51学通信

深度解析 3GPP TR 21.915：5.5.4.7 SchedulingHARQ (调度与HARQ)

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好的，我们继续进行深度拆解。这是本系列的第十七篇文章。在前几篇中，我们分别探索了上下行的数据与控制信道。现在，我们将聚焦于将这些信道紧密耦合在一起的“时间齿轮”——调度与HARQ机制。

深度解析 3GPP TR 21.915：5.5.4.7 Scheduling/HARQ (调度与HARQ)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.915 V15.0.0 (2019-09) Release 15规范中，关于“5.5.4.7 Scheduling/HARQ”的核心章节。本文旨在为读者深入剖析5G NR中资源调度的核心机制、半静态传输模式，以及为实现极致可靠性而引入的HARQ-ACK Codebook和CBG重传技术。

“李工，我们已经学习了PDCCH、PDSCH、PUCCH、PUSCH这四大物理信道，它们就像战场上的‘侦察兵’、‘运输车’、‘信号兵’和‘工兵’。”青年工程师小玲合上她的信道学习笔记，带着对系统运作更深层次的渴望问道，“但这支‘多兵种部队’是如何协同作战的呢？它们的行动时间、资源分配是如何被精确指挥的？特别是当‘运输’（数据传输）失败后，‘重传’这个纠错机制具体是如何启动和运作的？”

“你的问题触及了无线通信系统动态运作的灵魂——调度（Scheduling），以及其可靠性的基石——HARQ（混合自动重传请求）。”导师李工在白板上画了一个闭环的箭头，连接了下行和上行。“5.5.4.7节就是要为我们揭示这个闭环的内部构造。它不仅是技术的实现，更是算法、策略和时间精密配合的艺术。理解了调度与HARQ，你才能真正理解一个基站是如何‘盘活’其有限的无线资源，并为成百上千的用户提供看似‘无限’的连接的。”

为了让这个动态过程更加鲜活，让我们将场景设定在一个要求极高的5G+8K直播间。美美作为特邀嘉宾，她的超高清视频流需要被实时、无卡顿地上传到网络（上行调度）；同时，导播台的指令和多机位画面需要被无差错地传送到她的提示器上（下行调度）。这场不容有失的直播，将是对5G调度与HARQ机制的一次终极考验。

1. 调度的“圣旨”：DCI中的资源分配指令

所有动态调度的起点，都源于gNB调度器通过PDCCH下发的DCI。DCI中的资源分配字段，就是UE执行传输或接收的“圣旨”。

DCI formats 0_0/0_1 and 1_0/1_1 schedule PUSCH and PDSCH, respectively. For each DCI format, frequency-domain and time-domain resource allocation fields are included.

1.1 频域资源分配：从“比特位图”到“连续区间”

For frequency-domain resource allocation, resource block group (RBG)-level bit-map resource allocation (resource allocation Type 0) and contiguous resource allocation (resource allocation Type1) are supported.

DCI如何告诉美美的设备“用哪些RB”呢？NR提供了两种灵活的方式：

  • Type 0 - 基于RBG的位图 (RBG-level Bit-map)：gNB将整个载波带宽划分为多个资源块组（RBG）。DCI中的一个比特位图，其每一位对应一个RBG。如果第i位为1，就表示第i个RBG被分配给了该UE。这种方式非常灵活，可以分配不连续的频域资源，有利于实现“频率选择性调度”，将数据放在信道质量最好的RB上传输。
  • Type 1 - 连续资源分配 (Contiguous Resource Allocation)：DCI直接指定一个起始RB和一个长度，UE使用这段连续的RB。这种方式信令开销更小，实现简单。

“网络可以为美美的直播设备同时配置这两种模式，调度器会根据当时的信道状况和资源碎片情况，选择最优的方式下发DCI。”李工解释道。

1.2 时域资源分配：K0与时隙内的“精准定位”

For time-domain resource allocation, the time-domain resource allocation field in the DCI jointly indicates scheduled slot, starting symbol, and the duration (number of consecutive symbols to use for the channel).

时域资源分配是NR相比LTE一个巨大的进步。DCI中的一个字段，可以同时指示三项信息：

  1. 时隙偏移 (K0/K2)：指示PDSCH/PUSCH传输相对于当前DCI所在时隙的时间偏移。
  2. 起始符号 (Starting Symbol)：指示传输在该时隙内的具体起始OFDM符号位置。
  3. 符号时长 (Duration)：指示本次传输持续多少个OFDM符号。

“这种‘(时隙, 起始符号, 符号数)’的三维定位，赋予了NR调度器极高的时域灵活性，”李工强调，“它可以像‘俄罗斯方块’一样，将不同时长、不同用户的传输，严丝合缝地填充到时域资源中，极大提升了资源利用率，也为‘迷你时隙’等低时延技术奠定了基础。”

2. “静态”的默契：半静态调度 (SPS & Configured Grant)

对于美美的8K直播上行流这种周期性、业务量稳定的业务，如果每次传输前都需要gNB发送一次PDCCH授权，再由UE发送PUSCH，信令开销会非常大，调度时延也无法保证。为此，NR引入了“静态”的默 契——半静态调度。

For PUSCH and PDSCH, other than DCI-based scheduling, configured grant for PUSCH and semi-persistent scheduling (SPS) for PDSCH are supported.

