【论文笔记】Achieving URLC: Challenges and Envisioned System Enhancements

摘要

URLLC主要应用于：工业环境中的无线控制、自动化和自动驾驶汽车。 为支持URLLC，5G无线系统面临着不同的挑战，特别是在下行链路方向上，对数据和控制信道的可靠性，精确灵活的链路自适应性，更短的数据重传的处理时间以及URLLC与其他服务的复用。 本文考虑了这些挑战并提出了涵盖无线接口不同方面的最新解决方案。 此外，还提供了系统级的仿真结果。

介绍

URLLC的设计挑战

目前的LTE系统在物理层的错误率低，但延迟高大数十到几百ms，这是因为收发双方TTI（传输间隔）大、处理延迟多、重传机制的滥用。例如，LTE默认的首次传输块错误率（BLER）是10％，允许实现的可靠性目标为10 –5。

URLLC应用程序的主要挑战是保持可靠性相近的前提下将延迟降低到1 ms。图1示出了在建立链路时用于执行下行链路数据传输的简化通信模型。 当数据到达基站（BS）缓冲区时，BS首先将资源授权（RG）信息发送到目标用户设备（UE），此RG分配实际数据包的无线电资源。UE尝试对RG进行解码，然后发送肯定或否定确认（ACK / NACK），表示数据解码的成功/失败。如果BS没有从UE接收到ACK信号，则BS将执行重传。

与LTE相比，显然URLLC需要更短的TTI持续时间和更快的处理时间，以便在1 ms URLLC延迟预算内传达必要的控制和数据信息（如图1所示）。 但是，缩短TTI有以下缺点：

1. 由于控制信号的相对开销较高 -> 缩短TTI会导致容量损失。
2. 缩短TTI会减小系统覆盖范围，特别是在上行链路方向，这是因为从具有有限的发射功率的UE收集到更少的能量。
3. 控制和数据通道易出错的性质，控制信道出错时可能该重传的时候步重传，从而显著降低通信可靠性。

 

【控制信道错误影响通信可靠性的说明】例如，如果UE无法正确解码RG，它将不会尝试解码分配的数据传输。 在这种情况下，UE将不发送ACK或NACK，BS可能认定为不连续传输（DTX），并因此触发数据重传。 另外，BS有可能将DTX错误地检测为ACK，并且因此不重复数据传输。 另一错误类型是对HARQ ACK / NACK反馈信号的错误解释。 例如，BS可能错误地将NACK信号解码为ACK，这再次导致不执行数据重传。

图2说明了支持1 – 的通信可靠性的可靠性区域。 eRG：RG信息的解码错误率，p1：初始数据传输的BLER，：将NACK解码为ACK or DTX解码为ACK的错误率。假设一次HARQ重传要满足等待时间约束，并且在数据重传时残留BLER为10 –5。 如果检测到初始传输的NACK，则以如下方式执行重传：通过对初始传输和重传的接收信息进行软组合，实现目标的剩余BLER。 在检测到DTX的情况下，重发操作会更可靠地执行，以补偿接收方在初始传输时缺少软信息。 结果表明，对于eRG和eN / A，用于执行初始传输的BLER目标为10-1，最多需要的BLER为10-4。LTE不支持这种控制信道可靠性，并且可能导致系统中的大量信令开销。 通过使用更保守的调制和编码方案（MCS）执行初始数据传输，可以放宽控制信道错误率约束。 例如，当采用10-2 BLER目标进行初始数据传输时，可以将控制信号的BLER约束（即e RG和e N / A）降低到10 -3。 因此，在控制信道和数据信道的可靠性之间存在一些折衷，这表明数据信道的链路自适应需要结合控制信道的错误率一起考虑。

