一種降低5G 上行時延的資源預分配方法*

林高全，曹 芳，林錦全

（廣東郵電職業技術學院，廣東 廣州 510630）

0 引言

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）在新空口（New Radio，NR）Release 17 中提出了1 個研究項，即在非激活inactive 狀態[1]下降低上行小包數據傳輸的時延，可以通過在終端隨機接入時攜帶小包數據方式或者通過無線資源預分配[2]方式來降低上行時延，但沒有給出進一步的技術實現細節，而是作為技術研究項待各參與標準制定的公司進一步研究。

本文針對無線資源預分配方式展開研究，提出1種既可以降低5G 終端傳輸上行小包數據的時延，也可以提升無線頻譜資源利用率的方法。該方法提出1 個終端資源預分配模塊。該模塊利用5G 大規模機器類型通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）終端業務特征與小區靜態波束，根據小區中的終端分類與靜態波束對終端進行分組，并計算分組中每類終端在不同波束中的出現次數即波束個數；再根據波束個數與業務QoS 級別的組合優先級策略計算資源預分配優先級來進行無線資源預分配，并且能夠降低mMTC 上行小包數據的時延。

1 研究背景

1.1 現有5G 的用戶數據傳輸方式

5G的3大應用場景包括增強型移動寬帶（Enhance Moblie Broad，eMBB）、mMTC和高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）。其中，eMBB 對應的是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務，mMTC 對應的是大規模物聯網業務，而URLLC對應的是如無人駕駛、工業自動化等需要低時延高可靠連接的業務。mMTC 作為5G 在萬物互聯趨勢下的主要應用場景，主要專注于實現廣連接、低時延、高可靠性以及廣覆蓋等性能目標，且其傳輸特征是比較明顯的小包數傳方式。

相對于長期演進（Long Term Evolution，LTE）[2-3]，5G 的無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）狀態在保留空閑（Idle）狀態與連接（Connected）狀態的基礎上，引入了一種新的RRC 狀態即Inactive 狀態。該狀態的特征是基站保留終端的上下文信息，且面向核心網的信令面與用戶面承載一直保持著。

對于包括小包數據在內的用戶面數據傳輸[4]，按照5G Release 16 及之前的標準協議，終端必須在完成Idle 狀態遷移到連接（Connected）狀態以及建立該終端的信令面連接與用戶面承載后，才能在建立的用戶面承載上發送用戶面數據，如圖1所示。

圖1 數據包傳輸的標準流程

圖1 中信令面的信令連接建立至少需要好幾十毫秒的時間，因此，對于時延較敏感的小包數傳的mMTC 應用來說，怎么能夠盡量減少部分信令建立的時延非常關鍵。

1.2 3GPP 標準降低上行時延的分析

為了降低mMTC 用戶的小包數傳時延，3GPP標準討論Release 17 將針對非頻繁小包在Inactive狀態下的傳輸展開研究。

在Release 17 中，標準引入了研究在Inactive狀態下的mMTC 小包時延優化，并且提出了如下兩種方法。

（1）在信令中攜帶用戶數據：在隨機接入過程中（包括4 步隨機接入與兩步隨機接入）的Msg3/MsgA 中攜帶小包數據以降低時延，相對時延可降低50%以上。圖2 是4 步隨機接入的信令小包數據傳輸流程。

圖2 隨機接入信令中傳輸小包數據的流程

（2）用戶數據在用戶面傳輸：通過預分配資源給Inactive 態的mMTC 終端以降低時延，相對時延可降低90%以上。圖3 是資源預分配的小包數據傳輸流程。

圖3 資源預分配的小包數據傳輸示意

1.3 初步探討存在的問題

現有的3GPP Release 17 的臨時文檔（TemporaryDocument，TDoc）討論稿中只提到了inactive 狀態下預分配資源以降低小包數傳時延的這種方式，但沒有涉及具體的mMTC 終端預分配資源的方案，相關問題如下文所述。

