低时延高可靠专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 低时延高可靠 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020(5G)推进组 低时延 高可靠 专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组版权所有 第 2 页 共 58 页 目 录 1. 引言 . 3 1.1 编写目的 . 3 1.2 参考文献 . 3 1.3 缩写词 . 3 2. 总体技术方案 . 4 3. 关键技术研究与评估 . 5 3.1 基于 LTE 蜂窝网络架构的流程优化 . 5 3.1.1 上行无连接数据传输流程 . 5 3.1.2 下行无连接数 据传输流程 . 7 3.1.3 小结 . 8 3.2 空口物理层关键技术研究 . 8 3.2.1 短子帧设计 . 8 3.2.2 多元 LDPC 编码 . 19 3.2.3 新型波形技术和多址技术 . 24 3.2.4 小结 . 24 3.3 空口高层关键技术研究 . 24 3.3.1 基于多连接的空口传输技术 . 24 3.3.2 可配置协 议栈 . 27 3.3.3 终端协同传输技术 . 29 3.3.4 免调度传输 . 31 3.3.5 其他传输优化 . 36 3.3.6 小结 . 38 3.4 动态自组织网络 . 38 3.4.1 设计思路和组织方式 . 38 3.4.2 关键过程设计 . 40 3.4.3 波束赋形的应用 . 45 3.4.4 无线资源分配 . 47 3.4.5 车辆通信网络的分簇技术 . 51 3.4.6 小结 . 55 3.5 分布式 MESH 网络 . 55 3.5.1 多信道 MAC 机制 . 55 3.5.2 小结 . 56 4. 总结 . 56 第 3 页 共 58 页 1. 引言 1.1 编写目的 本报告基于前期需求分析和系统架构梳理， 对低时延高可靠关键技术展开深入探讨和研究 。为后续 5G 相关技术研究和 标准 化 推动提供基础和技术支撑。 1.2 参考文献 1 低时延高可靠通信场景、需求及性能指标 ， IMT-2020 低时延高可靠专题组 2 低时延高可靠通信系统架构和基本通信过程 ， IMT-2020 低时延高可靠专题组 3 IMT-2020_TECH_LLHR_15006_分布式网络研究 ， CATT 4 IMT-2020_TECH_LLHR_15002_基于 LTE 演进的低时延系统帧结构设计分析 1.0-中国电信 5 IMT-2020_TECH_LLHR_15009_ZTE 提案 _CR_低时延章节 _IMT-2020_TECH_LLHR_低时延高可靠 关键技术研究报告 6 IMT-2020_TECH_LLHR_15012_5G 低频段 LTE-A 演进的方案分析， CMCC 7 IMT-2020_TECH_LLHR_15007_关于空口可靠传 输的考虑， CATT 8 IMT-2020_TECH_LLHR_15010_用于低时延高可靠场景的多元 LDPC 码，西电 9 5G 网络技术架构白皮书， IMT-2020， 2015 年 5 月 10 5G 无线技术架构白皮书， IMT-2020， 2015 年 5 月 11 IMT-2020_TECH_LLHR_15022_IMT-2020(5G)低时延高可靠传输 -分布式动态路由提案 _bupt 12 IMT-2020_TECH_LLHR_15027_Wireless Mesh Network 介绍 _同济 13 IMT-2020_TECH_LLHR_15029_用于低 时延高可靠场景的多元 LDPC 码 _西电 14 IMT-2020_TECH_LLHR_15025_动态自组织网络无线资源分配方案 _CATT 15 IMT-2020_TECH_LLHR_15024_波束赋形在动态自组织网络中的应用 -CATT 1.3 缩写词 缩写、术语 解 释 D2D Device to Device DSC Distributed Service Center EP End Point FBMC Filter Band Multi Carrier LDPC Low Density Parity Check Code MUSA Multiple User Sharing Access OTT One Trip Time PDMA Pattern Division Multiple Access QCI QoS Class Identifier RAN Radio Access Network RAT Radio Access Technology RTT Round Trip Time 第 4 页 共 58 页 SCMA Sparce Code Multiple Access UE User Equipment UFMC Universal Filtered Multi Carrier 2. 