5G URLLC物理層關(guān)鍵技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

段向陽(yáng)，郝鵬,2，許玲

（1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057）

0 引言

車用無(wú)線 通信技術(shù)（V2X,Vehicle to Everything）是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對(duì)象。X主要包含車（Vehicle，即V2V）、人（Pedestrian，即V2P）、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure，即V2I）和網(wǎng)絡(luò)（Network，即V2N）。V2X將“人、車、路、云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，不僅可以支撐車輛獲得比單車感知更多的信息，促進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，還有利于構(gòu)建一個(gè)智慧的交通體系，促進(jìn)汽車和交通服務(wù)的新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展，對(duì)提高交通效率、節(jié)省資源、減少污染、降低事故發(fā)生率、改善交通管理具有重要意義[1]。

按標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)劃分，V2X可以分為基于802.11p/DSRC（Dedicated Short Range Communications，專用短距離通信）的V2X和基于3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）標(biāo)準(zhǔn)的V2X[1]。后者也被稱為C-V2X（Cellular V2X），包含LTE（Long Term Evolution）-V2X[6-7]和NR（New Radio）-V2X[5,8]兩種無(wú)線通信技術(shù)。C-V2X提供兩種通信接口，分別稱為Uu接口（蜂窩通信接口）和PC5接口（直連通信接口）。當(dāng)支持C-V2X的終端設(shè)備（如車載終端、智能手機(jī)、路側(cè)單元等）處于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)時(shí)，可在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制下使用Uu接口，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和更大范圍的可靠通信。無(wú)論是否有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，均可以采用PC5接口進(jìn)行V2X通信。C-V2X將Uu接口和PC5接口相結(jié)合，彼此相互支撐，共同用于V2X業(yè)務(wù)傳輸，形成有效的冗余來(lái)保障通信可靠性。

V2X的典型應(yīng)用包括“信息服務(wù)”、“交通安全”、“交通效率”以及“自動(dòng)駕駛”。“信息服務(wù)”應(yīng)用的主要場(chǎng)景之一為緊急呼叫。比如當(dāng)車輛出現(xiàn)緊急情況時(shí)（如安全氣囊引爆或側(cè)翻等），車輛能自動(dòng)或手動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起緊急救助，并對(duì)外提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，包括車輛類型、交通事故時(shí)間地點(diǎn)等。“交通安全”對(duì)于避免交通事故、降低事故帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失有十分重要的意義。典型的交通安全應(yīng)用場(chǎng)景包括交叉路口碰撞預(yù)警等。“交通效率”提升是智慧交通的重要組成部分，對(duì)于緩解城市交通擁堵、節(jié)能減排具有十分重要的意義。一個(gè)典型的交通效率應(yīng)用場(chǎng)景為車速引導(dǎo)，即路邊單元收集交通燈、信號(hào)燈的配時(shí)信息，并將信號(hào)燈當(dāng)前所處狀態(tài)及當(dāng)前狀態(tài)剩余時(shí)間等信息廣播給周圍車輛。車輛收到該信息后，結(jié)合當(dāng)前車速、位置等信息，計(jì)算出建議行駛速度，并向車主進(jìn)行提示，以提高車輛不停車通過交叉口的可能性。“自動(dòng)駕駛”的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括車輛編隊(duì)行駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛等。遠(yuǎn)程遙控駕駛是3GPP NR高可靠、低延遲課題（URLLC,Ultra-reliable and Low Latency Communications）課題重點(diǎn)評(píng)估的場(chǎng)景。在這個(gè)場(chǎng)景中，駕駛員通過駕駛操控臺(tái)遠(yuǎn)程操作車輛行駛。搭載在車輛上的攝像頭、雷達(dá)等通過5G NR網(wǎng)絡(luò)將多路感知信息實(shí)時(shí)傳達(dá)到遠(yuǎn)程駕駛操控臺(tái)。駕駛員對(duì)于車輛方向盤、油門和剎車的操控信號(hào)，利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延高可靠特性實(shí)時(shí)的傳達(dá)到車輛上，輕松準(zhǔn)確地對(duì)車輛進(jìn)行前進(jìn)、加速、剎車、轉(zhuǎn)彎、后退等駕駛操作。

通過上面介紹可以看到，在有些應(yīng)用場(chǎng)景下，C-V2X的Uu接口有高可靠、低延遲的通信需求。因此，在下面的章節(jié)中，我們將介紹5G NR R15/R16[2-3]在高可靠，低延遲方面所支持的物理層關(guān)鍵技術(shù)以及部分技術(shù)的性能評(píng)估。目前3GPP R17正在討論URLLC的進(jìn)一步增強(qiáng)，本文的最后對(duì)5G NR R17 URLLC的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 NR R15 URLLC物理層關(guān)鍵技術(shù)

NR R15把研究重點(diǎn)放在eMBB（enhanced Mobile BroadBand）的標(biāo)準(zhǔn)化上，針對(duì)URLLC的優(yōu)化比較有限，主要包括引入更短的調(diào)度單元，支持更低譜效率的傳輸來(lái)保證可靠性，支持免授權(quán)的數(shù)據(jù)傳輸。下面分別介紹。