链路自适应也很重要。为了满足图2中确定的可靠性约束，需要BS具有下行链路方向上经历的信道质量的准确知识，使得可以适当地调整传输参数（例如，MCS）以实现所需的错误率性能。 但是，由于无线信道的随机性，这是一项具有挑战性的任务。 例如，城市场景中典型的多径传播可能会导致接收信号功率在整个频率和时间范围内发生较大且不可预测的变化。 另外，如[9]中所报道的，在每个BS处的小URLLC分组的间歇传输导致快速变化的干扰，而在时间和频率上几乎没有相关性。 结果，每个URLLC UE所经历的信噪比（SINR）也迅速变化，这要求采用增强的信道质量指示符（CQI）报告，先进的天线分集和干扰缓解技术来解决此问题。

URLLC的解决方案

显然，为了满足即将到来的URLLC应用程序的要求，需要进行各种增强。 本节提供了一些潜在的解决方案，总结在表1中，以解决上述挑战。

缩短TTI持续时间

3GPP为5G NR引入了一种非常灵活的帧结构，与LTE相比，它提供了缩短TTI持续时间的可能性。 例如，子载波间隔（SCS）是可配置的，以支持在不同频带中的操作。 LTE中的15 kHz SCS对应于基线配置，并且可以2^N的比例扩展，其中N[0，1，2，3，4，5]。 此外，每个TTI的正交频分复用（OFDM）符号的数量也可以变化。 遵循NR术语，可以在14个OFDM符号的时隙以及由1-13个符号组成的迷你时隙上调度用户。 因此，可以通过减少符号持续时间（增加SCS）和/或减少每个TTI的符号数量来构建较短的TTI。例如，对于具有120 kHz子载波间隔（N = 3）的情况，通过在时隙分辨率上调度用户，可以获得0.125 ms的TTI持续时间。 另一个更适合于低频频带的可能性是，例如，使用15 kHz SCS（N = 0）并以1-3个符号的最小时隙（〜71-222 ms）来调度用户，从而为 处理时间和HARQ反馈传输在1 ms以内[9]。 因此，小时隙对于时间紧迫的服务很有用，而其他服务仍可以以更长的TTI持续时间运行。

更快速的HARQ重传

有人认为应该开发一种最大延迟要求为1ms的重传机制，以高效利用频谱的方式。如图2所示，例如，在初次传输时使用10^-2 BLER目标，并利用HARQ进行重传即可获得1-10-5 BLER目标，从而获得10-5残留BLER。

等待时间的很大一部分花费在UE的处理时间上。 典型的LTE接收器会花费约60％的处理时间用于Turbo解码，而剩余时间则用于其他操作，例如OFDM处理，均衡和软解调。在3GPP中针对5G NR eMBB服务达成共识的低密度奇偶校验（LDPC）码的使用有望减少处理时间。但是，此码对URLLC服务的有效好处在标准化论坛中仍然存在争议。为了进一步减少用于HARQ重传的处理时间，提出了在解码本身之前预测解码是否将成功。这使UE能够在其流水线中运行解码的同时预期其反馈传输。 预测可以发生在接收到TTI或mini-slot，甚至是其一部分（例如，仅有限数量的OFDM符号）时。[10]建议基于从解码器中输入比特的对数似然比（LLR）估计未编码误码率（BER），并将这种估计映射到特定代码的参考编码BER曲线。尽管仅针对Turbo码评估了性能，但是可以将该原理推广到其他编码解决方案。 仿真结果表明，在90％以上的情况下都可以获得正确的预测。但是，错误估计的平均比率不可忽略。当为之前错误解码的传输块生成早期ACK时，出现False Positives，而为成功解码的传输块生成对应之前消息的NACK时，则出现False Negatives。FP可能会导致更高层的重传，从而导致等待时间增加。 相反，FN会导致不必要的重传，从而影响吞吐量但不损害等待时间和可靠性。对于URLLC案例，FP的影响更大。 文献[10]中的解决方案假设应以最终更高的假阴性率为代价将它们的出现减至最少。 目前正在研究预测技术的进一步改进以提高其可靠性。 我们的假设是，改进的预测技术结合对假阴性的敏感容忍度可以应对URLLC目标。 

