uRLLC关键技术及标准演进

高雪娟

【摘  要】从PDCCH、PUCCH、调度和资源分配、免调度PUSCH以及不同业务类型的复用传输等方面介绍了uRLLC的物理层关键技术，通过多方面的技术设计，实现uRLLC的低时延和高可靠特性。介绍了uRLLC的典型应用场景以及uRLLC在3GPP标准化组织中不同的NR版本中的标准演进过程。

【关键词】uRLLC;PDCCH;PUCCH;复用传输

1   引言

第五代移动通信系统（5G NR）包括三大应用场景，即增强移动宽带（eMBB）、海量大连接（mMTC）以及低时延高可靠（uRLLC）。uRLLC有两个基本特点，即高可靠和低时延。所谓高可靠，是指数据包的BLER至少达到目标BLER的量级，例如10-5或10-6量级。所谓低时延，是指空口时延必须低于最大时延要求，例如0.5 ms或1 ms。其中，不同的应用场景根据实际需求对时延和可靠性的要求不尽相同。3GPP TR 38.913对uRLLC的时延定义为用户面单向（上行或下行）时延不超过0.5 ms，对可靠性定义为用户面时延1 ms内，传送32字节包的BLER达到10-5。

uRLLC作为5G系统的三大应用场景之一，广泛存在于多种行业中。常见的应用场景包括如下几个方面：

◆娱乐产业中的AR/VR;

◆工业控制系统，例如机器人、工业自动化等;

◆交通和运输，例如远程驾驶等;

◆智能电网和智能家居的管理;

◆交互式的远程医疗诊断等。

2   uRLLC的物理层关键技术

uRLLC在物理层的研究主要包括PDCCH、PUCCH和UCI传输、调度和资源分配、免调度PUSCH传输、eMBB和uRLLC的复用传输等几方面的内容。物理层的设计方案将直接影响uRLLC低时延和高可靠指标的实现，因此在具体设计信道结构时需要额外考虑可靠性以及时延方面的影响，例如采用更加稳健的传输方案、物理结构，更短的传输时延等。

（1）PDCCH设计

从支持低时延和高可靠双重标准的角度，设计了基于控制资源集合（CORESET， Control Resource Set）和搜索空间相结合的PDCCH传输方式。

控制资源集合由时域上的1～3个OFDM符号、频域上以连续的6个PRB为资源粒度进行配置的多个RB构成，CORESET内的频域资源可以是连续或者非连续的。一个CORESET包含了时域资源大小、频域资源的大小和位置、预编码颗粒度、波束、CCE到REG的映射规则等参数，用于实现对不同传输需求的支持。每个BWP内可以配置最多3个CORESET。通过配置较少符号的CORESET，可以实现更低的传输时延;通过对不同的CORESET配置不同的波束，可以实现uRLLC终端更加稳健的传输;通过配置CCE到REG的交织映射方式，可以实现PDCCH传输的频域分集增益。其中，CCE到REG的交织映射，可以使用行数为2、3、6的交织器，CORESET内的所有REG组按照按行写入按列读出方式进行交织映射，如图1所示：

搜索空间由一组候选PDCCH组成。每个BWP内最多可配置10个搜索空间，用于设置不同的搜索空间类型，匹配不同的业务类型和场景，传输不同的DCI格式等。每個搜索空间的类型、周期、大小等均可独立配置。一个搜索空间包含PDCCH的监听周期和偏移值、PDCCH在一个时隙内的监听图样、搜索空间内每个聚合等级包含的候选PDCCH数目、搜索空间的类型以及相关类型下需要检测的DCI格式等信息。通过配置合理的PDCCH的监听周期和偏移值以及PDCCH在一个时隙内的监听图样，可以实现较为密集的PDCCH监听机会，从而降低调度时延;通过配置较高的聚合等级，可以提高PDCCH的传输可靠性。

CORESET和搜索空间之间通过编号关联，结合两者各自指示的时频域信息可以确定PDCCH的监听机会。再根据CORESET的配置获知在每个监听机会中的PDCCH所对应的预编码颗粒度、波束、CCE到REG的映射规则等信息，并按照搜索空间的配置确定待检测的聚合等级以及每个聚合等级所对应的候选PDCCH数量，从而可以对不同传输需求的PDCCH进行检测。图2为CORESET和搜索空间配置示例，该例子中CORESET占用2个OFDM符号，搜索空间中配置的PDCCH监听周期为1个时隙，时隙内PDCCH监听的图样为10001000100010。

