URLLC实现的调研
1.URLLC关键技术
1.1 低时延技术
- 非时隙调度(Non-slot):
引入mini-slot将最小调度颗粒从时隙级(14符号)缩短至符号级(2/4/7符号)，缩短空口数传长度，降低时延，适用于超短时延小包业务场景。以3U1D帧结构为例，mini-slot的引入会降低约13%的时延。Non-slot调度机制比较成熟，已有运营商支持，截止到2021年年底，所有运营商及大部分系统厂家都将支持。
- 上行免授权调度配置:
基站预先为部分终端分配上行传输资源，终端可根据业务需求在预分配的资源上直接发起上行传输，减少调度时延和开销。目前，所有运营商及大部分系统厂家已支持。
- 灵活帧结构:
使用1D1S帧结构，可有效降低TDD上下行切换周期，在开预调度情况下，1D1S比1D3U1S帧结构时延性能提升10%～20%，部分运营商已开始试点使用。
- 抢占:
终端可基于调度指示传输高优先级数据，降低高优先级数据的时延。例如，终端间及终端内部的UＲLLC业务可抢占eMBB业务资源。大部分系统企业计划2022年实现，运营商均计划 2022 年之后实现该特性。
1.2 高可靠技术
1) 低码率MCS/CQI表格:
新增MCS表格和CQI表格各一张，支持更低码率，实现更高可靠性。该特性产业实现难度小，增益明显，初始可靠性达到99.999%级别，目前部分运营商已支持，截止到2021年年底所有运营商及系统企业均支持。
- 良好的信道编码技术：
目前的4G系统使用的代码长块长度约为10^4-10^5比特，由于代码块中的信息比特数是延迟的基本单位，为了满足URLLC需求就要使用短块长码以实现低延迟。然而，随着代码块长度的减少，代码将遭受重大的性能损失。为了同时实现超高可靠性和低时延，这就需要开发强大的短块长度的代码，以实现很低的BLER性能。
- 分集技术：
分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。
2.URLLC的实现
2.1新型多址技术——NOMA
2.1.1 OFDM基本概念和技术演进：
在4G中广泛采用了OFDM正交频分复用技术，其优势在于其接收端可以使用相对简单的接收机检测算法。OFDM主要思想是：将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。为了适应网络中大规模用户的接入，就必须将每个正交子信道分配给不同的用户传输数据，这就是OFDMA（正交频分复用多址接入技术）
。详细的解释是：在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。OFDMA多址接入系统将传输带宽划分为正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。OFDMA系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。
2.1.2 OFDM技术在5G网络下的不足和NOMA的优势
《5G愿景与需求白皮书》中提出，5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，其中频谱效率相比4G需要提升5～15倍。正交多址接入技术虽然可以保持接收机的低复杂度，但是无法满足5G频谱效率提升5到10倍的需求。而NOMA非正交多址技术不同于传统的正交传输，在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除技术（SIC）接收机实现正确解调。与正交传输相比，接收机复杂度有所提升，但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，会使得非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。
NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用（OFDM）技术，子信道之间是正交的，互不干扰的，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接受端要采用SIC（串行干扰删除技术）进行多用户检测的目的。在发送端，对同一信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机在根据不同用户信号功率大小按照一定顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。
2.1.3 NOMA技术特点：
- 接收端采用串行干扰删除（SIC）技术。
- 发送端采用功率复用技术
- 不依赖用户反馈CSI
2.1.4 NOMA技术基本原理
图1 NOMA技术基本原理示意图
