【論文筆記】Achieving URLC: Challenges and Envisioned System Enhancements

摘要

URLLC主要應用於：工業環境中的無線控制、自動化和自動駕駛汽車。 爲支持URLLC，5G無線系統面臨着不同的挑戰，特別是在下行鏈路方向上，對數據和控制信道的可靠性，精確靈活的鏈路自適應性，更短的數據重傳的處理時間以及URLLC與其他服務的複用。 本文考慮了這些挑戰並提出了涵蓋無線接口不同方面的最新解決方案。 此外，還提供了系統級的仿真結果。

介紹

URLLC的設計挑戰

目前的LTE系統在物理層的錯誤率低，但延遲高大數十到幾百ms，這是因爲收發雙方TTI（傳輸間隔）大、處理延遲多、重傳機制的濫用。例如，LTE默認的首次傳輸塊錯誤率（BLER）是10％，允許實現的可靠性目標爲10 –5。

URLLC應用程序的主要挑戰是保持可靠性相近的前提下將延遲降低到1 ms。圖1示出了在建立鏈路時用於執行下行鏈路數據傳輸的簡化通信模型。 當數據到達基站（BS）緩衝區時，BS首先將資源授權（RG）信息發送到目標用戶設備（UE），此RG分配實際數據包的無線電資源。UE嘗試對RG進行解碼，然後發送肯定或否定確認（ACK / NACK），表示數據解碼的成功/失敗。如果BS沒有從UE接收到ACK信號，則BS將執行重傳。

與LTE相比，顯然URLLC需要更短的TTI持續時間和更快的處理時間，以便在1 ms URLLC延遲預算內傳達必要的控制和數據信息（如圖1所示）。 但是，縮短TTI有以下缺點：

1. 由於控制信號的相對開銷較高 -> 縮短TTI會導致容量損失。
2. 縮短TTI會減小系統覆蓋範圍，特別是在上行鏈路方向，這是因爲從具有有限的發射功率的UE收集到更少的能量。
3. 控制和數據通道易出錯的性質，控制信道出錯時可能該重傳的時候步重傳，從而顯著降低通信可靠性。

 

【控制信道錯誤影響通信可靠性的說明】例如，如果UE無法正確解碼RG，它將不會嘗試解碼分配的數據傳輸。 在這種情況下，UE將不發送ACK或NACK，BS可能認定爲不連續傳輸（DTX），並因此觸發數據重傳。 另外，BS有可能將DTX錯誤地檢測爲ACK，並且因此不重複數據傳輸。 另一錯誤類型是對HARQ ACK / NACK反饋信號的錯誤解釋。 例如，BS可能錯誤地將NACK信號解碼爲ACK，這再次導致不執行數據重傳。

圖2說明了支持1 – 的通信可靠性的可靠性區域。 eRG：RG信息的解碼錯誤率，p1：初始數據傳輸的BLER，：將NACK解碼爲ACK or DTX解碼爲ACK的錯誤率。假設一次HARQ重傳要滿足等待時間約束，並且在數據重傳時殘留BLER爲10 –5。 如果檢測到初始傳輸的NACK，則以如下方式執行重傳：通過對初始傳輸和重傳的接收信息進行軟組合，實現目標的剩餘BLER。 在檢測到DTX的情況下，重發操作會更可靠地執行，以補償接收方在初始傳輸時缺少軟信息。 結果表明，對於eRG和eN / A，用於執行初始傳輸的BLER目標爲10-1，最多需要的BLER爲10-4。LTE不支持這種控制信道可靠性，並且可能導致系統中的大量信令開銷。 通過使用更保守的調製和編碼方案（MCS）執行初始數據傳輸，可以放寬控制信道錯誤率約束。 例如，當採用10-2 BLER目標進行初始數據傳輸時，可以將控制信號的BLER約束（即e RG和e N / A）降低到10 -3。 因此，在控制信道和數據信道的可靠性之間存在一些折衷，這表明數據信道的鏈路自適應需要結合控制信道的錯誤率一起考慮。

