支持混合業(yè)務(wù)的5G自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)

【摘? 要】5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范目前的版本以滿足IMT-2020對(duì)數(shù)據(jù)速率、時(shí)延、可靠性等需求為目標(biāo)，支持增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、超可靠低延時(shí)通信、大規(guī)模機(jī)器類型通信三種應(yīng)用。為滿足5G演進(jìn)系統(tǒng)中混合部署更多業(yè)務(wù)類型，服務(wù)更加多樣化設(shè)備的需求，本文研究自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用增強(qiáng)的策略，確定通過(guò)提高調(diào)度準(zhǔn)確性、增強(qiáng)基于配置的調(diào)度流程、自適應(yīng)工作帶寬調(diào)整、改進(jìn)終端設(shè)備內(nèi)部混合多業(yè)務(wù)處理流程、增強(qiáng)多業(yè)務(wù)的復(fù)用方式、優(yōu)化干擾管理和控制、支持同頻復(fù)用不同空口參數(shù)集合方面的技術(shù)演進(jìn)可適配不同等級(jí)的設(shè)備，滿足混合業(yè)務(wù)各自在可靠性、可獲得性、可維護(hù)性、安全性和完整性方面的需求。

【關(guān)鍵詞】 5G;自適應(yīng);調(diào)度;復(fù)用;混合業(yè)務(wù);設(shè)備等級(jí)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.005? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）04-0024-04

引用格式：閆志宇. 支持混合業(yè)務(wù)的5G自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（4）： 24-27.

5G Adaptive Scheduling and Multiplexing Technologies for Mixed Services

YAN Zhiyu

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]?For meeting the requirements of IMT-2020 in terms of data rate， latency， reliability， etc.， the current 5G specification supports enhanced mobile broadband （eMBB）， ultra-reliable low latency communications （URLLC）， and massive machine-type communication （mMTC）. To satisfy the requirements of deploying more types of services and serving more diversified devices in 5G evolution system， this paper investigates adaptive scheduling and multiplexing enhancement technologies. As a result， the requirements of mixed services in terms of reliability， availability， maintainability， security and integrity can be satisfied by improving the scheduling accuracy， enhancing the configured grant scheduling procedure， adjusting the working bandwidth adaptatively， modifying the mixed-service processing of terminal devices， enhancing the mixed-service multiplexing，? optimizing the interference management and control， and supporting the technology evolution of multiplexing different air-interface parameters with the same frequency for the devices with different levels.

[Key words] 5G; adaptation; scheduling; multiplexing; mixed services; device level

0? ?引言

5G移動(dòng)通信的目標(biāo)是支持隨時(shí)隨地的萬(wàn)物互連，滿足人機(jī)深入交互的需求。5G業(yè)務(wù)發(fā)展初期以熱點(diǎn)區(qū)域、城區(qū)覆蓋增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)為主，并包括少量超可靠低延時(shí)通信業(yè)務(wù)。面向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，服務(wù)更多樣的業(yè)務(wù)類型，滿足更多等級(jí)終端設(shè)備的需求已經(jīng)提上日程。本文將研究自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)的增強(qiáng)和優(yōu)化策略，以滿足多業(yè)務(wù)混合部署、多等級(jí)終端設(shè)備服務(wù)的需求。

1? ?混合業(yè)務(wù)類型和終端設(shè)備等級(jí)分析

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)可實(shí)現(xiàn)0.1～1Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率以及數(shù)十吉比特每秒的峰值速率。超可靠低延時(shí)通信則強(qiáng)調(diào)低時(shí)延、高可靠連接，涵蓋增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality/Virtual Reality， AR/VR）、工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程駕駛、電力分配等業(yè)務(wù)。針對(duì)超可靠低延時(shí)通信的不同應(yīng)用，可靠性、時(shí)延、可獲得性等方面的要求不同。例如工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用要求32字節(jié)的數(shù)據(jù)包在1 ms空口時(shí)延的要求下可靠性不低于99.9999%。有的遠(yuǎn)程駕駛應(yīng)用則要求2M字節(jié)左右的數(shù)據(jù)包的可靠性在5 ms空口時(shí)延的條件下不低于99.999%。在5G系統(tǒng)部署的中后期，5G網(wǎng)絡(luò)將成為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶的主要承載網(wǎng)絡(luò)，混合業(yè)務(wù)的部署需求將更加多樣化、復(fù)雜化，需要通過(guò)增強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)滿足多種業(yè)務(wù)類型混合部署的需求。