1.1 短調(diào)度單元

NR R15通過兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)短調(diào)度單元，一是符號(hào)級(jí)別的調(diào)度（稱為type B調(diào)度），即基站可以調(diào)度一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的任意若干個(gè)連續(xù)的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplex）符號(hào)；二是支持更大的子載波間隔。

對(duì)于下行PDSCH（Physical Downlink Shared CHannel）的type B時(shí)域資源分配，起始位置可以是時(shí)隙內(nèi)的任何一個(gè)OFDM符號(hào)，長(zhǎng)度只能是2、4、7個(gè)OFDM符號(hào)且不能超過時(shí)隙邊界。僅支持3種PDSCH長(zhǎng)度的目的主要是為了降低終端接收的復(fù)雜度。

對(duì)于上行PUSCH（Physical Uplink Shared Channel）的type B時(shí)域資源分配，起始位置可以是隙內(nèi)的任何一個(gè)OFDM符號(hào)，長(zhǎng)度可以是1～14個(gè)OFDM符號(hào)且不能超過時(shí)隙邊界。

NR R15 FR1（即頻率范圍1，F(xiàn)requency Range1，410—7 125 MHz）數(shù)據(jù)及控制信道支持的子載波間隔包括15 kHz（對(duì)應(yīng)1 ms時(shí)隙）、30 kHz（對(duì)應(yīng)0.5 ms時(shí)隙）、60 kHz（對(duì)應(yīng)0.25 ms時(shí)隙）；FR2（即頻率范圍2，F(xiàn)requency Range 2，24 250—52 600 MHz）數(shù)據(jù)及控制信道支持60 kHz（對(duì)應(yīng)0.25 ms時(shí)隙）和120 kHz（對(duì)應(yīng)0.125 ms時(shí)隙）。更大的子載波間隔可以有效地減少時(shí)隙長(zhǎng)度，降低延遲。

1.2 低譜效率傳輸

NR R15支持聚合級(jí)別為16的PDCCH（Physical Downlink Control CHannel），用來(lái)提高URLLC的PDCCH的可靠性。此外，為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)信道的可靠性，NR R15針對(duì)URLLC優(yōu)化了MCS（Modulation and Coding Scheme）表格：對(duì)于CP-OFDM（Cyclic prefix OFDM）將一些高譜效率的調(diào)制編碼方式替換成了具有更低譜效率的調(diào)制編碼方式。對(duì)于DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transformation-Spreading-OFDM），除了將一些高譜效率的調(diào)制編碼方式替換成了具有更低譜效率的調(diào)制編碼方式以外，將一些高調(diào)制階數(shù)低碼率的調(diào)制編碼方式替換成低調(diào)制階數(shù)高碼率。

1.3 自反饋

為了降低反饋延遲，NR R15開始支持更短的PUCCH（Physical Uplink Control CHannel），PUCCH格式0和2長(zhǎng)度可以是1或2個(gè)OFDM符號(hào)，PUCCH格式1、3、4的長(zhǎng)度為4～14個(gè)OFDM符號(hào)。因此，可以配置能在一個(gè)時(shí)隙里同時(shí)發(fā)送PDCCH、PDSCH和PUCCH。也就是說(shuō)，允許下行調(diào)度信令，數(shù)據(jù)和HARQ-ACK（Hybrid Automatic Repeat Request ACKnowledgement）反饋存在于一個(gè)時(shí)隙里（即自反饋，如圖 1所示），這將大大降低URLLC的數(shù)據(jù)傳輸延遲。

圖1 自反饋示意圖

1.4 下行eMBB與URLLC業(yè)務(wù)共存問題

一個(gè)小區(qū)可能同時(shí)支持eMBB業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)。在基站發(fā)送eMBB的下行數(shù)據(jù)過程中，如果突然有下行URLLC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包要發(fā)送，基站需要取消已分配給eMBB的PDSCH的部分資源，盡快調(diào)度URLLC的PDSCH。當(dāng)終端知道哪些eMBB PDSCH資源被打掉時(shí)，檢測(cè)eMBB PDSCH的時(shí)候可以不利用被打掉資源對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，仿真發(fā)現(xiàn)（如圖2所示）這樣可以有效提高eMBB PDSCH的吞吐量。因此，NR R15支持資源強(qiáng)占通知（即Preemption Indication），即告訴終端對(duì)于已調(diào)度的PDSCH，基站是否在一些資源上沒有發(fā)送該P(yáng)DSCH的信號(hào)。

圖2 通知eMBB打掉資源的位置的性能

圖2中，w/o Pos at the first transmission為首次傳輸?shù)臅r(shí)候通知eMBB打掉資源位置；w/o Pos at the retransmission為重傳的時(shí)候通知eMBB打掉資源位置；w/o Pos為不通知eMBB打掉資源位置。

1.5 免授權(quán)數(shù)據(jù)傳輸

基于基站調(diào)度的上、下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮锰幨腔究梢愿鶕?jù)信道條件、干擾情況、系統(tǒng)負(fù)載等條件為每次數(shù)據(jù)傳輸分配最恰當(dāng)?shù)馁Y源和調(diào)制編碼方式，使系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。但是，基于調(diào)度的上行數(shù)據(jù)傳輸要求在上行數(shù)據(jù)到達(dá)后，終端先給基站發(fā)送調(diào)度請(qǐng)求信號(hào)，告訴基站自己有上行數(shù)據(jù)，之后基站再發(fā)送調(diào)度授權(quán)信令，調(diào)度終端發(fā)送PUSCH。這一過程會(huì)大大增加URLLC上行業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延（如圖3所示）。同時(shí)，基于調(diào)度的上、下行數(shù)據(jù)傳輸需要基站發(fā)送上、下行的調(diào)度信令，會(huì)增加系統(tǒng)控制信令的開銷。