上图介绍了上行和下行NOMA技术的基本原理：发送端首先要根据用户信道条件、用户服务质量（Quality of Service,QOS）需求、用户间干扰等信息把多用户信号在功率域划分，然后通过叠加编码（Superposition Coding,SC）将其发送；接收端利用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation,SIC）技术根据多用户信号功率的差异性逐级消除多用户信号间干扰，直至解码出其希望得到的信号。因此，系统以不同的发送功率在相同的无线资源上重叠的发送多个用户信号，可以为多个用户同时提供无线传输业务。
3.1.5 NOMA技术具有优势
（1）更高的频谱效率：NOMA技术以不同功率将多用户信号在时间域/频率域/编码域相互重叠的信道上传输，在相同的无线资源上为多个用户提供无线业务，因此显著提升了系统的频谱效率。
（2）更多的用户接入与更低的传输时延：一方面，NOMA技术允许大量用户同时接入相同的信道进行通信，从而显著提高了用户的接入能力；另一方面，多个用户无需按照优先级排序接入信道，因此降低了传输时延。
（3）吞吐与公平性的折中：不同于传统基于注水定理（Water Filling）的功率分配策略，在NOMA系统中更多的功率将分配给信道条件较差的用户，从而在保证差用户吞吐量性能的条件下，提高系统的整体吞吐量和实现用户间的公平性。
（4）良好的兼容性：由于NOMA技术利用了功率域复用，其可以与传统OMA技术（如TDMA、FDMA、OFDMA）相互兼容，即构建混合多址接入系统或多载波多址接入系统，从而降低发射机与接收机的复杂度。
（5）无用户调度信令开销：NOMA系统可以允许多个用户同时接入信道，无需机会式传输中由于用户调度带来的信令开销，且可以达到与机会式传输相同的系统吞吐量性能。
2.2 分集技术
为了对抗无线信道的多径效应和多普勒效应，他们均会导致深度衰落。为了克服深度衰落的影响，采用分集技术在若干支路上传递相互间相关性很小的载有相同消息的信号，然后通过合并技术再将各个之路信号合并输出，那么便可在接收端上大大降低深衰落的概率。因为两个相互独立的信道同时受深衰落影响的概率要小于一个信道受深衰落影响的概率。分集技术减轻衰落影响，同时接收机也可以获得分集增益，提高接收机灵敏度。
2.2.1空间分集
空间分集是一种常用的分集形式。所谓空间分集，指将同一信息进行编码后从多根天线上发射出去的方式，接收端将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益，其模型如下图所示：
在空间分集系统模型中，当发射天线间距大于长度d时，我们可以认为不同子信道的信道增益相互独立，产生的信号路径也是不相关的。d是与天线所处的散射环境和载波频率有关的常数。对于位置比较高的基站来说，将需要几个到十几个波长的天线距离。空间发射分集技术经常用于城市蜂窝系统中，因为它可以通过选择最好的接收信号或其合成信号以减少衰落的影响。随着环境密度的增加，为使链路预算达到平衡，可以通过改善移动台接收增益(3～5dB)。安装天线空间较大是空间分集的一大缺点。实际中分集支路数目受到较大的天线单元间距的限制，系统成本随着大间距增大，各支路之间的平均接收功率的差异也因大间距而变大，而较小的天线间距又会让各单元间的相关性变大，因而天线单元间距过大或者过小均导致空间分集性能下降。
2.2.1频率分集
频率分集主要应用于频率衰落型信道，就是在多于一个载频上对同一信号进行重复发送，发送信号副本以频率冗余的方式到达接收端，形成独立的衰落，然后对接收信号进行合成或选择。频率分集需要利用不同频段的信号经衰落信道后在特性上的差异来实现。其模型如图所示：
2.2.3时间分集
时间发射分集是将同一信号以超过信道相干时间的时间间隔进行重复发送，则各次发送间隔出现相互统计独立的的衰落。在实现抗时间选择性衰落时，就是通过时间分集利用时间上衰落在统计上互不相关的特性上的差异。其模型如下图所示：
2.2.4极化分集
极化分集就是利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号可以呈现不相关的衰落特性进行分集接收，目前我们最常用的双极化天线多采用±45°双线极化，即在收发端天线上安装± 45°极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行极化分集。
由于一根双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线,可以大大减少天线数目，简化天线工程安装，降低成本，减少了天线占地空间。
2.3 移动边缘计算MEC
移动云计算：[集中式大数据处理]计算任务在云端完成，终端只负责数据输入输出
移动边缘计算MEC：[边缘式大数据处理]在接近终端的位置提供云计算，将计算能力下沉到分布式基站（原来的数据中心分为多个小型的数据中心，并部署在核心网边缘）
车联网场景下有大量的终端用户，如车辆、道路基础设施、支持V2X服务的智能手机等，同时对应着多种多样的服务，例如一些紧急事件的广播等基本的道路安全服务以及一些由应用开发商和内容提供商提供的增值服务，例如停车定位、增强现实或其他娱乐服务等。MEC服务器可以部署于沿道路的LTE基站上，利用车载应用和道路传感器接收本地信息，对其加以分析。并对那些优先级高的紧急事件以及需要进行大量计算的服务进行处理，从而确保行车安全、避免交通堵塞，同时提升车载应用的用户体验。