5G系統(tǒng)當(dāng)前的設(shè)計(jì)并沒(méi)有太多考慮終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、成本等因素。因此目前系統(tǒng)中支持的終端設(shè)備的成本、功耗等是比較高的。比如現(xiàn)在的終端設(shè)備在FR1頻段工作時(shí)，必須支持100 MHz的帶寬，在FR2頻段工作時(shí)必須支持200 MHz帶寬。另外，終端設(shè)備工作在2.5 GHz頻段以上必須支持4天線接收、在2.5 GHz頻段以下工作必須支持2天線接收。終端的功率等級(jí)也只有23 dBm和26 dBm兩種。然而在很多實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備的成本和復(fù)雜度比傳輸速率、時(shí)延和可靠性更重要。5G演進(jìn)系統(tǒng)中低等級(jí)終端設(shè)備包括工業(yè)無(wú)線傳感器、視頻監(jiān)控、可穿戴設(shè)備等。這些設(shè)備的復(fù)雜度比5G Rel 15/Rel 16系統(tǒng)中設(shè)備的復(fù)雜度低，但又高于低功率廣域網(wǎng)（如LTE-M/NB-IoT）的設(shè)備需求[1]。5G演進(jìn)系統(tǒng)中不僅要支持Rel 15/Rel 16系統(tǒng)中設(shè)備以及多種較低等級(jí)的終端設(shè)備，而且要支持這些終端設(shè)備復(fù)用、共享網(wǎng)絡(luò)資源，這也對(duì)自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)提出了新的要求。

因此，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用的增強(qiáng)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)類型混合部署、多等級(jí)終端設(shè)備服務(wù)是5G演進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方向。

2? ?自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)增強(qiáng)

2.1? 提高調(diào)度準(zhǔn)確性

自適應(yīng)調(diào)度技術(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源占用狀況、網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)傳輸需求和無(wú)線信道質(zhì)量等協(xié)調(diào)資源。高效的自適應(yīng)調(diào)度算法對(duì)有效利用頻譜資源，滿足高速率、大容量、高可靠性、高吞吐量等性能起著至關(guān)重要的作用。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常基于各服務(wù)終端設(shè)備的信道狀態(tài)信息（Channel State Information， CSI）反饋為下行數(shù)據(jù)傳輸選擇合適的調(diào)制編碼方式、資源大小、收發(fā)天線端口數(shù)目等。CSI反饋的信息越準(zhǔn)確及時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)度結(jié)果越準(zhǔn)確有效。非周期CSI可以提供比周期CSI更加豐富詳細(xì)的信道狀態(tài)信息。但是考慮非周期CSI反饋對(duì)上行資源的消耗比較大，當(dāng)前系統(tǒng)僅支持在物理上行共享信道反饋非周期CSI信息。為改善CSI信息的及時(shí)性，可以考慮基于觸發(fā)機(jī)制在物理上行控制信道反饋非周期CSI。進(jìn)一步地，也可以考慮基于其它參考信號(hào)，例如基于專用解調(diào)參考信號(hào)（Dedicated Demodulation Reference Signal， DMRS）測(cè)量CSI。終端設(shè)備如果檢測(cè)到下行數(shù)據(jù)傳輸，可通過(guò)此下行數(shù)據(jù)相應(yīng)的DMRS測(cè)量下行信道，并盡早反饋該測(cè)量結(jié)果。這樣，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以獲取到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的下行信道狀態(tài)，為該終端設(shè)備以及其他同時(shí)服務(wù)的終端設(shè)備提供準(zhǔn)確的調(diào)度決策。