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)度和免授權(quán)PUSCH延遲比較

NRR15 僅支持為一個(gè)終端配置一套免授權(quán)的PUSCH或SPS PDSCH（Semi Persistent Scheduling PDSCH）。這一限制迫使不同特性的業(yè)務(wù)（比如可以容忍較高差錯(cuò)和時(shí)延的語(yǔ)音業(yè)務(wù)和要求低時(shí)延高可靠的URLLC業(yè)務(wù)）只能使用相同的傳輸參數(shù)，降低了系統(tǒng)效率。此外，為了降低業(yè)務(wù)到達(dá)后的等待時(shí)間，需要縮短傳輸時(shí)機(jī)的間隔（如圖3（b）所示），即配置周期。同時(shí)，為了提高傳輸?shù)目煽啃裕芏鄷r(shí)候需要增加數(shù)據(jù)信道的長(zhǎng)度。由于信道的傳輸時(shí)間只能在一個(gè)周期范圍內(nèi)，因此，縮短配置周期和增加數(shù)據(jù)信道長(zhǎng)度相互矛盾，造成很多情況下，一套配置無(wú)法同時(shí)滿足低時(shí)延和高可靠的要求。這一問題將NR R16進(jìn)一步解決。

2 NR R16 URLLC物理層關(guān)鍵技術(shù)

2.1 下行控制信道增強(qiáng)

下行控制信道（PDCCH）增強(qiáng)主要包含兩個(gè)方面：一是引入針對(duì)URLLC的新的下行控制信息（DCI,Downlink Control Information）格式（后續(xù)簡(jiǎn)稱為URLLC DCI）。URLLC DCI可以進(jìn)一步壓縮下行控制信息的負(fù)載，提高PDCCH的可靠性。如圖4仿真結(jié)果所示，當(dāng)DCI負(fù)載從60 bit減少到40 bit時(shí)，PDCCH的性能可以提高約1 dB。另外，URLLC DCI增加了新的控制域，用于提高URLLC的調(diào)度性能。二是提高終端檢測(cè)PDCCH的能力，以便于更好地支持在一個(gè)時(shí)隙的多個(gè)位置發(fā)送PDCCH，降低控制信息的等待延遲。

圖4 DCI負(fù)載降低的性能增益（2 GHz，TDL-C-300 ns/3 kmph）

（1）URLLC DCI

在NR R16協(xié)議中，URLLC DCI對(duì)應(yīng)著DCI格式0-2和DCI格式1-2，它們分別用于PUSCH的調(diào)度和PDSCH的調(diào)度。基站通過配置URLLC DCI中各個(gè)域的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)控制DCI中控制信息數(shù)量的目的。DCI格式0-2及DCI格式1-2中各個(gè)域的大小如表1所示，控制信息數(shù)量的范圍為41比特～97比特（DCI格式0-2）或40比特～85比特（DCI格式1-2）。

在NR系統(tǒng)中，回退DCI（即fallback DCI）通常被用于無(wú)線環(huán)境較差的情況，用來(lái)保證通信系統(tǒng)的最低通信能力。因此回退DCI的負(fù)載是較低的，約為60 bit。通過表1可以看到，URLLC DCI的控制信息的下限約為40 bit，甚至大大低到回退DCI，因此URLLC DCI可以進(jìn)一步提高PDCCH的可靠性。這里需要注意的是，由于各個(gè)域的大小可配置，在一些情況下，配置的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致DCI負(fù)載增加。

除了可以壓縮DCI控制信息數(shù)量以外，URLLC DCI相對(duì)于普通的NR DCI還增加了如下新的控制域，即Open-loop indicator（用于快速提升URLLC PUSCH的發(fā)射功率，對(duì)抗eMBB PUSCH的干擾），Priority indicator（用于指示當(dāng)前業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)），Invalid symbol pattern indicator（用于支持PUSCH的重復(fù)發(fā)送的時(shí)候）。這些新的控制域可以更好地提高URLLC業(yè)務(wù)的調(diào)度性能。

NR R15的終端最多支持3+1種DCI負(fù)載，即C-RNTI（Cell Radio Network Temporary Identifier）加擾的DCI負(fù)載大小的種類的數(shù)量不超過3種，所有RNTI加擾的DCI負(fù)載大小的種類不超過4種。當(dāng)負(fù)載大小的種類多于3+1種的時(shí)候，就要進(jìn)行負(fù)載對(duì)齊的操作，即在一些DCI中增加一些額外的padding bit或者刪除一些bit，使得DCI負(fù)載的種類的總數(shù)不超過3+1種。在引入U(xiǎn)RLLC DCI之后，NR R16仍然限制DCI負(fù)載大小的種類不超過3+1種。當(dāng)DCI負(fù)載大小的數(shù)量超過3+1種的時(shí)候，DCI格式0-2和DCI格式1-2的負(fù)載大小對(duì)齊。如果DCI負(fù)載大小的種類仍然超過3+1種，則將DCI格式0-1和DCI 格式1-1的負(fù)載大小對(duì)齊。

