面向垂直行業的超可靠低時延業務時延分析

楊瑾， 尚星宇， 劉丹譜

(北京郵電大學信息與通信工程學院， 北京 100876)

作為5G三大場景之一，超可靠低時延通信(ultra-reliable and low-latency communication, URLLC)將是5G網絡服務應用到各垂直行業的重要推動力。在電子制造、自動化配電、差動保護等工業場景中，大量的生產數據需要進行實時監測與上傳匯總[1]。如何在不同通信場景下進行帶寬資源分配，進而滿足各業務的時延與可靠性要求，就成為5G網絡從理論設計到工程落地需解決的關鍵問題之一。

必須指出的是，5G網絡實際可以滿足的時延、可靠性要求除了與分配的帶寬大小密切相關之外，還取決于業務類型、調度方式、以及天線端口數、載波頻率、編碼調制方案(modulation and coding scheme，MCS)、幀結構等諸多因素在內的系統參數配置[2-3]。其中的關系錯綜復雜，無法獲得簡單的閉式表達。因此，如何建立一個完整的URLLC業務時延、可靠性與通信資源關系的分析模型，進而為各個垂直行業提供與資源分配相關的工程參考數據是一個亟待解決的問題。

現有關于URLLC的研究可分為關鍵技術和應用分析兩個方面。其中文獻[4] 針對URLLC場景在3GPP R15和R16中的設計，如微時隙幀結構、上行免調度傳輸、高可靠控制信道、多小區間干擾協調等，提出了一種了協調多小區的資源分配方法。為了減少URLLC的重傳等待時間，文獻[5]提出了一種允許用戶在混合自動重復請求進程之外重復傳輸、基站配備連續干擾消除接收機時的傳輸機制，并且驗證了該機制對于降低能耗以及提高可靠性方面的增益。文獻[6]針對URLLC在5G 新空口(new radio, NR)下行鏈路中的物理層挑戰，基于業務的關鍵要求闡述了物理層問題和支撐技術，包括分組和幀結構、調度方案和可靠性改進技術。文獻[7]基于M/G/1排隊模型分析了URLLC多用戶業務的錯誤傳輸恢復時延，并分析了將其應用于自適應控制方案中的可行性。文獻[8]則具體評估了典型URLLC應用場景(港口遠程控制和工廠自動導引車)下，基于運營商典型網絡配置的系統級業務模型。文獻[9]介紹了URLLC的關鍵技術，包括下行資源搶占和不同可靠性要求下的調制編碼映射表等，并分析了URLLC業務的空口時延組成。文獻[10]介紹了URLLC為增加分集增益以提高可靠性的關鍵技術，并分析了現網幀結構對URLLC業務時延的影響。文獻[11]為海量數據環境下智能電網系統建設及管理運用，提出了一種結合云計算和改進極限學習機的電力負荷預測模型。文獻[12]針對5G 通信網絡的特征，提出了一種考慮可靠性約束的配電網分布式供電恢復策略，構建了可靠性業務的傳輸模型。

然而,上述的相關工作缺少基于URLLC業務性能要求的一般性理論建模以及鏈路級仿真支撐，無法得出URLLC業務的時延、可靠性指標與5G網絡資源需求之間的定量關系，不能滿足為垂直行業應用部署5G NR專網時的工程測算需求。基于此，現建立用于描述URLLC時延的通用模型，為分析URLLC業務性能與5G網絡資源需求之間的定量關系提供了一種實用解決方案，可用于5G NR專網部署時的實際工程測算。

1 URLLC業務時延模型

URLLC業務的端到端時延為數據包從到達發送端MAC調度器開始，直到所有信息位在接收端MAC層成功解碼的持續時間。因此，該時延應該包括數據傳輸時延、各部分處理和調度時延以及重傳時延，并與系統參數配置緊密相關。

首先分析5G系統的時域幀結構。5G NR將1個10 ms幀分為10個1 ms子幀，每個子幀由若干時隙組成。NR傳輸數據或控制信息的基本時間單位即為時隙，1個時隙中則包含14個正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)符號。每個OFDM符號的持續時間由子載波間隔決定，其關系如圖1所示。其中Δf=2μ×15 kHz為子載波間隔(μ=0,1,2,…)。圖1右半部分以子載波間隔30 kHz為例，展示了時分雙工(time-division duplex, TDD)模式下4種典型的幀結構配置。與 4G以子幀為單位進行上、下行切換相比，這種配置大大減小了切換時間。