2.2? 增強(qiáng)基于配置的調(diào)度流程

基于配置的調(diào)度可以提高控制信息的效率、降低調(diào)度時(shí)延[2]。基于配置的調(diào)度在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中主要用于超可靠低延時(shí)通信、VoIP等對(duì)時(shí)延要求高或者調(diào)度資源相對(duì)穩(wěn)定的業(yè)務(wù)。基于配置的調(diào)度相比實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)調(diào)度在一定程度上必然缺乏調(diào)度的靈活性。針對(duì)演進(jìn)系統(tǒng)中大量混合業(yè)務(wù)類型和海量的設(shè)備連接，使用基于配置的調(diào)度將面臨更多的協(xié)調(diào)壓力。例如工業(yè)無(wú)線感知的網(wǎng)絡(luò)中有海量的終端設(shè)備處于RRC非活躍狀態(tài)，這意味著使用基于配置的調(diào)度時(shí)，需要預(yù)留大量的資源。這些基于配置的調(diào)度在降低控制信息負(fù)載的同時(shí)，所配置的資源之間的協(xié)調(diào)、與其它調(diào)度資源之間的復(fù)用方式對(duì)系統(tǒng)資源效率的影響是很大的。另外，為確保上行傳輸?shù)目煽啃裕梢詾榻K端設(shè)備配置用于多次重復(fù)傳輸、基于配置的上行資源。終端設(shè)備必須執(zhí)行所有的上行重復(fù)傳輸。然而大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備解調(diào)前1～2次重復(fù)傳輸就可以正確解調(diào)上行信息。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在未達(dá)到最大的重復(fù)次數(shù)之前已經(jīng)正確解調(diào)上行信息，則可提前終止重復(fù)次數(shù)，提高系統(tǒng)資源的效率。

因此，優(yōu)化基于配置的資源協(xié)調(diào)復(fù)用、優(yōu)化重復(fù)傳輸?shù)奶崆敖K止流程等無(wú)線資源管理過(guò)程對(duì)于滿足各類業(yè)務(wù)、各種等級(jí)終端設(shè)備的需求，提升系統(tǒng)整體效率方面將起到重要的作用。

2.3? 自適應(yīng)工作帶寬調(diào)整

工作帶寬由一組連續(xù)的資源塊組成，對(duì)應(yīng)特定的載波和特定的空口參數(shù)集。工作帶寬的引入主要是為了支持接收機(jī)帶寬小于系統(tǒng)帶寬的終端設(shè)備，并通過(guò)不同大小工作帶寬之間的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換降低終端設(shè)備的功耗。另外，工作帶寬的配置也方便了系統(tǒng)支持不連續(xù)的頻段配置。使用合適的工作帶寬配置可適配根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需求按需分配無(wú)線資源的原則，達(dá)到優(yōu)化無(wú)線資源管理的目的。對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不太高但成本和功耗的指標(biāo)要求較高的終端設(shè)備來(lái)說(shuō)，可能需要支持更小的工作帶寬，例如可以支持以同步信號(hào)塊的頻率寬度為限的工作帶寬。通過(guò)增強(qiáng)終端設(shè)備的自適應(yīng)工作帶寬轉(zhuǎn)換流程，兼顧該等級(jí)終端設(shè)備和其它等級(jí)終端設(shè)備的資源復(fù)用效率是保證高效的調(diào)度機(jī)制的重要條件。

2.4? 改進(jìn)終端設(shè)備內(nèi)部混合多業(yè)務(wù)處理流程

自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)是在終端設(shè)備的處理能力級(jí)別上完成的。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)度算法與終端設(shè)備的處理能力直接相關(guān)。以處理下行共享信道的為例，終端設(shè)備的處理能力是關(guān)于終端設(shè)備接收并處理下行共享信道與反饋相應(yīng)的HARQ-ACK之間的最小時(shí)間差。目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持兩種處理下行共享信道的能力和兩種處理上行共享信道的能力。在一個(gè)載波的頻率范圍內(nèi)，目前僅支持終端設(shè)備按照一種處理能力的流程處理下行數(shù)據(jù)[3]。

