源分配给一组终端用户，并且提出了在上行无线资源发生冲撞时的解决机制，降低时延的同时也提高了无线资源的利用率。

另一方面，在Rel-15中对ACK/NACK的反馈时延进行了压缩。LTE系统的ACK/NACK是固定时延4 ms，在反馈NACK后数据重传的时延也是4 ms。而5G NR则通过K0-K5等时域偏置参数表征包括ACK/NACK以及重传在内的多个时间偏置[5-7]，具体包括：

（1）K0：下行数据发送的PDCCH和对应的PDSCH间的时延偏置;

（2）K1：下行数据发送到ACK反馈的时延偏置;

（3）K2：上行调度准许Grant到上行数据发送的时延偏置;

（4）K3：下行数据NACK到下行数据重发的时延偏置;

（5）K4：上行数据发送到上行数据重发的时延偏置;

（6）K5：上行调度请求SR到上行调度授权Grant的时延偏置。

这些时间偏置受设备和终端处理能力、网络配置和厂家调度机制等多方面影响，一般而言，K0～K5会有一个取值范围，其最小值可视为在设备处理能力内且能得到最快的调度，根据调研，业界目前典型的最小值为K0=0、K1=2、K2=2、K3=3、K4=3、K5=2，单位为调度周期时隙slot。在这种情况下，NR从一次下行数据发送到ACK/NACK反馈2个时隙，再到重传3个时隙，最快2.5 ms完成，比LTE的8 ms大幅度降低。

2.4  等待时延与发送时延

等待与发送时延是指数据包生成后等待，并最终被发出去的时延，主要包含三个部分：数据到达后等待本时隙的结束TNR_sym，待上下行的调度机会时延束TNR_TDD，以及需要一个时隙进行发送束TNR_tsm。

如图2所示，当数据到达是可能会在一个时隙中的任何时刻，而数据处理通常是按时隙颗粒度进行的，因此需要等待该时隙结束。TNR_sym的平均等待时延为1/2个时隙长度，例如子载波为30 kHz时，平均

TNR_sym=0.25 ms。

等待上下行的调度机会时延TNR_TDD是TDD双工特有的时延。由于Massive-MIMO技术对TDD有一定的依赖性，5G NR采用TDD制式将成为主流选择。相对FDD时隙连续而言，TDD上下行时隙分布离散，与运营商帧结构选择有关。上下行数据需要等对应的上下行子帧到来才能被调度，FDD在这点上则有天然的优势。经分析，假设数据包随机到达，2.5 ms双周期平均等待上行时隙到来的时延约为TNR_TDD=0.75 ms，下行约为TNR_TDD=0.25 ms。

数据发送时延TNR_tsm与TNR_sym类似，数据发送也需要一个时隙进行处理，子载波为30 kHz时，发送时延TNR_tsm=0.5 ms。

总体而言，对30 kHz、2.5 ms双周期系统一次数据发送而言，NR即使因为TDD双工时延落后了0.5 ms，但得益于更短的时隙长度和调度周期，总体的等待和发送时延上仍然有0.25 ms的优势，如表1所示：

2.5  其他增强技术

為实现1 ms极致的空口时延，5G除了子载波间隔和mini-slot，还推出了一系列方法，如物理层采用更短的CP长度、更短的GP间隔和更频繁的上下行时隙转换频率，通过采用自包含技术实现快速的ACK/NACK反馈;通过改变数据结构按时间维度串行解码进一步减少了时延，如导频、控制信息、解调数据和错误检测在时频域上的结构。另外，5G使用了LDPC和Polar码也在某种程度上提高了编解码的效率，降低了处理时延。

3   基于TDD/FDD协同的上行增强技术

时延分析

通过第2节对系统设计和关键技术分析，5G已经通过多种手段在降低空口时延上做出努力。然而基于目前5G技术框架，想要进一步降低eMBB网络时延已经困难。在现网中通常帧结构和空口参数是固定不变的，唯一能进一步挖掘的只有等待时延。