U和D分別表示上、下行傳輸時隙，而S表示上、下行均可傳輸的特殊時隙圖1 NR時域結構Fig.1 NR time domain structures

對于下行鏈路傳輸，基站調度時頻資源后會直接下發數據，然后根據用戶反饋的混合自動重傳請求(hybrid automatic repeat request, HARQ)判斷是否需要重傳，直至收到確認數據已正確解碼的反饋(Acknowledgement, ACK)為止。因此，下行鏈路傳輸的端到端時延包括以下部分,即

LDL=LTx+LRxProc+LSch1+(N-1)LRTT

(1)

式(1)中：LTx表示基站在下行共享物理信道(physical downlink shared channel, PDSCH)發送數據的傳輸時延;LRxProc表示用戶接收到數據的處理時延，LSch1表示用戶在上行控制物理信道(physical uplink control channel, PUCCH)回復HARQ反饋的調度時延;N表示為滿足可靠性要求所需的最大傳輸次數;LRTT表示重傳時延，包括基站從收到NACK反饋到發送數據的處理及傳輸時延、用戶的處理時延以及回復HARQ反饋的調度時延。

上行鏈路傳輸分為基于授權和免授權兩種模式。基于授權的上行傳輸需要用戶先發送調度請求(scheduling request, SR)，等待基站回復下行鏈路控制信息(downlink control information, DCI)授權之后，方可在基站分配的時頻資源上傳輸數據。若基站無法正確解碼，則會下發控制信息指示用戶重傳。因此，基于授權的上行鏈路傳輸時延將包括以下部分,即

LUL=LSch2+LRxProc+LSch3+LTx+(N-1)LRTT

(2)

式(2)中：LSch2表示用戶在PUCCH發送SR請求的調度時延；LRxProc表示基站接收到SR后的處理時延；LSch3表示基站在下行控制物理信道(physical downlink control channel, PDCCH)發送DCI的調度時延；LTx表示用戶在上行共享物理信道(physical uplink shared channel, PUSCH)發送數據的傳輸時延；LRTT表示重傳時延，包括基站從收到數據到發送重傳DCI的調度時延以及用戶從收到DCI到重新發送數據的處理和傳輸時延。免授權傳輸時，基站會為用戶保留部分資源，用戶無需發送SR即可傳輸數據。此時，式(2)中的前三項時延均為零。

基于上述時延模型，設計如圖2所示的時延計算流程。首先，在初始化階段進行各類系統參數配置。基于子載波間隔、TDD/FDD制式、幀結構、基于授權或免授權等參數配置，確定各類處理時延、調度時延以及相應的重傳時延。另基于邊緣速率、子載波間隔、基站和用戶的天線配置、物理時頻資源塊(physical resource block, PRB)數量等參數，確定滿足邊緣速率要求的最低階編碼調制方案(modulation and coding scheme, MCS)。此MCS作為入口參數，與載波頻率、信道模型、基站和終端的天線配置、帶寬、子載波間隔等參數一起輸入至鏈路級仿真平臺，通過Monte-Carlo仿真得到上述特定場景下的誤塊率 (block error rate, BLER) 與信噪比(signal to noise ratio, SNR)曲線。基于該曲線可得滿足業務可靠性要求的最大傳輸次數。最終，根據式(1)、式(2)可得URLLC業務的端到端時延。

圖2 時延計算流程Fig.2 Latency calculation process

2 時延組成分析

URLLC時延的計算與5G NR的具體傳輸模式緊密相關，包括TDD/FDD、幀結構、授權/免授權等因素都會影響到其大小。為便于分析和說明，如圖3所示，將時延計算分為TDD/FDD的上行鏈路(up link, UL)/下行鏈路(down link, DL)4種模式，并分別考察每種模式下各部分時延的組成。

圖3 傳輸時序圖Fig.3 Transmission timing sequence

2.1 TDD DL

在TDD DL的模式下，以圖3所示的子載波間隔為30 kHz、2.5 ms雙周期的TDD幀為例說明。首先，當基站數據到達調度器后，需等待至D或S時隙傳輸PDSCH，LTx為基站等待到合適的時隙并發送數據的傳輸時延。終端接收到數據包后經過從PUSCH到PDCCH的處理時延LRxProc，等待至U或S時隙發送HARQ反饋，LSch1為用戶等待到合適時隙并發送ACK/NACK的調度時延。若終端已正確解碼則發送ACK，傳輸結束；否則發送NACK，開始重傳。重傳時延LRTT包括：基站從收到NACK到準備下發數據的處理時延、基站等待至合適時隙發送數據的傳輸時延、終端從PUSCH到PDCCH的處理時延以及用戶等待至合適時隙發送HARQ反饋的調度時延。