為了提高系統(tǒng)復(fù)用效率和業(yè)務(wù)服務(wù)需求，需要支持更多種混合業(yè)務(wù)在同頻資源上的復(fù)用。一個(gè)設(shè)備內(nèi)部在同頻內(nèi)支持不同的業(yè)務(wù)類型可能需要用不同的處理能力級(jí)別的流程。如果終端設(shè)備并行執(zhí)行不同能力級(jí)別的流程，終端設(shè)備的處理效率較為低下，并且會(huì)對(duì)終端設(shè)備的成本提出很高的要求。因此，如何統(tǒng)籌終端設(shè)備的處理能力在各業(yè)務(wù)類型之間的分配以及如何優(yōu)化處理能力級(jí)別的流程將面臨新的挑戰(zhàn)。如圖1所示，為滿足終端設(shè)備內(nèi)部混合多業(yè)務(wù)服務(wù)的傳輸需求，有可能在同一個(gè)載波的同一個(gè)BWP調(diào)度給終端設(shè)備的多個(gè)PDSCH/PUSCH在時(shí)域重疊，或者在時(shí)域、頻域都有重疊。重疊的PDSCH/PUSCH各自的處理流程可能是基于終端設(shè)備的不同能力配置完成的。這種情況下，如果終端設(shè)備沒(méi)有完全按照兩種處理能力級(jí)別的流程和時(shí)序平行處理兩個(gè)調(diào)度的能力，則需要設(shè)計(jì)終端設(shè)備的處理能力如何在該兩個(gè)流程分配，以及需要優(yōu)化該兩個(gè)流程過(guò)程。

因此，通過(guò)優(yōu)化終端設(shè)備處理等級(jí)相關(guān)的自適應(yīng)調(diào)度流程，以及優(yōu)化不同終端設(shè)備的處理能力對(duì)聯(lián)合調(diào)度、復(fù)用的流程，可以達(dá)到自適應(yīng)調(diào)度適應(yīng)多種終端設(shè)備處理能力，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量和效率的目的。

3? ?自適應(yīng)復(fù)用技術(shù)優(yōu)化

3.1? 增強(qiáng)多業(yè)務(wù)的復(fù)用方式

5G網(wǎng)絡(luò)一開(kāi)始部署增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，主要的用戶面時(shí)延在4 ms之內(nèi)，可靠性則限制在90%以內(nèi)。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)單獨(dú)組網(wǎng)時(shí)，約占用20%～60%的系統(tǒng)資源。如果要在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中支持超可靠和低延遲業(yè)務(wù)，直接有效的方式即增加可用資源，例如使用更大的帶寬、更多數(shù)量的載波或者增加發(fā)射和接收天線的數(shù)量等，為每種業(yè)務(wù)分配獨(dú)立專用的資源。然而，在很多情況下并不能隨意增加可用資源數(shù)量。例如在低頻的頻段內(nèi)很難有非常大的帶寬、設(shè)備的成本，復(fù)雜度受限的情況下也不可能總是用增加發(fā)射和接收天線數(shù)量的方式改善業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量、高頻段和低頻段載波聚合的協(xié)調(diào)性有待進(jìn)一步提高。

為了針對(duì)不同的業(yè)務(wù)和終端設(shè)備等級(jí)提供適配的復(fù)用方式，目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)了資源搶占和功率控制機(jī)制。通過(guò)資源搶占機(jī)制，可以在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的部署頻率上支持業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)、時(shí)延要求高、可靠性要求高的超可靠低延時(shí)業(yè)務(wù)。如圖2所示，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中有超可靠低延時(shí)業(yè)務(wù)傳輸需求時(shí)，調(diào)度設(shè)計(jì)以優(yōu)先服務(wù)超可靠低延時(shí)業(yè)務(wù)為原則，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸則往往被丟棄。采用搶占方式復(fù)用兩種業(yè)務(wù)，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的業(yè)務(wù)被復(fù)用需求影響，嚴(yán)重的情況下將影響系統(tǒng)的整體效率。

