5G系統中URLLC業務資源分配方法研究

石靖

【摘要】? ? 在第五代移動通信新空口（5G NR）系統中，頻域資源分配（Frequency Domain Resource Allocation，FDRA）方法沿用了第四代移動通信長期演進（4G LTE）系統中的FDRA方法，主要包含離散資源分配和連續資源分配兩種方法。本文基于5G NR系統中低時延高可靠（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）業務需求，針對現有頻域資源分配方法的不足，提出適用于URLLC業務連續資源分配的優化方法。通過靈活配置起點粒度和長度粒度，可以靈活實現提升資源利用率或降低控制開銷，保證基站的調度靈活性。并且在增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）業務和URLLC業務復用時，通過調整資源分配的起點，更多的剩余資源可以分配給URLLC業務，降低使用搶占傳輸的概率，進而提升整體系統效率，避免總是以犧牲eMBB業務為代價保證URLLC業務傳輸。

【關鍵詞】? ? 資源分配? ? URLLC? ? 搶占傳輸? ? 分配粒度? ? 指示開銷

引言

目前5G NR系統[1]中的資源分配重用了4G LTE系統的資源分配方法[2-3]。其中針對連續資源分配，使用1個資源塊（Resource Block，RB）的分配粒度。針對低時延高可靠業務URLLC[4-5]，由于在時域上業務信道占用的正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）符號較少，例如2個OFDM符號，進而在頻域上URLLC業務通常會占用較多的資源，因此在頻域上使用粗粒度的頻域資源分配成為業界共識。使用粗粒度的頻域資源分配的好處是能夠降低用于頻域資源分配的開銷進而降低下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）的大小（DCI size），而降低DCI size能夠提升用于調度業務信道的物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）傳輸的可靠性，進而提升URLLC業務可靠性，因此在4G LTE系統和5G NR系統中均采用了粗粒度的頻域資源分配用于URLLC業務傳輸。由于5G系統需要同時支持eMBB業務和URLLC業務，在一個時隙內，起點粒度和長度粒度均使用相同粒度的頻域資源分配不利于eMBB和URLLC業務復用，使用搶占傳輸方式保證URLLC業務及時傳輸則會犧牲eMBB業務的傳輸效率。因此本文提出一種優化的連續資源分配方法，可以靈活實現提升資源利用率或降低控制開銷，降低使用搶占傳輸的概率，避免總是以犧牲eMBB業務為代價保證URLLC業務傳輸。

一、現有技術分析

URLLC連續頻域資源分配方法：

目前基于粗粒度的頻域資源，采用的是起點粒度和長度粒度使用相同的粗粒度，記為K個RB。由于5G系統需要同時支持eMBB業務和URLLC業務，在同一個時隙內，起點粒度和長度粒度均使用K個RB的頻域資源分配不利于eMBB和URLLC業務復用。由于URLLC業務是實時到達的業務，即通常URLLC業務資源分配會在eMBB業務資源分配之后進行。如圖1所示，K = 8，此時由于起點粒度和長度粒度均為粗粒度，eMBB業務分配后剩余資源中的部分資源不能分配給URLLC業務進而導致浪費，對應圖中無法分配的資源。

URLLC搶占傳輸：為了保證低時延高可靠業務的性能，基站可以強行為URLLC業務分配資源，允許搶占eMBB業務已經分配到的資源。并且基站通過額外的指示信息通知eMBB用戶被搶占的資源，避免eMBB用戶合并錯誤數據信息，通過進一步的重傳保證性能。這種方法的優點是保證URLLC業務實現低時延高可靠傳輸，但是同時犧牲了eMBB業務傳輸效率。

二、資源分配優化方法

為了實現URLLC低時延需求，一種方法是使用搶占傳輸，但是這種方法會影響eMBB業務傳輸效率。另一種方法為優化資源分配，獨立配置起點粒度和長度粒度。例如，如圖2所示，僅對長度粒度使用粗粒度K=8，而起點粒度仍然保持1個RB的粒度。對于所述優化方法，通過調整資源分配的起點，更多的剩余RB資源可以分配給URLLC業務。