鏈路自適應也很重要。爲了滿足圖2中確定的可靠性約束，需要BS具有下行鏈路方向上經歷的信道質量的準確知識，使得可以適當地調整傳輸參數（例如，MCS）以實現所需的錯誤率性能。 但是，由於無線信道的隨機性，這是一項具有挑戰性的任務。 例如，城市場景中典型的多徑傳播可能會導致接收信號功率在整個頻率和時間範圍內發生較大且不可預測的變化。 另外，如[9]中所報道的，在每個BS處的小URLLC分組的間歇傳輸導致快速變化的干擾，而在時間和頻率上幾乎沒有相關性。 結果，每個URLLC UE所經歷的信噪比（SINR）也迅速變化，這要求採用增強的信道質量指示符（CQI）報告，先進的天線分集和干擾緩解技術來解決此問題。

URLLC的解決方案

顯然，爲了滿足即將到來的URLLC應用程序的要求，需要進行各種增強。 本節提供了一些潛在的解決方案，總結在表1中，以解決上述挑戰。

縮短TTI持續時間

3GPP爲5G NR引入了一種非常靈活的幀結構，與LTE相比，它提供了縮短TTI持續時間的可能性。 例如，子載波間隔（SCS）是可配置的，以支持在不同頻帶中的操作。 LTE中的15 kHz SCS對應於基線配置，並且可以2^N的比例擴展，其中N[0，1，2，3，4，5]。 此外，每個TTI的正交頻分複用（OFDM）符號的數量也可以變化。 遵循NR術語，可以在14個OFDM符號的時隙以及由1-13個符號組成的迷你時隙上調度用戶。 因此，可以通過減少符號持續時間（增加SCS）和/或減少每個TTI的符號數量來構建較短的TTI。例如，對於具有120 kHz子載波間隔（N = 3）的情況，通過在時隙分辨率上調度用戶，可以獲得0.125 ms的TTI持續時間。 另一個更適合於低頻頻帶的可能性是，例如，使用15 kHz SCS（N = 0）並以1-3個符號的最小時隙（〜71-222 ms）來調度用戶，從而爲 處理時間和HARQ反饋傳輸在1 ms以內[9]。 因此，小時隙對於時間緊迫的服務很有用，而其他服務仍可以以更長的TTI持續時間運行。

更快速的HARQ重傳

有人認爲應該開發一種最大延遲要求爲1ms的重傳機制，以高效利用頻譜的方式。如圖2所示，例如，在初次傳輸時使用10^-2 BLER目標，並利用HARQ進行重傳即可獲得1-10-5 BLER目標，從而獲得10-5殘留BLER。

等待時間的很大一部分花費在UE的處理時間上。 典型的LTE接收器會花費約60％的處理時間用於Turbo解碼，而剩餘時間則用於其他操作，例如OFDM處理，均衡和軟解調。在3GPP中針對5G NR eMBB服務達成共識的低密度奇偶校驗（LDPC）碼的使用有望減少處理時間。但是，此碼對URLLC服務的有效好處在標準化論壇中仍然存在爭議。爲了進一步減少用於HARQ重傳的處理時間，提出了在解碼本身之前預測解碼是否將成功。這使UE能夠在其流水線中運行解碼的同時預期其反饋傳輸。 預測可以發生在接收到TTI或mini-slot，甚至是其一部分（例如，僅有限數量的OFDM符號）時。[10]建議基於從解碼器中輸入比特的對數似然比（LLR）估計未編碼誤碼率（BER），並將這種估計映射到特定代碼的參考編碼BER曲線。儘管僅針對Turbo碼評估了性能，但是可以將該原理推廣到其他編碼解決方案。 仿真結果表明，在90％以上的情況下都可以獲得正確的預測。但是，錯誤估計的平均比率不可忽略。當爲之前錯誤解碼的傳輸塊生成早期ACK時，出現False Positives，而爲成功解碼的傳輸塊生成對應之前消息的NACK時，則出現False Negatives。FP可能會導致更高層的重傳，從而導致等待時間增加。 相反，FN會導致不必要的重傳，從而影響吞吐量但不損害等待時間和可靠性。對於URLLC案例，FP的影響更大。 文獻[10]中的解決方案假設應以最終更高的假陰性率爲代價將它們的出現減至最少。 目前正在研究預測技術的進一步改進以提高其可靠性。 我們的假設是，改進的預測技術結合對假陰性的敏感容忍度可以應對URLLC目標。 