（1）當前標準只是給出了用戶數據可以放在用戶面傳輸，且通過無線資源預分配方式來實現，但沒有給出具體的無線資源預分配方案。

（2）更重要的是，由于無線資源的寶貴性，一般運營商都會設置小區可以用于預分配的無線資源數量即門限參數。這是因為預分配的無線資源過多，則其他用戶接入與業務體驗會受到很大影響，進而影響小區整體性能。此外，由于預分配的無線資源有時候可能不會被終端真正使用，也會造成小區無線資源的浪費。

（3）由于一個小區內連接的mMTC 終端數量可能很多，需要考慮資源的預分配策略：既能保證盡量多的mMTC 終端的業務要求與業務性能，也要保證其他非mMTC 用戶的業務要求。

考慮到當前5G 基本上都使用大規模多入多出（massive Multiple Input Multiple Output，massive MIMO）[5]技術形成多波束覆蓋小區，此時各波束可以復用相同的頻域資源，可以大大提高小區的資源利用效率。因此，基于多波束覆蓋的場景，本文提出了一種在降低空口時延基礎上能夠高效利用可預分配的無線資源的資源預分配方法。

2 降低上行時延的無線資源預分配方案

2.1 方案網絡結構

圖4 是包含資源預分配模塊的無線側網絡結構圖。

圖4 含資源預分配模塊的網絡結構

其中，終端是指5G mMTC 終端；基站就是5G基站；資源預分配模塊是基站內部的一個邏輯功能模塊，內置在基站中，也可以是基站現有的功能模塊如無線資源分配模塊，則該已有模塊就要求同時具有描述的資源預分配模塊的功能。基站上報的終端業務特征包括業務的服務質量（Quality of Service，QoS）級別[6]、每次業務請求時間間隔、每次業務數據包大小等信息，以及基站上報的該終端所屬的小區靜態波束信息以及調制編碼方案（Modulation and Code Schemes，MCS）[7]等。資源預分配模塊主要的功能是：在每個波束內根據上述業務特征、QoS 級別、MCS 方案對終端分類標識；然后根據終端分類標識與波束標識（Identity，ID）進行終端分組，并計算終端分組后的波束個數；最后根據終端分組的波束個數與QoS 級別組合的優先策略進行無線資源的預分配，從而最大限度地利用無線資源。

2.2 可實現的技術方案

本文主要針對小包數傳時延要求較高的5G mMTC 業務場景，且基站根據終端的業務特征已經確定需要為處于inactive 狀態的mMTC 終端進行無線資源預分配的場景展開研究。

如背景介紹，由于運營商對小區的可預分配的無線資源有一定的限制，因此，需要尋找到一種更有效的方法來預分配無線資源，以滿足盡可能多的mMTC 終端進行無線資源預分配。

2.2.1 mMTC 終端分組

基站的無線資源預分配模塊首先根據每個小區的mMTC 終端的業務特征[8-9]與MCS 對mMTC 終端進行分類。其中，業務特征包括業務的QoS 級別、業務請求時間間隔、每次業務的數據量或數據包大小等。具體的分類是在業務QoS 級別相同基礎上再根據業務特征以及MCS 計算出來分配的無線資源塊（Resource Block，RB[10]）的數量相同的mMTC終端才能分為同一類。

當基站支持massive MIMO 且小區具有多個靜態波束時，比如同步廣播塊（SS/PBCH Block，SSB）波束或信道狀態信息參考信號（Channel State Information-Reference Signal，CSI-RS）波束，則分類的終端還需要增加波束ID 信息，這個波束ID 代表小區的不同靜態波束。然后無線資源預分配模塊再根據波束ID 與終端分類對mMTC 終端進行分組，不同的波束ID 與相同的終端分類分為一組。同時計算每組的波束個數以及單個波束中相同終端分類的終端數量，波束個數計算方法是累加分組中不同的波束ID 的個數。此外，如果終端分類只屬于一個波束ID，則也分為一個組；同理，對于沒有波束的小區，則相同的終端分類也分為一個組，最后生成一個小區級的mMTC 終端分組。