（2）提高PDCCH檢測(cè)能力

在NR系統(tǒng)中，終端根據(jù)基站的配置，在PDCCH的監(jiān)測(cè)位置（MO,Monitoring Occasion）檢測(cè)PDCCH信道，獲得調(diào)度信息，在業(yè)務(wù)信道PDSCH或PUSCH上發(fā)送數(shù)據(jù)。為了降低URLLC業(yè)務(wù)的等待時(shí)間，降低時(shí)延，需要最大限度地減少M(fèi)O之間的間隔，甚至需要在一個(gè)slot內(nèi)支持多個(gè)MO。

表1 DCI格式0-2/1-2的信息控制域

NR R15規(guī)定了在一個(gè)時(shí)隙中，終端接收PDCCH時(shí)進(jìn)行信道估計(jì)的CCE（Control Channel Element）的最大數(shù)量（后面簡(jiǎn)稱為“最大CCE數(shù)量”）。對(duì)于子載波間隔為15 kHz或30 kHz的時(shí)候，為56個(gè)CCE。同時(shí)，也規(guī)定了盲檢測(cè)候選PDCCH的最大數(shù)量（后面簡(jiǎn)稱為“最大盲檢測(cè)數(shù)量”）。對(duì)于子載波間隔為15 kHz或30 kHz的時(shí)候，分別為44和36。NR R15的UE能力限制了MO間隔的下限。比如，為了實(shí)現(xiàn)1 ms的空口延遲，相鄰MO間隔通常要縮小到2個(gè)OFDM符號(hào)，即要求一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)MO。根據(jù)NR R15的終端能力，在15 kHz子載波間隔條件下，當(dāng)一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)MO時(shí)，每個(gè)MO支持的最大CCE數(shù)量為56/7=8個(gè)，支持的最大盲檢測(cè)數(shù)量為44/7≈6。雖然NR的PDCCH的聚合級(jí)別（即一個(gè)PDCCH使用的CCE的數(shù)量）可以為1、2、4、8、16，但是為了保證URLLC PDCCH的性能，很多情況下URLLC PDCCH需要使用聚合級(jí)別8和16。也就是說(shuō)，一個(gè)MO上只能發(fā)送一個(gè)聚合級(jí)別為8的PDCCH，大大限制了調(diào)度的靈活性。并且由于不能使用聚合級(jí)別16，URLLC PDCCH的可靠性也會(huì)受到一定的影響。

對(duì)于15 kHz和30 kHz子載波間隔，NR R16以跨度（Span）為單位規(guī)定“最大CCE數(shù)量”和“最大盲檢測(cè)數(shù)量”，一個(gè)時(shí)隙可以包含多個(gè)Span，因此進(jìn)一步增加了PDCCH的檢測(cè)能力。Span的含義包含如下要素：

1）兩個(gè)連續(xù)Span的第一個(gè)符號(hào)的間隔需要大于、等于X個(gè)OFDM符號(hào)；

2）一個(gè)Span由Y為連續(xù)的OFDM符號(hào)組成；

3）一個(gè)MO包含在一個(gè)Span之中；

4）一個(gè)Span起始于某一個(gè)MO的第一個(gè)符號(hào)，結(jié)束于某一個(gè)MO的最后一個(gè)符號(hào)；

5）Span的最終圖樣由MO的配置和(X,Y)的共同決定；

UE上報(bào)15 kHz和30 kHz子載波間隔所支持的(X,Y)組合，可選的值包括(2,2)、(4,3)、(7,3)。每種(X,Y)組合對(duì)應(yīng)的“最大CCE數(shù)量”和“最大盲檢測(cè)數(shù)量”的終端能力如表2所示：

表2 每個(gè)Span CCE及BD能力

下面通過一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明如何通過Span來(lái)定義終端檢測(cè)PDCCH能力。假定終端上報(bào)支持的(X,Y)組合為(7,3)，一個(gè)MO為一個(gè)15 kHz子載波間隔的OFDM符號(hào)，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的4個(gè)MO分別占用符號(hào)0,2,7,9。根據(jù)Span要素可得到Span的劃分結(jié)果（如圖5所示），即一個(gè)slot包含2個(gè)Span，每個(gè)Span“最大CCE數(shù)量”和“最大盲檢測(cè)數(shù)量”的能力分別為56和44，每個(gè)MO的“最大CCE數(shù)量”和“最大盲檢測(cè)數(shù)量”分別為28和22。

圖5 Span示意圖

2.2 上行控制信道增強(qiáng)

NR的物理上行控制信道（PUCCH）用于發(fā)送上行控制信息（UCI,Uplink Control Information）。上行控制信息中的調(diào)度請(qǐng)求（SR,Scheduling Request）及HARQ-ACK直接影響了URLLC的可靠性和延遲。NR R16對(duì)PUCCH的增強(qiáng)具體包括三方面：一是支持2個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的反饋碼本；二是引入子時(shí)隙（sub-slot）用于支持在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送多個(gè)PUCCH。

