5G空口實現超低時延的關鍵技術

【摘? 要】超低時延是5G網絡的重要特性之一，為了探究該特性在5G空口中的實現策略，首先描述了物理層的資源網格結構和資源分配方式，指出了物理層為上層提供了靈活的業務承載基礎，隨后分析了調度核心MAC的結構和功能變化，最后討論了新的數傳控制方案，遞進地介紹了實現超低時延的關鍵技術。

【關鍵詞】5G空口;低時延;物理層資源;調度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.015? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0079-07

引用格式：牟晉宏. 5G空口實現超低時延的關鍵技術[J]. 移動通信， 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網絡中，理論上空口可以提供小于5 ms的單向延遲，部署良好網絡的端到端延遲可以達到約10 ms，這為移動寬帶網絡提供了良好的體驗。為了滿足新一代移動通信業務的需求，作為5G三大應用場景之一的uRLLC對端到端時延的要求達到了1 ms[1]，面向傳統數據業務的eMBB場景對時延的要求也比4G更高。一方面，網絡架構層面上可以通過控制面/用戶面分離、移動邊緣計算、CU/DU分離等方案降低數據在承載網中的時延;另一方面，5G空口也做了大量技術調整以降低空口傳輸時延。本文接下來將通過與4G對比的方式，從物理信道結構和數據傳輸方案兩方面介紹5G空口實現超低時延的關鍵技術。

2? ?物理信道結構

LTE物理層的基礎資源粒子RE在頻域上的子載波間隔為15 kHz，并以此構建固定格式的資源網格。基于這一資源網格方案，又形成了相對固定的物理信道資源分配模式，最終與其他上層協議配合實現了小于5 ms的空口數據傳輸時延。在NR物理層中，資源網格和資源分配均使用了更靈活的方案，為實現更低時延提供物理層基礎。

2.1? 資源網格

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物理層資源網格中子載波間隔固定為15 kHz的方式不同，為了支持從低至1 GHz載波頻率的宏蜂窩小區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15 kHz到240 kHz的不同子載波間隔，并用參數μ來定義這種可變的子載波間隔[2]：

SCS=15*2μ（kHz）， μ∈{0， 1， 2， 3， 4}

隨著參數μ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，相同時間內的符號數也會等比例增加。為了有效支持補充上行鏈路特性，方便實現NR/LTE共存，NR保留了LTE的基礎幀結構模型，即仍然采用10 ms系統幀、1 ms子幀的時間配置。此外，規定一個時隙固定包含14個符號（普通循環前綴場景），因此不同參數μ也意味著一個子幀內包含不同數量的時隙。NR時域基本參數如表1所示：

對比LTE，NR仍然使用子幀作為時間參考，但用時隙取代子幀作為動態調度的時間單元。由于時隙被定義為固定數量的OFDM符號，較高的子載波間隔就對應較短的時隙，因此可用于支持低時延傳輸。另一方面，由于循環前綴會隨子載波間隔的增加而縮小，導致實際部署時不具備普適性，因此NR中為60 kHz的子載波間隔定義了擴展循環前綴方案，與15 kHz子載波間隔相比，既獲得3/4傳輸延遲的降低又具有基本相當的循環前綴時長，以犧牲少量可用符號數的方式提供了基礎的低延遲方案[3]。

此外，NR還支持將傳輸持續時長與時隙時長解耦，即每次數據傳輸不必占用完整的時隙，而可以僅使用時隙內的部分時域資源。這種數據傳輸方案依賴于靈活的控制信道和數據信道資源分配，將分別在2.2節和2.3節中介紹。

2.2? 控制信道

物理層下行控制信道PDCCH是上下行數據傳輸的核心，它承載的不同格式DCI攜帶了上下行調度信息及其他輔助控制信息，終端需要根據DCI的指示執行對應的操作以完成數據收發。LTE中，PDCCH在頻域上總是占用全部帶寬，在時域上根據PBCH中的系統帶寬和每個下行子幀PCFICH中的控制格式指示確定占用當前子幀的前1～4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CORESET（Control Resource Set，控制資源集）的概念[2]，每個小區最多可以配置12個CORESET，其中CORESET 0由主系統消息塊中攜帶的參數指示，用于初始接入場景。其他11個CORESET的資源通過RRC信令指示，兩個主要參數分別是頻域上RB占用情況和時域上占用符號數[4]。