控制信道增强

如前所述，URLLC的支持依赖于为数据和控制通道提供高水平的可靠性。 按照惯例，通过控制通道的设计可以满足所有服务的要求。 但是，这种方法对于5G可能并不可行，因为它需要适应各种需求的服务。这就要求控制通道的设计更加灵活，可以根据每个单独的服务进行配置。 在这方面，提出了以下URLLC特定的控制信道增强功能。

RG:Resource grid，一个时隙（Slot）中的传输信号可以用一个资源格描述。 时域：一个Slot 频域：全部子载波

【控制信道的链路适配】：在LTE中，主要支持数据信道的链路适配。 包含RG的某些控制信道（例如，物理下行链路控制信道（PDCCH））根据用户的无线电条件调整聚合级别（即重复编码率）来支持链路自适应。  LTE中最大支持的聚合级别为8，对于–5 dB的SINR，提供PDCCH解码的错误率为1％[15]。 对于5G，将需要更大的聚合级别（例如16）或更鲁棒的编码方案，以实现如图2所示的更低的误码率。类似的方法应应用于其他关键控制信道，例如物理上行链路控制信道（  PUCCH）在上行链路中携带CQI和HARQ反馈，在当前LTE中使用固定的MCS发送。除了改变编码率，还可以应用功率控制技术，以提高或降低每个用户的发射功率，并实现所需的错误性能[15]。

【ACK / NACK的不对称信号检测[8]】：对于URLLC，检测NACK信号的可靠性比检测ACK信号的可靠性更为重要。 因此，可以利用非对称信号检测来以增加错误的ACK检测（即，将ACK解码为NACK）为代价来降低丢失NACK信号的可能性。

【紧凑型下行链路控制信息（DCI）】：与eMBB相比，URLLC服务通常与较小的数据包的尺寸有关。因此，可以减少表示物理资源块（PRB）的数量的位数。 对于5G NR，DCI内容仍在讨论中，并且出于性能评估的目的，已经商定了两种DCI大小：20位和60位[14]。 紧凑的DCI格式允许在不增加控制开销的情况下更可靠地传输控制信道信息。

多用途和多连接

多输入多输出（MIMO）方案对于减小无线信道中的快速衰落至关重要，因此对实现可靠性要求方面起着至关重要的作用。如[11]中所述，URLLC设备应至少在2×2（最好是4×4）的单用户 单流传输下工作，即最大化无线链路的分集顺序。 较大的天线阵列还有助于在UE和BS侧使用先进的干扰缓解技术，例如，最小均方误差和干扰抑制合并（MMSE-IRC），网络辅助干扰消除和抑制（NAICS）接收器，甚至协调的波束成形。 此外，还需要宏分集，即数据复制和来自多个BS的冗余发送/接收，以抵抗缓慢的衰落效应（或阴影）并在切换期间提供移动性鲁棒性。 就这一点而言，在3GPP中NR已经使用分组数据融合协议（PDCP）层进行数据复制[14]。在较低层，小区间非相干联合传输是候选传输方案之一，这是由于其相对较低的复杂度（与区间联合相干相比）以及针对用户移动的健壮性和跨协作小区的时序失配[11]。宏观多样性还提供了抵御蜂窝基础设施故障的能力。

CQI增强

LTE中速率的配置通过MCS（Modulation and Coding Scheme，调制与编码策略）索引值实现。MCS将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将MCS索引作为行，形成一张速率表。所以，每一行MCS对应一组参数下的物理传输速率。

