5G空口實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)

1、5G空口實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)摘要】超低時延是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性之一，為了探究該特性在5G空口中的實現(xiàn)策略，首先描述了物理層的格結(jié)構(gòu)和資源分配方式，指出了物理層為上層提供了靈活的業(yè)務(wù)承載根底，隨后分析了調(diào)度核心MAC的結(jié)構(gòu)和功能變化，最后討論了新的數(shù)傳控制方案，遞進地介紹了實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)?！娟P(guān)鍵詞】5G空口;低時延;物理層資源;調(diào)度doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2021.09.015中圖分類號：TN929.5文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1006-1010202109-0079-07引用格式：牟晉宏.5G空口實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)J.移動通信，2021，439：7

2、9-85.KeyTechnologyforAchievingUltra-LowLatencyin5GUuInterfaceMUJinhongAbstractUltra-lowlatencyisoneofthemostimportantcharacteristicsin5Gnetworks.Inordertoexploretheimplementationofthisfeaturein5GUuinterface，Thispaperfirstdescribestheresourcegridstructureandresourceallocatingmodeinthephysicallayerand

3、pointsoutthatthephysicallayerprovidesaflexiblefoundationofservicebearingfortheupperlayer.Afterwards，thechangesofthestructureandfunctionintheschedulingcoreMACareanalyzed.Finally，anoveldatatransmissioncontrollingschemeisdiscussed.Thekeytechnologiesforrealizingultra-lowlatencyareintroducedprogressively

4、.Keywords5GUuinterface;lowlatency;physicallayerresources;scheduling1引言在目前廣泛部署的4G網(wǎng)絡(luò)中，理論上空口可以提供小于5ms的單向延遲，部署良好網(wǎng)絡(luò)的端到端延遲可以到達約10ms，這為移動寬帶網(wǎng)絡(luò)提供了良好的體驗。為了滿足新一代移動通信業(yè)務(wù)的需求，作為5G三大應(yīng)用場景之一的uRLLC對端到端時延的要求到達了1ms【1】，面向傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的eMBB場景對時延的要求也比4G更高。一方面，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面上可以通過控制面/用戶面別離、移動邊緣計算、CU/DU別離等方案降低數(shù)據(jù)在承載網(wǎng)中的時延;另一方面，5G空口也做了大量技術(shù)調(diào)整以降

5、低空口傳輸時延。本文接下來將通過與4G比照的方式，從物理信道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方案兩方面介紹5G空口實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)。2物理信道結(jié)構(gòu)LTE物理層的根底資源粒子RE在頻域上的子載波間隔為15kHz，并以此構(gòu)建固定格式的格。基于這一格方案，又形成了相對固定的物理信道資源分配模式，最終與其他上層協(xié)議配合實現(xiàn)了小于5ms的空口數(shù)據(jù)傳輸時延。在NR物理層中，格和資源分配均使用了更靈活的方案，為實現(xiàn)更低時延提供物理層根底。2.1格得益于時間色散的魯棒性和對時頻資源的高利用率，OFDM從LTE沿用到了NR。但與LTE物理層格中子載波間隔固定為15kHz的方式不同，為了支持從低至1GHz載波頻率的宏蜂窩小區(qū)

6、到毫米波頻段的大帶寬微蜂窩熱點的不同部署場景，NR采用了一種靈活OFDM符號的方案，它支持從15kHz到240kHz的不同子載波間隔，并用參數(shù)來定義這種可變的子載波間隔【2】：SCS=15*2kHz，0，1，2，3，4隨著參數(shù)的增加，單個資源粒子在時域上占用的符號時長會等比例降低，相同時間內(nèi)的符號數(shù)也會等比例增加。為了有效支持補充上行鏈路特性，方便實現(xiàn)NR/LTE共存，NR保存了LTE的根底幀結(jié)構(gòu)模型，即仍然采用10ms系統(tǒng)幀、1ms子幀的時間配置。此外，規(guī)定一個時隙固定包含14個符號普通循環(huán)前綴場景，因此不同參數(shù)也意味著一個子幀內(nèi)包含不同數(shù)量的時隙。NR時域根本參數(shù)如表1所示：比照LTE，N