圖1是一個頻域60 RB、時域14符號的資源網格示例。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RB是否被使用，本例中RB6-RB47被當前CORESET使用。在時域上，CORESET可以占用任意位置的1～3個符號，本例中占用2個。

NR保留了LTE中搜索空間的概念，指示終端如何搜索PDCCH候選集。每個小區最多可以配置40個搜索空間，其中每個BWP（Bandwidth Part，部分帶寬）內最多配置10個。每個搜索空間關聯到一個CORESET，以此指示對應的頻域資源和時域持續時長，時域上的具體出現位置通過RRC信令進行指示，四個主要參數分別是時隙周期、時隙偏置、持續時隙數以及每個時隙中出現的符號位置[4]。

圖2是一個時域上8時隙的示例。搜索空間的時隙周期最小為1、最大可達2 560，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，搜索空間從第一個時隙開始可以存在于任意數量的連續時隙中，且每個時隙內可以出現多次，本例中每個時隙周期前兩個時隙的符號0和符號7為搜索空間出現的起始位置。

2.3? 數據信道

NR在物理層中也沿用了LTE中的共享數據信道設計，下行、上行分別使用PDSCH和PUSCH傳輸數據。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度時間窗內所有可用的符號。NR中，頻域資源仍然可以按照類似的方式分配給需要收發數據的終端，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達到任意分配的可能，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。以普通循環前綴為例，類型A PDSCH在一個時隙內占用的符號可以從{0， 1， 2， 3}開始，符號長度為3～14;類型B PDSCH在一個時隙內占用的符號可以從0～12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。以普通循環前綴為例，類型A PUSCH在一個時隙內占用的符號只能從0開始，符號長度為4～14;類型B PUSCH在一個時隙內占用的符號可以從0～13開始，符號長度為1～14[5]。

另一方面，NR下行物理層中取消了LTE的CRS設計，PDSCH的相干解調功能通過新增DM_RS滿足;上行方向上，相干解調功能繼續使用DM_RS實現，但細節有所改變。PDSCH DM_RS和PUSCH DM_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據傳輸的第一個符號上，這樣就允許接收器盡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，以降低數據處理時延[2]。

3? ?數據傳輸方案

NR的協議棧如圖3所示，除新增的用戶面協議層SDAP外，整體結構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移除了發送端的級聯功能，還將接收端必選的按序遞送功能調整為PDCP的可選功能[6-7]。

如第2節所述，NR物理層資源分配具備極大的靈活性，為低時延數據傳輸提供了底層基礎。相應地，MAC作為調度核心，通過一定結構和功能優化實現了對物理層資源更高效的使用，得以在數據傳輸方案上提供對低時延數據傳輸的支持。

3.1? MAC PDU

LTE及NR中用于普通數據傳輸的MAC PDU結構如圖4、圖5、圖6所示[8-9]。可以看到，MAC PDU都是由MAC子報頭、MAC控制元素、MAC SDU、填充比特這四部分組成。

不同的是，LTE中所有的MAC子報頭都集中在MAC PDU最前端形成一個MAC報頭，控制元素、用戶數據等載荷集中在MAC報頭，且與子報頭的順序一一對應，這意味著調度生效后才能根據可用數據量封裝MAC PDU。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的控制元素或用戶數據緊鄰放置，這使得調度生效前可以預先進行MAC PDU的封裝，從而降低從調度生效到將數據發往物理層進行后續處理的時延。此外上下行MAC PDU之間也有區別，上行MAC PDU中控制元素總是位于SDU之后，而下行MAC PDU中控制元素總是位于SDU之前，這也是為了降低處理時延[3]。

為了充分發揮MAC層即時封裝PDU的特性，進一步降低這種處理時延，RLC發送端還移除了級聯功能，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RLC PDU，而是直接將符合傳輸塊大小的PDU轉發到MAC處理。

3.2? 上行優先級處理

下行數據傳輸由基站全權負責，數據優先級處理和時延控制等過程均無需終端參與。而在上行數據傳輸中，基站僅負責給終端分配一定的上行資源，數據優先級由終端基于網絡指示進行處理：為了既能區分數據優先級又能避免低優先級數據餓死，網絡為每個上行邏輯信道分配優先級和兩個令牌桶參數，終端發送端MAC實體根據令牌桶算法及相關參數，將不同邏輯信道的數據封裝成一個MAC PDU交給物理層進行傳輸。如果終端當前被調度的上行資源無法滿足數據發送需求，會在MAC PDU中插入BSR（Buffer Status Report，緩存狀態報告）上報待發送數據量，請求更多的調度資源。如果上行資源無法滿足BSR的發送，終端會在預先分配的特定PUCCH資源上發送SR（Scheduling Request，調度請求）。

