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5G eMBB空口時延分析與增強技術研究

2019-11-07 11:11:17 移動通信 2019年9期

魏垚 熊尚坤

【摘? 要】為進一步增強面向eMBB場景的空口時延性能,從5G NR的空口設計、物理層關鍵技術入手,分析了eMBB場景下的5G NR空口時延,并提出一種基于TDD/FDD協同的上行增強技術,最后通過Ping業務時延分析為例,給出在3GPP模型假設下的4G LTE、5G NR和采用上行增強技術后的5G NR的時延對比,論證了所提方案的可行性和有效性。

【關鍵詞】增強移動寬帶;幀結構;空口時延;上行增強

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.008? ? ? ? 中圖分類號:TN929.5

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)09-0042-05

引用格式:魏垚,熊尚坤. 5G eMBB空口時延分析與增強技術研究[J]. 移動通信, 2019,43(9): 42-46.

Analysis on 5G eMBB Uu Interface Latency and Study on Enhancement Technique

WEI Yao, XIONG Shangkun

[Abstract]?In order to enhance the latency performance of 5G NR systems, this paper investigates 5G NR Uu interface design and key technologies of physical layer to analyze the latency of eMBB NR. An uplink enhancement scheme is further proposed based on the TDD/FDD coordination. Taking the Ping service delay analysis as an example, the delay comparisons are given among 4G LTE, 5G NR with and without the uplink enhancement technique under 3GPP model, which demonstrates the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

[Key words]eMBB; frame structure; Uu interface latency; uplink enhancement

1? ?引言

網絡時延對5G而言是一個重要的系統指標,更低的時延意味著更優的用戶體驗。在ITU提出的IMT-2020八大關鍵網絡性能指標[1]中提出了1 ms的單向空口時延目標,主要是針對uRLLC高可靠低時延的業務,如工業操控、遠程手術刀、車聯網等。同時,1 ms的空口時延是針對用戶面時延而言,區別于控制面時延,用戶面時延更能體現一代通信系統的空口設計的核心能力。3GPP針對時延要求進一步明確場景,對URLLC場景,單向空口時延低于0.5 ms,較ITU縮短一半[2];eMBB場景空口環回時延低于8 ms(LTE的空口用戶面環回時延要求為10 ms)。相對而言,eMBB場景對空口時延的改善并不如uRLLC有革命性的提升。

然而,現實情況中很多業務對網絡性能指標的需求無法完全按業務場景區分,如VR、高清視頻直播和遠程視頻+控制等業務,既需要畫面傳輸的高清晰度,也需要用戶體驗不受時延影響,提出了eMBB+uRLLC的大容量、低時延的新要求。另一方面,歷代網絡演進始終聚焦在峰值速率的提升上,而容易被忽略的網絡時延其實也會從側面影響用戶的速率,直到2015年3月在3GPP RAN 67次全會上才首次提出基于LTE時延減少的研究項目(SI)立項,相關技術成果也被5G NR標準所繼承。目前,全球5G網絡以面向eMBB場景為主,那么如何進一步降低eMBB網絡時延,實現滿足大容量的同時降低網絡空口時延,成為業界關注的焦點。

本文首先對影響5G空口時延的幀結構、空口設計、數據和信令處理時延、資源請求等方面進行介紹,并提出一種基于TDD/FDD協同的上行增強技術,通過ping時延分析證明該方案對網絡時延性能的有效性。

2? ?5G NR物理層設計與時延分析

2.1? 幀結構和空口參數

5G NR的幀結構可以靈活配置[3](如圖1上半部分),相對LTE 15 kHz固定的子載波間隔而言,NR的子載波間隔可配置為15 kHz/30 kHz/60 kHz,子載波間隔的成倍增加,符號長度(子載波間隔的倒數)則成倍縮短,NR的調度周期縮短至1 ms/0.5 ms/0.25 ms(分別對應15 kHz/30 kHz/60 kHz子載波間隔),而LTE的調度周期TTI則固定為1 ms。

對于eMBB場景,典型的子載波配置為30 kHz,調度周期為0.5 ms,是LTE的一半;而uRLLC場景子載波配置為60 kHz,調度周期進一步縮短為LTE的四分之一。

另一方面,5G NR可以通過特殊的空口參數來進一步減少調度周期的符號數。引入mini-slot幀結構設計(如圖1下半部分),能夠將調度周期從一個slot進一步縮短至symbol級別,mini-slot配置包括2/4/7/14個symbol。最短時調度周期可縮短至0.036 ms(60 kHz子載波,2 symbol mini-slot)。

