uRLLC關鍵技術及標準演進

高雪娟

【摘 ?要】從PDCCH、PUCCH、調度和資源分配、免調度PUSCH以及不同業務類型的復用傳輸等方面介紹了uRLLC的物理層關鍵技術，通過多方面的技術設計，實現uRLLC的低時延和高可靠特性。介紹了uRLLC的典型應用場景以及uRLLC在3GPP標準化組織中不同的NR版本中的標準演進過程。

【關鍵詞】uRLLC;PDCCH;PUCCH;復用傳輸

1 ? 引言

第五代移動通信系統（5G NR）包括三大應用場景，即增強移動寬帶（eMBB）、海量大連接（mMTC）以及低時延高可靠（uRLLC）。uRLLC有兩個基本特點，即高可靠和低時延。所謂高可靠，是指數據包的BLER至少達到目標BLER的量級，例如10-5或10-6量級。所謂低時延，是指空口時延必須低于最大時延要求，例如0.5 ms或1 ms。其中，不同的應用場景根據實際需求對時延和可靠性的要求不盡相同。3GPP TR 38.913對uRLLC的時延定義為用戶面單向（上行或下行）時延不超過0.5 ms，對可靠性定義為用戶面時延1 ms內，傳送32字節包的BLER達到10-5。

uRLLC作為5G系統的三大應用場景之一，廣泛存在于多種行業中。常見的應用場景包括如下幾個方面：

◆娛樂產業中的AR/VR;

◆工業控制系統，例如機器人、工業自動化等;

◆交通和運輸，例如遠程駕駛等;

◆智能電網和智能家居的管理;

◆交互式的遠程醫療診斷等。

2 ? uRLLC的物理層關鍵技術

uRLLC在物理層的研究主要包括PDCCH、PUCCH和UCI傳輸、調度和資源分配、免調度PUSCH傳輸、eMBB和uRLLC的復用傳輸等幾方面的內容。物理層的設計方案將直接影響uRLLC低時延和高可靠指標的實現，因此在具體設計信道結構時需要額外考慮可靠性以及時延方面的影響，例如采用更加穩健的傳輸方案、物理結構，更短的傳輸時延等。

（1）PDCCH設計

從支持低時延和高可靠雙重標準的角度，設計了基于控制資源集合（CORESET， Control Resource Set）和搜索空間相結合的PDCCH傳輸方式。

控制資源集合由時域上的1～3個OFDM符號、頻域上以連續的6個PRB為資源粒度進行配置的多個RB構成，CORESET內的頻域資源可以是連續或者非連續的。一個CORESET包含了時域資源大小、頻域資源的大小和位置、預編碼顆粒度、波束、CCE到REG的映射規則等參數，用于實現對不同傳輸需求的支持。每個BWP內可以配置最多3個CORESET。通過配置較少符號的CORESET，可以實現更低的傳輸時延;通過對不同的CORESET配置不同的波束，可以實現uRLLC終端更加穩健的傳輸;通過配置CCE到REG的交織映射方式，可以實現PDCCH傳輸的頻域分集增益。其中，CCE到REG的交織映射，可以使用行數為2、3、6的交織器，CORESET內的所有REG組按照按行寫入按列讀出方式進行交織映射，如圖1所示：

搜索空間由一組候選PDCCH組成。每個BWP內最多可配置10個搜索空間，用于設置不同的搜索空間類型，匹配不同的業務類型和場景，傳輸不同的DCI格式等。每個搜索空間的類型、周期、大小等均可獨立配置。一個搜索空間包含PDCCH的監聽周期和偏移值、PDCCH在一個時隙內的監聽圖樣、搜索空間內每個聚合等級包含的候選PDCCH數目、搜索空間的類型以及相關類型下需要檢測的DCI格式等信息。通過配置合理的PDCCH的監聽周期和偏移值以及PDCCH在一個時隙內的監聽圖樣，可以實現較為密集的PDCCH監聽機會，從而降低調度時延;通過配置較高的聚合等級，可以提高PDCCH的傳輸可靠性。

CORESET和搜索空間之間通過編號關聯，結合兩者各自指示的時頻域信息可以確定PDCCH的監聽機會。再根據CORESET的配置獲知在每個監聽機會中的PDCCH所對應的預編碼顆粒度、波束、CCE到REG的映射規則等信息，并按照搜索空間的配置確定待檢測的聚合等級以及每個聚合等級所對應的候選PDCCH數量，從而可以對不同傳輸需求的PDCCH進行檢測。圖2為CORESET和搜索空間配置示例，該例子中CORESET占用2個OFDM符號，搜索空間中配置的PDCCH監聽周期為1個時隙，時隙內PDCCH監聽的圖樣為10001000100010。