目前考慮到終端的處理能力，終端的處理時延設置為典型值2個時隙。當選擇藍箭頭所指時隙下行傳輸數據時，終端在S或U時隙發送HARQ反饋，此時單次傳輸時延最小為1.5 ms。當選擇紅箭頭所指時隙下行傳輸數據時，基站需等待至D或S時隙發送數據，再繼續等待至U或S時隙接收HARQ反饋。因此傳輸過程中的等待時隙數最多，單次傳輸時延最大為3 ms。

2.2 TDD UL

當終端基于授權發送上行數據時，數據到達調度器后，需等待至U或S時隙發送調度請求SR，LSch2為終端等待到合適時隙并發送SR的調度時延。基站在經過PUCCH到PDCCH的處理時延LRxProc后，等待至D或S時隙發送DCI，LSch3為基站等待至合適時隙并在PDCCH發送DCI的調度時延。終端接收到DCI后，經過從PDCCH到PUSCH的處理時延后等待至U時隙傳輸數據，這部分時延之和為LTx。至此，初次傳輸完成。重傳時延LRTT包括：基站從收到數據到產生再次發送指令的PUSCH-to-PDCCH處理時延、基站等待至D或S時隙發送DCI的調度時延、終端從收到DCI調度到準備發送數據的PDCCH-to-PUSCH處理時延、終端等待至U時隙發送數據的傳輸時延。

當終端在藍箭頭所指時隙上傳數據時，傳輸過程中的等待時隙數最少，單次傳輸時延最小為2.5 ms。當基站在紅箭頭所指時隙上傳數據時，需等待至S時隙發送SR，再等待至D時隙接收DCI，最后在U時隙發送數據，此時單次傳輸時延最大為5 ms。上行免授權的情況不需要考慮SR的發送至接收過程，終端只需要等待U時隙傳輸數據即可。因此數據在U時隙發送的單次時延最小, 在黃箭頭所指時隙發送的單次時延最大。遍歷一個TDD幀中的每個時隙后可得到平均時延。

表1是對TDD DL、TDD UL、基于授權及TDD UL、免授權三種模式下，數據在子載波間隔為30 kHz、2.5 ms雙周期的TDD幀上傳輸時，單次傳輸的最大、最小和平均時延計算結果。可以看到，TDD UL免授權方式的單次傳輸時延相對最小，這是由于不需考慮授權過程以及HARQ反饋；而TDD UL基于授權方式的單次傳輸時延相對最大，這是由于傳輸過程的步驟較多以及2.5 ms雙周期TDD幀的U時隙數量較少。

表1 單次傳輸時延Table 1 Single transmission latency

2.3 FDD DL

FDD模式下，不必像TDD一樣遍歷幀中的每個時隙，因為它的時隙對于上下行沒有傳輸限制。當基站在需要發送下行數據時，首先通過PDCCH調度PDSCH，圖3中是不進行跨時隙調度的情況，LTx為1個時隙。終端在經過PDSCH-to-PUCCH的處理時延LRxProc后發送HARQ反饋。LSch1為發送ACK/NACK的調度時延。如需重傳，LRTT包括：基站PUCCH-to-PDSCH的處理時延、再次發送數據的傳輸時延、終端PDSCH-to-PUCCH的處理時延以及發送HARQ反饋的調度時延。

2.4 FDD UL

當終端基于授權發送上行數據時，終端首先發送SR，其調度時延為LSch2。基站接收SR后需PUCCH-to-PDCCH的處理時延LRxProc產生調度信息，再經過調度時延LSch3發送DCI。終端收到調度信息后經過PDCCH-to-PUSCH的處理時延后發送數據，這部分時延之和為LTx。如需重傳，LRTT包括：基站從收到數據到產生重傳調度信息的PUSCH-to-PDCCH處理時延、基站發送DCI的調度時延、終端PDCCH-to-PUSCH處理時延、終端發送數據的傳輸時延。如果上行免授權，那么終端直接發送上行數據。

3 最大傳輸次數

如式(1)和式(2)所示，URLLC業務端到端時延的計算除了要已知各部分時延分量取值外，還需要確定最大傳輸次數N。該參數與URLLC業務的可靠性要求以及物理層所用調制編碼方案緊密相關。

通常，可靠性要求為Pr表示一個數據包經N次傳輸后仍解碼失敗的概率小于1-Pr[13]。因此可靠性要求為Pr時的最大傳輸次數N與單次傳輸的誤塊率(block error rate, BLER)PeB之間具有如下關系，即

(3)