  • 下行SPS (Semi-Persistent Scheduling for PDSCH) gNB首先通过RRC信令，为美美的提示器配置一个SPS周期，比如每20ms一次。然后，通过一个特殊的PDCCH（其CRC由CS-RNTI加扰）来“激活”这个SPS配置。一旦激活，gNB就可以在这个周期性的时频资源上，直接向美美发送PDSCH，而无需每次都发送PDCCH来调度。这大大降低了下行控制信令的开销。

  • 上行配置授权 (Configured Grant for PUSCH) 对于上行，这个机制更加关键，因为它直接关系到时延。

    For configured grant PUSCH, once PUSCH resource is configured and activated, the UE can transmit a PUSCH without DCI format 0_0/0_1.

    gNB同样通过RRC为美美的直播设备配置一个周期性的PUSCH资源。一旦配置被激活，美美的设备就可以主动地、无需等待gNB的DCI授权，在这个预留的“专属车道”上直接发送她的视频数据流。这省去了“SR → DCI → PUSCH”这个繁琐的请求-授权过程，极大地降低了上行传输的端到端时延。NR定义了两种类型的Configured Grant：

    • Type 1: RRC配置后即可使用，更接近于“静态”分配。
    • Type 2: RRC配置后，还需要DCI来动态地激活或去激活，更加灵活。

“对于直播、VoNR、工业控制这类周期性业务，半静态调度是保证其低时延、高可靠性的‘杀手锏’。”李工总结道。

3. HARQ的“进化”：从“单兵作战”到“协同反馈”

HARQ是数据传输的可靠性基石。NR继承了LTE的异步自适应HARQ机制，但为了应对更复杂的场景（如载波聚合、MIMO），引入了更智能的HARQ反馈机制。

UE reports HARQ-ACK feedback for a decoded PDSCH. UE can be configured with reporting one HARQ-ACK bit for each transport block (TB), while if a UE is configured with CBG-based PDSCH transmission, the UE reports one HARQ-ACK bit for each code block group (CBG).

3.1 CBG-based Retransmission：哪里坏了“补”哪里

在LTE中，一个大的传输块（TB）如果只有一个很小的部分出错，UE也只能反馈一个NACK，gNB必须重传整个TB，造成了巨大的资源浪费。

为了解决这个问题，NR引入了基于码块组（Code Block Group, CBG）的重传机制。

  1. 一个大的TB在信道编码后，会被分割成多个码块（Code Block, CB）。
  2. 多个CB可以被组合成一个CBG。
  3. UE在接收PDSCH后，可以为每个CBG独立地进行CRC校验。
  4. UE的HARQ-ACK反馈不再是针对整个TB的1个比特，而是针对每个CBG的多个比特。例如，一个TB被分成了4个CBG，HARQ反馈就是4比特，比如“ACK, ACK, NACK, ACK”。
  5. gNB收到这个精细化的反馈后，只需要重传那个失败的CBG3即可，而无需重传整个TB。

“CBG技术，让HARQ重传从‘地毯式轰炸’进化为了‘精确制导打击’，”李工形象地比喻道，“这对于高吞吐率、大数据包的eMBB场景，性能提升是巨大的。”

3.2 HARQ-ACK Codebook：“统一”的年终述职报告

当UE同时在多个载波上、或者在一个时隙内接收了多个PDSCH时，它需要反馈大量的HARQ-ACK比特。如果为每个PDSCH都单独进行一次PUCCH反馈，开销巨大且不现实。

为此，NR引入了**HARQ-ACK码本（Codebook）**的概念。UE会将一段时间内、针对多个PDSCH的所有HARQ-ACK比特，聚合在一起，形成一个“码本”，然后通过一次PUCCH传输，统一上报给gNB。

For reporting multiple HARQ-ACK bits at one time, two types of HARQ-ACK codebook construction are supported; Type 1 HARQ-ACK codebook… Type 2 HARQ-ACK codebook…

  • Type 1 (Semi-static Codebook)：码本的大小是半静态配置的。UE会为所有可能被调度的PDSCH都预留一个比特位。这种方式简单，但如果实际调度的PDSCH很少，会造成反馈比特位的浪费。
  • Type 2 (Dynamic Codebook)：码本的大小是动态的。它的大小取决于gNB实际调度的PDSCH数量。gNB会在DCI中通过一个**下行分配索引（DAI）**的计数器，来告知UE“到目前为止，我总共给你调度了多少个PDSCH”，UE再根据这个计数值，来构建相应大小的动态码本。这种方式更高效，但信令交互更复杂。

