支持混合业务的5G自适应调度和复用技术

【摘  要】5G标准规范目前的版本以满足IMT-2020对数据速率、时延、可靠性等需求为目标，支持增强型移动宽带、超可靠低延时通信、大规模机器类型通信三种应用。为满足5G演进系统中混合部署更多业务类型，服务更加多样化设备的需求，本文研究自适应调度和复用增强的策略，确定通过提高调度准确性、增强基于配置的调度流程、自适应工作带宽调整、改进终端设备内部混合多业务处理流程、增强多业务的复用方式、优化干扰管理和控制、支持同频复用不同空口参数集合方面的技术演进可适配不同等级的设备，满足混合业务各自在可靠性、可获得性、可维护性、安全性和完整性方面的需求。

【关键词】 5G;自适应;调度;复用;混合业务;设备等级

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.005      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0024-04

引用格式：闫志宇. 支持混合业务的5G自适应调度和复用技术[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 24-27.

5G Adaptive Scheduling and Multiplexing Technologies for Mixed Services

YAN Zhiyu

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract] For meeting the requirements of IMT-2020 in terms of data rate， latency， reliability， etc.， the current 5G specification supports enhanced mobile broadband （eMBB）， ultra-reliable low latency communications （URLLC）， and massive machine-type communication （mMTC）. To satisfy the requirements of deploying more types of services and serving more diversified devices in 5G evolution system， this paper investigates adaptive scheduling and multiplexing enhancement technologies. As a result， the requirements of mixed services in terms of reliability， availability， maintainability， security and integrity can be satisfied by improving the scheduling accuracy， enhancing the configured grant scheduling procedure， adjusting the working bandwidth adaptatively， modifying the mixed-service processing of terminal devices， enhancing the mixed-service multiplexing，  optimizing the interference management and control， and supporting the technology evolution of multiplexing different air-interface parameters with the same frequency for the devices with different levels.

[Key words] 5G; adaptation; scheduling; multiplexing; mixed services; device level

0   引言

5G移動通信的目标是支持随时随地的万物互连，满足人机深入交互的需求。5G业务发展初期以热点区域、城区覆盖增强移动宽带业务为主，并包括少量超可靠低延时通信业务。面向5G网络演进，服务更多样的业务类型，满足更多等级终端设备的需求已经提上日程。本文将研究自适应调度和复用技术的增强和优化策略，以满足多业务混合部署、多等级终端设备服务的需求。

1   混合业务类型和终端设备等级分析

增强型移动宽带业务可实现0.1～1Gbit/s的用户体验速率以及数十吉比特每秒的峰值速率。超可靠低延时通信则强调低时延、高可靠连接，涵盖增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality， AR/VR）、工业自动化、远程驾驶、电力分配等业务。针对超可靠低延时通信的不同应用，可靠性、时延、可获得性等方面的要求不同。例如工业自动化应用要求32字节的数据包在1 ms空口时延的要求下可靠性不低于99.9999%。有的远程驾驶应用则要求2M字节左右的数据包的可靠性在5 ms空口时延的条件下不低于99.999%。在5G系统部署的中后期，5G网络将成为增强移动宽带的主要承载网络，混合业务的部署需求将更加多样化、复杂化，需要通过增强自适应调度和复用技术满足多种业务类型混合部署的需求。

5G系统当前的设计并没有太多考虑终端设备实现复杂度、成本等因素。因此目前系统中支持的终端设备的成本、功耗等是比较高的。比如现在的终端设备在FR1频段工作时，必须支持100 MHz的带宽，在FR2频段工作时必须支持200 MHz带宽。另外，终端设备工作在2.5 GHz频段以上必须支持4天线接收、在2.5 GHz频段以下工作必须支持2天线接收。终端的功率等级也只有23 dBm和26 dBm两种。然而在很多实际应用中，设备的成本和复杂度比传输速率、时延和可靠性更重要。5G演进系统中低等级终端设备包括工业无线传感器、视频监控、可穿戴设备等。这些设备的复杂度比5G Rel 15/Rel 16系统中设备的复杂度低，但又高于低功率广域网（如LTE-M/NB-IoT）的设备需求[1]。5G演进系统中不仅要支持Rel 15/Rel 16系统中设备以及多种较低等级的终端设备，而且要支持这些终端设备复用、共享网络资源，这也对自适应调度和复用技术提出了新的要求。