2.4 终端直通技术D2D
D2D（device to device）技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术。通信系统或网络中，一旦D2D通信链路建立起来，传输数据就无需核心设备或中间设备的干预，这样可降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行，为大规模网络的零延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。
在D2D无线网络中，设备发现、资源管理、缓存等关键技术问题是网络中的基本也是关键问题，已有一定的解决方案，然而无线网络纷杂多样，网络构成、拓扑、环境、需求等的变化都将对上述通信关键技术的解决方案提出新的要求，未来重点方向：
1) 多蜂窝网络下的 D2D 通信
2) 设备移动性对 D2D 通信的影响
3) 大规模网络的 D2D 通信
2.5波束赋形
聚拢信号能量，从而产生方向性波束(类比喊话时使用喇叭将声音聚拢，声波就能传输得更远)，一般波束越窄，信号增益越大，但只要波束偏离用户，信号质量极差
波束管理技术：将波束快速对准用户
波束扫描：基站先用宽波束粗扫描，确定用户大致方向，然后用窄波束扫描，对准用户形成高质量链路
波束匹配：对于发射波束，终端变换并选择最佳接受波束（从预先定义的码本中选择最优的码本进行接收），形成一对最佳波束对
2.6多点协作传输CoMP技术：干扰抑制
多点协作传输CoMP(Coordinated Multipoint)，不同基站协作解决干扰问题，两种思路：避免干扰/将干扰转化为有用信号，CoMP本质上就是MIMO技术在多小区场景下的应用，即利用空间信道上的差异来传输信号
动态小区选择DCS：多个协作小区都有要为终端发送的数据包，但同一时刻只有一个小区在向终端发送数据（根据信道状态选择发送数据的基站，多小区采用动态切换的方式发送数据到一个终端），最终消除了小区间干扰
协同调度/波束赋形CS/CBF:协作小区通过波束协调调度，将波束的方向避开，减少波束间的互相干扰
联合传输JT：多个协作小区在同一时刻发送（相同或者不同的）数据到同一终端，将小区间的干扰信号变为有用信号，从而减少小区间干扰
2.7同时同频全双工CCFD
传统的双工方式：TDD和FDD，它们都需要将通信资源分为两份，供双向通信使用，需要双倍的资源开销
同时同频全双工CCFD：在同一时间和同一频段实现双向通信，提升了频谱效率，增加系统的数据吞吐量
CCFD的关键技术：自干扰消除，也就是消除自己发出的信号自干扰消除具体有三类：
- 天线抑制消除：增加收发天线的隔离度，从而自己的发射天线发出的信号无法进入接收天线
- 射频干扰消除：将发射天线的信号作为干扰参考信号，从接收信号中减去干扰参考信号（实际上还需要经过反馈电路调节干扰参考信号的幅度相位）
- 数字干扰消除：解调后的信号，减去在数字域重建的干扰信号
2.8 正交频分复用OFDM与F-OFDM
传统的复用有TDM、FDM、CDM，其中CDM的思想是用正交的扩频码处理数据，使得数据能够在同时同频上传输，并且还能被完全分离
到了4G时代，提出的复用技术是OFDM，相比FDM，OFDM的各个子载波不需要保护频带，即使这样各载波也能完全分离，原因就在于各个子载波之间正交（正弦/复指数信号的正交特性），其思想与CDM有异曲同工之妙
然而，OFDM信号，在连续的频带内虽然无需保护频带，但在频带的边缘，仍然逃不了使用保护频带，在 4G 网络中，这个保护频带所占用的带宽要达到总带宽的10%，也就是说 10%的频率资源都白白浪费掉了5G的改进在于使用F-OFDM，泄漏情况大大改善，保护频带所占用的频带缩减到 2-3%，从而数据传输速率可以提升 8%左右。
2.9 URLLC和eMBB的复用
在实际网络应用中，5G支持的差异化业务URLLC与eMBB业务存在并发、协同传输的情况。URLLC业务对网络指标要求更为严格。因此，下行有突发URLLC业务时，一方面可以结合5QI高优先级的指示,为URLLC业务优先分配空口RB资源。若资源受限，则必要情况下可以通过“抢占”机制，占据已经分配给eMBB的资源，保障URLLC业务的随到随传。具体地，基站通过下行控制信息DCI2-1指示eMBB终端，未知资源已经被URLLC的终端抢占，这些资源上的数据不用合并。抢占机制适用于同一终端内部的资源复用以及不同终端间的资源复用。
总结
本次调研发现URLLC可以在空口时延及传输时延两方面使用mini-slot，URLLC抢占，上行免授权等时延降低技术，而可靠性可以通过低码率传输，HARQ重复传输，良好的编码技术等实现。同时URLLC的实现离不开一些新型技术的加持，如NOMA多址技术分集技术，分集技术移动边缘计算，D2D，抢占机制等，这些都是可以解决各类现实问题的必要方法。