“HARQ码本，就像是UE向gNB提交的一份‘工作总结’，它将零散的反馈，汇集成了一次系统性的汇报，极大地提升了上行控制信道的反馈效率。”

4. 总结：动态与静态结合的智慧闭环

通过对调度与HARQ机制的深入剖析，小玲对5G网络资源管理的动态性和可靠性保障机制有了深刻的认识。她将这个复杂的闭环系统，总结为三大核心思想：

  1. 调度指令的精细化：通过灵活的时频域资源分配机制，NR调度器获得了前所未有的“精雕细琢”的能力，能够以极高的资源利用率，满足不同业务的需求。
  2. 传输模式的混合化：NR将DCI驱动的动态调度（灵活、普适）与半静态调度（高效、低时延）相结合，为不同特性的业务提供了最优的传输方案。
  3. HARQ反馈的智能化：通过CBG级的精细化重传和Codebook模式的聚合反馈，NR的HARQ机制在保证极致可靠性的同时，最大限度地提升了重传效率和反馈效率。

“我明白了，”小玲在笔记的最后写道，“5G的调度与HARQ系统，就像一个智慧的中央空调。它既有能够快速响应每个房间温度变化的**‘动态变频’模式（动态调度），也有为服务器机房设定的‘恒温恒湿’模式（半静态调度）。当某个房间出现问题时，它还能实现‘分区精准维修’（CBG重传），并将所有房间的运行状态，通过一份‘综合能耗报告’**（Codebook）统一上报。这套系统的智慧与精密，正是5G高性能的根本保障。”

FAQ 环节

Q1：什么是异步自适应HARQ？它和同步HARQ有什么区别？ A1：这是两种不同的HARQ运作模式。

  • 同步HARQ：重传的时间和资源是预先固定的。例如，规定第n个子帧的传输，其重传一定发生在第n+8个子帧。这种方式实现简单，但不够灵活。
  • 异步自适应HARQ：重传的时间、资源、调制编码方式等，都是由gNB通过PDCCH动态调度的。gNB可以根据当时的信道和资源情况，为重传选择一个最佳的时机和方式。NR的上下行都采用了这种更灵活、更高效的模式。

Q2：Configured Grant（配置授权）会不会造成资源浪费？如果配置了资源，但UE没数据可发怎么办？ A2：这是一个很好的问题。Configured Grant确实存在资源预留后可能被闲置的风险。为了解决这个问题，NR设计了多种机制：1. 灵活的激活/去激活：对于Type 2，gNB可以随时通过DCI去激活该配置，在UE没有数据时释放资源。2. 基于信令的跳过：UE在没有数据发送时，可以不发送，gNB通过能量检测等方式可以知道该资源被闲置。3. 混合调度：gNB可以在Configured Grant的资源上，通过DCI动态地调度其他“突发”用户，从而实现资源的复用。

Q3：HARQ-ACK码本的Type 1和Type 2，运营商通常会选择哪一种？ A3：这取决于具体的场景和策略权衡。

  • 在FDD系统或载波聚合数较少的场景下，**Type 1（半静态）**码本实现简单，信令开销固定可控，是一种稳健的选择。
  • 在TDD系统（上下行时隙配比动态变化）或载波聚合数非常多的场景下，潜在的PDSCH调度机会非常多，使用Type 1会造成巨大的反馈开销。此时，**Type 2（动态）**码本的效率优势就体现出来了，它只反馈实际发生的调度，虽然信令交互更复杂，但平均的上行开销更低。因此，TDD和大规模CA场景更倾向于使用Type 2。

Q4：CBG重传需要UE具备什么样的能力？ A4：UE需要具备支持CBG的基带处理能力。这意味着UE的物理层解码器，不仅要能对整个TB进行CRC校验，还需要能对TB内部分割出的每个CBG进行独立的CRC校验。此外，UE的上层协议栈也需要能生成包含多个比特的、针对CBG的HARQ-ACK反馈信息。UE会在其能力上报信息中，告知gNB它是否支持CBG以及最多支持多少个CBG。

Q5：调度算法既然不是标准化的，那不同厂商的基站性能会有很大差异吗？ A5：是的，会有非常显著的差异。调度算法是基站软件的“灵魂”，它直接决定了小区的吞吐量、用户时延、公平性以及整体频谱效率。优秀的调度算法能够在毫秒之间，综合考虑所有用户的信道质量、业务QoS、缓冲区状态、移动性等数十个因素，做出最优的资源分配决策。因此，调度算法是各大设备商最核心的竞争力之一，也是其产品性能差异化的关键所在。

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