5G空口实现超低时延的关键技术

【摘  要】超低时延是5G网络的重要特性之一，为了探究该特性在5G空口中的实现策略，首先描述了物理层的资源网格结构和资源分配方式，指出了物理层为上层提供了灵活的业务承载基础，随后分析了调度核心MAC的结构和功能变化，最后讨论了新的数传控制方案，递进地介绍了实现超低时延的关键技术。

【关键词】5G空口;低时延;物理层资源;调度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.015        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）09-0079-07

引用格式：牟晋宏. 5G空口实现超低时延的关键技术[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 79-85.

Key Technology for Achieving Ultra-Low Latency in 5G Uu Interface

MU Jinhong

[Abstract] Ultra-low latency is one of the most important characteristics in 5G networks. In order to explore the implementation of this feature in 5G Uu interface， This paper first describes the resource grid structure and resource allocating mode in the physical layer and points out that the physical layer provides a flexible foundation of service bearing for the upper layer. Afterwards， the changes of the structure and function in the scheduling core MAC are analyzed. Finally， a novel data transmission controlling scheme is discussed. The key technologies for realizing ultra-low latency are introduced progressively.

[Key words]5G Uu interface; low latency; physical layer resources; scheduling

1   引言

在目前廣泛部署的4G网络中，理论上空口可以提供小于5 ms的单向延迟，部署良好网络的端到端延迟可以达到约10 ms，这为移动宽带网络提供了良好的体验。为了满足新一代移动通信业务的需求，作为5G三大应用场景之一的uRLLC对端到端时延的要求达到了1 ms[1]，面向传统数据业务的eMBB场景对时延的要求也比4G更高。一方面，网络架构层面上可以通过控制面/用户面分离、移动边缘计算、CU/DU分离等方案降低数据在承载网中的时延;另一方面，5G空口也做了大量技术调整以降低空口传输时延。本文接下来将通过与4G对比的方式，从物理信道结构和数据传输方案两方面介绍5G空口实现超低时延的关键技术。

2   物理信道结构

LTE物理层的基础资源粒子RE在频域上的子载波间隔为15 kHz，并以此构建固定格式的资源网格。基于这一资源网格方案，又形成了相对固定的物理信道资源分配模式，最终与其他上层协议配合实现了小于5 ms的空口数据传输时延。在NR物理层中，资源网格和资源分配均使用了更灵活的方案，为实现更低时延提供物理层基础。

2.1  资源网格

得益于时间色散的鲁棒性和对时频资源的高利用率，OFDM从LTE沿用到了NR。但与LTE物理层资源网格中子载波间隔固定为15 kHz的方式不同，为了支持从低至1 GHz载波频率的宏蜂窝小区到毫米波频段的大带宽微蜂窝热点的不同部署场景，NR采用了一种灵活OFDM符号的方案，它支持从15 kHz到240 kHz的不同子载波间隔，并用参数μ来定义这种可变的子载波间隔[2]：

SCS=15*2μ（kHz）， μ∈{0， 1， 2， 3， 4}

随着参数μ的增加，单个资源粒子在时域上占用的符号时长会等比例降低，相同时间内的符号数也会等比例增加。为了有效支持补充上行链路特性，方便实现NR/LTE共存，NR保留了LTE的基础帧结构模型，即仍然采用10 ms系统帧、1 ms子帧的时间配置。此外，规定一个时隙固定包含14个符号（普通循环前缀场景），因此不同参数μ也意味着一个子帧内包含不同数量的时隙。NR时域基本参数如表1所示：

对比LTE，NR仍然使用子帧作为时间参考，但用时隙取代子帧作为动态调度的时间单元。由于时隙被定义为固定数量的OFDM符号，较高的子载波间隔就对应较短的时隙，因此可用于支持低时延传输。另一方面，由于循环前缀会随子载波间隔的增加而缩小，导致实际部署时不具备普适性，因此NR中为60 kHz的子载波间隔定义了扩展循环前缀方案，与15 kHz子载波间隔相比，既获得3/4传输延迟的降低又具有基本相当的循环前缀时长，以牺牲少量可用符号数的方式提供了基础的低延迟方案[3]。

此外，NR还支持将传输持续时长与时隙时长解耦，即每次数据传输不必占用完整的时隙，而可以仅使用时隙内的部分时域资源。这种数据传输方案依赖于灵活的控制信道和数据信道资源分配，将分别在2.2节和2.3节中介绍。

