5G系統(tǒng)中uRLLC搶占傳輸分析研究

［石靖］

1 引言

目前5G NR系統(tǒng)[1]和4G LTE[2]系統(tǒng)均支持uRLLC業(yè)務[3～4]，相較于4G系統(tǒng)，5G系統(tǒng)中支持不同的子載波間隔，即除了4G系統(tǒng)支持的15 kHz，還支持30 kHz、60 kHz和120 kHz的子載波間隔，使用較大的子載波間隔在降低網(wǎng)絡時延具有明顯優(yōu)勢。并且由于5G系統(tǒng)可以同時支持eMBB業(yè)務和uRLLC業(yè)務，基站側在時頻資源充足時，在一個時隙內(nèi)可以同時分配用于eMBB業(yè)務和uRLLC業(yè)務的頻域資源。但是如果面臨實時到達的uRLLC業(yè)務，此時基站側已經(jīng)將時頻資源分配給了eMBB業(yè)務，5G系統(tǒng)支持使用搶占傳輸方式保證uRLLC業(yè)務及時傳輸，這是4G系統(tǒng)所不具備的功能。通過介紹5G系統(tǒng)中新引入的搶占傳輸，分析其工作原理，以及在實際網(wǎng)絡部署中基站側和終端側如何使用該技術。

2 uRLLC關鍵技術

當前uRLLC的主要應用場景包括工廠自動化、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療和虛擬現(xiàn)實等。不同于常規(guī)的公網(wǎng)業(yè)務傳輸，上述應用場景對于業(yè)務傳輸?shù)目煽啃院蜁r延具有更高需求[3]。5G系統(tǒng)中支持uRLLC業(yè)務的關鍵技術相較于4G系統(tǒng)的新技術包括：

基于更短時長的傳輸：目前5G系統(tǒng)中支持符號粒度的業(yè)務信道調(diào)度，與4G系統(tǒng)中基于微時隙粒度的傳輸類似。但是5G系統(tǒng)中支持不同的子載波間隔，即除了4G系統(tǒng)支持的15 kHz，還支持30 kHz、60 kHz和120 kHz的子載波間隔，使得符號的時域長度在使用更大的子載波間隔時具有更短的時長。因此uRLLC業(yè)務的傳輸時長相較于4G系統(tǒng)明顯降低。

免調(diào)度傳輸：5G系統(tǒng)中支持兩種免授權調(diào)度，一種類似于4G系統(tǒng)中的上行半靜態(tài)調(diào)度（UpLink Semi-Persistent Scheduling，UL SPS），即需要下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）激活免調(diào)度傳輸，之后以周期方式傳輸上行數(shù)據(jù)節(jié)省調(diào)度請求過程的時延。另一種是無需DCI激活的免調(diào)度傳輸，基站配置周期性的傳輸資源，當終端有上行業(yè)務需要發(fā)送時，直接使用這些預先配置好的資源進行傳輸，省去了調(diào)度請求過程和DCI激活過程的時延，相較于4G系統(tǒng)中的UL SPS進一步節(jié)省了激活過程的時延。

搶占傳輸：為了保證uRLLC業(yè)務的性能，基站可以通過搶占eMBB業(yè)務已經(jīng)分配到的資源強行分配資源給uRLLC業(yè)務?；就ㄟ^發(fā)送搶占指示信息，將搶占的資源通知給eMBB用戶，eMBB用戶解讀搶占指示信息可以避免合并錯誤數(shù)據(jù)，如果解碼錯誤可以結合重傳保證eMBB性能。

3 搶占傳輸深入分析

傳輸時長（transmission duration）不等的物理下行業(yè)務信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH），主要應用場景為下行eMBB業(yè)務和下行uRLLC業(yè)務之間動態(tài)復用有兩種機制。一種是通過調(diào)度實現(xiàn)二者之間沒有資源重疊，例如兩者以FDM或TDM方式復用；另一種是通過搶占傳輸實現(xiàn)uRLLC業(yè)務搶占eMBB業(yè)務已經(jīng)分配的資源進行傳輸。對于第一種方式，完全通過基站調(diào)度實現(xiàn)即可。對于第二種方式，主要應用場景為uRLLC業(yè)務沒有足夠的資源并且同時eMBB業(yè)務已經(jīng)占用了大量資源，此時考慮到uRLLC業(yè)務的時延和可靠性需求，允許其搶占已經(jīng)分配了資源的eMBB業(yè)務的資源，并且發(fā)送相應的搶占指示信息通知被搶占的eMBB業(yè)務的資源位置。