例如，有3 個mMTC 終端A、B、C 根據業務特征確定為都需要進行無線資源預分配。假設，終端A 的業務特征是QoS 級別為2，業務請求時間間隔為10 s，每次業務的數據包大小是20 Bytes，MCS 是16 正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，16QAM）的調制方式；終端B 的業務特征是QoS 級別為2，業務請求時間間隔為10 s，每次業務的數據包大小是10 Bytes，MCS 是正交相位鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）的調制方式；終端C 的業務特征是QoS 級別為2，業務請求時間間隔為10 s，每次業務的數據包大小是40 Bytes，MCS 是64 正交幅度調制（64QAM）的調制方式。因為A、B、C3個終端的QoS 級別都是2，根據業務特征可知具有相同的業務請求時間間隔，雖然它們的MCS 方案不同，但經過業務特征的數據包大小與MCS 方案計算后需要的無線資源RB 數量都為1 個，則A、B、C3個mMTC 終端可以分類為同一類mMTC 終端。

另外，為了保證無線資源預分配方法的高效性，當小區具有多個波束時，在資源預分配時，還可以考慮分組時每個分組中的波束之間設定一定的隔離度。比如波束的隔離度為2，即需要波束之間互不相鄰的波束ID 才能分為一組，這樣的影響是增加了分組數量，但能夠保證分組之間的資源不會相互影響，防止波束之間的相互干擾。圖5 是小區有4個靜態波束的波束隔離度示意圖。

圖5 小區4 個靜態波束的不同隔離度

2.2.2 優先級策略的無線資源預分配方案

當無線資源預分配模塊完成mMTC 終端的分組之后，就可以根據下面的業務QoS 級別與波束個數的優先級策略來進行小區的無線資源預分配，從而更有效地利用無線資源。下面分別介紹3 種優先級策略的無線資源預分配方法。

（1）QoS 優先的無線資源預分配方法

該資源預分配策略是在配置的可預分配資源中，優先預分配QoS 級別高的mMTC 終端組的資源。

具體地，先對小區內的需要預分配資源的mMTC終端分組按照QoS 優先級高低排序；當分組中某個波束的終端數量大于1 時，則預分配的無線資源按照最大的終端數量所需的無線資源進行分配；最后無線資源預分配模塊根據QoS 優先級高低進行無線資源預分配，直到預分配資源門限時停止預分配。

（2）QoS 優先與波束個數加權的無線資源預分配方法

該資源預分配策略是在配置的可預分配資源中，對QoS 與波束個數分別乘以1 個加權系數后再計算優先級的mMTC 終端組的資源。

具體地，對小區內的需要預分配資源的mMTC終端分組的QoS 乘以1 個加權系數W1，再加上1 個波束個數乘以1 個加權系數W2，然后計算優先級并按計算的優先級高低對每個組進行排序。因為每個分組中可能存在某個波束的終端數量大于1，針對這種情況，每次加權優先級后對分組中的每個波束中的終端數量減1。再按照上面的方法計算加權優先級，直到所有波束的終端數量都變為0 為止。最后，無線資源預分配模塊再根據計算的加權優先級高低進行無線資源預分配，直到預分配資源門限時停止預分配。

（3）波束個數優先的無線資源預分配方法

該資源預分配策略是在配置的可預分配資源中，優先預分配波束個數多的mMTC 終端組的資源。

具體地，先對小區內的需要預分配資源的mMTC 終端分組按照波束個數從大到小排序，因為每個分組中可能存在某個波束的終端數量大于1，針對這種情況，每次波束個數優先級后對分組中的每個波束中的終端數量減1；然后，再按照上面的方法計算波束個數優先級，直到所有波束的終端數量都變為0 為止；最后，無線資源預分配模塊再根據波束個數優先級高低進行無線資源預分配，直到預分配資源門限時停止預分配。此外，如果存在波束個數相等的情況，則根據QoS 高低判定優先級。

2.3 數據分析

為了簡化分析，本文測試時不考慮無線信號質量的影響，僅以終端UE 在小區波束中的分布來仿真分析無線資源預分配的資源節約效果。

為了分析方便，假設有10 個mMTC 終端需要資源預分配，且它們已經按照前面章節介紹的終端分類方法分為同一類mMTC 終端，分別為A(1)、B(2)、C(3)、D(4)、E(1)、F(1)、G(2)、H(2)、J(3)、K(4)，其中括號內的數字表示波束ID。按照前面描述的分組方法，它們都分為同一組，該組有4 個波束，其中，波束ID 為1 的終端有A、E、F3 個，波束ID 為2的終端有B、G、H3 個，波束ID 為3 的終端有C、J兩個，波束ID 為4 的終端有D、K 兩個。并且假設小區可以預分配的無線資源為4 個RB，且分組后的每個終端都需要有1 個RB 的預分配資源。