2.1資源分配指示

URLLC連續資源分配優化方法為起點粒度和長度粒度使用不同的粒度，其中長度粒度記為K個RB，起點粒度記為αK個RB，其中α={1/8，1/4，1/2，1}，使得優化方法具有更靈活的起點粒度指示。通過分段函數給出起點和長度的聯合編碼并通過資源指示值（Resource Indication Value，RIV）進行指示，其中RBstart=0，αK，2αK，...，（NRB-1）αK表示起始資源塊，LRBs=K，2K，...，NRBK表示分配的資源長度，NRB=[NRB/K]且NRB表示帶寬中包含的RB數目。其中LRBs=LRBs/K，RBstart=RBstart/αK，且LRBs不能超過NRB-RBstart。

2.2資源分配方法開銷比較

對于eMBB連續資源分配開銷與帶寬成正比，其中起點粒度和長度粒度均為1個RB，具體開銷為[log2（NRB（NRB+1）/2）]比特。對于URLLC連續資源分配，K取值優選使用離散資源分配中使用的資源塊組（RB Group，RBG）的整數倍，使用不同粗粒度的URLLC連續資源分配方法開銷節省如表1所示。可以看出，開銷節省與系統帶寬相關，當起點粒度與長度粒度均使用1個RBG時，開銷節省2-8比特。當使用URLLC連續資源分配優化方法，例如起點粒度使用1個RB且長度粒度使用1個RBG時，開銷節省1-4比特。注意這里會有額外的[log2N]比特用于基于RB粒度的起點指示，因此開銷降低不如起點粒度與長度粒度使用相同粒度降低明顯。但是起點粒度與長度粒度使用不同粒度更加靈活，可以綜合考慮資源分配開銷降低與分配粒度精細化程度，例如起點粒度使用半個RBG且長度粒度使用1個RBG時，開銷節省1-7比特。因此URLLC資源分配優化方法可以兼顧可靠性與系統效率。

2.3資源分配方法性能比較

URLLC連續資源分配方法和優化方法的效果與eMBB業務的具體資源占用情況有關。為了更好的分析該問題，對兩種方法進行數值分析和仿真驗證。

2.3.1數值分析

URLLC連續資源分配方法（方法1）和優化方法（方法2）使用的粗粒度為1個RBG，在帶寬為5MHz時共計25個RB，此時1個RBG為4個RB。對于方法1，URLLC頻域資源使用方法為：限定調度器中分配頻域位置的起始RB是固定的，例如RB#1，RB#5，RB#9，...，此時未被eMBB占滿的RBG會有RB浪費，類似圖1所示。對于方法2，URLLC頻域資源使用方法為：在可用RB上按照順序的連續RB進行占用，類似圖2所示，URLLC用戶1分配的頻域位置為從僅挨著eMBB已分配的資源之后第一個RB開始占用，URLLC用戶2分配的頻域位置是緊鄰著用戶1分配頻域位置的結束位置。因此，對于相同業務包大小的URLLC業務，在eMBB資源占用由少到多的情況下，對比方法1和方法2能夠分配的URLLC用戶數量。其中，將eMBB占用資源作為輸入參數，將可以支持的URLLC用戶數作為輸出變量?？紤]到URLLC業務通常為小包業務，僅需要一兩個RB，即1個UE占用1個RBG。

場景一：小區有2個eMBB UE分別從帶寬兩側占用資源，根據eMBB占用資源的多少，對比方法1和方法2。例如當eMBB UE1占用RB#0，eMBB UE2占用RB #24，此時方法1最多可以分配4個URLLC UE，方法2最多可以分配5個URLLC UE，此時可以體現出方法2可以分配更多URLLC用戶的優勢。又例如：當eMBB UE1占用RB #0-3，即RBG0，eMBB UE2占用RBG5，此時方法1和方法2均為最多可以分配4個URLLC UE，即此時方法1和方法2效果相同。因此，當eMBB業務占用整數個RBG時，方法1和方法2資源分配效果相同。當eMBB業務占用不滿整數個RBG時，方法2可能會比方法1具有更高的資源利用率。

