URLLC关键技术和网络适应性分析

黄韬，李鹏翔

（中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，广东 广州 510630）

0 引言

作为5G 三大场景之一，URLLC 具有超低时延、超高可靠等特性。一方面，URLLC 技术可以实现基站与终端之间用户面上下行时延均低至0.5 ms；另一方面，该技术还可以满足可靠性为10-5级别的数据传输需求[1]。因此，URLLC 可以广泛应用于工业控制、设备自动化、车联网、远程手术等场景。本文在分析URLLC 技术高可靠、低时延特性的基础上，结合不同种类的URLLC 业务对时延和可靠性要求不同这一实际，讨论了不同TDD 系统配置下的上下行平均数据传输时延，并对URLLC 技术在TDD 系统中的适用度做出了展望。

1 URLLC 低时延关键技术

3GPP R15 版本对URLLC 空口时延提出的要求为单向0.5 ms，R16 版本对URLLC 空口时延提出的要求为双向0.5 ms。为达到降低时延的目的，NR 在空口进行了多项针对性设计，主要包括时域结构、调度方式、上行免调度授权传输、下行抢占设计、上行取消设计等方面。

NR 在时域上的结构与LTE 相似，时域上包括帧、子帧和时隙三个概念。在LTE 中，子帧长1 ms，时隙固定长0.5 ms，由7 个符号组成。相比于LTE 采用固定长度的时隙，NR 中引入灵活的参数集设计，时隙长度与子载波间隔挂钩，每个时隙由14 个符号组成。在sub 6 GHz频段，NR 支持15 kHz、30 kHz 和60 kHz 的子载波间隔，对应时隙的长度分别为1 ms、0.5 ms 和0.25 ms[2]。

在LTE 中，调度的基本单位为子帧，即TTI=1 ms。而在NR 中TTI 的基本单位为时隙，TTI 可为1 ms、0.5 ms和0.25 ms。此外，NR 中为了进一步增加调度机会和减少数据传输时延，同时引入了mini-slot 的概念，mini-slot长度为2、4、7 个符号。基于时隙的调度在一个时隙内仅有1 次调度机会，基于mini-slot 的调度可在一个时隙内有多次调度机会，可以减少数据的发送等待时延。不同于LTE 中即使小数据包也需要最小1 ms 时间发送，基于时隙/mini-slot 的调度可以减少数据的传输时延，从而能让基站或终端更快地将数据包交付高层。

除了支持常规的基于SR（Scheduling Request，调度请求）调度的方式，NR 在上行调度中还支持Type1 和Type2 两种免授权调度传输方式[3]。免授权调度Type1通过RRC 信令配置周期、频域资源、时域偏置、调制编码等参数，终端在接收到RRC 信令后，根据其中的时域偏置进行授权配置的激活，适用于一些周期和资源等无需频繁变化的特性稳定的业务。免授权调度Type2 也通过RRC 信令进行周期的配置，但由PDCCH 激活指示的传输资源参数与授权配置。免授权调度Type2 相对于Type1 是一种更为灵活的授权配置方式，可进行更加灵活的激活与去激活操作，更适合于一些随机发生的短时间段业务。

另外NR 支持eMBB 和URLLC 复用，主要包括半静态复用和动态复用两种方式。对于半静态复用，即根据参数配置预留一定比例的频域资源分别供eMBB 与URLLC 使用，这种方式能够保证URLLC 空口资源，但同时也降低了空口资源的利用率。对于动态复用，实现方式为支持下行链路通过PI（Pre-emption Indicator，抢占指示）使URLLC 业务占用eMBB 业务的资源[4]。PI 承载在DCI 2-1 中[5]，PI 按照小区为单位组包，RRC 信令会配置每个小区的PI 在DCI 负载中的位置，每个PI 长度固定为14 bit。由于URLLC 业务通常业务量较小，这种资源抢占通过打孔的方式实现，可以保证eMBB 业务的正常传输。

在R16 版本中，NR 对eMBB 和URLLC 复用进行了增强[6]，对于上行终端间发生URLLC 与eMBB 业务复用的场景，支持两种实现复用的方法。第一种方法是上行链路通过UL cancelation 取消eMBB 业务传输，所对应的待取消的上行传输包含正在进行的上行传输与还未开始的上行传输，类似下行链路的包含PI 的DCI 2-1，也将考虑设计一种新的DCI 格式用于指示上行取消的时频资源区域。第二种方法则是通过动态增大URLLC 终端的发射功率，同时保持eMBB 终端原有发射功率不变来实现上行UE 间的复用。