（1）多個(gè)優(yōu)先級(jí)碼本

在NR R15中，當(dāng)多個(gè)PDSCH的HARQ-ACK反饋位置指向同一個(gè)時(shí)隙的時(shí)候，這些PDSCH的HARQ-ACK形成一個(gè)HARQ-ACK碼本，復(fù)用到同一個(gè)PUCCH中發(fā)送給基站。碼本進(jìn)一步又可以分為動(dòng)態(tài)碼本和半靜態(tài)碼本。動(dòng)態(tài)碼本中HARQ-ACK信息數(shù)量是由實(shí)際發(fā)送的PDSCH的數(shù)量決定的。半靜態(tài)碼本中HARQ-ACK信息數(shù)量是由可能發(fā)送PDSCH的位置決定的。也就是說(shuō)，即使一個(gè)可能的PDSCH位置沒有實(shí)際發(fā)送PDSCH，終端也要針對(duì)該位置上的PDSCH反饋HARQ-ACK信息。上述可能發(fā)送PDSCH的位置由半靜態(tài)的RRC（Radio Resource Control）信令決定。動(dòng)態(tài)碼本可以有效降低上行控制信息的負(fù)載，減少不必要的反饋和資源浪費(fèi)，缺點(diǎn)是需要在DCI中增加控制信息，用來(lái)判斷是否有PDCCH丟失。半靜態(tài)碼本的好處是不需要判斷PDCCH是否丟失，但發(fā)送不不必要的HARQ-ACK信息，浪費(fèi)了上行資源。

NR R15只支持一種優(yōu)先級(jí)的碼本。因此，不能為URLLC的PUCCH單獨(dú)配置傳輸參數(shù)，優(yōu)化URLLC PUCCH的性能，也不能很好解決URLLC PUCCH與eMBB PUCCH或eMBB PUSCH沖突問題。如果URLLC PUCCH與eMBB PUCCH在時(shí)域發(fā)生沖突，只能將eMBB和URLLC的HARQ-ACK合并在一起，按URLLC的傳輸要求發(fā)送合并后的碼本，大大降低了上行控制信息的傳輸效率。

NR R16可以區(qū)分高、低優(yōu)先級(jí)的兩個(gè)碼本，因此，可以為URLLC的高優(yōu)先級(jí)碼本單獨(dú)配置傳輸參數(shù)，優(yōu)化其傳輸性能。另外，區(qū)分碼本優(yōu)先級(jí)還為解決URLLC PUCCH與eMBB PUCCH或eMBB PUSCH沖突問題提供了可能。沖突解決方法將在第2.4節(jié)討論。

（2）子時(shí)隙

NR R15為了降低終端的處理復(fù)雜度，一個(gè)時(shí)隙只允許發(fā)送一個(gè)攜帶HARQ-ACK的PUCCH。這一限制會(huì)增加上行控制信道的等待時(shí)間，提高URLLC的傳輸延遲。為了解決這一問題，NR16允許將一個(gè)時(shí)隙劃分成2或7個(gè)子時(shí)隙，每個(gè)子時(shí)隙都可以傳輸一個(gè)攜帶HARQACK的PUCCH。因此，基站可以根據(jù)URLLC PDSCH的時(shí)域位置，選擇最近的子時(shí)隙及時(shí)地發(fā)送HARQACK，有效降低了下行數(shù)據(jù)信道的反饋延遲。

2.3 PUSCH增強(qiáng)

一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用的保證URRLC業(yè)務(wù)的可靠性的方法是重復(fù)發(fā)送PUSCH。NR R15的重復(fù)方式（以下稱為type1重復(fù)機(jī)制）是以時(shí)隙為基礎(chǔ)的，即各個(gè)重復(fù)發(fā)送的PUSCH占用不同時(shí)隙的相同時(shí)域資源（如圖6（a）所示）。這種重復(fù)方式會(huì)極大增加URLLC業(yè)務(wù)的延遲，因此NR R16引入了另一種重復(fù)方式，即背靠背重復(fù)（以下稱為type2重復(fù)機(jī)制）如圖6（b）所示：

圖6 PUSCH的type1和type2重復(fù)

由于NR是以時(shí)隙、子幀以及無(wú)線幀為框架工作的。一個(gè)PUSCH的重復(fù)不允許跨時(shí)隙邊界，因此Type2重復(fù)機(jī)制需要解決重復(fù)的PUSCH如何跨越時(shí)隙邊界的問題。同時(shí)，在TDD系統(tǒng)中，還需要解決重復(fù)的PUSCH與下行時(shí)隙（或符號(hào)）以及其它不可用的資源發(fā)生沖突的問題。NR R16解決該問題的的基本思路是在時(shí)隙邊界，下行時(shí)隙（或符號(hào)）以及其它不可用的資源位置將重復(fù)的PUSCH進(jìn)行分段（如圖6（b）所示），并且要保證所有重復(fù)的PUSCH的總長(zhǎng)度不超過基站的配置。在進(jìn)一步說(shuō)明這一機(jī)制的工作原理之前，有必要先簡(jiǎn)單介紹一下NR幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及PUSCH的傳輸機(jī)制。