場景二：小區中有1個eMBB UE從帶寬一側占用資源，此時無論該UE如何占用資源，剩余資源對于方法1和方法2來說，資源分配效果均相同。

因此，結合不同eMBB業務占用帶寬資源的情況，方法1和方法2資源分配效果在部分場景中分配效果相同，在部分場景中方法2可能會比方法1具有更高的資源利用率，所以綜合來看，URLLC連續資源分配優化方法有一定的優勢。

2.3.2仿真驗證

為了進一步驗證URLLC連續資源分配優化方法在實際應用中存在優勢，通過系統仿真比較兩種方法。對于真實的eMBB和URLLC復用場景，同一時刻調度的eMBB用戶數時隨機的，URLLC用戶也是隨機的，需要根據實際業務模型來仿真比較。方法1：起點粒度和長度粒度相同，均使用4RBs;方法2：起點粒度使用1RB且長度粒度使用4RBs。仿真使用的是NR URLLC典型評估場景R15 enabled use case，評估兩種方法的丟包率和平均每時隙分配用戶數。在評估中，資源首先由eMBB UE以時隙長度進行頻域資源占用，之后URLLC在每個微時隙分配未被eMBB UE占用的RB資源，其中所述微時隙未1個時隙中按照預設圖樣劃分出若干微時隙，本次仿真使用1個時隙劃分為3個微時隙，每個微時隙分別具有{5，5，4}個OFDM符號。在仿真中，eMBB基于子帶CQI反饋和連續資源分配，URLLC基于寬帶CQI反饋和兩種待比較的資源分配方法。具體的，仿真場景為4GHz載頻20MHz帶寬且子載波間隔為30KHz，采用UMa仿真場景，基站間距500m;基站側配置為8發送天線端口，天線高度為25m，天線單元增益和連接器損耗8dBi，基站接收噪聲系數5dB，基站接收器采用MMSE-IRC;終端測配置為平均每小區10個eMBB UE和15個URLLC UE，使用4接收天線，天線高度1.5m，天線增益0dBi，UE接收噪聲系數9dB，URLLC用戶分布為室外80%和室內20%，URLLC業務模型為包大小為32字節的周期業務且達到率為每秒4000包，eMBB業務為包大小為100字節的ftp3業務且達到率為每秒2000包。如表2所示兩種方法的系統仿真結果，可以看出方法2相較于方法1降低大約12%的丟包率，同時增加大約23%的URLLC調度用戶數。

因此，通過系統仿真驗證URLLC連續資源分配優化方法具有提升系統效率的優勢，在eMBB和URLLC復用場景中能夠提升URLLC業務系統性能。

頻域資源分配方法 丟包率 每個微時隙平均可以分配到資源的URLLC用戶數

方法1：起點粒度和長度粒度均為4RBs 47.42% 5.2536

方法2：起點粒度為1RB且長度粒度為4RBs 35.29% 6.4674

三、結束語

本文提出一種優化的連續資源分配方法，該方法針對eMBB業務和URLLC業務復用場景，通過為資源分配的起點粒度和長度粒度配置不同粒度，將更多的剩余RB資源分配給URLLC業務。通過該資源分配優化方法，可以靈活實現提升資源利用率或降低控制開銷，降低使用搶占傳輸的概率，避免總是以犧牲eMBB業務為代價保證URLLC業務傳輸。結合數值分析和系統仿真可知，本文所提出的優化方法在相同eMBB業務資源占用情況下可以提升分配URLLC用戶數量，提升系統利用率。

參? 考? 文? 獻

[1] 3GPP. NR and NG-RAN Overall Description. TS 38.300 V16.2.0[S]. 2020-07

[2] 3GPP. Physical layer procedures. TS 36.213 V16.2.0[S]. 2020-07

[3] 3GPP. Physical layer procedures for data. TS 38.214 V16.2.0[S]. 2020-07

[4] 3GPP. Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies. TR 38.913 V15.0.0[S]. 2018

[5] DURISI G， KOCU T， POPOVSKI P. Toward Massive， Ultra-reliable， and Low-Latency Wireless Communication with Short Packets[J]. Proceedings of the IEEE， 2016，104（9）：1711-1726