为了保证uRLLC下行控制信道在不同场景下（例如高速场景和低速场景）都具有足够的覆盖和可靠性，其传输模式需要非常健壮。为此，uRLLC采用单端口的REG组间的预编码轮询传输的发射分集方案，以克服SFBC在如下两方面的缺点：一方面，需要成对的RE用于数据传输，影响PDCCH信道结构的灵活性;另一方面，支持SFBC方案需要至少2个正交的天线端口，直接增加了导频开销，部分抵消了其发射分集增益。

预编码轮询通过在不同的REG组（包括数据RE以及DMRS RE）轮流应用不同预编码矩阵的方式达到发射分集的效果。由于REG组内的数据和DMRS的预编码矩阵是相同的，这一操作对于终端是完全透明的。以2根发射天线的基站为例，预编码矩阵集合可以为{[1， 1]T， [1， -1]T， [1， j]T， [1， - j]T}，则基站在发送下行控制信息时，为承载所述控制信息的REG组随机选择如上预编码矩阵或者循环选取，如图3所示。基站也可以根据终端上报的信道状态信息（Channel State Information， CSI）选择预编码矩阵集合。

评估结果表明，单端口预编码轮询的性能均接近或者超过SFBC。

此外，在现阶段的Release16 uRLLC研究中，正在从DCI压缩和增加PDCCH检测能力的角度上进行相应的增强研究，以期使用更小的DCI实现更快速和更高效的PDCCH传输，并且一个时隙内存在较为密集的PDCCH监听机会时，可以使终端有足够的能力完成对所有监听机会中的候选PDCCH的监听，避免PDCCH阻塞。

（2）PUCCH设计

PUCCH作为承载HARQ-ACK、CSI和SR的信道，其设计除了考虑时延和可靠性之外，还需要考虑承载容量、复用容量等方面的因素。

为了实现uRLLC较低的传输时延，可以使用时域占用1到2个符号的短PUCCH，即NR系统中定义的PUCCH格式0和PUCCH格式2，分别用于承载不超过2比特以及2比特以上UCI的传输。

PUCCH格式0可用于传输1到2比特UCI，主要是HARQ-ACK和SR。为了保证在一个OFDM符号上较低的功率峰均比（PAPR，Peak-to-Average Power Ratio）特性，以及多用户复用传输特性，PUCCH格式0不使用参考信号，在其占用的每个OFDM符号上采用序列选择方式传输1到2比特HARQ-ACK，如图4所示：

PUCCH格式2可用于传输大于2比特的UCI，包括了单独传输的HARQ-ACK、CSI以及多种UCI的复用传输，可以通过配置不同的RB数以及码率支持不同的承载容量。采用编码方式传输UCI，不超过11比特时，采用RM编码，超过11比特时，采用polar编码。当PUCCH仅占用1个OFDM符号时不能支持UCI和DMRS的TDM复用传输，因此采用了UCI和DMRS在同一个OFDM符号上FDM复用的结构。综合考虑解调性能和RS开销，结合仿真评估，确定DMRS在每个RB上的开销为1/3。

此外，为了缩短SR的反馈时延，从而降低上行传输的时延，在基于时隙的SR周期的基础上，还可以配置以2、4、7个符号为周期的SR传输。短于一个时隙的SR周期可以更好支持随时到达的低时延业务传输。考虑到对不同业务类型的上行数据的调度请求的并发支持，可以同时为一个用户配置最多8个SR配置。每个SR配置对应了与某种业务需求相关的一系列SR传输相关的参数，如SR周期、偏移、PUCCH资源等参数。不同的SR配置对应了不同的逻辑信道，对应关系在MAC层维护。

在Release 16 uRLLC WI的现阶段研究中，支持在1个时隙中存在多个基于sub-slot的PUCCH传输，用于缩短基于时隙进行HARQ-ACK反馈的反馈时延。具体的实现方案还在研究讨论阶段。

（3）调度和资源分配

在PDSCH和PUSCH资源分配方面，支持灵活的时域资源分配，通过调度较少的时域符号数，缩短PDSCH和PUSCH的传输时延。通过使用DMRS总是在数据信道的第一个符号传输的映射方式可以更好地适应短符号的数据信道传输，使接收端可以尽快基于DMRS进行信道估计。