NR幀結(jié)構(gòu)由下行時(shí)隙（或符號(hào)）、上行時(shí)隙（或符號(hào)）以及靈活時(shí)隙（或符號(hào)）組成。顧名思義，下行時(shí)隙（或符號(hào)）和上行時(shí)隙（或符號(hào)）分別用于傳輸下行及上行信道或信號(hào)。靈活時(shí)隙（或符號(hào)）既可能用于傳輸上行信號(hào)也可能用于傳輸下行信號(hào)，由基站半靜態(tài)的配置或通過動(dòng)態(tài)的SFI指示。同時(shí)，靈活時(shí)隙（或符號(hào)）還可以起到保護(hù)間隔的作用，用于上/下行轉(zhuǎn)換以及上/下行干擾的保護(hù)。其中，動(dòng)態(tài)SFI用于將半靜態(tài)配置的靈活時(shí)隙（或符號(hào)）動(dòng)態(tài)的設(shè)置為上行、下行或靈活時(shí)隙（或符號(hào)）。

PUSCH有三種傳輸機(jī)制，即動(dòng)態(tài)調(diào)度方式、type1免調(diào)度方式（所有傳輸參數(shù)均均半靜態(tài)配置）和type2免調(diào)度方式（即免調(diào)度傳輸可以通過動(dòng)態(tài)信令激活、去激活，同時(shí)部分傳輸參數(shù)可以在激活信令中動(dòng)態(tài)改變）。

下面我們具體介紹沖突解決機(jī)制的工作原理。NR R16規(guī)定的沖突解決機(jī)制依賴兩個(gè)RRC信令及一個(gè)動(dòng)態(tài)信令來(lái)工作。第一個(gè)RRC信令規(guī)定了半靜態(tài)的靈活時(shí)隙（或符號(hào)）中哪些資源是不能于PUSCH的符號(hào)。第二個(gè)RRC信令指示是否需要通過動(dòng)態(tài)信令來(lái)推翻第一個(gè)RRC信令中指示的信息。

當(dāng)PUSCH使用動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制或type2免調(diào)度機(jī)制進(jìn)行type2重復(fù)傳輸?shù)臅r(shí)候，重復(fù)的PUSCH不會(huì)在動(dòng)態(tài)SFI指示的下行時(shí)隙（或符號(hào)）位置進(jìn)行分段。也就是說(shuō)，基站在調(diào)度過程中，要保證PUSCH的資源與動(dòng)態(tài)SFI（Subframe Format Indication）指示的下行時(shí)隙（或符號(hào)）不發(fā)生沖突。

（1）情況1：當(dāng)基站沒有配置上述第一個(gè)RRC信令的時(shí)候，所有半靜態(tài)配置的靈活時(shí)隙（或符號(hào)）都可以用于PUSCH發(fā)送，重復(fù)的PUSCH僅在時(shí)隙邊界或半靜態(tài)配置的下行時(shí)隙（或符號(hào)）發(fā)生分段。

（2）情況2：當(dāng)基站配置了第一個(gè)RRC信令，且第二個(gè)RRC信令指示基站不會(huì)通過動(dòng)態(tài)信令推翻第一個(gè)RRC信令的配置，則重復(fù)的PUSCH在時(shí)隙邊界，半靜態(tài)配置的下行時(shí)隙以及第一個(gè)RRC信令指示的不可用資源上進(jìn)行分段。

（3）情況3：當(dāng)基站配置了第一個(gè)RRC信令，且第二個(gè)RRC信令指示基站可能通過動(dòng)態(tài)信令推翻第一個(gè)RRC信令的配置。如果動(dòng)態(tài)信令指示基站沒有推翻第一個(gè)RRC信令的配置，則結(jié)果與第2種情況相同。否則，結(jié)果與第1種情況相同。

當(dāng)PUSCH使用type1免調(diào)度機(jī)制進(jìn)行type2重復(fù)傳輸?shù)臅r(shí)候，基站不允許通過動(dòng)態(tài)信道推翻第一個(gè)RRC信令的配置。這時(shí)候，如果基站沒有配置動(dòng)態(tài)SFI來(lái)調(diào)整半靜態(tài)靈活時(shí)隙（或符號(hào)）的傳輸方向，則沖突解決的方式與上述情況1、2相同。如果基站配置了動(dòng)態(tài)SFI來(lái)調(diào)整半靜態(tài)靈活時(shí)隙（或符號(hào)）的傳輸方向，則終端會(huì)根據(jù)半靜態(tài)配置下行時(shí)隙（或符號(hào)），第一第二個(gè)RRC信令以及動(dòng)態(tài)信令的指示情況進(jìn)行分段。如果終端收到了動(dòng)態(tài)的SFI，則與SFI動(dòng)態(tài)指示的下行或靈活時(shí)隙（或符號(hào)）發(fā)生沖突的分段將不能發(fā)送；如果終端沒能收到動(dòng)態(tài)的SFI，則與半靜態(tài)的靈活時(shí)隙（或符號(hào)）發(fā)生沖突的分段都不能傳輸。