7、R仍然使用子幀作為時間參考，但用時隙取代子幀作為動態(tài)調(diào)度的時間單元。由于時隙被定義為固定數(shù)量的OFDM符號，較高的子載波間隔就對應(yīng)較短的時隙，因此可用于支持低時延傳輸。另一方面，由于循環(huán)前綴會隨子載波間隔的增加而縮小，導(dǎo)致實際部署時不具備普適性，因此NR中為60kHz的子載波間隔定義了擴展循環(huán)前綴方案，與15kHz子載波間隔相比，既獲得3/4傳輸延遲的降低又具有根本相當(dāng)?shù)难h(huán)前綴時長，以犧牲少量可用符號數(shù)的方式提供了根底的低延遲方案【3】。此外，NR還支持將傳輸持續(xù)時長與時隙時長解耦，即每次數(shù)據(jù)傳輸不必占用完整的時隙，而可以僅使用時隙內(nèi)的局部時域資源。這種數(shù)據(jù)傳輸方案依賴于靈活的控制信道和數(shù)據(jù)

8、信道資源分配，將分別在2.2節(jié)和2.3節(jié)中介紹。2.2控制信道物理層下行控制信道PDCCH是上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?，它承載的不同格式DCI攜帶了上下行調(diào)度信息及其他輔助控制信息，終端需要根據(jù)DCI的指示執(zhí)行對應(yīng)的操作以完成數(shù)據(jù)收發(fā)。LTE中，PDCCH在頻域上總是占用全部帶寬，在時域上根據(jù)PBCH中的系統(tǒng)帶寬和每個下行子幀PCFICH中的控制格式指示確定占用當(dāng)前子幀的前14個符號。而NR中PDCCH不再占用固定資源，可以在一定的限制條件下占用任意的時頻資源。為了靈活地指示PDCCH可以占用哪些資源，NR中引入了CORESETControlResourceSet，控制資源集的概念【2】，每個小區(qū)最

9、多可以配置12個CORESET，其中CORESET0由主系統(tǒng)消息塊中攜帶的參數(shù)指示，用于初始接入場景。其他11個CORESET的資源通過RRC信令指示，兩個主要參數(shù)分別是頻域上RB占用情況和時域上占用符號數(shù)【4】。圖1是一個頻域60RB、時域14符號的格例如。在頻域上，CORESET的最小資源單位是6個RB，RRC信令中的每個bit都代表6個連續(xù)RB是否被使用，本例中RB6-RB47被當(dāng)前CORESET使用。在時域上，CORESET可以占用任意位置的13個符號，本例中占用2個。NR保存了LTE中搜索空間的概念，指示終端如何搜索PDCCH候選集。每個小區(qū)最多可以配置40個搜索空間，其中每個BWP

10、BandwidthPart，局部帶寬內(nèi)最多配置10個。每個搜索空間關(guān)聯(lián)到一個CORESET，以此指示對應(yīng)的頻域資源和時域持續(xù)時長，時域上的具體出現(xiàn)位置通過RRC信令進行指示，四個主要參數(shù)分別是時隙周期、時隙偏置、持續(xù)時隙數(shù)以及每個時隙中出現(xiàn)的符號位置【4】。圖2是一個時域上8時隙的例如。搜索空間的時隙周期最小為1、最大可達2560，每種周期配置都支持任意的時隙偏置，保證時隙周期的起始位置可以位于任意一個時隙，本例中時隙周期為4、時隙偏置為1。在每個周期內(nèi)，搜索空間從第一個時隙開始可以存在于任意數(shù)量的連續(xù)時隙中，且每個時隙內(nèi)可以出現(xiàn)屢次，本例中每個時隙周期前兩個時隙的符號0和符號7為搜索空間出現(xiàn)