2.2  控制信道

物理层下行控制信道PDCCH是上下行数据传输的核心，它承载的不同格式DCI携带了上下行调度信息及其他辅助控制信息，终端需要根据DCI的指示执行对应的操作以完成数据收发。LTE中，PDCCH在频域上总是占用全部带宽，在时域上根据PBCH中的系统带宽和每个下行子帧PCFICH中的控制格式指示确定占用当前子帧的前1～4个符号。而NR中PDCCH不再占用固定资源，可以在一定的限制条件下占用任意的时频资源。

为了灵活地指示PDCCH可以占用哪些资源，NR中引入了CORESET（Control Resource Set，控制资源集）的概念[2]，每个小区最多可以配置12个CORESET，其中CORESET 0由主系统消息块中携带的参数指示，用于初始接入场景。其他11个CORESET的资源通过RRC信令指示，两个主要参数分别是频域上RB占用情况和时域上占用符号数[4]。

图1是一个频域60 RB、时域14符号的资源网格示例。在频域上，CORESET的最小资源单位是6个RB，RRC信令中的每个bit都代表6个连续RB是否被使用，本例中RB6-RB47被当前CORESET使用。在时域上，CORESET可以占用任意位置的1～3个符号，本例中占用2个。

NR保留了LTE中搜索空间的概念，指示终端如何搜索PDCCH候选集。每个小区最多可以配置40个搜索空间，其中每个BWP（Bandwidth Part，部分带宽）内最多配置10个。每个搜索空间关联到一个CORESET，以此指示对应的频域资源和时域持续时长，时域上的具体出现位置通过RRC信令進行指示，四个主要参数分别是时隙周期、时隙偏置、持续时隙数以及每个时隙中出现的符号位置[4]。

图2是一个时域上8时隙的示例。搜索空间的时隙周期最小为1、最大可达2 560，每种周期配置都支持任意的时隙偏置，保证时隙周期的起始位置可以位于任意一个时隙，本例中时隙周期为4、时隙偏置为1。在每个周期内，搜索空间从第一个时隙开始可以存在于任意数量的连续时隙中，且每个时隙内可以出现多次，本例中每个时隙周期前两个时隙的符号0和符号7为搜索空间出现的起始位置。

2.3  数据信道

NR在物理层中也沿用了LTE中的共享数据信道设计，下行、上行分别使用PDSCH和PUSCH传输数据。LTE中，PDSCH和PUSCH针对终端分配资源时只能指示频域资源，在时域上终端始终使用一个调度时间窗内所有可用的符号。NR中，频域资源仍然可以按照类似的方式分配给需要收发数据的终端，但在时域上时间分配粒度从时隙细化到符号级别，在不跨越时隙边界的条件下近似达到任意分配的可能，有了极大的灵活性。

PDSCH的时域资源映射类型分为类型A、类型B两种。以普通循环前缀为例，类型A PDSCH在一个时隙内占用的符号可以从{0， 1， 2， 3}开始，符号长度为3～14;类型B PDSCH在一个时隙内占用的符号可以从0～12开始，但符号长度仅限定为{2， 4， 7}[5]。

类似地，PUSCH的时域资源映射类型分为类型A、类型B两种。以普通循环前缀为例，类型A PUSCH在一个时隙内占用的符号只能从0开始，符号长度为4～14;类型B PUSCH在一个时隙内占用的符号可以从0～13开始，符号长度为1～14[5]。

另一方面，NR下行物理层中取消了LTE的CRS设计，PDSCH的相干解调功能通过新增DM_RS满足;上行方向上，相干解调功能继续使用DM_RS实现，但细节有所改变。PDSCH DM_RS和PUSCH DM_RS均支持前载模式，即可以随共享信道时域位置的变化总是放置在数据传输的第一个符号上，这样就允许接收器尽早完成信道估计并及时处理接收到的信号，而不需要先缓存后解调，以降低数据处理时延[2]。

3   数据传输方案

NR的协议栈如图3所示，除新增的用户面协议层SDAP外，整体结构及各层的主要功能都与LTE类似。出于降低总体时延的考虑，典型的差异主要在于RLC移除了发送端的级联功能，还将接收端必选的按序递送功能调整为PDCP的可选功能[6-7]。