2.4 終端內(nèi)上行eMBB與URLLC業(yè)務(wù)共存問題

一個(gè)終端可能同時(shí)支持eMBB業(yè)務(wù)和URLLC業(yè)務(wù)，比如終端在遠(yuǎn)程控制駕駛汽車的同時(shí)（URLLC業(yè)務(wù)）后臺(tái)在下載應(yīng)用程序（eMBB業(yè)務(wù)），這時(shí)候，eMBB業(yè)務(wù)與URLLC業(yè)務(wù)可能發(fā)生沖突。比如，終端在發(fā)送eMBB PUSCH的過程中有一個(gè)緊急的URLLC信息需要發(fā)送。NR R16提供了沖突解決方案，主要包含如下幾方面內(nèi)容：1）定義各個(gè)信道的優(yōu)先級(jí)；2）規(guī)定不同優(yōu)先級(jí)信道沖突時(shí)終端的行為；3）給出終端執(zhí)行各個(gè)操作時(shí)的時(shí)間線。

表3給出了NR R16各物理層信道、信號(hào)的優(yōu)先級(jí)指示方式。如果兩個(gè)信道發(fā)生沖突，基本原則是丟棄低優(yōu)先級(jí)的信道和信號(hào)，且UE至少會(huì)保證取消第一個(gè)沖突符號(hào)之后的所有低優(yōu)先級(jí)傳輸。當(dāng)發(fā)生沖突的信道多于2個(gè)時(shí)，先處理相同優(yōu)先級(jí)的信道沖突問題，再處理不同優(yōu)先級(jí)之間的信道沖突。如果PRACH和其他上行信道、信號(hào)發(fā)生沖突，由于沒有為PRACH規(guī)定優(yōu)先級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定終端的行為。對(duì)于被取消的信道、信號(hào)所占的資源，基站不能在該資源上調(diào)度該終端的其它信道。另外，如果發(fā)生高、低優(yōu)先級(jí)沖突，高優(yōu)先級(jí)PUCCH和PUSCH信道的準(zhǔn)備時(shí)間要比沒有沖突的時(shí)候更長(zhǎng)，這一點(diǎn)在一定程度上增加了URLLC的延遲。下面兩個(gè)場(chǎng)景是不允許發(fā)生的：

（1）高優(yōu)先級(jí)SPS PDSCH對(duì)應(yīng)的HARQ-ACK與動(dòng)態(tài)調(diào)度的低優(yōu)先級(jí)PUCCH/PUSCH發(fā)生沖突。

（2）承載SP-CSI（Semi-Persistent Channel State Information）的高優(yōu)先級(jí)PUSCH與動(dòng)態(tài)調(diào)度的低優(yōu)先級(jí)PUCCH發(fā)生沖突。

2.5 eMBB終端與URLLC終端共存問題

通常一個(gè)小區(qū)會(huì)同時(shí)存在eMBB和URLLC的終端。為了滿足URLLC業(yè)務(wù)低延遲的要求，要求URLLC數(shù)據(jù)包到達(dá)后可以立即發(fā)送出去。為了達(dá)到這一目的，一個(gè)直觀的方法是為URLLC預(yù)留一定的時(shí)、頻資源。為了滿足低時(shí)延的要求，URLLC會(huì)使用大帶寬、短時(shí)長(zhǎng)的資源分配策略，而且URLLC的業(yè)務(wù)量通常不高。所以為URLLC預(yù)留資源會(huì)極大地降低通信系統(tǒng)資源的使用效率。

NR R16考慮eMBB終端和URLLC終端共享資源工作方式（如圖7所示）。當(dāng)URLLC終端有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候，如果該資源已經(jīng)被分配給eMBB終端，則允許基站快速收回該資源并分配給URLLC終端。這種機(jī)制稱為上行取消指示（UL CI,Uplink Cancellation Indication）。另外，如果基站來(lái)不及回收資源，允許基站迅速抬升終端的發(fā)射功率，對(duì)抗eMBB的干擾，這種機(jī)制稱為功控（PC,Power Control）。

目前NR R16僅解決了高優(yōu)先級(jí)（通常用于URLLC業(yè)務(wù)）動(dòng)態(tài)調(diào)度的PUSCH與低優(yōu)先級(jí)（通常用于eMBB業(yè)務(wù)）動(dòng)態(tài)調(diào)度PUSCH、免調(diào)度PUSCH及測(cè)量參考信號(hào)的共存問題。

無(wú)增強(qiáng)（即如果資源被eMBB占用，則等待eMBB傳輸完再傳輸U(kuò)RLLC）、UL CI及PC三種方式的性能對(duì)比如圖8所示。可以看到，如果沒有增強(qiáng)，約有87%的終端滿足低時(shí)延、高可靠的要求。當(dāng)使用PC及UL CI增強(qiáng)方案后，滿足低時(shí)延、高可靠的終端比例分別提高到89%和94%。增強(qiáng)方案對(duì)系統(tǒng)性能的改善是非常明顯的。

表3 物理層各信道、信號(hào)優(yōu)先級(jí)指示方式

圖7 eMBB終端和URLLC終端共享資源

圖8 eMBB終端與URLLC終端共存方案性能對(duì)比

2.6 免授權(quán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑鰪?qiáng)