11、的起始位置。2.3數(shù)據(jù)信道NR在物理層中也沿用了LTE中的共享數(shù)據(jù)信道設(shè)計，下行、上行分別使用PDSCH和PUSCH傳輸數(shù)據(jù)。LTE中，PDSCH和PUSCH針對終端分配資源時只能指示頻域資源，在時域上終端始終使用一個調(diào)度時間窗內(nèi)所有可用的符號。NR中，頻域資源仍然可以按照類似的方式分配給需要收發(fā)數(shù)據(jù)的終端，但在時域上時間分配粒度從時隙細化到符號級別，在不跨越時隙邊界的條件下近似到達任意分配的可能，有了極大的靈活性。PDSCH的時域資源映射類型分為類型A、類型B兩種。以普通循環(huán)前綴為例，類型APDSCH在一個時隙內(nèi)占用的符號可以從0，1，2，3開始，符號長度為314;類型BPDSCH在一個時隙

12、內(nèi)占用的符號可以從012開始，但符號長度僅限定為2，4，7【5】。類似地，PUSCH的時域資源映射類型分為類型A、類型B兩種。以普通循環(huán)前綴為例，類型APUSCH在一個時隙內(nèi)占用的符號只能從0開始，符號長度為414;類型BPUSCH在一個時隙內(nèi)占用的符號可以從013開始，符號長度為114【5】。另一方面，NR下行物理層中取消了LTE的CRS設(shè)計，PDSCH的相干解調(diào)功能通過新增DM_RS滿足;上行方向上，相干解調(diào)功能繼續(xù)使用DM_RS實現(xiàn)，但細節(jié)有所改變。PDSCHDM_RS和PUSCHDM_RS均支持前載模式，即可以隨共享信道時域位置的變化總是放置在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝粋€符號上，這樣就允許接收器盡

13、早完成信道估計并及時處理接收到的信號，而不需要先緩存后解調(diào)，以降低數(shù)據(jù)處理時延【2】。3數(shù)據(jù)傳輸方案NR的協(xié)議棧如圖3所示，除新增的用戶面協(xié)議層SDAP外，整體結(jié)構(gòu)及各層的主要功能都與LTE類似。出于降低總體時延的考慮，典型的差異主要在于RLC移除了發(fā)送端的級聯(lián)功能，還將接收端必選的按序遞送功能調(diào)整為PDCP的可選功能6-7。如第2節(jié)所述，NR物理層資源分配具備極大的靈活性，為低時延數(shù)據(jù)傳輸提供了底層根底。相應(yīng)地，MAC作為調(diào)度核心，通過一定結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化實現(xiàn)了對物理層資源更高效的使用，得以在數(shù)據(jù)傳輸方案上提供對低時延數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С帧?.1MACPDULTE及NR中用于普通數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗ACPD

14、U結(jié)構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示8-9。可以看到，MACPDU都是由MAC子報頭、MAC控制元素、MACSDU、填充比特這四局部組成。不同的是，LTE中所有的MAC子報頭都集中在MACPDU最前端形成一個MAC報頭，控制元素、用戶數(shù)據(jù)等載荷集中在MAC報頭，且與子報頭的順序一一對應(yīng)，這意味著調(diào)度生效后才能根據(jù)可用數(shù)據(jù)量封裝MACPDU。而在NR中，MAC子報頭不再集中放置，而是將每個子報頭與對應(yīng)的控制元素或用戶數(shù)據(jù)緊鄰放置，這使得調(diào)度生效前可以預(yù)先進行MACPDU的封裝，從而降低從調(diào)度生效到將數(shù)據(jù)發(fā)往物理層進行后續(xù)處理的時延。此外上下行MACPDU之間也有區(qū)別，上行MACPDU中控制元素總是位于S

15、DU之后，而下行MACPDU中控制元素總是位于SDU之前，這也是為了降低處理時延【3】。為了充分發(fā)揮MAC層即時封裝PDU的特性，進一步降低這種處理時延，RLC發(fā)送端還移除了級聯(lián)功能，由MAC在即時封裝過程中一并完成。這使得RLC收到MAC的指示后無需消耗時間組裝RLCPDU，而是直接將符合傳輸塊大小的PDU轉(zhuǎn)發(fā)到MAC處理。3.2上行優(yōu)先級處理下行數(shù)據(jù)傳輸由基站全權(quán)負責(zé)，數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理和時延控制等過程均無需終端參與。而在上行數(shù)據(jù)傳輸中，基站僅負責(zé)給終端分配一定的上行資源，數(shù)據(jù)優(yōu)先級由終端基于網(wǎng)絡(luò)指示進行處理：為了既能區(qū)分數(shù)據(jù)優(yōu)先級又能防止低優(yōu)先級數(shù)據(jù)餓死，網(wǎng)絡(luò)為每個上行邏輯信道分配優(yōu)先級和兩