例如圖1所示，參考下行資源時域上為1個時隙（slot），頻域上為1個部分帶寬（BandWidth Part，BWP），通過在slot #n+1的前兩個正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符號中的物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）承載搶占指示信息（Preemption Indication，PI），通知eMBB UE在slot #n中哪些資源被搶占。

圖1 搶占傳輸示意

3.1 搶占傳輸配置

在5G系統(tǒng)中，搶占傳輸作為一種可選功能，UE是否需要監(jiān)控搶占指示信息由基站通過RRC信令配置確定。當配置需要監(jiān)控搶占指示信息時，基站通過搶占指示信息通知UE哪些物理下行資源被搶占。對于搶占指示信息指示的資源，UE認為在這些資源上沒有數(shù)據(jù)傳輸。因此，如果UE沒有被配置監(jiān)控搶占指示信息，則不會知曉其eMBB傳輸是否被搶占資源，此時基站可以通過動態(tài)調(diào)度實現(xiàn)eMBB與uRLLC以無資源沖突的方式復用。另外，無論基站配置該UE是基于傳輸塊（Transmission Block，TB）方式還是基于碼塊組（Code block group，CBG）方式傳輸，均可配置搶占傳輸。

3.2 參考下行資源RDR

在一個確定的時頻資源區(qū)域，標準中稱為參考下行資源（Reference Downlink Resource，RDR），通過攜帶搶占指示信息的組公共DCI（Group Common DCI，GC DCI）在RDR中指示被搶占資源。

RDR的時域區(qū)域：等于攜帶搶占指示信息的GC DCI的監(jiān)控周期，該周期由RRC信令配置，支持時隙粒度的監(jiān)控周期，不支持微時隙粒度的監(jiān)控周期，支持的具體周期取值為{1，2，或4}個slots。對于時分復用（Time Division Duplexing，TDD）系統(tǒng)，對于半靜態(tài)配置的上行符號（UL symbols）不包含在參考下行資源內(nèi)。對于配置的周期，RDR起始于前一個控制資源集（Control Resource Set，CORESET）的第一個符號，終止于當前承載PI的CORESET之前，即當前COREST的前一個符號。

RDR的頻域區(qū)域：等于激活的DL BWP，包含B個PRB。

3.3 搶占傳輸指示

搶占傳輸指示信息PI通過PDCCH承載，使用GC DCI。搶占指示信息不會包含在調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸/重傳的DCI中，即作為獨立的DCI使用。承載搶占指示信息的DCI格式為format 2_1，指示基站配置的多個服務小區(qū)的PI信息。使用基站配置的中斷傳輸無線網(wǎng)絡臨時標識（Interrupted transmission Radio Network Temporary Identifier，INT-RNTI）加擾CRC。具有固定比特大小的PI信息（不包含CRC和padding bits），在參考下行資源中以bitmap方式指示被搶占的資源。在一個激活DL BWP中，使用14比特的bitmap指示一個或多個頻域部分（N＞=1）和/或一個或多個時域部分（M＞=1）；其中可選的{M，N}組合有兩種，分別為{14，1}或{7，2}，通過1bit RRC信令配置其中之一。搶占指示信息使用14bit，分別指示{M，N}={14，1}或{7，2}共計14個資源子塊，其中資源子塊按照先頻域后時域的順序編號，使用14比特與資源子塊一一對應進行指示。配置UE監(jiān)控PI指示是基于每個BWP指示的。發(fā)生搶占傳輸與發(fā)送搶占指示信息的定時關系為，在當前RDR發(fā)生搶占傳輸，由緊鄰的后一個RDR中的CORESET內(nèi)承載的PI進行指示。

對于載波聚合場景，在同一個物理上行控制信道組（Physical Uplink Control Channel group，PUCCH group），UE可以被配置在一個服務小區(qū)指示多個服務小區(qū)的PI信息，每個服務小區(qū)對應一個PI指示，由RRC配置每個PI指示對應的小區(qū)。