因此，通过自适应调度和复用的增强和优化实现多业务类型混合部署、多等级终端设备服务是5G演进系统设计的重要方向。

2   自适应调度技术增强

2.1  提高调度准确性

自适应调度技术通过无线网络资源占用状况、网络中业务传输需求和无线信道质量等协调资源。高效的自适应调度算法对有效利用频谱资源，满足高速率、大容量、高可靠性、高吞吐量等性能起着至关重要的作用。网络设备通常基于各服务终端设备的信道状态信息（Channel State Information， CSI）反馈为下行数据传输选择合适的调制编码方式、资源大小、收发天线端口数目等。CSI反馈的信息越准确及时，网络设备的调度结果越准确有效。非周期CSI可以提供比周期CSI更加丰富详细的信道状态信息。但是考虑非周期CSI反馈对上行资源的消耗比较大，当前系统仅支持在物理上行共享信道反馈非周期CSI信息。为改善CSI信息的及时性，可以考虑基于触发机制在物理上行控制信道反馈非周期CSI。进一步地，也可以考虑基于其它参考信号，例如基于专用解调参考信号（Dedicated Demodulation Reference Signal， DMRS）测量CSI。终端设备如果检测到下行数据传输，可通过此下行数据相应的DMRS测量下行信道，并尽早反馈该测量结果。这样，网絡设备可以获取到实时、准确的下行信道状态，为该终端设备以及其他同时服务的终端设备提供准确的调度决策。

2.2  增强基于配置的调度流程

基于配置的调度可以提高控制信息的效率、降低调度时延[2]。基于配置的调度在现有的网络中主要用于超可靠低延时通信、VoIP等对时延要求高或者调度资源相对稳定的业务。基于配置的调度相比实时准确的动态调度在一定程度上必然缺乏调度的灵活性。针对演进系统中大量混合业务类型和海量的设备连接，使用基于配置的调度将面临更多的协调压力。例如工业无线感知的网络中有海量的终端设备处于RRC非活跃状态，这意味着使用基于配置的调度时，需要预留大量的资源。这些基于配置的调度在降低控制信息负载的同时，所配置的资源之间的协调、与其它调度资源之间的复用方式对系统资源效率的影响是很大的。另外，为确保上行传输的可靠性，可以为终端设备配置用于多次重复传输、基于配置的上行资源。终端设备必须执行所有的上行重复传输。然而大多数情况下，网络设备解调前1～2次重复传输就可以正确解调上行信息。如果网络设备在未达到最大的重复次数之前已经正确解调上行信息，则可提前终止重复次数，提高系统资源的效率。

因此，优化基于配置的资源协调复用、优化重复传输的提前终止流程等无线资源管理过程对于满足各类业务、各种等级终端设备的需求，提升系统整体效率方面将起到重要的作用。

2.3  自适应工作带宽调整

工作带宽由一组连续的资源块组成，对应特定的载波和特定的空口参数集。工作带宽的引入主要是为了支持接收机带宽小于系统带宽的终端设备，并通过不同大小工作带宽之间的自适应转换降低终端设备的功耗。另外，工作带宽的配置也方便了系统支持不连续的频段配置。使用合适的工作带宽配置可适配根据业务传输需求按需分配无线资源的原则，达到优化无线资源管理的目的。对数据传输速率要求不太高但成本和功耗的指标要求较高的终端设备来说，可能需要支持更小的工作带宽，例如可以支持以同步信号块的频率宽度为限的工作带宽。通过增强终端设备的自适应工作带宽转换流程，兼顾该等级终端设备和其它等级终端设备的资源复用效率是保证高效的调度机制的重要条件。

2.4  改进终端设备内部混合多业务处理流程

自适应调度和复用技术是在终端设备的处理能力级别上完成的。因此，网络设备的调度算法与终端设备的处理能力直接相关。以处理下行共享信道的为例，终端设备的处理能力是关于终端设备接收并处理下行共享信道与反馈相应的HARQ-ACK之间的最小时间差。目前系统设计支持两种处理下行共享信道的能力和两种处理上行共享信道的能力。在一个载波的频率范围内，目前仅支持终端设备按照一种处理能力的流程处理下行数据[3]。

为了提高系统复用效率和业务服务需求，需要支持更多种混合业务在同频资源上的复用。一个设备内部在同频内支持不同的业务类型可能需要用不同的处理能力级别的流程。如果终端设备并行执行不同能力级别的流程，终端设备的处理效率较为低下，并且会对终端设备的成本提出很高的要求。因此，如何统筹终端设备的处理能力在各业务类型之间的分配以及如何优化处理能力级别的流程将面临新的挑战。如图1所示，为满足终端设备内部混合多业务服务的传输需求，有可能在同一个载波的同一个BWP调度给终端设备的多个PDSCH/PUSCH在时域重叠，或者在时域、频域都有重叠。重叠的PDSCH/PUSCH各自的处理流程可能是基于终端设备的不同能力配置完成的。这种情况下，如果终端设备没有完全按照两种处理能力级别的流程和时序平行处理两个调度的能力，则需要设计终端设备的处理能力如何在该两个流程分配，以及需要优化该两个流程过程。

因此，通过优化终端设备处理等级相关的自适应调度流程，以及优化不同终端设备的处理能力对联合调度、复用的流程，可以达到自适应调度适应多种终端设备处理能力，提高网络传输质量和效率的目的。