如第2节所述，NR物理层资源分配具备极大的灵活性，为低时延数据传输提供了底层基础。相应地，MAC作为调度核心，通过一定结构和功能优化实现了对物理层资源更高效的使用，得以在数据传输方案上提供对低时延数据传输的支持。

3.1  MAC PDU

LTE及NR中用于普通数据传输的MAC PDU结构如图4、图5、图6所示[8-9]。可以看到，MAC PDU都是由MAC子报头、MAC控制元素、MAC SDU、填充比特这四部分组成。

不同的是，LTE中所有的MAC子报头都集中在MAC PDU最前端形成一个MAC报头，控制元素、用户数据等载荷集中在MAC报头，且与子报头的顺序一一对应，这意味着调度生效后才能根据可用数据量封装MAC PDU。而在NR中，MAC子报头不再集中放置，而是将每个子报头与对应的控制元素或用户数据紧邻放置，这使得调度生效前可以预先进行MAC PDU的封装，从而降低从调度生效到将数据发往物理层进行后续处理的时延。此外上下行MAC PDU之间也有区别，上行MAC PDU中控制元素总是位于SDU之后，而下行MAC PDU中控制元素总是位于SDU之前，这也是为了降低处理时延[3]。

为了充分发挥MAC层即时封装PDU的特性，进一步降低这种处理时延，RLC发送端还移除了级联功能，由MAC在即时封装过程中一并完成。这使得RLC收到MAC的指示后无需消耗时间组装RLC PDU，而是直接将符合传输块大小的PDU转发到MAC处理。

3.2  上行优先级处理

下行數据传输由基站全权负责，数据优先级处理和时延控制等过程均无需终端参与。而在上行数据传输中，基站仅负责给终端分配一定的上行资源，数据优先级由终端基于网络指示进行处理：为了既能区分数据优先级又能避免低优先级数据饿死，网络为每个上行逻辑信道分配优先级和两个令牌桶参数，终端发送端MAC实体根据令牌桶算法及相关参数，将不同逻辑信道的数据封装成一个MAC PDU交给物理层进行传输。如果终端当前被调度的上行资源无法满足数据发送需求，会在MAC PDU中插入BSR（Buffer Status Report，缓存状态报告）上报待发送数据量，请求更多的调度资源。如果上行资源无法满足BSR的发送，终端会在预先分配的特定PUCCH资源上发送SR（Scheduling Request，调度请求）。

LTE中，每个终端可以配置一个SR资源，网络收到终端的SR请求时只能知道该终端有上行数据发送需求，但不知道数据来自于哪个逻辑信道。通常发送SR请求的终端会被分配少量的上行资源，需要再次发送BSR进一步请求资源。为了减少BSR的载荷，LTE中将上行逻辑信道划分成4个组，并以组为单位将组内待发送数据总和填入BSR中。需要注意的是，无论终端以哪种方式请求到上行资源，最终都会严格按照令牌桶算法根据逻辑信道优先级完成数据包的组装和发送。

为了适应广泛的业务类型，NR支持配置最多8个SR资源和8个逻辑信道组。在配置逻辑信道时，除了指定归属的逻辑信道组还能指定使用的SR资源，实现了不同逻辑信道与不同SR资源的绑定关系。此外，逻辑信道配置中还包括允许使用PUSCH资源的小区/子载波间隔和本次传输的最大持续时长。基于这种优化方案，网络具备了更灵活的方式应对终端的调度请求，例如可以立即分配特定子载波间隔的时频资源去满足持续时间短但对时延要求较高数据的传输，而同时暂不调度同一终端的其他上行数据传输或仅分配少量资源，通过BSR机制进一步了解终端需求。

3.3  传输定时

调度命令、数据传输、HARQ反馈之间的定时对用户面时延也有极大影响。在LTE中，调度命令与数据传输具有严格的定时关系：下行数据总是在与PDCCH相同子帧的PDSCH资源内发送，上行数据总是在与PDCCH间隔固定子帧数k的PUSCH资源内发送，其中FDD中k总是为4、TDD中需要根据子帧配比和PDCCH所在子帧号查表获取k的值。对于HARQ反馈，也有类似的关系：总是在上下行数据传输后的第k个子帧发送HARQ反馈，其中FDD中k总是为4、TDD中需要根据子帧配比和PDSCH/PUSCH所在子帧号查表获取k的值。