控制信道增強

如前所述，URLLC的支持依賴於爲數據和控制通道提供高水平的可靠性。 按照慣例，通過控制通道的設計可以滿足所有服務的要求。 但是，這種方法對於5G可能並不可行，因爲它需要適應各種需求的服務。這就要求控制通道的設計更加靈活，可以根據每個單獨的服務進行配置。 在這方面，提出了以下URLLC特定的控制信道增強功能。

RG:Resource grid，一個時隙（Slot）中的傳輸信號可以用一個資源格描述。 時域：一個Slot 頻域：全部子載波

【控制信道的鏈路適配】：在LTE中，主要支持數據信道的鏈路適配。 包含RG的某些控制信道（例如，物理下行鏈路控制信道（PDCCH））根據用戶的無線電條件調整聚合級別（即重複編碼率）來支持鏈路自適應。  LTE中最大支持的聚合級別爲8，對於–5 dB的SINR，提供PDCCH解碼的錯誤率爲1％[15]。 對於5G，將需要更大的聚合級別（例如16）或更魯棒的編碼方案，以實現如圖2所示的更低的誤碼率。類似的方法應應用於其他關鍵控制信道，例如物理上行鏈路控制信道（  PUCCH）在上行鏈路中攜帶CQI和HARQ反饋，在當前LTE中使用固定的MCS發送。除了改變編碼率，還可以應用功率控制技術，以提高或降低每個用戶的發射功率，並實現所需的錯誤性能[15]。

【ACK / NACK的不對稱信號檢測[8]】：對於URLLC，檢測NACK信號的可靠性比檢測ACK信號的可靠性更爲重要。 因此，可以利用非對稱信號檢測來以增加錯誤的ACK檢測（即，將ACK解碼爲NACK）爲代價來降低丟失NACK信號的可能性。

【緊湊型下行鏈路控制信息（DCI）】：與eMBB相比，URLLC服務通常與較小的數據包的尺寸有關。因此，可以減少表示物理資源塊（PRB）的數量的位數。 對於5G NR，DCI內容仍在討論中，並且出於性能評估的目的，已經商定了兩種DCI大小：20位和60位[14]。 緊湊的DCI格式允許在不增加控制開銷的情況下更可靠地傳輸控制信道信息。

多用途和多連接

多輸入多輸出（MIMO）方案對於減小無線信道中的快速衰落至關重要，因此對實現可靠性要求方面起着至關重要的作用。如[11]中所述，URLLC設備應至少在2×2（最好是4×4）的單用戶 單流傳輸下工作，即最大化無線鏈路的分集順序。 較大的天線陣列還有助於在UE和BS側使用先進的干擾緩解技術，例如，最小均方誤差和干擾抑制合併（MMSE-IRC），網絡輔助干擾消除和抑制（NAICS）接收器，甚至協調的波束成形。 此外，還需要宏分集，即數據複製和來自多個BS的冗餘發送/接收，以抵抗緩慢的衰落效應（或陰影）並在切換期間提供移動性魯棒性。 就這一點而言，在3GPP中NR已經使用分組數據融合協議（PDCP）層進行數據複製[14]。在較低層，小區間非相干聯合傳輸是候選傳輸方案之一，這是由於其相對較低的複雜度（與區間聯合相干相比）以及針對用戶移動的健壯性和跨協作小區的時序失配[11]。宏觀多樣性還提供了抵禦蜂窩基礎設施故障的能力。

CQI增強

LTE中速率的配置通過MCS（Modulation and Coding Scheme，調製與編碼策略）索引值實現。MCS將所關注的影響通訊速率的因素作爲表的列，將MCS索引作爲行，形成一張速率表。所以，每一行MCS對應一組參數下的物理傳輸速率。