為改善使用搶占機(jī)制帶來(lái)的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)性能下降的負(fù)面影響，可以進(jìn)一步優(yōu)化搶占復(fù)用的過(guò)程。例如在滿足條件的情況下恢復(fù)被搶占的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸或者由集中控制中心統(tǒng)籌搶占過(guò)程對(duì)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的部分信道生效，對(duì)部分信道不生效等機(jī)制。進(jìn)一步地，針對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)更加多樣化、終端設(shè)備等級(jí)差異化的需求，搶占方式可能不再能適配需求，需要引入更多類型的業(yè)務(wù)復(fù)用方式優(yōu)化方案。

3.2? 優(yōu)化干擾管理和控制

作為自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用算法的輸入因子，干擾管理和控制方案對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)整體性能和效率起著重要的作用。5G的演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)將面臨更加復(fù)雜多變的干擾水平和分布情況。特別是工作頻率分布在很大帶寬的毫米波頻段的TDD網(wǎng)絡(luò)，超級(jí)靈活的上下行配置機(jī)制和業(yè)務(wù)類型必將把干擾管理和控制方案的增強(qiáng)提上日程。干擾的場(chǎng)景可能包括不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)南滦袀鬏敾蛘呱闲袀鬏斨g的干擾。或者更極端地，可能存在不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)南滦袀鬏敽蜕闲袀鬏斨g的干擾。并且，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間、小區(qū)之間的干擾環(huán)境也面臨更加復(fù)雜和嚴(yán)重的境況。

通過(guò)干擾管理和控制的機(jī)制實(shí)時(shí)適配多種混合業(yè)務(wù)各自的可靠性、時(shí)延特性、可獲得性等需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量和效率有著重要的意義。例如，通過(guò)干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)調(diào)、資源預(yù)留、調(diào)度資源限制、發(fā)送功率調(diào)整等抑制干擾水平的方案，可以改善自適應(yīng)調(diào)度結(jié)果的干擾環(huán)境，保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的整體效率。

3.3? 支持同頻復(fù)用不同空口參數(shù)集合

當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持多種空口參數(shù)集，各種參數(shù)集對(duì)應(yīng)的子載波寬度、時(shí)隙長(zhǎng)度等不同。為靈活適配不同業(yè)務(wù)的時(shí)延、可靠性或者效率的需求，各種業(yè)務(wù)類型需要使用不同的參數(shù)集。通過(guò)自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用使不同參數(shù)集合在同頻復(fù)用是改善系統(tǒng)頻率資源效率的有效方式。然而，多種參數(shù)集的信道在相鄰的資源上復(fù)用可能帶來(lái)子載波之間的干擾。如果為空口參數(shù)集不同的信道之間預(yù)留太大的保護(hù)帶寬，又會(huì)使頻率資源效率低下。通過(guò)研究終端設(shè)備在相鄰頻率資源上用不同的空口參數(shù)集復(fù)用資源的干擾抑制方案，以及終端設(shè)備自身通過(guò)切換工作帶寬適配不同的空口參數(shù)集的方案，可以適應(yīng)終端設(shè)備之間和終端設(shè)備內(nèi)部多業(yè)務(wù)混合使用的資源復(fù)用需求。

4? ? 結(jié)束語(yǔ)

自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)在滿足5G演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更多業(yè)務(wù)類型、更多終端設(shè)備等級(jí)的需求方面起著重要的作用。作為自適應(yīng)調(diào)度和復(fù)用技術(shù)的策略，提高調(diào)度準(zhǔn)確性、增強(qiáng)基于配置的調(diào)度流程、自適應(yīng)工作帶寬調(diào)整、改進(jìn)終端設(shè)備內(nèi)部混合多業(yè)務(wù)處理流程、增強(qiáng)多業(yè)務(wù)的復(fù)用方式、優(yōu)化干擾管理和控制、支持同頻復(fù)用不同空口參數(shù)集合將為5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和部署的需求提供有效的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

閆志宇（orcid.org/0000-0002-0072-1612）：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于電信科學(xué)技術(shù)研究院研究生部，現(xiàn)任職于中國(guó)信息通信研究院，主要從事無(wú)線與移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)解決方案研究、算法設(shè)計(jì)與仿真等工作。