特別的，對于TDD系統(tǒng)，如何實現(xiàn){M，N}={14，1}或{7，2}。RRC信令配置監(jiān)控PI的周期為T個slot，T=1，2，或4，包含14T個OFDM符號，去除高層配置幀結構中的上行符號數(shù)，剩余符號數(shù)為N1。對于{14，1}，使用14比特指示14個符號組，前個符號組包含個符號，后個符號組包含個符號。對于{7，2}，使用7對比特指示7個符號組，前個符號組包含個符號，后個符號組包含個符號，其中每對比特的前1個比特指示該符號組中前個PRB，后1個比特指示該符號組中后個PRB。例如1個slot中有4個UL symbols，當配置監(jiān)控PI周期為1個slot時，則配置為{14，1}時使用14比特的前10比特以1OS的粒度一一對應指示10個非UL符號，后4比特保留；配置為{7，2}時使用7對比特（共計14比特）指示7個符號組，前3個符號組每組包含2個符號，后4個符號組每組包含1個符號，且每對比特分別指示該符號組前一半BWP和后一半BWP。

通過示例更加清楚的描述搶占傳輸指示。搶占傳輸指示信息使用14比特，其中每個比特指示“1”表示被搶占，指示“0”表示沒有被搶占。如圖2所示，根據(jù)URLLC業(yè)務占用情況，對于{M，N}={14，1}，每個資源子塊大小為{1OS，1BWP}，PI指示為“00001100000000”，對于和{M，N}={7，2}，每個資源子塊大小為{2OS，1/2 BWP}，PI也指示為“00001100000000”。再例如圖3所示URLLC業(yè)務占用情況，對于{M，N}={14，1}且PI指示為“00001111000000”，對于和{M，N}={7，2}且PI指示為“00000101000000”。

圖2 搶占傳輸示意

圖3 搶占傳輸示意

3.4 UE行為

標準中幾乎沒有限制UE接收PI后的行為，少量的規(guī)定僅有：對于基于slot粒度的監(jiān)控周期，UE沒有被調(diào)度PDSCH傳輸時無需監(jiān)控搶占指示信息；UE無需在非連續(xù)接收的slots中監(jiān)控搶占指示信息；UE無需在非激活DL BWP中監(jiān)控搶占指示信息。UE無需考慮將一個BWP中檢測到的PI指示應用到同一載波的另一個BWP中調(diào)度的PDSCH。PDSCH傳輸?shù)腍ARQ時序不受搶占指示影響。

3.5 應用搶占指示

由于標準中沒有規(guī)定UE接收到搶占指示信息后如何使用PI，因此進一步分析可行的應用搶占指示的方式。

UE接收到PI是否重新解碼或重新生成HARQ-ACK信息，可以取決于UE能力或根據(jù)規(guī)定的時間門限值確定。當UE不具備該能力或時間不足時，則不使用PI進行重解碼或重新生成HARQ-ACK。當能夠重接碼或重新生成HARQ-ACK時，可以提高系統(tǒng)傳輸效率，避免不必要的重傳。

UE在進行HARQ合并時，可以使用PI信息將前一次傳輸?shù)腜DSCH中被搶占部分的數(shù)據(jù)丟棄再與本次重傳的數(shù)據(jù)進行HARQ合并，提升解碼性能。

當PI與碼塊組刷新指示（Code Block Group Flushing out Information，CBGFI）都收到時，一種方式為PI優(yōu)先級更高，即無需清楚整個buffer，優(yōu)先按照PI指示丟棄被搶占的數(shù)據(jù)進行譯碼或HARQ合并，仍然錯誤時再按照CBGFI指示清空buffer。另一種方式為按照CBGFI指示，忽略PI指示，這樣更快的清空buffer用于新數(shù)據(jù)傳輸。

4 結束語

本文通過分析研究5G系統(tǒng)中新引入的搶占傳輸機制，分析其工作原理，在基站側如何使用搶占指示信息通知給eMBB UE被搶占的資源，以保證URLLC業(yè)務的性能。對應終端側如何理解搶占信息以及如何應用搶占指示信息也給出了相關建議，為今后實際網(wǎng)絡部署中基站側和終端側更加高效的使用搶占傳輸技術提供參考。