通過向BS指示MCS（UE估計的可以在一定的BLER約束下解碼的最高MCS），CQI報告被用於執行下行鏈路鏈路自適應。 爲了有效地支持URLLC，建議對CQI測量和報告過程進行以下三個增強。 首先，與LTE中固定的10％目標相比，必須在針對不同BLER目標的UE處估計CQI報告。 這可以通過在執行SINR到CQI映射時應用不同的閾值級別來實現。 其次，下行鏈路數據傳輸的BLER目標應該根據TTI持續時間，HARQ往返時間（RTT）和控制信道的可靠性進行配置。 因此，建議5G BS向UE發信號通知UE應該在其處測量和報告CQI的BLER目標。   第三，由於先前描述的快速和不可預測的SINR變化，CQI報告應有效地減少鏈路自適應失配。 一種選擇是，異於LTE的CQI是基於m個最好的子帶，UE的SINR到CQI映射基於m-最差收集的信道質量測量。 通過這種方法，CQI報告隱含考慮了最壞情況的SINR（即用戶信道質量分佈的尾部），從而降低了遇到比所需的BLER大的BLER的可能性。另一解決方案是在UE的時頻選擇性SINR測量上應用低通濾波，使得所體驗的信道質量的歷史信息隱式地包括在CQI報告中。例如，[9]中的研究提出，UE以一定的PRB分辨率（又稱子帶）測量每個TTI上的體驗信道質量。 每個測量都使用低通一階無限衝激響應（IIR）濾波器進行濾波，其中yi [n]爲 子帶i上在TTI n處測得的信道質量，a是濾波器的遺忘因子，si [n]是第i個子帶的平滑信道質量測量。  s i [n]在UE側不斷更新，並定期或不定期地報告給BS。 遺忘因子a確定與之前的度量相比，最新度量的權重是多少。  [9]中的研究認爲a = 0.01，與LTE相比，LTE提供了更好的鏈路自適應精度，而LTE LTE的信道質量測量是從相對較短的測量窗口中獲得的。 下一部分將進一步說明此增強功能的好處。

高效的URLLC和複用eMBB

從成本和資源效率的角度來看，一種有前途的設置包括將URLLC流量與傳統eMBB流量動態複用。 但是，鑑於這兩個服務類別的要求截然不同，這是一項艱鉅的任務。  URLLC流量通常是突發性的和零星的，並且必須立即以較短的TTI進行調度，以滿足延遲要求。相反，eMBB負載的TTIs爲1ms或更長，從而降低信令開銷。一種解決方案是爲URLLC數據傳輸預先保留無線電資源。 但是，當沒有來自URLLC服務的流量時，這會浪費無線電資源。 一種更有效的解決方案是使用搶先式調度，如[12，14]所示：eMBB流量以較長的TTI（例如1 ms）在所有可用無線電資源（假定提供的流量足夠）上進行調度的。當URLLC數據到達BS時，立即將其發送到相對應的UR，這個發送可以覆蓋正在使用小時隙傳輸的eMBB傳輸的一部分。如圖3a和3b。 這樣做的優點是，無需等待正在進行的已調度傳輸就可以傳輸URLLC有效負載，並且無需爲URLLC流量預先保留無線資源。 搶先式調度技術的代價是針對其傳輸被部分覆蓋的用戶。 爲了使這種影響最小化，[12]中建議包括向受害UE指示其傳輸的一部分已被覆蓋。 這使UE在解碼傳輸時可以考慮到這種影響，也就是說，它知道傳輸的一部分已損壞。 爲了進一步提高性能，我們建議應用智能HARQ重傳機制，其中僅重傳初始傳輸的被覆蓋部分。 下一部分將進一步說明此增強功能的好處。

