NR超低时延技术研究

3GPP宣布完成5G标准第二版规范R16。R16相对于R15在网络能力扩展、挖潜以及降低运营成本等方面做了改进，考虑向垂直行业扩展是R16的重头戏，其中URLLC是焦点。本案例主要对NR超低时延相关的技术进行了深入研究，为5G垂直行业的商用提供指导及建议。

图一：IMT-2020与IMT-Advanced关键性能对比

分析思路

在3GPP协议TS38.913中，对时延需求的描述区分控制面与用户面两方面。控制面：延迟是指从电池有效状态（例如，IDLE）移动到开始连续数据传输（例如，ACTIVE）的时间，控制面时延目标为10ms，如下截图：

图二：3GPP对控制面时延要求描述

用户面：在上行和下行方向上，成功从无线协议层L2/3 SDU入口点通过无线接口向无线协议层L2/3 SDU出口点传送应用层分组/消息所需的时间。针对不同的场景和业务类型，具体时延要求不同。对于URLLC：用户面时延的目标应为UL 0.5ms，DL 0.5ms；对于eMBB场景：用户面时延的目标应为UL 4ms，DL 4ms。综合上述内容，1ms是指的空口时延，而这1ms在空口如何来实现呢？

图三：3GPP对用户面时延要求描述

对比于4G来看5G空口的实现，打个比方，如果我们想邮寄一个包裹，我们需要先通知快递公司（发送请求SR），快递公司收到消息后将安排快递员上门收取包裹（分配资源UL Grant），快递员到门口后装上包裹就发往目的地（Data数传），对方收到货后我们会收到一个包裹到达的消息（HARQ）以便确认。整个流程如下图：

图四：上行数传举例与流程图

对于5G TDD系统来说，它是时分双工，上行（UL）和下行（DL）不能同时进行，在时间维度上分别交替的进行。这样在整个过程中就会产生很大的时延，上述的例子中，完成包裹的递送需要8秒。如果要减小时延，直接的办法就是减小上下行（UL/DL）之间的间隔，甚至如FDD完全分开上下行异步进行。根据下面的时序图，TD-LTE的子载波SCS固定15kHz，UE可以在大约8ms可以完成数据的传送，如果对端没有收到，还需要进行重传（HARQ），那么整个时长就会翻倍（实际上根据LTE的HARQ间隔要求，UE是无法在一个10ms内完成一个上行报文的数传）。

图五：4G帧结构示意图

5G首先采用灵活无线帧结构，NR numerology支持15kHz、30kHz、60kHz、120kHz、240kHz可变的子载波SCS，当SCS变大时，上下行之间的间隔就变小（频域与时域成反比），从下图中可以看出，当SCS=120kHz时，UE可以在将近1ms内容完成上行数传。

图六：灵活帧结构示意图

除了灵活子载波间隔，5G协议还提出了自包含时隙（self-contained slot），进一步的减小了时延。以SCS=30kHz为例，1个时隙中有14个符号，14个符号可以自定义上下行，如下图所示，那么UE可以在0.5ms内完成上行数据的数传。

图七：自包含时隙结构示意图

另外，在资源利用与调度过程中，还可以采用“下行抢占性调度”与“上行免授权调度”两种调度方案，从下行与上行两个方向来保障低时延的需求。

下行抢占性调度：由于无线空口资源的有限性，当某时刻没有空余资源时，数据需要等待到下一个时刻才能被调度发送，这样就会增加时延。对于URLLC下行业务，如果某时刻没有时频资源，那么URLLC业务将抢占eMMB业务的资源。 基站在下行调度过程中，可以给eMBB用户发送抢占指示（PI），以指示eMBB用户的资源块中包含URLLC传输的数据，基站将那些被打孔的资源分配给URLLC传输（eMBB用户在解码数据时不考虑被打孔的资源），以便URLLC数据包可以尽快在空口发送，而不用等到有空余资源时再发送URLLC数据。

图八：下行抢占性调度示意图

上行免授权调度：上行传输时的免授权调度资源（configure grant，简称CG）由基站配置给UE，这些资源是周期性的，UE不需要请求调度（SR和UL Grant）， 就可以直接使用这些CG资源在PUSCH（上行共享信道）上发送数据，减少了信令流程步骤，缩小了时延。

图九：上行免调度流程（虚线中为减少步骤）

基于以上技术，R15协议落地产品解决方案，基本可以同时满足3ms的空口时延和99.999%的可靠性，但是对于工厂自动化场景，满足0.5ms-1ms的空口时延的同时，需要实现99.9999%的可靠性，众多厂家的系统仿真显示目前R15的技术基本上是无法满足的，必须通过R16的一些增强技术来提升URLLC场景的空口时延性能。参考3GPP协议TS38.824中部分描述，主要增强技术包括：PDCCH控制信道增强、PUSCH上行共享信道时隙内重复、上行控制信号增强、UE间eMBB和URLLC复用增强等技术来实现更低时延。

对于完整业务应用来说，空口时延减少只是其中一部分，如果要减小终端到应用服务器的E2E时延，最重要的还是要把核心网的UPF下沉到边缘，缩短UPF与应用服务器的距离，可以大大缩小传输时延。如下图所示，一般核心层设备都是部署在省公司机房，对于工业园区的一些地方城市的企业，他们的应用服务器在本地的园区。如果没有UPF的下层（MEC边缘计算），必然会导致路由的迂回，增加了传输路径和时延。因为有了UPF本地部署，直接与本地的服务器发送信息，减小路径与时延。