為了保證uRLLC下行控制信道在不同場景下（例如高速場景和低速場景）都具有足夠的覆蓋和可靠性，其傳輸模式需要非常健壯。為此，uRLLC采用單端口的REG組間的預編碼輪詢傳輸的發射分集方案，以克服SFBC在如下兩方面的缺點：一方面，需要成對的RE用于數據傳輸，影響PDCCH信道結構的靈活性;另一方面，支持SFBC方案需要至少2個正交的天線端口，直接增加了導頻開銷，部分抵消了其發射分集增益。

預編碼輪詢通過在不同的REG組（包括數據RE以及DMRS RE）輪流應用不同預編碼矩陣的方式達到發射分集的效果。由于REG組內的數據和DMRS的預編碼矩陣是相同的，這一操作對于終端是完全透明的。以2根發射天線的基站為例，預編碼矩陣集合可以為{[1， 1]T， [1， -1]T， [1， j]T， [1， - j]T}，則基站在發送下行控制信息時，為承載所述控制信息的REG組隨機選擇如上預編碼矩陣或者循環選取，如圖3所示。基站也可以根據終端上報的信道狀態信息（Channel State Information， CSI）選擇預編碼矩陣集合。

評估結果表明，單端口預編碼輪詢的性能均接近或者超過SFBC。

此外，在現階段的Release16 uRLLC研究中，正在從DCI壓縮和增加PDCCH檢測能力的角度上進行相應的增強研究，以期使用更小的DCI實現更快速和更高效的PDCCH傳輸，并且一個時隙內存在較為密集的PDCCH監聽機會時，可以使終端有足夠的能力完成對所有監聽機會中的候選PDCCH的監聽，避免PDCCH阻塞。

（2）PUCCH設計

PUCCH作為承載HARQ-ACK、CSI和SR的信道，其設計除了考慮時延和可靠性之外，還需要考慮承載容量、復用容量等方面的因素。

為了實現uRLLC較低的傳輸時延，可以使用時域占用1到2個符號的短PUCCH，即NR系統中定義的PUCCH格式0和PUCCH格式2，分別用于承載不超過2比特以及2比特以上UCI的傳輸。

PUCCH格式0可用于傳輸1到2比特UCI，主要是HARQ-ACK和SR。為了保證在一個OFDM符號上較低的功率峰均比（PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）特性，以及多用戶復用傳輸特性，PUCCH格式0不使用參考信號，在其占用的每個OFDM符號上采用序列選擇方式傳輸1到2比特HARQ-ACK，如圖4所示：

PUCCH格式2可用于傳輸大于2比特的UCI，包括了單獨傳輸的HARQ-ACK、CSI以及多種UCI的復用傳輸，可以通過配置不同的RB數以及碼率支持不同的承載容量。采用編碼方式傳輸UCI，不超過11比特時，采用RM編碼，超過11比特時，采用polar編碼。當PUCCH僅占用1個OFDM符號時不能支持UCI和DMRS的TDM復用傳輸，因此采用了UCI和DMRS在同一個OFDM符號上FDM復用的結構。綜合考慮解調性能和RS開銷，結合仿真評估，確定DMRS在每個RB上的開銷為1/3。

此外，為了縮短SR的反饋時延，從而降低上行傳輸的時延，在基于時隙的SR周期的基礎上，還可以配置以2、4、7個符號為周期的SR傳輸。短于一個時隙的SR周期可以更好支持隨時到達的低時延業務傳輸。考慮到對不同業務類型的上行數據的調度請求的并發支持，可以同時為一個用戶配置最多8個SR配置。每個SR配置對應了與某種業務需求相關的一系列SR傳輸相關的參數，如SR周期、偏移、PUCCH資源等參數。不同的SR配置對應了不同的邏輯信道，對應關系在MAC層維護。

在Release 16 uRLLC WI的現階段研究中，支持在1個時隙中存在多個基于sub-slot的PUCCH傳輸，用于縮短基于時隙進行HARQ-ACK反饋的反饋時延。具體的實現方案還在研究討論階段。