通过向BS指示MCS（UE估计的可以在一定的BLER约束下解码的最高MCS），CQI报告被用于执行下行链路链路自适应。 为了有效地支持URLLC，建议对CQI测量和报告过程进行以下三个增强。 首先，与LTE中固定的10％目标相比，必须在针对不同BLER目标的UE处估计CQI报告。 这可以通过在执行SINR到CQI映射时应用不同的阈值级别来实现。 其次，下行链路数据传输的BLER目标应该根据TTI持续时间，HARQ往返时间（RTT）和控制信道的可靠性进行配置。 因此，建议5G BS向UE发信号通知UE应该在其处测量和报告CQI的BLER目标。   第三，由于先前描述的快速和不可预测的SINR变化，CQI报告应有效地减少链路自适应失配。 一种选择是，异于LTE的CQI是基于m个最好的子带，UE的SINR到CQI映射基于m-最差收集的信道质量测量。 通过这种方法，CQI报告隐含考虑了最坏情况的SINR（即用户信道质量分布的尾部），从而降低了遇到比所需的BLER大的BLER的可能性。另一解决方案是在UE的时频选择性SINR测量上应用低通滤波，使得所体验的信道质量的历史信息隐式地包括在CQI报告中。例如，[9]中的研究提出，UE以一定的PRB分辨率（又称子带）测量每个TTI上的体验信道质量。 每个测量都使用低通一阶无限冲激响应（IIR）滤波器进行滤波，其中yi [n]为 子带i上在TTI n处测得的信道质量，a是滤波器的遗忘因子，si [n]是第i个子带的平滑信道质量测量。  s i [n]在UE侧不断更新，并定期或不定期地报告给BS。 遗忘因子a确定与之前的度量相比，最新度量的权重是多少。  [9]中的研究认为a = 0.01，与LTE相比，LTE提供了更好的链路自适应精度，而LTE LTE的信道质量测量是从相对较短的测量窗口中获得的。 下一部分将进一步说明此增强功能的好处。

高效的URLLC和复用eMBB

从成本和资源效率的角度来看，一种有前途的设置包括将URLLC流量与传统eMBB流量动态复用。 但是，鉴于这两个服务类别的要求截然不同，这是一项艰巨的任务。  URLLC流量通常是突发性的和零星的，并且必须立即以较短的TTI进行调度，以满足延迟要求。相反，eMBB负载的TTIs为1ms或更长，从而降低信令开销。一种解决方案是为URLLC数据传输预先保留无线电资源。 但是，当没有来自URLLC服务的流量时，这会浪费无线电资源。 一种更有效的解决方案是使用抢先式调度，如[12，14]所示：eMBB流量以较长的TTI（例如1 ms）在所有可用无线电资源（假定提供的流量足够）上进行调度的。当URLLC数据到达BS时，立即将其发送到相对应的UR，这个发送可以覆盖正在使用小时隙传输的eMBB传输的一部分。如图3a和3b。 这样做的优点是，无需等待正在进行的已调度传输就可以传输URLLC有效负载，并且无需为URLLC流量预先保留无线资源。 抢先式调度技术的代价是针对其传输被部分覆盖的用户。 为了使这种影响最小化，[12]中建议包括向受害UE指示其传输的一部分已被覆盖。 这使UE在解码传输时可以考虑到这种影响，也就是说，它知道传输的一部分已损坏。 为了进一步提高性能，我们建议应用智能HARQ重传机制，其中仅重传初始传输的被覆盖部分。 下一部分将进一步说明此增强功能的好处。