為了滿足不同業(yè)務(wù)的需要，進(jìn)一步提高URLLC的可靠性，降低延遲，NR R16支持為一個(gè)終端配置多套免授權(quán)PUSCH或SPS PDSCH，不同配置可以使用不同的傳輸參數(shù)以及優(yōu)先級(jí)。這樣，不同業(yè)務(wù)可以根據(jù)自身QoS（Quality of Service）需要，使用不同配置的免授權(quán)PUSCH或SPS PDSCH。同時(shí)，也可以通過為URLLC業(yè)務(wù)配置多套配置，每套配置使用較長(zhǎng)的周期以及不同起始位置的方式，同時(shí)滿足高可靠和低延遲的要求，如圖9所示：

圖9 通過多套配置的免授權(quán)PUSCH降低延遲

此外，由于有些URLLC業(yè)務(wù)的周期不是時(shí)隙的整數(shù)倍，使用多套配置還可以使免調(diào)度配置的傳輸時(shí)機(jī)與URLLC業(yè)務(wù)的周期更匹配。如圖10所示，當(dāng)URLLC業(yè)務(wù)的周期是2.5個(gè)時(shí)隙時(shí)，可以使用2套周期為5時(shí)隙、偏差為2.5時(shí)隙的配置來(lái)匹配URLLC業(yè)務(wù)需求。

圖10 通過多套配置匹配業(yè)務(wù)周期

3 5G NR R17 URLLC物理層關(guān)鍵技術(shù)

目前3GPP正在討論NR R17 URLLC的進(jìn)一步增強(qiáng)[4]，物理層主要包括以下方面：

（1）HARQ-ACK反饋增強(qiáng)

目前NR R17正在討論的HARQ-ACK增強(qiáng)主要包含如下內(nèi)容：

1）解決由于TDD（Time Division Duplexing）系統(tǒng)中SPS PDSCH（Semi-Persistent-Scheduling PDSCH）的HARQ-ACK與下行時(shí)隙及靈活時(shí)隙沖突導(dǎo)致HARQACK被丟棄的問題；

2）解決沒有發(fā)送數(shù)據(jù)的SPS-PDSCH的HARQ-ACK造成資源浪費(fèi)的問題；

3）支持基于子時(shí)隙的PUCCH重復(fù)；

4）重新傳輸沖突解決過程中（見2.4節(jié)和2.5節(jié)的分析）被打掉的低優(yōu)先級(jí)的HARQ-ACK；

5）支持基于子時(shí)隙的半靜態(tài)碼本，并解決相關(guān)問題；

6）在主載波和輔載波之間切換PUCCH，以便降低TDD系統(tǒng)的反饋延遲。

（2）CSI反饋增強(qiáng)

URLLC業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包具有稀疏性，而且數(shù)據(jù)包通常比較小。當(dāng)速率預(yù)測(cè)的結(jié)果發(fā)生偏差的時(shí)候，基站很難利用外環(huán)鏈路自適應(yīng)（OLLA,Open Loop Link Adaptation）對(duì)速率預(yù)測(cè)的偏差進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。因此，NR R17正在研究對(duì)CSI反饋方案進(jìn)行增強(qiáng)，以便提高基站速率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，比如支持下行DCI觸發(fā)CSI反饋，基于PDSCH測(cè)量CSI等技術(shù)。

（3）非授權(quán)頻譜的的上行增強(qiáng)

由于可能存在其它系統(tǒng)的干擾以及基于競(jìng)爭(zhēng)的資源訪問方式，一般認(rèn)為非授權(quán)頻譜很難滿足URLLC業(yè)務(wù)的延遲及可靠性要求。但是有些情況下，可以人為地控制URLLC網(wǎng)絡(luò)的部署環(huán)境（比如在一個(gè)工廠的車間環(huán)境內(nèi)），使得某一非授權(quán)頻帶上沒有其它系統(tǒng)與NR URLLC系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)資源、產(chǎn)生相互干擾。因此，NR R17將進(jìn)一步增強(qiáng)，使得URLLC可以在受控環(huán)境下部署在非授權(quán)頻譜上。主要包括如下增強(qiáng)內(nèi)容：一是支持由終端初始化的信道占用時(shí)間（COT,Channel Occupancy Time）；二是統(tǒng)一NR R16引入的NR-U和URLLC的非授權(quán)上行傳輸機(jī)制。

（4）終端內(nèi)eMBB業(yè)務(wù)與URLLC業(yè)務(wù)共存進(jìn)一步增強(qiáng)。

在NR R16，當(dāng)UE內(nèi)eMBB與URLLC業(yè)務(wù)發(fā)生沖突的時(shí)候，終端處理沖突的基本原則是丟棄低優(yōu)先級(jí)的eMBB相關(guān)的信號(hào)（如第2.4節(jié)所述）。這種處理方式比較簡(jiǎn)單，但是會(huì)影響eMBB的性能。NR R17將進(jìn)一步優(yōu)化這一問題，研究不同優(yōu)先級(jí)的UCI與PUSCH的復(fù)用方式，以及不同優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)調(diào)度PUSCH與免調(diào)度PUSCH沖突問題的解決方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了NR R15、R16 URLLC物理層的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了NR R17正在研究的URLLC物理層進(jìn)一步增強(qiáng)的方向。這些技術(shù)可以有效提高C-V2X Uu接口的可靠性、降低傳輸延遲。同時(shí)，可以支持URLLC與eMBB的高效復(fù)用，極大提高了系統(tǒng)資源的使用效率，降低C-V2X的服務(wù)成本。