LTE中，每個終端可以配置一個SR資源，網絡收到終端的SR請求時只能知道該終端有上行數據發送需求，但不知道數據來自于哪個邏輯信道。通常發送SR請求的終端會被分配少量的上行資源，需要再次發送BSR進一步請求資源。為了減少BSR的載荷，LTE中將上行邏輯信道劃分成4個組，并以組為單位將組內待發送數據總和填入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邏輯信道優先級完成數據包的組裝和發送。

為了適應廣泛的業務類型，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，實現了不同邏輯信道與不同SR資源的綁定關系。此外，邏輯信道配置中還包括允許使用PUSCH資源的小區/子載波間隔和本次傳輸的最大持續時長。基于這種優化方案，網絡具備了更靈活的方式應對終端的調度請求，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時間短但對時延要求較高數據的傳輸，而同時暫不調度同一終端的其他上行數據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

調度命令、數據傳輸、HARQ反饋之間的定時對用戶面時延也有極大影響。在LTE中，調度命令與數據傳輸具有嚴格的定時關系：下行數據總是在與PDCCH相同子幀的PDSCH資源內發送，上行數據總是在與PDCCH間隔固定子幀數k的PUSCH資源內發送，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據子幀配比和PDCCH所在子幀號查表獲取k的值。對于HARQ反饋，也有類似的關系：總是在上下行數據傳輸后的第k個子幀發送HARQ反饋，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據子幀配比和PDSCH/PUSCH所在子幀號查表獲取k的值。

在NR中，基于2.3節和3.1節中提到的空口協議優化以及硬件性能改善，數據收發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務、提供差異化的服務，NR采用了更加靈活的傳輸定時方案，即支持在每一次調度中，都顯示指定調度命令與數據收發以及數據收發與HARQ反饋之間的定時。

如圖7所示，NR中通常使用k0、k1、k2三個參數來顯式指定相關定時，其含義如下：

k0：包含下行調度信息的PDCCH與關聯數據傳輸使用的PDSCH所間隔的時隙數;

k1：接收數據的PDSCH與對應反饋HARQ結果使用的PUCCH所間隔的時隙數;

k2：包含上行調度信息的PDCCH與關聯數據傳輸使用的PUSCH所間隔的時隙數。

k0/k2可以根據需求配置16組0～32的不同數值，k1可以根據需求配置8組0～15的不同數值。終端接入網絡時，通過讀取RRC信令中的相關信息，獲取對應這三個參數的三個不同的表，收發數據時根據DCI中相關字段的指示可以索引并使用對應的配置。

對于上行數據傳輸的下行HARQ反饋，定時功能完全由基站實現，終端無需提前知道定時情況，只需根據DCI中的進程號和NDI指示去處理數據。此外NR R15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，可以實現普通場景下的低時延調度和數據傳輸。然而在網絡高負荷的場景下，待傳輸數據可能已經預占用了多個時隙的全部數據信道資源，此時如有高優先級的下行時延敏感數據到達基站側，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，假設原下行待發數據對應的時頻資源是分配給終端A的，但有部分資源被終端B的下行高優先級數據搶占，這就影響了終端A的數據接收。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送終端B的數據，終端A必定無法解碼這部分數據，終端反饋Nack報告后基站會重發這部分數據，被搶占的資源通常僅為一小部分，因此可以采用基于CBG（Code Block Group）的HARQ，只需重傳受影響的碼塊組，從而降低對無線資源的占用。

另一種方式是在發生搶占傳輸后基站通過DCI格式2_1通知終端A部分資源已被搶占，需忽略這些資源上發送的數據。搶占指示最多可以用于9個服務小區，每個服務小區使用14 bit指示當前下行BWP在監聽周期內的14個時頻資源組是否被搶占[10]。終端A應當根據指示采用合理的方式處理緩沖區，等待數據重傳。

4? ?結論

本文從物理信道結構和數據傳輸方案兩方面，結合相關參數詳細介紹了3GPP Release 15定義的5G空口實現超低時延的關鍵技術。在實際組網應用過程中，低時延的性能還需要根據終端上報的能力及網絡切片的業務QoS指示去實現，這兩部分涵蓋的內容更復雜，也是后續工作中需要重點關注的內容。

參考文獻：

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