在PDSCH的调度和反馈方面，支持灵活的调度和反馈时序，对于处理能力比较高的终端（如支持处理能力2的终端），通过调整K0和K1，可以实现本时隙内调度以及本时隙内反馈，例如设置K0=0、K1=0。

考虑到现有的LTE CQI和MCS表格不能实现单次传输达到10-5 BLER的性能要求，因此，在Release 15 uRLLC WI阶段，分别为uRLLC PDSCH和PUSCH定义了新的MCS和CQI表格。在原CQI表格的基础上引入2個更低码率的CQI等级，相应地在原MCS表格中增加了低频谱效率的元素并删除了高频谱效率的元素以维持32个元素个数。通过扩展RRC中的CQI和MCS指示信令，使用MCS-RNTI来支持对新表格的配置使用。

在Release 16 uRLLC WI的现阶段研究中，为了更好地满足uRLLC业务的低时延传输，支持乱序调度和反馈，从而保证一个突然到达的uRLLC业务可以及时被调度传输或者及时进行HARQ-ACK反馈。乱序调度可能导致同一个终端的uRLLC业务和eMBB业务的传输和处理冲突，具体的解决方案还在研究讨论阶段。

（4）免调度PUSCH

免调度PUSCH，即PUSCH传输之前，终端不需要向基站发送SR，也不需要等待基站的上行调度许可，而是由终端在预先配置或激活的资源自主进行PUSCH传输。相对于基于调度的数据传输，省去了调度请求和数据调度的时延。上行免调度的流程如图5所示：

上行免调度传输方案分为Type 1和Type 2两种。在Type 1中，PUSCH的传输参数是通过RRC配置的，根据配置信息，可以确定周期性的PUSCH传输机会以及PUSCH的传输参数，如MCS等。当终端上行有新数据到达时，可以在最近的传输机会直接进行PUSCH传输。在Type 2中，PUSCH的传输参数是通过RRC和PDCCH共同配置的，类似于LTE的SPS过程，RRC配置周期和偏移等参数，PDCCH激活信令通知配置的Type2激活并同时指示时频域资源、MCS等调度信息。只有在收到激活信令之后，终端才能使用对应的PUSCH资源进行上行免调度传输。如果想释放Type2 PUSCH资源，可以通过发送PDCCH去激活信令来实现。

为了提供更多、更密集的传输机会，以便更好地适应上行数据，减少等待时延，Type 1和Type 2免调度资源的周期最小可以为2个OFDM符号。

为提高传输的可靠性，上行免调度可以通过一个传输周期中的多个传输机会实现同一个TB的K次重复传输。K次重复传输可以通过改变冗余版本（Redundancy Version，RV）获得更大的增益，但为了保证可译码性，须以RV=0对应的传输机会作为起始位置。显然一个周期中包含的对应RV=0的传输机会越多，能够提供给上行免调度传输的起始机会越多。目前定义了{0， 0， 0， 0}、{0， 3， 0， 3}、{0， 2， 3， 1}共计3个不同的RV序列，不同的RV序列可以支持在可靠性和时延上的不同需求。

NR系统设计中从实现简单角度考虑，目前仅支持以时隙为单位的重复传输。因此，K次重复传输只能以时隙为单位进行。这在一定程度上增加了重复传输的时延，因此，在Release 16 uRLLC WI的现阶段研究中，正在对跨时隙的重复传输进行研究，以期在保证重复传输可靠性的基础上，减少重复传输代理的时延。

（5）eMBB和uRLLC的复用传输

为了提高系统的资源利用率，NR支持eMBB和uRLLC业务之间时分或者频分复用传输。为满足时延要求，一个终端突发的uRLLC业务可以抢占其他终端已经在传输的eMBB业务的资源，从而中断这些终端的eMBB业务在部分资源上的传输。显然，这种传输方式会对eMBB的传输性能造成一定影响，为了降低这种影响，引入了下行抢占（Preemption Indication， PI）指示机制，即通过公共控制信道发送PI指示信息，通知终端在一个参考下行区域（RDR， Reference DL Region）内被抢占的时频资源。终端在接收到PI信息后，可以假设在PI指示的区域中不存在其自身的数据传输，以避免终端将被抢占资源上的uRLLC业务当作自身的eMBB业务进行存储以及后续的重传合并，从而导致的错误传播。图6为下行PI指示示意图：