式(3)中：PeB的大小取決于MCS和SNR，通常是在選定MCS后，通過Monte-Carlo鏈路級仿真得到SNR與BLER之間的關系曲線。因此，確定最大傳輸次數的關鍵首先是選定合適的MCS。

MCS的選擇與業務要求的傳輸速率、可用時頻資源塊大小等因素密切相關。根據3GPP TS38.214中的相關定義，本文設計MCS選擇的流程如下。

(1)基于業務要求的傳輸速率Rt[14]和傳輸塊大小STB計算關系為

Rt=2μSTB×1 000

(4)

(2)根據如圖4所示3GPP TS38.214中定義的STB計算過程，倒推出中間信息位數Ninfo的大小。

(3)根據式(5)以及3GPP TS38.214中定義的目標碼率R、調制階數Qm與MCS的映射關系確定 合適的MCS,即

Ninfo=NRERQmv

(5)

式(5)中:NRE為業務信道實際可用的資源單元數量;v為天線端口數。

、為向上、下取整運算圖4 傳輸塊大小計算流程圖Fig.4 Transport Block Size calculation process

4 URLLC業務端到端時延性能仿真

4.1 鏈路仿真

如上所述，在確定了滿足邊緣速率要求的MCS后，為得到采用該MCS傳輸數據包的正確譯碼概率，需要對不同調制編碼方案下的傳輸過程進行Monte-Carlo仿真。為此，在不同調制編碼方案、信噪比及系統參數配置下仿真了約106個獨立時隙上的數據傳輸過程。其中，載波頻率參考了目前電信、聯通運營商的5G工作頻段；信道模型等其他參數參考了3GPP文件[1] [4] [15] 中對于URLLC業務的鏈路配置以及文獻[16]中對于時延敏感網絡的時延特性仿真。通過分析這些時隙中的數據包能否被正確解碼，可以得到SNR與BLER的關系曲線。仿真參數配置如表2所示。

圖5是通過鏈路仿真得到的不同MCS下SNR與BLER的關系曲線。可以看到，BLER會隨著SNR的減小以及MCS階數的增加而增大。

圖5 BLER瀑布曲線Fig.5 BLER waterfall curve

4.2 URLLC業務端到端時延

基于對各種傳輸模式下的時延組成與最大傳輸次數分析，圖6給出了在不同帶寬資源和邊緣速率下URLLC業務端到端時延分布特性。其中初始參數配置為表2，TDD幀結構為電信、聯通運營商采用的2.5 ms雙周期，可靠性要求為99.999%，SNR為1.2 dB。

從圖6中可以看出，不同傳輸模式下時延分布為0.5～40 ms以上不等。其中TDD制式相較于FDD制式的時延整體要高2～8 ms。這是由于TDD幀結構所導致的等待時延更大。免授權(grant-free，GF)模式相較于基于授權(grant-based，GB)模式的時延大約低2 ms左右。原因是GB模式中從SR發送到DCI調度的過程需要額外的處理時延和調度時延。

圖6 URLLC時延結果圖Fig.6 URLLC latency results

此外，隨著邊緣速率的增加，各種傳輸模式下所對應的傳輸時延均逐漸增大，這是由于選擇的MCS階數增大，為滿足可靠性要求的最大傳輸次數也會增加，這部分的重傳會導致最終整體時延增大。同理，特定邊緣速率下，隨著帶寬資源，即PRB數量的減小，各種傳輸模式所對應的時延均逐漸增大，最后帶寬僅為5 PRB下的時延將超過40 ms。這是由于帶寬資源小于一定值后，為滿足業務速率而選擇的MCS階數會大幅增加，因此BLER可能會增大至多次傳輸仍無法滿足可靠性要求的程度，端到端時延甚至會超過40 ms。

5 結論

URLLC適用于不同垂直行業的高延遲敏感型應用，是5G切入各垂直行業的關鍵。通過對時延的一般性理論建模，提出一種基于給定系統配置參數的時延計算方法；進一步依托5G NR的鏈路級仿真，分析了特定可靠性要求與系統參數配置下URLLC業務的時延分布特性。仿真結果表明，通過充分分析業務的具體需求、傳輸系統中的調度方式、收發機天線端口數、射頻鏈路的載波頻率、編碼調制方案、上下行幀結構等與URLLC業務數據傳輸過程相關的各種參數，結合本文提出的URLLC業務時延分析模型對URLLC業務進行鏈路級仿真以及各分量時延計算后，能夠為垂直行業實際工程測算提供理論依據和仿真支撐，為分析具體應用場景下URLLC業務性能與5G網絡資源需求之間的定量關系提供一種實用解決方案。