16、個令牌桶參數(shù)，終端發(fā)送端MAC實體根據(jù)令牌桶算法及相關(guān)參數(shù)，將不同邏輯信道的數(shù)據(jù)封裝成一個MACPDU交給物理層進行傳輸。如果終端當(dāng)前被調(diào)度的上行資源無法滿足數(shù)據(jù)發(fā)送需求，會在MACPDU中插入BSRBufferStatusReport，緩存狀態(tài)報告上報待發(fā)送數(shù)據(jù)量，請求更多的調(diào)度資源。如果上行資源無法滿足BSR的發(fā)送，終端會在預(yù)先分配的特定PUCCH資源上發(fā)送SRSchedulingRequest，調(diào)度請求。LTE中，每個終端可以配置一個SR資源，網(wǎng)絡(luò)收到終端的SR請求時只能知道該終端有上行數(shù)據(jù)發(fā)送需求，但不知道數(shù)據(jù)需要再次發(fā)送BSR進一步請求資源。為了減少BSR的載荷，LTE中將上行邏輯信

17、道劃分成4個組，并以組為單位將組內(nèi)待發(fā)送數(shù)據(jù)總和填入BSR中。需要注意的是，無論終端以哪種方式請求到上行資源，最終都會嚴格按照令牌桶算法根據(jù)邏輯信道優(yōu)先級完成數(shù)據(jù)包的組裝和發(fā)送。為了適應(yīng)廣泛的業(yè)務(wù)類型，NR支持配置最多8個SR資源和8個邏輯信道組。在配置邏輯信道時，除了指定歸屬的邏輯信道組還能指定使用的SR資源，實現(xiàn)了不同邏輯信道與不同SR資源的綁定關(guān)系。此外，邏輯信道配置中還包括允許使用PUSCH資源的小區(qū)/子載波間隔和本次傳輸?shù)淖畲蟪掷m(xù)時長?；谶@種優(yōu)化方案，網(wǎng)絡(luò)具備了更靈活的方式應(yīng)對終端的調(diào)度請求，例如可以立即分配特定子載波間隔的時頻資源去滿足持續(xù)時間短但對時延要求較高數(shù)據(jù)的傳輸，而同時

18、暫不調(diào)度同一終端的其他上行數(shù)據(jù)傳輸或僅分配少量資源，通過BSR機制進一步了解終端需求。3.3傳輸定時調(diào)度命令、數(shù)據(jù)傳輸、HARQ反響之間的定時對用戶面時延也有極大影響。在LTE中，調(diào)度命令與數(shù)據(jù)傳輸具有嚴格的定時關(guān)系：下行數(shù)據(jù)總是在與PDCCH相同子幀的PDSCH資源內(nèi)發(fā)送，上行數(shù)據(jù)總是在與PDCCH間隔固定子幀數(shù)k的PUSCH資源內(nèi)發(fā)送，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據(jù)子幀配比和PDCCH所在子幀號查表獲取k的值。對于HARQ反響，也有類似的關(guān)系：總是在上下行數(shù)據(jù)傳輸后的第k個子幀發(fā)送HARQ反響，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據(jù)子幀配比和PDSCH/PUSCH所在子幀號查表