总体技术方案 根据需求研究，将低时延高可靠应用场景归纳为连续，大数据包业务、间歇，小数据包业务和应急通信。本报告结合现有系统特性和技术基础，并考虑与其他 5G 专题组的差异性，面向接入网开展技术研究。本报告不同的关键技术点分别面向空口 1ms 的极端指标和相对宽松指标下的时延缩减方案 ，以及空口可靠性增强目标 。 连 续 、 大 数 据 包间 歇 、 小 数 据 包应 急 通 信应 用 需 求场 景 、 时 延 、 可靠 性现 有 系 统 特 性毫 米 波 、 C R 、D 2 D 其 他 5 G 方 向差 异 性 分 析间 歇 、 小 数 据 包 ;低 频 （ S1-U) 0.1 ms 0.1 ms Total one way delay 0.2+1.5*TTI ms 0.2 + 1.5*TTI + n*（ 0.2+3*TTI） ms 为达到 1ms 时延指标，如果不重传， TTI 最大限制为 0.533 ms；假设 30% HARQ 重传概率， TTI 最大限制为 0.308ms。对于 TDD 双工方式，受限于上下行子帧转换时间，帧定时时间有所延长，为达到 1ms 空口时延要求的 TTI 最大长度更小。 因此：在终端和基站的处理时延均降低到 0.1ms 的前提下， TTI 最大限制为 0.308ms，如果设备处理时延更大， TTI 最大长度还需进一步缩减。 3.2.1.1.2 低时延 OFDM 帧结构设计参数 短子帧基本设计思路包括： 缩短子帧 /时隙长度，减少 TTI 抵抗时延扩展与多普勒扩展影响，防止 ISI 和 ICI 确保开销比例适当，保证频谱效率满足要求 满足各场景对用户容量要求，保证数据包传输能力 尽可能减少运算复杂度，降低软硬件要求。 为满足低时延业务特性要求，可以对帧、子帧、时隙、符号 和 符号前缀以及子载波宽度进行综合考虑与全新设计。沿用 LTE 系统 OFDM 设计方式 ，在低时延帧结构设计 上 考虑循环前缀、物理信号如同步信号、参考信号等的开销，同时需要考虑不同场景下抵抗时延扩展与多普勒扩展的影响。设计思路主要是： 分析帧结构设计对频谱效率的影响。公式如下， m a x 2m in , l o g ( 1 ) O F D MO F D M C PTS E S ETT 第 10 页 共 58 页 是循环前缀长度 ， 是 OFDM 符号的长度， 是最大可达频谱效率（受限于最高的调制编码方式）， 是信噪比（ SNR）， 是由于非理想调制编码所导致的 SNR损失。 总结如下： 给定符号长度条件下，循环前缀 CP 长度越短， CP 开销越小，频谱效率越高 ,抗符号间串扰 ISI 能力减弱 。 给定 CP 长度条件下，符号长度越长， CP 开销越小，频谱效率越高，给定符号数条件下，允许最小 TTI 值变大。 信道时延扩展越大， CP 长度要求越长， CP 开销越大 给定系统带宽和每帧符号个数的前提下，子载波间隔越大，每帧支持的用户数越少 基于上述因素，以 100MHz 带宽 OFDMA 系统为例，分别基于符号长度与 CP 开销、低时延业务数据包传输 能力，对帧结构设计进行分析，系统参数条件见下表。 表 3-2 帧结构系统参数条件 系统参数 值（单位） 系统带宽 100MHz 带宽利用率 0.9 时隙长度要求 0.1ms CP 时长要求 300ns;（室内，室外短距离 LOS） 4 s（室外） CP 开销要求 12% 1） 基于符号长度与 CP 开销： 按不同子载波宽度取值，由每子载波宽度 11kHz 至 360kHz，则 100MHz 带宽可包含的子载波个数为 8000250 个，对应允许的 FFT size 大小为 8192256， FFT 周期为 90.9092.778 S。根据时隙长度 0.1ms 的要求，以子载波宽度 360kHz 为例，若每时隙包含符号个数为32 个，则符号含 CP 长度为 0.1/32=3.125 S， CP 长度为 0.347 S，大于 300ns 的室内场景无线信道时延扩展特性的要求，且 CP 开销为 11.1%，符合 CP 开销小于 12%的开销要求。若每时隙包含符号个数为 14 个，则符号含 CP 长度为 0.1/14=7.143 S， CP 长度为 4.365 S，大于 4 S 的室外场景无线信道时延扩展特性的要求，但 CP 开销为 61.1%，明显超出 CP 开销小于 12%的开销要求。 对于室内或室外短距离低时延通信，时延扩展较小，允许子载波宽度大于等于 45k，CPT OFDMT maxSE