（3）調度和資源分配

在PDSCH和PUSCH資源分配方面，支持靈活的時域資源分配，通過調度較少的時域符號數，縮短PDSCH和PUSCH的傳輸時延。通過使用DMRS總是在數據信道的第一個符號傳輸的映射方式可以更好地適應短符號的數據信道傳輸，使接收端可以盡快基于DMRS進行信道估計。

在PDSCH的調度和反饋方面，支持靈活的調度和反饋時序，對于處理能力比較高的終端（如支持處理能力2的終端），通過調整K0和K1，可以實現本時隙內調度以及本時隙內反饋，例如設置K0=0、K1=0。

考慮到現有的LTE CQI和MCS表格不能實現單次傳輸達到10-5 BLER的性能要求，因此，在Release 15 uRLLC WI階段，分別為uRLLC PDSCH和PUSCH定義了新的MCS和CQI表格。在原CQI表格的基礎上引入2個更低碼率的CQI等級，相應地在原MCS表格中增加了低頻譜效率的元素并刪除了高頻譜效率的元素以維持32個元素個數。通過擴展RRC中的CQI和MCS指示信令，使用MCS-RNTI來支持對新表格的配置使用。

在Release 16 uRLLC WI的現階段研究中，為了更好地滿足uRLLC業務的低時延傳輸，支持亂序調度和反饋，從而保證一個突然到達的uRLLC業務可以及時被調度傳輸或者及時進行HARQ-ACK反饋。亂序調度可能導致同一個終端的uRLLC業務和eMBB業務的傳輸和處理沖突，具體的解決方案還在研究討論階段。

（4）免調度PUSCH

免調度PUSCH，即PUSCH傳輸之前，終端不需要向基站發送SR，也不需要等待基站的上行調度許可，而是由終端在預先配置或激活的資源自主進行PUSCH傳輸。相對于基于調度的數據傳輸，省去了調度請求和數據調度的時延。上行免調度的流程如圖5所示：

上行免調度傳輸方案分為Type 1和Type 2兩種。在Type 1中，PUSCH的傳輸參數是通過RRC配置的，根據配置信息，可以確定周期性的PUSCH傳輸機會以及PUSCH的傳輸參數，如MCS等。當終端上行有新數據到達時，可以在最近的傳輸機會直接進行PUSCH傳輸。在Type 2中，PUSCH的傳輸參數是通過RRC和PDCCH共同配置的，類似于LTE的SPS過程，RRC配置周期和偏移等參數，PDCCH激活信令通知配置的Type2激活并同時指示時頻域資源、MCS等調度信息。只有在收到激活信令之后，終端才能使用對應的PUSCH資源進行上行免調度傳輸。如果想釋放Type2 PUSCH資源，可以通過發送PDCCH去激活信令來實現。

為了提供更多、更密集的傳輸機會，以便更好地適應上行數據，減少等待時延，Type 1和Type 2免調度資源的周期最小可以為2個OFDM符號。

為提高傳輸的可靠性，上行免調度可以通過一個傳輸周期中的多個傳輸機會實現同一個TB的K次重復傳輸。K次重復傳輸可以通過改變冗余版本（Redundancy Version，RV）獲得更大的增益，但為了保證可譯碼性，須以RV=0對應的傳輸機會作為起始位置。顯然一個周期中包含的對應RV=0的傳輸機會越多，能夠提供給上行免調度傳輸的起始機會越多。目前定義了{0， 0， 0， 0}、{0， 3， 0， 3}、{0， 2， 3， 1}共計3個不同的RV序列，不同的RV序列可以支持在可靠性和時延上的不同需求。

NR系統設計中從實現簡單角度考慮，目前僅支持以時隙為單位的重復傳輸。因此，K次重復傳輸只能以時隙為單位進行。這在一定程度上增加了重復傳輸的時延，因此，在Release 16 uRLLC WI的現階段研究中，正在對跨時隙的重復傳輸進行研究，以期在保證重復傳輸可靠性的基礎上，減少重復傳輸代理的時延。