19、獲取k的值。在NR中，基于2.3節(jié)和3.1節(jié)中提到的空口協(xié)議優(yōu)化以及硬件性能改善，數(shù)據(jù)收發(fā)和處理的能力均有顯著提升。為了更好地兼容不同終端及業(yè)務(wù)、提供差異化的效勞，NR采用了更加靈活的傳輸定時方案，即支持在每一次調(diào)度中，都顯示指定調(diào)度命令與數(shù)據(jù)收發(fā)以及數(shù)據(jù)收發(fā)與HARQ反響之間的定時。如圖7所示，NR中通常使用k0、k1、k2三個參數(shù)來顯式指定相關(guān)定時，其含義如下：k0：包含下行調(diào)度信息的PDCCH與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸使用的PDSCH所間隔的時隙數(shù);k1：接收數(shù)據(jù)的PDSCH與對應(yīng)反響HARQ結(jié)果使用的PUCCH所間隔的時隙數(shù);k2：包含上行調(diào)度信息的PDCCH與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸使用的PUSCH所間隔的

20、時隙數(shù)。k0/k2可以根據(jù)需求配置16組032的不同數(shù)值，k1可以根據(jù)需求配置8組015的不同數(shù)值。終端接入網(wǎng)絡(luò)時，通過讀取RRC信令中的相關(guān)信息，獲取對應(yīng)這三個參數(shù)的三個不同的表，收發(fā)數(shù)據(jù)時根據(jù)DCI中相關(guān)字段的指示可以索引并使用對應(yīng)的配置。對于上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦蠬ARQ反響，定時功能完全由基站實現(xiàn)，終端無需提前知道定時情況，只需根據(jù)DCI中的進程號和NDI指示去處理數(shù)據(jù)。此外NRR15中暫不要求終端支持PDCCH/PDSCH/PUCCH/PUSCH之間使用不同子載波間隔的資源，本文暫不討論這種場景下更復(fù)雜的傳輸定時。3.4搶占傳輸通過對前文描述方案的靈活使用，可以實現(xiàn)普通場景下的低時延調(diào)度

21、和數(shù)據(jù)傳輸。然而在網(wǎng)絡(luò)高負荷的場景下，待傳輸數(shù)據(jù)可能已經(jīng)預(yù)占用了多個時隙的全部數(shù)據(jù)信道資源，此時如有高優(yōu)先級的下行時延敏感數(shù)據(jù)到達基站側(cè)，還可以使用已分配的資源進行傳輸，該方案稱為搶占傳輸。如圖8所示，假設(shè)原下行待發(fā)數(shù)據(jù)對應(yīng)的時頻資源是分配給終端A的，但有局部資源被終端B的下行高優(yōu)先級數(shù)據(jù)搶占，這就影響了終端A的數(shù)據(jù)接收。NR中有兩種方式處理該問題【3】：一種是依賴HARQ重傳。由于資源被搶占并用于發(fā)送終端B的數(shù)據(jù)，終端A必定無法解碼這局部數(shù)據(jù)，終端反響Nack報告后基站會重發(fā)這局部數(shù)據(jù)，被搶占的資源通常僅為一小局部，因此可以采用基于CBGCodeBlockGroup的HARQ，只需重傳受影響

22、的碼塊組，從而降低對無線資源的占用。另一種方式是在發(fā)生搶占傳輸后基站通過DCI格式2_1通知終端A局部資源已被搶占，需忽略這些資源上發(fā)送的數(shù)據(jù)。搶占指示最多可以用于9個效勞小區(qū)，每個效勞小區(qū)使用14bit指示當(dāng)前下行BWP在監(jiān)聽周期內(nèi)的14個時頻資源組是否被搶占10。終端A應(yīng)當(dāng)根據(jù)指示采用合理的方式處理緩沖區(qū)，等待數(shù)據(jù)重傳。4結(jié)論本文從物理信道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方案兩方面，結(jié)合相關(guān)參數(shù)詳細介紹了3GPPRelease15定義的5G空口實現(xiàn)超低時延的關(guān)鍵技術(shù)。在實際組網(wǎng)應(yīng)用過程中，低時延的性能還需要根據(jù)終端上報的能力及網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)QoS指示去實現(xiàn)，這兩局部涵蓋的內(nèi)容更復(fù)雜，也是后續(xù)工作中需要重點關(guān)注的內(nèi)容。參考文獻：【1】IMT-20215G推進組.5G愿景與需求白皮書EB/OL.2021-052021-01-15.：/imt-2021 /zh/documents/1？currentPage=2content=