根據不同的優先級策略，具體數據分析如下文所述。

2.3.1 策略1：QoS 優先的資源預分配分析

假設上面的10 個mMTC 終端屬于相同QoS 級別，因為最大的終端數量為3 的波束ID 是1 與2，預分配資源就選擇波束1 來分配，總共需要分配3個RB，其中第1 個RB 與第2 個RB 資源都是4 個波束空分復用的，而第3 個RB 資源是波束1 與波束2 空分復用的。這樣，只需要3 個RB 用于無線資源預分配即可滿足要求。

2.3.2 策略2：QoS 優先與波束個數加權的資源預分配分析

對于不同QoS 級別的計算加權優先級只是QoS級別差異，因此，僅針對同一分組中的不同波束中終端數量不同時的計算過程進行說明。假設上面的10 個mMTC 終端的QoS 級別是15，QoS 的加權系數是W1，波束個數的加權系數是W2，因為波束1與波束2 中的終端數量為3，波束3 與波束4 中的終端數量為2，則計算過程為：

（1）第1 次加權計算時，4 個波束都有終端，則優先級計算：15×W1+4×W2；

（2）第2 加權計算時，因為4 個波束中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2 中的終端數量變為2，波束3 與波束4 中的終端數量變為1，則4 個波束都還有終端，則優先級計算為15×W1+4×W2；

（3）第3 次加權計算時，因為4 個波束中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2 中的終端數量變為1，波束3 與波束4 中的終端數量變為0，則只有兩個波束都還有終端，則優先級計算為15×W1+2×W2；

（4）第4 次加權計算時，因為波束1 與波束2中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2 中的終端數量變為0，則停止優先級計算。

這樣，就得到該分組的3 個優先級計算結果值用于無線資源預分配。因此，只需要3 個RB 用于預分配即可。

2.3.3 策略3：波束個數優先的資源預分配分析

假設上面的10 個mMTC 終端QoS 級別相同，因為波束1 與波束2 中的終端數量為3，波束3 與波束4 中的終端數量為2，則計算波束個數過程為：

（1）因為第1 次波束個數計算時，4 個波束都有終端，則波束個數為4；

（2）第2 次波束個數計算時，因為4 個波束中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2 中的終端數量變為2，波束3 與波束4 中的終端數量變為1，則4 個波束都還有終端，則波束個數為4；

（3）第3 次波束個數計算時，因為4 個波束中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2 中的終端數量變為1，波束3 與波束4 中的終端數量變為0，則只有兩個波束都還有終端，則波束個數為2；

（4）第4 次波束個數計算時，因為波束1 與波束2 中的終端數量都減1，此時波束1 與波束2中的終端數量變為0，則停止波束個數計算。

這樣就得到該分組的QoS 對應的3 個波束個數，用于波束個數優先的無線資源預分配。因此，只需要3 個RB 用于預分配即可。

2.3.4 分析結論

如果按照傳統的每個mMTC 終端都預分配1 個RB，則只能分配給4 臺終端，而按照本文介紹的3種資源預分配策略進行無線資源的預分配，不但能夠滿足10 臺終端的資源預分配要求，而且還能節約1 個RB 可以給其他QoS 級別的終端用于預分配。因此，按照本文的算法能夠大大提高可預分配的無線資源的利用率。

3 結語

本文介紹的無線資源預分配方法在充分利用5G 的MIMO 波束以及mMTC 終端的業務特征進行終端分組，并通過對3 種不同的優先級策略進行無線資源預分配的結果進行理論分析。在終端分布滿足不同波束下時，能夠有效地利用所配置的預分配的無線資源，提高同時數傳的5G mMTC終端的數量，從而提升小區容量，同時，也能順帶降低5G mMTC終端的上行時延。