下行鏈路性能分析

下行鏈路性能結果如下，以顯示建議的增強功能的好處。在第一組結果中，我們遵循[14]中的5G NR評估假設，評估了多用戶多小區場景中URLLC流量的下行鏈路延遲和可靠性性能。該網絡由7個三扇區站點（21個小區）組成，站點之間的距離爲500 m。在每個單元中平均有10個URLLC用戶均勻分佈。URLLC流量被建模爲50 B的小型有效載荷，根據均勻Poisson點過程以平均到達率到達BS。系統級仿真包括先前描述的RRM功能的詳細建模，包括分組調度； 具有4個TTI的短RTT的HARQ和Chase合併 針對初始數據傳輸，針對10 BLER低目標的鏈路適配；以及具有動態預編碼的2×2閉環單用戶MIMO，以減少時域和頻域的快速衰落變化。變化的控制信道的開銷是顯式的，假設UE始終正確地解碼此開銷（有關控制信道RG錯誤的影響，請參見圖2）。物理層參數使用於5G商定的基線參數（15 kHz子載波間隔，PRB大小爲12個子載波）。每當URLLC有效負載到達BS時，如果該小區有足夠的無線電資源，則立即以2個OFDM符號（0.143 ms）的最小時隙持續時間對其進行調度。 考慮了10 MHz（50 PRB）的載波帶寬。 

互補累積分佈函數，CCDF：F(a) = P(x > a)

圖4顯示了每個下載的URLLC有效負載的延遲的互補累積分佈函數（CCDF）。注意，在給定模擬假設的情況下，這些是條件分佈，假設由UE進行無錯誤的控制信道解碼。從有效負載到達BS緩衝區的那一刻起直到在UE處成功接收，才測量延遲。 還描繪了導致URLLC等待時間的不同組件，圖中可以看到URLLC有效載荷被立即調度並在UE處成功接收的情況，以及初始傳輸失敗並且在BS處接收到NACK時觸發一次HARQ重傳的情況。考慮了URLLC流量的用戶到達率的兩個可能取值：= 125有效負載/秒和= 500有效負載/秒[紅藍 線]，分別對應於PRB的平均利用率爲1.8％和8％。此外，該圖比較了採用和不採用建議的CQI增強的情況[虛實線]，其中時頻選擇性信道質量測量的低通濾波（a = 0.01）用於提高鏈路自適應精度（稱爲“ CQI濾波“（圖4））。 可以看出，CQI過濾增強功能可以顯着改善等待時間和可靠性性能。當小區活動性較高並且網絡中會遇到更多間歇性干擾時，此技術的優勢在高負載下尤其明顯。 對於採用CQI濾波的情況，通常可獲得10 –2或更低的首次發送BLER。 如此低的初始傳輸BLER，再加上快速的HARQ重傳和Chase組合，可以在不到1 ms的延遲內實現10 –5的殘留BLER，從而滿足URLLC要求。

在第二組結果中，在每個小區中部署了五個具有全buffer的eMBB流量的傳統UE，以說明建議的URLLC和eMBB複用增強的好處。爲了提高eMBB頻譜效率，設定eMBB UE的服務BLER目標爲10%，並且使用所有可用的PRB以1 ms的TTI調度。通過覆蓋部分正在進行的eMBB調度傳輸（如3a和3b所示），URLLC負載在到達時立即以0.143 ms的小時隙進行調度。CQI過濾增強功能不適用於這組結果，因爲eMBB流量的存在會導致穩定的干擾環境。圖5a顯示了URLLC延遲的CCDF。 與圖1中僅使用URLLC的情況相比，性能通常較差，如圖4所示，這是來自在同一無線電信道上調度eMBB用戶的較大小區間干擾的結果。 儘管如此，兩個負載條件仍然滿足1 ms的等待時間要求。

圖5b顯示了eMBB用戶吞吐量的中位數。它比較了爲失敗的eMBB傳輸重新傳輸完整傳輸塊的情況與僅重新傳輸已被搶佔的eMBB傳輸的損壞部分（標記爲部分HARQ重新傳輸）的情況。 當然，URLLC流量的存在會降低eMBB的性能。通過應用部分重傳增強功能可以緩解這種降級，因爲更少的無線電資源用於覆蓋eMBB傳輸的HARQ重傳。 通過調度較小的重傳而節省的資源可以代替地用於到其他eMBB UE的初始傳輸。 對於更多提供的URLLC流量，使用部分重傳的收益更大，因爲更多的eMBB傳輸會被搶佔。 我們得出的結論是，搶佔式調度程序方法實現了根據URLLC用戶的低等待時間和高可靠性要求（以UE的無錯誤控制信道解碼爲條件）爲目標服務的目標，同時仍爲eMBB用戶提供了高數據速率。

結論

暫略，晚上補上。