（5）eMBB和uRLLC的復用傳輸

為了提高系統的資源利用率，NR支持eMBB和uRLLC業務之間時分或者頻分復用傳輸。為滿足時延要求，一個終端突發的uRLLC業務可以搶占其他終端已經在傳輸的eMBB業務的資源，從而中斷這些終端的eMBB業務在部分資源上的傳輸。顯然，這種傳輸方式會對eMBB的傳輸性能造成一定影響，為了降低這種影響，引入了下行搶占（Preemption Indication， PI）指示機制，即通過公共控制信道發送PI指示信息，通知終端在一個參考下行區域（RDR， Reference DL Region）內被搶占的時頻資源。終端在接收到PI信息后，可以假設在PI指示的區域中不存在其自身的數據傳輸，以避免終端將被搶占資源上的uRLLC業務當作自身的eMBB業務進行存儲以及后續的重傳合并，從而導致的錯誤傳播。圖6為下行PI指示示意圖：

對于上行傳輸，也會存在uRLLC和eMBB之間的搶占問題，但不同于下行，由于eMBB和uRLLC的上行傳輸來自不同的終端，當占用相同資源時，會存在相互干擾。為了避免這種干擾，一方面可以通過對uRLLC傳輸進行功率提升，另一方面，可以定義上行停止（Cancellation Indication， CI）指示機制，告知eMBB終端停止其上行傳輸，以避免eMBB上行對uRLLC上行的干擾。CI的發送機會需要與uRLLC的調度和傳輸機會相匹配才能及時反應出uRLLC業務的存在，因此，如何使eMBB終端及時獲得CI信息是關鍵。uRLLC在Release 16 uRLLC WI的現階段研究中，正在對功率提升和CI指示機制的具體方案進行相關研究和討論。

3 ? 標準化進程

為了實現uRLLC時延和可靠性指標，各標準化組織展開了對uRLLC的立項研究。在NR Release 15階段中，3GPP物理層（RAN1）就已經在各信道、信號傳輸的方案設計上，將uRLLC作為支持的主要場景之一。所引入的靈活的調度和反饋時序、靈活的時域資源分配、靈活的上下行時隙結構指示等方面的設計，都為支持低時延的uRLLC傳輸提供了基本技術支撐。密集的PDCCH傳輸機會、更短的UCI上報周期和SPS傳輸周期、免調度PUSCH傳輸、控制和業務信道的重復傳輸、下行Preemption指示等設計則是為uRLLC的低時延和高可靠指標所進行的專屬設計。

此外，在NR Release 15階段中，3GPP物理層還初步展開了對uRLLC的專屬研究。在2017年12月召開的3GPP RAN#78次會議中通過了Release 15階段的uRLLC Scope，并從2018年2月到5月通過RAN1召開的三次會議完成了該Scope的研究。由于時間有限，該階段最終僅通過了支持10-5 BLER指標的新的MCS和CQI表格的設計。

隨后，在NR Release16階段，繼續基于Release 15階段的uRLLC研究成果做進一步的物理層增強研究。在2018年6月召開的3GPP RAN#80次會議上通過了Release16 uRLLC的SI立項，并從2018年8月到2019年2月通過RAN1召開的四次會議完成了該SI階段的評估工作。從系統仿真和鏈路仿真各方面評估了主要的uRLLC場景的傳輸性能，確定現有技術與uRLLC性能指標的差異，從而確定對uRLLC增強的方向和候選方案。在2019年3月召開的3GPP RAN#83次會議上通過了Release16 uRLLC的WI立項，基于SI階段形成的評估結果和指導方案，繼續從PDCCH增強、UCI增強、PUSCH增強、調度和HARQ增強、不同業務的復用傳輸等方面展開uRLLC的增強研究。該WI從2019年4月的RAN1會議開始執行，預計到2019年底結束，并初步形成uRLLC的標準版本。

大唐移動在uRLLC方面做了充分的預研準備，并全面參與了上述各階段的uRLLC研究和標準化工作。大唐移動全面參與了各方面的系統仿真和鏈路仿真評估，所輸出的結果對uRLLC的評估和調研起到了重要支撐作用。在下行控制、上行控制、免調度PUSCH傳輸、Preemption指示等方面做出了積極的貢獻，成為標準化推動的主要動力。

4 ? 結束語

隨著通信技術的不斷發展，移動通信已經深入融合到我們的工作、生活和學習的方方面面中。更為豐富多彩的移動通信服務正不斷地走進和改變著我們的生活。uRLLC作為5G移動通信中的重要應用場景，會在未來移動通信市場中發揮著重要的作用。隨著標準化演進工作的不斷推進，uRLLC技術已經具備了基本完備的功能，未來可以在各種垂直行業中發揮出其低時延、高可靠的技術優勢，從而為我們的工作、生活和學習提供更為便捷、智能、穩定的新體驗。

參考文獻：

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