相比于LTE 固定4 ms 间隔的HARQ-ACK/NACK反馈，NR 支持灵活可配置的HARQ-ACK/NACK 反馈间隔，最短可在同时隙内进行HARQ-ACK/NACK 反馈。当初次传输失败时，NR 可使得基站更快地接收到重传指示，进而缩短重传的时延。

NR 将在R16 版本中进一步支持TSN（Time Sensitive Network，时间敏感网络）[7]，通过在广播消息SIB9 或专用的RRC 消息中发送高精度的参考时间，保障主时钟和终端时钟的精确时间同步，实现时间敏感传输。针对工业互联网的多种业务需求和匹配不同业务的发送时间规律等问题，支持在一个BWP 中配置多个SPS（Semi Persistent Scheduling，半静态调度）和CG（Configured Grant，配置授权）配置来适配这种情况，并通过以太网头压缩机制提高数据传输效率，降低时延。

2 URLLC 高可靠关键技术

3GPP R15 版本对可靠性提出的要求为99.999%，R16 版本对可靠性提出的要求为99.999 9%。为达到高可靠的要求，NR 在空口和高层协议层进行了针对性设计与增强。总体来说，提高传输可靠性的方法主要包括降低编码率和增加分集增益。

为提高传输的可靠性，NR 为URLLC 业务单独设计了一套MCS 映射表格，通过降低编码率并限制最高的调制方式为64QAM 的方式来增加传输的成功率以提升可靠性。与此同时，保障数据一次传输即可成功发送，也降低了时延。

NR 还支持基于时隙的重复传输，最多可以在8 个slot 中重复传输相同的数据。而这样相应地增加了数据传输的时延，所以在R16 版本中，NR 将对重复传输进行增强，数据的重复传输可基于mini-slot 进行，在提升可靠性的前提下进一步缩短了传输时延。

在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层，NR 支持PDCP 层的两条支路复制机制，数据包可在PDCP 层进行复制，分别在两个独立的逻辑信道传输，实现分集增益，提升可靠性。PDCP 的复制机制在R16 中得到了进一步增强，最多可支持四条支路的复制，可通过CA 复制、DC 复制和CA 复制+DC 复制的组合来实现。

为了获得更多的分集增益，在R16 中NR 还将支持Multi-TRP 传输机制，可以从两个或多个TRP 发送相同的数据，并在接收端进行软合并，提升解码的成功率。多TRP 传输的方式包括SDM、FDM、时隙内TDM 和时隙间TDM 四种，同时支持这四种方式的组合及动态转换[8]。

NR 在R16 版本中引入了24 bit 的compact DCI，通过降低DCI 的大小，可以使用较高的AL（Aggregation Level，聚合等级）来降低编码率，提升传输的可靠性。而减少的比特数则考虑从时频资源调度、调制编码方式、进程数、PUCCH 资源指示、HARQ 反馈时序指示和冗余版本等几个方面着手。另外引入compact DCI 可以优化小区中多用户并行业务的情况，减少由于缺少PDCCH 资源导致PDCCH 被阻塞而无法进行调度的情况，在一定程度上起到了降低时延的作用。

3 TDD 网络的URLLC 适应性

当然，在实际中并非所有URLLC 业务对时延和可靠性的要求都如此严格，不同种类的URLLC 业务对时延和可靠性的要求不同，表1 给出了几个示例[9]：

表1 不同URLLC业务的时延和可靠性要求

虽然3GPP 制定了如前面章节所述的多种技术来支持URLLC 业务，但实际网络对于URLLC 业务的支持性还有待研究。在现网中，中国电信和中国联通在3.5 GHz 频段采用了2.5 ms 双周期的帧结构，具体配置如图1 所示。

图1 2.5 ms双周期帧结构

图2 下行传输及ACK/NACK反馈示例

在这种帧结构下，下行数据传输及相应的ACK/NACK 反馈的可能存在情况如图2 所示。在下行slot有数据要发送时，可直接发送，下行数据在遇到上行slot时，则需等待下一个下行slot 才能进行发送。在K1=1 时，即下行数据发送到ACK 反馈的时延偏置为激进值，不考虑重传的情况下，下行数据最小的时延为1 ms，最大的时延为3 ms，平均时延约为1.65 ms。而目前业界K1 典型值一般为2，此时，下行数据最小的时延为1.5 ms，最大的时延为3 ms，平均时延约为1.95 ms。