2.2? 終端和基站的數據包以及信令處理時間

數據包處理時延主要指數據包生成和解包的時延,信令處理時延是指從高層向底層傳遞的處理時延。經研究,終端和基站的數據包的處理時間跟數據包的大小、處理器能力相關,隨著芯片計算能力的提升,5G NR基站和終端處理時延,無論單次從發送到接收的處理時延總和,都較LTE有所增強。在3GPP自評估報告[4]中,對基站和終端的發送和接收數據處理時延進行了詳細的分析。

2.3? 資源請求調度與ACK/NACK反饋等時延

當有上行數據發送時,終端需向基站發起無線資源請求的申請(Scheduling Request),基站根據當前網絡狀況向終端發送上行調度準許(Grant),這部分時延占用網絡時延的一大部分。在Rel-14以前,LTE已經可以通過預調度功能來改善時延,即通過在固定位置周期性地提供上行資源用于上行數據的傳輸,不需要經過資源請求過程來縮短時延。在2016年3月3GPP RAN 71會議進一步提出半靜態調度,引入了更短的半靜態調度周期1 ms,大大縮短了資源請求調度的時間。5G的上行免調度(Grant free transmission)也繼承了半靜態調度的思路并進一步增強,5G可以將預留資源分配給一組終端用戶,并且提出了在上行無線資源發生沖撞時的解決機制,降低時延的同時也提高了無線資源的利用率。

另一方面,在Rel-15中對ACK/NACK的反饋時延進行了壓縮。LTE系統的ACK/NACK是固定時延4 ms,在反饋NACK后數據重傳的時延也是4 ms。而5G NR則通過K0-K5等時域偏置參數表征包括ACK/NACK以及重傳在內的多個時間偏置[5-7],具體包括:

(1)K0:下行數據發送的PDCCH和對應的PDSCH間的時延偏置;

(2)K1:下行數據發送到ACK反饋的時延偏置;

(3)K2:上行調度準許Grant到上行數據發送的時延偏置;

(4)K3:下行數據NACK到下行數據重發的時延偏置;

(5)K4:上行數據發送到上行數據重發的時延偏置;

(6)K5:上行調度請求SR到上行調度授權Grant的時延偏置。

這些時間偏置受設備和終端處理能力、網絡配置和廠家調度機制等多方面影響,一般而言,K0~K5會有一個取值范圍,其最小值可視為在設備處理能力內且能得到最快的調度,根據調研,業界目前典型的最小值為K0=0、K1=2、K2=2、K3=3、K4=3、K5=2,單位為調度周期時隙slot。在這種情況下,NR從一次下行數據發送到ACK/NACK反饋2個時隙,再到重傳3個時隙,最快2.5 ms完成,比LTE的8 ms大幅度降低。

2.4? 等待時延與發送時延

等待與發送時延是指數據包生成后等待,并最終被發出去的時延,主要包含三個部分:數據到達后等待本時隙的結束TNR_sym,待上下行的調度機會時延束TNR_TDD,以及需要一個時隙進行發送束TNR_tsm。

如圖2所示,當數據到達是可能會在一個時隙中的任何時刻,而數據處理通常是按時隙顆粒度進行的,因此需要等待該時隙結束。TNR_sym的平均等待時延為1/2個時隙長度,例如子載波為30 kHz時,平均

TNR_sym=0.25 ms。

等待上下行的調度機會時延TNR_TDD是TDD雙工特有的時延。由于Massive-MIMO技術對TDD有一定的依賴性,5G NR采用TDD制式將成為主流選擇。相對FDD時隙連續而言,TDD上下行時隙分布離散,與運營商幀結構選擇有關。上下行數據需要等對應的上下行子幀到來才能被調度,FDD在這點上則有天然的優勢。經分析,假設數據包隨機到達,2.5 ms雙周期平均等待上行時隙到來的時延約為TNR_TDD=0.75 ms,下行約為TNR_TDD=0.25 ms。

數據發送時延TNR_tsm與TNR_sym類似,數據發送也需要一個時隙進行處理,子載波為30 kHz時,發送時延TNR_tsm=0.5 ms。

總體而言,對30 kHz、2.5 ms雙周期系統一次數據發送而言,NR即使因為TDD雙工時延落后了0.5 ms,但得益于更短的時隙長度和調度周期,總體的等待和發送時延上仍然有0.25 ms的優勢,如表1所示:

2.5? 其他增強技術

為實現1 ms極致的空口時延,5G除了子載波間隔和mini-slot,還推出了一系列方法,如物理層采用更短的CP長度、更短的GP間隔和更頻繁的上下行時隙轉換頻率,通過采用自包含技術實現快速的ACK/NACK反饋;通過改變數據結構按時間維度串行解碼進一步減少了時延,如導頻、控制信息、解調數據和錯誤檢測在時頻域上的結構。另外,5G使用了LDPC和Polar碼也在某種程度上提高了編解碼的效率,降低了處理時延。

3? ?基于TDD/FDD協同的上行增強技術

時延分析

通過第2節對系統設計和關鍵技術分析,5G已經通過多種手段在降低空口時延上做出努力。然而基于目前5G技術框架,想要進一步降低eMBB網絡時延已經困難。在現網中通常幀結構和空口參數是固定不變的,唯一能進一步挖掘的只有等待時延。

由于5G面向eMBB場景主要是以下行業務為主,幀結構配置上行時隙占空比較少且分散,因此考慮利用FDD的上下行時隙連續的特點,可以有效避免TDD特有的等待時延TNR_TDD,達到降低時延的效果。

基于TDD/FDD協同的5G上行增強技術正是采用這一理念實現系統空口時延的降低。該方案實現方式在于終端使用高低頻雙載波,下行可以是單載波或者下行載波聚合。由于上下行時隙配比導致上行時隙稀疏,上行等待時延明顯比下行等待時延更長,因此本方案主要作用于上行等待時延,對下行等待時延的優化效果甚微。如圖3所示,以國內典型的2.5 ms雙周期為例,假設數據包隨機到達,部分數據包(如3.5 G載波上第1、2、5、6、10時隙)到達后不在需要等待3.5 G的上行時隙,而是由網絡直接通過跨載波調度到低頻載波最近的上行子幀進行發送,普遍等待時延能減少0.5 ms,最大可減少1.5 ms。同時,目前協議也支持HARQ動態指派,在上下行不同子載波間隔配置的反饋時間點指示,同樣達到減少時延的效果。

4? ?Ping業務時延分析示例

基于對時延的理論分析,針對國內典型eMBB商用組網的幀結構和5G空口參數(2.5 ms雙周期TDD幀結構,0.5 ms調度周期,子載波間隔30 kHz),結合3GPP自評估研究報告對于基站和終端硬件處理時延的假設,并采用時延最小的配置和調度算法,對于小數據包(一次調度可傳送的數據包),綜合考慮初傳和10%重傳,對5G NR、開啟上行增強功能的5G NR和LTE的Ping時延進行對比分析,如圖4所示:

在基站開啟上行免調度時,數據包空口環回平均時間時延,5G為3.76 ms,LTE FDD為9.6 ms;在基站不開啟上行免調度時,則會增加上行調度申請所需的時長:5G為5.92 ms,LTE FDD為15.24 ms。5G的空口時延的降低,一方面得益于終端和基站的處理時延減少,另一方面,更短的調度周期雖然有利于減小發送等待時間,但同時5G TDD雙工相比LTE FDD會額外增加上下行調度等待時間,因此5G的單次發送及等待時間合計平均只有約0.25 ms的優勢。

為減少5G TDD雙工的影響,在開啟TDD/FDD協同的上行增強功能前后,數據包空口環回平均時間減少0.35 ms,從5G NR的3.76 ms進一步減少為3.34 ms;在基站不開啟上行免調度情況下,則從5G的5.92 ms減少為5.15 ms。從結果上看,本文所提方案有效地減少了TDD上行等待時延,對eMBB場景的時延降低效果明顯。

需知道,以上結論都是基于3GPP的理論假設,實際的外場測試結果普遍要比理論分析值高,主要來自于實際更長的基站和終端處理時延,以及與設備商的調度策略相關。

5? ?結束語

5G NR采用了靈活動態的幀結構,通過改變子載波間隔、資源請求調度和ACK/NACK反饋等一系列方法,實現了更短空口時延。盡管TDD雙工相對FDD不可避免地帶來了調度機會的等待時延,但5G NR在數據等待和發送時延上仍然有0.25 ms的優勢。通過引入TDD/FDD協同的上行增強技術改善上行時延,驗證在典型的eMBB場景下,通過3.5 G增加FDD低頻雙載波,空口環回時延能進一步降低至3.34 ms,有效地避免TDD等待時延,降低空口環回時延。

參考文獻:

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