下行链路性能分析

下行链路性能结果如下，以显示建议的增强功能的好处。在第一组结果中，我们遵循[14]中的5G NR评估假设，评估了多用户多小区场景中URLLC流量的下行链路延迟和可靠性性能。该网络由7个三扇区站点（21个小区）组成，站点之间的距离为500 m。在每个单元中平均有10个URLLC用户均匀分布。URLLC流量被建模为50 B的小型有效载荷，根据均匀Poisson点过程以平均到达率到达BS。系统级仿真包括先前描述的RRM功能的详细建模，包括分组调度； 具有4个TTI的短RTT的HARQ和Chase合并 针对初始数据传输，针对10 BLER低目标的链路适配；以及具有动态预编码的2×2闭环单用户MIMO，以减少时域和频域的快速衰落变化。变化的控制信道的开销是显式的，假设UE始终正确地解码此开销（有关控制信道RG错误的影响，请参见图2）。物理层参数使用于5G商定的基线参数（15 kHz子载波间隔，PRB大小为12个子载波）。每当URLLC有效负载到达BS时，如果该小区有足够的无线电资源，则立即以2个OFDM符号（0.143 ms）的最小时隙持续时间对其进行调度。 考虑了10 MHz（50 PRB）的载波带宽。 

互补累积分布函数，CCDF：F(a) = P(x > a)

图4显示了每个下载的URLLC有效负载的延迟的互补累积分布函数（CCDF）。注意，在给定模拟假设的情况下，这些是条件分布，假设由UE进行无错误的控制信道解码。从有效负载到达BS缓冲区的那一刻起直到在UE处成功接收，才测量延迟。 还描绘了导致URLLC等待时间的不同组件，图中可以看到URLLC有效载荷被立即调度并在UE处成功接收的情况，以及初始传输失败并且在BS处接收到NACK时触发一次HARQ重传的情况。考虑了URLLC流量的用户到达率的两个可能取值：= 125有效负载/秒和= 500有效负载/秒[红蓝 线]，分别对应于PRB的平均利用率为1.8％和8％。此外，该图比较了采用和不采用建议的CQI增强的情况[虚实线]，其中时频选择性信道质量测量的低通滤波（a = 0.01）用于提高链路自适应精度（称为“ CQI滤波“（图4））。 可以看出，CQI过滤增强功能可以显着改善等待时间和可靠性性能。当小区活动性较高并且网络中会遇到更多间歇性干扰时，此技术的优势在高负载下尤其明显。 对于采用CQI滤波的情况，通常可获得10 –2或更低的首次发送BLER。 如此低的初始传输BLER，再加上快速的HARQ重传和Chase组合，可以在不到1 ms的延迟内实现10 –5的残留BLER，从而满足URLLC要求。

在第二组结果中，在每个小区中部署了五个具有全buffer的eMBB流量的传统UE，以说明建议的URLLC和eMBB复用增强的好处。为了提高eMBB频谱效率，设定eMBB UE的服务BLER目标为10%，并且使用所有可用的PRB以1 ms的TTI调度。通过覆盖部分正在进行的eMBB调度传输（如3a和3b所示），URLLC负载在到达时立即以0.143 ms的小时隙进行调度。CQI过滤增强功能不适用于这组结果，因为eMBB流量的存在会导致稳定的干扰环境。图5a显示了URLLC延迟的CCDF。 与图1中仅使用URLLC的情况相比，性能通常较差，如图4所示，这是来自在同一无线电信道上调度eMBB用户的较大小区间干扰的结果。 尽管如此，两个负载条件仍然满足1 ms的等待时间要求。

图5b显示了eMBB用户吞吐量的中位数。它比较了为失败的eMBB传输重新传输完整传输块的情况与仅重新传输已被抢占的eMBB传输的损坏部分（标记为部分HARQ重新传输）的情况。 当然，URLLC流量的存在会降低eMBB的性能。通过应用部分重传增强功能可以缓解这种降级，因为更少的无线电资源用于覆盖eMBB传输的HARQ重传。 通过调度较小的重传而节省的资源可以代替地用于到其他eMBB UE的初始传输。 对于更多提供的URLLC流量，使用部分重传的收益更大，因为更多的eMBB传输会被抢占。 我们得出的结论是，抢占式调度程序方法实现了根据URLLC用户的低等待时间和高可靠性要求（以UE的无错误控制信道解码为条件）为目标服务的目标，同时仍为eMBB用户提供了高数据速率。

结论

暂略，晚上补上。