3   自适应复用技术优化

3.1  增强多业务的复用方式

5G网络一开始部署增强型移动宽带业务，主要的用户面时延在4 ms之内，可靠性则限制在90%以内。增强型移动宽带业务单独组网时，约占用20%～60%的系统资源。如果要在基础网络中支持超可靠和低延迟业务，直接有效的方式即增加可用资源，例如使用更大的带宽、更多数量的载波或者增加发射和接收天线的数量等，为每种业务分配独立专用的资源。然而，在很多情况下并不能随意增加可用资源数量。例如在低频的频段内很难有非常大的带宽、设备的成本，复杂度受限的情况下也不可能总是用增加发射和接收天线数量的方式改善业务服务质量、高频段和低频段载波聚合的协调性有待进一步提高。

为了针对不同的业务和终端设备等级提供适配的复用方式，目前系统设计了资源抢占和功率控制机制。通过资源抢占机制，可以在增强型移动宽带业务的部署频率上支持业务突发性强、时延要求高、可靠性要求高的超可靠低延时业务。如图2所示，增强型移动宽带业务传输过程中有超可靠低延时业务传输需求时，调度设计以优先服务超可靠低延时业务为原则，增强型移动宽带业务传输则往往被丢弃。采用抢占方式复用两种业务，增强型移动宽带的业务被复用需求影响，严重的情况下将影响系统的整体效率。

为改善使用抢占机制带来的增强型移动宽带业务性能下降的负面影响，可以进一步优化抢占复用的过程。例如在满足条件的情况下恢复被抢占的增强型移动宽带业务传输或者由集中控制中心统筹抢占过程对增强型移动宽带业务的部分信道生效，对部分信道不生效等机制。进一步地，针对业务服务更加多样化、终端设备等级差异化的需求，抢占方式可能不再能适配需求，需要引入更多类型的业务复用方式优化方案。

3.2  优化干扰管理和控制

作为自适应调度和復用算法的输入因子，干扰管理和控制方案对提升网络整体性能和效率起着重要的作用。5G的演进网络将面临更加复杂多变的干扰水平和分布情况。特别是工作频率分布在很大带宽的毫米波频段的TDD网络，超级灵活的上下行配置机制和业务类型必将把干扰管理和控制方案的增强提上日程。干扰的场景可能包括不同业务传输的下行传输或者上行传输之间的干扰。或者更极端地，可能存在不同业务传输的下行传输和上行传输之间的干扰。并且，网络设备之间、小区之间的干扰环境也面临更加复杂和严重的境况。

通过干扰管理和控制的机制实时适配多种混合业务各自的可靠性、时延特性、可获得性等需求，对网络传输质量和效率有着重要的意义。例如，通过干扰协调、资源协调、资源预留、调度资源限制、发送功率调整等抑制干扰水平的方案，可以改善自适应调度结果的干扰环境，保证业务传输的可靠性和系统的整体效率。

3.3  支持同频复用不同空口参数集合

当前的系统设计支持多种空口参数集，各种参数集对应的子载波宽度、时隙长度等不同。为灵活适配不同业务的时延、可靠性或者效率的需求，各种业务类型需要使用不同的参数集。通过自适应调度和复用使不同参数集合在同频复用是改善系统频率资源效率的有效方式。然而，多种参数集的信道在相邻的资源上复用可能带来子载波之间的干扰。如果为空口参数集不同的信道之间预留太大的保护带宽，又会使频率资源效率低下。通过研究终端设备在相邻频率资源上用不同的空口参数集复用资源的干扰抑制方案，以及终端设备自身通过切换工作带宽适配不同的空口参数集的方案，可以适应终端设备之间和终端设备内部多业务混合使用的资源复用需求。

4    结束语

自适应调度和复用技术在满足5G演进网络服务更多业务类型、更多终端设备等级的需求方面起着重要的作用。作为自适应调度和复用技术的策略，提高调度准确性、增强基于配置的调度流程、自适应工作带宽调整、改进终端设备内部混合多业务处理流程、增强多业务的复用方式、优化干扰管理和控制、支持同频复用不同空口参数集合将为5G网络的演进和部署的需求提供有效的解决方案。

参考文献：

[1]     3GPP. 3GPP RP-193238： New SID on support of reduced capability NR devices[R]. 2019.

[2]    3GPP. 3GPP TS 38.213： NR; Physical layer procedures for control V16.0.0[S]. 2019.

[3]    3GPP. 3GPP TS 38.214： NR; Physical layer procedures for data V16.0.0[S]. 2019.★

作者简介

闫志宇（orcid.org/0000-0002-0072-1612）：高级工程师，硕士毕业于电信科学技术研究院研究生部，现任职于中国信息通信研究院，主要从事无线与移动通信系统标准解决方案研究、算法设计与仿真等工作。