图3 上行动态调度传输示例

上行传输在基于SR 调度时，其传输方式如图3 所示，在遇到下行slot 时，终端需要等待到上行slot 才能发送SR，并在下一个或下两个下行slot 接收上行调度，具体等待间隔和K5 值有关。即上行调度请求SR 到上行调度授权的时延偏置，这里K5 取业界典型值为2，最后等待上行slot 进行数据传输。在不考虑重传的情况下，上行最小时延为2.5 ms，最大时延为5 ms，平均时延约为3.75 ms。若是采用预调度的方式进行上行传输，则省去了终端发送SR 到上行调度的这个过程，此时上行最小时延为0.5 ms，最大时延为2.5 ms，平均时延约为1.3 ms。

现阶段TDD 网络能达到的双向时延最大为8 ms，最小为4.5 ms，平均为5.7 ms，即使考虑上行使用免调度传输，在每个上行时隙都预留资源用于免调度传输，TDD 网络能达到的双向时延最大5.5 ms，最小为2 ms，平均为3.25 ms，最小时延仍然不满足URLLC 最严格的双向1 ms 的要求。虽然此时的2.5 ms 双周期的TDD 网络平均时延为3.25 ms，可满足部分AR/VR 应用、部分电力系统应用、智能传输系统等URLLC 业务的要求，但仍有50%用户达不到良好的业务体验。而且在每个上行时隙预留资源，即使只预留10 MHz～20 MHz 的带宽资源，也将对eMBB 业务的上行速率造成10%～20%的损失，对于上行受限的网络来说，这个开销会对上行性能造成一定影响。

除了现网所使用的2.5 ms 双周期的帧结构，为了降低网络时延以支持URLLC 业务，还可使用1 ms 单周期的帧结构，1 ms 的帧结构由1 个下行时隙和1 个特殊时隙组成，其中特殊时隙由2 个GAP 符号和12 个上行符号组成。采用1 ms 单周期的帧结构，可有效地降低时延，实现双向时延小于2 ms。但如果采用这种帧结构，GP开销将占7.1%，并且上行资源占比过高不适用于下行业务为主的eMBB 网络。如果想在同一张网络里部署两个不同的帧结构，则需要预留出较大的保护带进行隔离，以避免不同帧结构带来的上下行不对齐问题，这样的开销将对网络性能造成较大的影响。

基于mini-slot 的调度，虽然可以减少数据的传输时延，但TDD 系统的时延主要来自于双工特性与帧结构上行/下行转换所造成的额外的数据等待时延，这些是无法通过mini-slot 技术来进行弥补的。而URLLC 下行抢占和上行取消技术也是如此，虽然可以通过打孔方式或取消其他业务传输使URLLC 终端快速发出数据，但TDD帧结构的上行/下行转换所造成的额外的数据等待时延是无法避免的。

不难发现，TDD 系统在传统帧结构配置下，对于时延影响较大的即为上行/下行数据到达后至上行/下行时隙进行发送之间所产生的数据等待时延是无法通过URLLC 技术来弥补的。对于时延要求不严格的业务，例如智能传输系统、配电系统中的差动保护等业务，现网的TDD 系统是可以满足要求的。而对于时延要求严格的URLLC 业务，例如工业自动化、AR/VR 等，TDD 系统的适用度还是稍显不足。

4 结束语

URLLC 技术在高可靠、低时延等方面的特性使URLLC 技术成为传统通信切入垂直行业的重要突破口。虽然3GPP 制定了多种针对性的技术和方法来支持URLLC 的特性，但仍然无法解决TDD 系统帧结构的上行/下行转换所造成的额外的数据等待时延，所以TDD系统对URLLC 的适应性不足。因此，URLLC 业务建议部署在FDD 系统上，在FDD 系统中拥有更为广阔的应用前景。而具体的部署方式，可通过一张独立的FDD 网络部署也可通过NR 与LTE 动态频谱共享的方法来实现，这还有待进一步的探讨和研究。