对于上行传输，也会存在uRLLC和eMBB之间的抢占问题，但不同于下行，由于eMBB和uRLLC的上行传输来自不同的终端，当占用相同资源时，会存在相互干扰。为了避免这种干扰，一方面可以通过对uRLLC传输进行功率提升，另一方面，可以定义上行停止（Cancellation Indication， CI）指示机制，告知eMBB终端停止其上行传输，以避免eMBB上行对uRLLC上行的干扰。CI的发送机会需要与uRLLC的调度和传输机会相匹配才能及时反应出uRLLC业务的存在，因此，如何使eMBB终端及时获得CI信息是关键。uRLLC在Release 16 uRLLC WI的现阶段研究中，正在对功率提升和CI指示机制的具体方案进行相关研究和讨论。

3   标准化进程

为了实现uRLLC时延和可靠性指标，各标准化组织展开了对uRLLC的立项研究。在NR Release 15阶段中，3GPP物理层（RAN1）就已经在各信道、信号传输的方案设计上，将uRLLC作为支持的主要场景之一。所引入的灵活的调度和反馈时序、灵活的时域资源分配、灵活的上下行时隙结构指示等方面的设计，都为支持低时延的uRLLC传输提供了基本技术支撑。密集的PDCCH传输机会、更短的UCI上报周期和SPS传输周期、免调度PUSCH传输、控制和业务信道的重复传输、下行Preemption指示等设计则是为uRLLC的低时延和高可靠指标所进行的专属设计。

此外，在NR Release 15阶段中，3GPP物理层还初步展开了对uRLLC的专属研究。在2017年12月召开的3GPP RAN#78次会议中通过了Release 15阶段的uRLLC Scope，并从2018年2月到5月通过RAN1召开的三次会议完成了该Scope的研究。由于时间有限，该阶段最终仅通过了支持10-5 BLER指标的新的MCS和CQI表格的设计。

随后，在NR Release16阶段，继续基于Release 15阶段的uRLLC研究成果做进一步的物理层增强研究。在2018年6月召开的3GPP RAN#80次会议上通过了Release16 uRLLC的SI立项，并从2018年8月到2019年2月通过RAN1召开的四次会议完成了该SI阶段的评估工作。从系统仿真和链路仿真各方面評估了主要的uRLLC场景的传输性能，确定现有技术与uRLLC性能指标的差异，从而确定对uRLLC增强的方向和候选方案。在2019年3月召开的3GPP RAN#83次会议上通过了Release16 uRLLC的WI立项，基于SI阶段形成的评估结果和指导方案，继续从PDCCH增强、UCI增强、PUSCH增强、调度和HARQ增强、不同业务的复用传输等方面展开uRLLC的增强研究。该WI从2019年4月的RAN1会议开始执行，预计到2019年底结束，并初步形成uRLLC的标准版本。

大唐移动在uRLLC方面做了充分的预研准备，并全面参与了上述各阶段的uRLLC研究和标准化工作。大唐移动全面参与了各方面的系统仿真和链路仿真评估，所输出的结果对uRLLC的评估和调研起到了重要支撑作用。在下行控制、上行控制、免调度PUSCH传输、Preemption指示等方面做出了积极的贡献，成为标准化推动的主要动力。

4   结束语

随着通信技术的不断发展，移动通信已经深入融合到我们的工作、生活和学习的方方面面中。更为丰富多彩的移动通信服务正不断地走进和改变着我们的生活。uRLLC作为5G移动通信中的重要应用场景，会在未来移动通信市场中发挥着重要的作用。随着标准化演进工作的不断推进，uRLLC技术已经具备了基本完备的功能，未来可以在各种垂直行业中发挥出其低时延、高可靠的技术优势，从而为我们的工作、生活和学习提供更为便捷、智能、稳定的新体验。

参考文献：

[1] 3GPP. 3GPP TS 38.913： Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies V15.0.0[S]. 2018.

[2] 3GPP. 3GPP RAN#78 RP-172817： NR High-Reliability uRLLC scope for RAN1/RAN2[R]. 2017.

[3] 3GPP. 3GPP RAN#80 RP-181477： New SID on Physical Layer Enhancements for NR uRLLC[R]. 2018.

[4] 3GPP. 3GPP RAN#83 RP-190726： New WID： Physical Layer Enhancements for NR uRLLC-Reliable and Low Latency Communication （uRLLC）[R]. 2019.