关于 URLLC场景下的 the Short Blocklength Regime

关于 the Short Blocklength Regime

1. URLLC场景要求高可靠低延迟通信，其在QoS和包大小要求方面与传统实时通信业务有很大区别，举个例子：

   • 传统VoIP业务：
     • 最大排队时延50ms
     • 时延违反概率0.02
     • 最小数据包大小1500bytes
   • URLLC业务：
     • 端到端延迟1ms
     • 译码错误概率10的负9次方
     • 包大小 <= 20 bytes

2. 在LTE系统中，每个TTI设置为1ms，这意味着数据包在传输前就要在基站缓冲区中等待1ms以上，因此无法满足1ms的端到端时延要求。

3. 5G NR提出了短帧结构，下面比较一下LTE和NR子载波间隔和帧结构的区别：

   • LTE

     • LTE中每帧(frame)固定10ms，一帧中包含10个子帧(subframe)，每个子帧1ms；
     • 子载波间隔(SCS)固定15kHz；

   • 5G NR

     • NR帧长10ms，包含10个子帧，每个子帧1ms，与LTE相同；
     • NR的子载波间隔在LTE的15kHz的基础上以2的幂次方扩展，即子载波间隔可以为15k、30k、60k、120k、240kHz；
     • SCS越大，OFDM符号长度(SCS的倒数)越短，时延越小；
     • 5G每个时隙(slot)固定有14个OFDM符号，因此子载波间隔越大则时隙越短，而子帧长度固定1ms，因此每个子帧中的时隙数不是固定的；
     • Slot是5G(NR)网络标准的调度单位；
     • 可以参见下图表理解；
       
       

4. 由上可知，短时延URLLC场景需要低时延，可以通过配置较大的子载波间隔，降低对应时隙的长度来满足要求。此外，5G NR引入了mini-slot，支持一个时隙仅包含 2 | 4 | 7 个OFDM符号，有助于降低延迟，可用于低延迟场景中。

5. 5G NR采用短帧传输保证URLLC低时延，而为了保证URLLC的高可靠性，适当的有限块长度信道编码是非常重要的。因为数据在有限块长度信道编码下不能实现无差错传输，因此在URLLC场景下，译码错误概率是可靠性的重要表征；

6. Sergio Verdú在其论文《Channel Coding Rate in the Finite Blocklength Regime》中的结果表明，用较短的块长度信道码可以保证非常低的传输错误概率，但代价是可实现的速率降低。论文中从信息论的角度推导出了AWGN信道在有限块长编码下的可达速率的近似表达式（单位：nats/s/Hz）：
   $$\frac{log{M}^{\ast }(n,ϵ)}{n}\approx C-\sqrt{\frac{V}{n}}{Q}^{-1}(ϵ)$$
   其中，epsilon为信道译码错误概率，n是信道编码块长度，C为香农容量，M*(n, epsilon)代表在给定错误概率和块长度的情况下，可实现的最大码本大小（最大的输入符号数）；

   在指定了信道编码码长和译码错误概率后，其输入符号数有一界限，若超出该界限，则在给定的n下不能保证译码错误概率满足条件；

   注：由于当输入符号数为M，信道编码长度为n时，其编码效率为
   $$R=\frac{logM}{n}$$

7. 为何接下来的论文中将公式中的信道编码块长度n表示为数据传输时间与带宽的乘积呢？这两者的乘积结果应当是一个数据包中的传输符号数或者包长度才对，它们跟信道编码块长度为什么是一个东西？

参考

• 知乎专栏【5G NR学习笔记】5G NR帧结构

• Qorvo社区：5G帧结构解析

• 中兴文档：一文读懂5G帧结构

• 5G(NR)网络中物理层调度单位Slot和Mini-Slot

• 信息论——信道及其容量（二）

• 知乎提问：信道编码定理中的数据率

• Polyanskiy Y, Poor H V, Verdú S. Channel coding rate in the finite blocklength regime[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2010, 56(5): 2307-2359.

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• Sun C, She C, Yang C, et al. Optimizing resource allocation in the short blocklength regime for ultra-reliable and low-latency communications[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2018, 18(1): 402-415.

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• J. Park and D. Park, “A New Power Allocation Method for Parallel AWGN Channels in the Finite Block Length Regime,” in IEEE Communications Letters, vol. 16, no. 9, pp. 1392-1395, September 2012, doi: 10.1109/LCOMM.2012.071612.120447.

• She C, Yang C, Quek T Q S. Radio resource management for ultra-reliable and low-latency communications[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(6): 72-78.

• Durisi G, Koch T, Östman J, et al. Short-packet communications over multiple-antenna Rayleigh-fading channels[J]. IEEE Transactions on Communications, 2015, 64(2): 618-629.

• Zhang L, Liang Y C. Average throughput analysis and optimization in cooperative IoT networks with short packet communication[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(12): 11549-11562.