由于5G面向eMBB场景主要是以下行业务为主，帧结构配置上行时隙占空比较少且分散，因此考虑利用FDD的上下行时隙连续的特点，可以有效避免TDD特有的等待时延TNR_TDD，达到降低时延的效果。

基于TDD/FDD协同的5G上行增强技术正是采用这一理念实现系统空口时延的降低。该方案实现方式在于终端使用高低频双载波，下行可以是单载波或者下行载波聚合。由于上下行时隙配比导致上行时隙稀疏，上行等待时延明显比下行等待时延更长，因此本方案主要作用于上行等待时延，对下行等待时延的优化效果甚微。如图3所示，以国内典型的2.5 ms双周期为例，假设数据包随机到达，部分数据包（如3.5 G载波上第1、2、5、6、10时隙）到达后不在需要等待3.5 G的上行时隙，而是由网络直接通过跨载波调度到低频载波最近的上行子帧进行发送，普遍等待时延能减少0.5 ms，最大可减少1.5 ms。同时，目前协议也支持HARQ动态指派，在上下行不同子载波间隔配置的反馈时间点指示，同样达到减少时延的效果。

4   Ping业务时延分析示例

基于对时延的理论分析，针对国内典型eMBB商用组网的帧结构和5G空口参数（2.5 ms双周期TDD帧结构，0.5 ms调度周期，子载波间隔30 kHz），结合3GPP自评估研究报告对于基站和终端硬件处理时延的假设，并采用时延最小的配置和调度算法，对于小数据包（一次调度可传送的数据包），综合考虑初传和10%重传，对5G NR、开启上行增强功能的5G NR和LTE的Ping时延进行对比分析，如图4所示：

在基站开启上行免调度时，数据包空口环回平均时间时延，5G为3.76 ms，LTE FDD为9.6 ms;在基站不开启上行免调度时，则会增加上行调度申请所需的时长：5G为5.92 ms，LTE FDD为15.24 ms。5G的空口时延的降低，一方面得益于终端和基站的处理时延减少，另一方面，更短的调度周期虽然有利于减小发送等待时间，但同时5G TDD双工相比LTE FDD会额外增加上下行调度等待时间，因此5G的单次发送及等待时间合计平均只有约0.25 ms的优势。

为减少5G TDD双工的影响，在开启TDD/FDD协同的上行增强功能前后，数据包空口环回平均时间减少0.35 ms，从5G NR的3.76 ms进一步减少为3.34 ms;在基站不开启上行免调度情况下，则从5G的5.92 ms减少为5.15 ms。从结果上看，本文所提方案有效地减少了TDD上行等待时延，对eMBB场景的时延降低效果明显。

需知道，以上结论都是基于3GPP的理论假设，实际的外场测试结果普遍要比理论分析值高，主要來自于实际更长的基站和终端处理时延，以及与设备商的调度策略相关。

5   结束语

5G NR采用了灵活动态的帧结构，通过改变子载波间隔、资源请求调度和ACK/NACK反馈等一系列方法，实现了更短空口时延。尽管TDD双工相对FDD不可避免地带来了调度机会的等待时延，但5G NR在数据等待和发送时延上仍然有0.25 ms的优势。通过引入TDD/FDD协同的上行增强技术改善上行时延，验证在典型的eMBB场景下，通过3.5 G增加FDD低频双载波，空口环回时延能进一步降低至3.34 ms，有效地避免TDD等待时延，降低空口环回时延。

参考文献：

[1] ITU-R. Recommendation ITU-R M.2083： IMT vision-framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[2] 3GPP. 3GPP TR 38.913 V15.0.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[S]. 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 38.211 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Physical channels and modulation[S]. 2018.

[4] 3GPP. 3GPP TR 37.910 V1.1.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Self Evaluation towards IMT-2020 Submission[S]. 2018.

[5] 3GPP. 3GPP TR 38.214 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Physical layer procedures for data[S]. 2018.

[6] 3GPP. 3GPP TR 38.523 V15.0.0： Technical Specification Group Radio Access Network; User Equipment （UE） conformance specification[S]. 2018.

[7] 3GPP. 3GPP TR 38.331 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S]. 2018. ★