在NR中，基于2.3节和3.1节中提到的空口协议优化以及硬件性能改善，数据收发和处理的能力均有显著提升。为了更好地兼容不同终端及业务、提供差异化的服务，NR采用了更加灵活的传输定时方案，即支持在每一次调度中，都显示指定调度命令与数据收发以及数据收发与HARQ反馈之间的定时。

如图7所示，NR中通常使用k0、k1、k2三个参数来显式指定相关定时，其含义如下：

k0：包含下行调度信息的PDCCH与关联数据传输使用的PDSCH所间隔的时隙数;

k1：接收数据的PDSCH与对应反馈HARQ结果使用的PUCCH所间隔的时隙数;

k2：包含上行调度信息的PDCCH与关联数据传输使用的PUSCH所间隔的时隙数。

k0/k2可以根据需求配置16组0～32的不同数值，k1可以根据需求配置8组0～15的不同数值。终端接入网络时，通过读取RRC信令中的相关信息，获取对应这三个参数的三个不同的表，收发数据时根据DCI中相关字段的指示可以索引并使用对应的配置。

对于上行数据传输的下行HARQ反馈，定时功能完全由基站实现，终端无需提前知道定时情况，只需根据DCI中的进程号和NDI指示去处理数据。此外NR R15中暂不要求终端支持PDCCH/PDSCH/PUCCH/PUSCH之间使用不同子载波间隔的资源，本文暂不讨论这种场景下更复杂的传输定时。

3.4  抢占传输

通过对前文描述方案的灵活使用，可以实现普通场景下的低时延调度和数据传输。然而在网络高负荷的场景下，待传输数据可能已经预占用了多个时隙的全部数据信道资源，此时如有高优先级的下行时延敏感数据到达基站侧，还可以使用已分配的资源进行传输，该方案称为抢占传输。

如图8所示，假设原下行待发数据对应的时频资源是分配给终端A的，但有部分资源被终端B的下行高优先级数据抢占，这就影响了终端A的数据接收。NR中有两种方式处理该问题[3]：一种是依赖HARQ重传。由于资源被抢占并用于发送终端B的数据，终端A必定无法解码这部分数据，终端反馈Nack报告后基站会重发这部分数据，被抢占的资源通常仅为一小部分，因此可以采用基于CBG（Code Block Group）的HARQ，只需重传受影响的码块组，从而降低对无线资源的占用。

另一种方式是在发生抢占传输后基站通过DCI格式2_1通知终端A部分资源已被抢占，需忽略这些资源上发送的数据。抢占指示最多可以用于9个服务小区，每个服务小区使用14 bit指示当前下行BWP在监听周期内的14个时频资源组是否被抢占[10]。终端A应当根据指示采用合理的方式处理缓冲区，等待数据重传。

4   结论

本文从物理信道结构和数据传输方案两方面，结合相关参数详细介绍了3GPP Release 15定义的5G空口实现超低时延的关键技术。在实际组网应用过程中，低时延的性能还需要根据终端上报的能力及网络切片的业务QoS指示去实现，这两部分涵盖的内容更复杂，也是后续工作中需要重点关注的内容。

参考文献：

[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G愿景与需求白皮书[EB/OL]. （2014-05）[2019-01-15]. http：//www.imt-2020.cn/zh/documents/1？currentPage=2&content=.

[2] 3GPP. 3GPP TS 38.211 V15.3.0： NR; Physical channels and modulation[S]. 2018.

[3] Erik Dahlman. 5G NR： The Next Generation Wireless Access Technology[M]. United States： Academic Press， 2018.

[4] 3GPP. 3GPP TS 38.331 V15.3.0： NR; Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S]. 2018.

[5] 3GPP. 3GPP TS 38.214 V15.3.0： NR; Physical layer procedures for data[S]. 2018.

[6] 3GPP. 3GPP TS 38.322 V15.3.0： NR; Radio Link Control （RLC） protocol specification[S]. 2018.

[7] 3GPP. 3GPP TS 38.323 V15.3.0： NR; Packet Data Convergence Protocol （PDCP） specification[S]. 2018.

[8] 3GPP. 3GPP TS 38.321 V15.3.0： NR; Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2018.

[9] 3GPP. 3GPP TS 36.321 V15.3.0： Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）; Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2018.

[10] 3GPP. 3GPP TS 38.213 V15.3.0： NR; Physical layer procedures for control[S]. 2018. ★