51学通信

深度解析 3GPP TR 21.916：5.2 Physical Layer Enhancements for NR URLLC (NR物理层URLLC增强)

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深度解析 3GPP TR 21.916：5.2 Physical Layer Enhancements for NR URLLC (NR物理层URLLC增强)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.916 V16.2.0 (2022-06) Release 16规范中，关于“5.2 Physical Layer Enhancements for NR Ultra-Reliable and Low Latency Communication (URLLC)”的核心章节，旨在为读者揭示5G如何在无线空口这一“最后一公里”上，为实现工业级可靠性与时延所做的精妙设计。

引言：从“宏观指令”到“微秒执行”，URLLC在空口的终极考验

在上一篇文章中，我们跟随工程师亚历克斯的视角，探索了Rel-16核心网如何通过冗余传输、动态PDB等机制，为URLLC业务规划出高可靠、低时延的“高速公路”。核心网发出的，是“将这份数据在X毫秒内送达”的宏观指令。然而，真正的挑战在于无线空口——这个充满干扰、衰落和不确定性的“最后一公里”。如何在这条看不见的电波之路上，将数据包以微秒级的精度、近乎零差错地完成投递，正是物理层（PHY）所面临的终极考验。

亚历克斯深知，核心网的保障只是成功的一半。他正站在“智造先锋”工厂巨大的落地窗前，看着下方自动化产线上飞速移动的机器人手臂和AGV。焊接机器人每一次抬手产生的电磁火花，AGV高速过弯时天线角度的瞬时变化，都可能对无线信号造成致命干扰。他需要的是一套能够在物理层“硬刚”这些挑战的解决方案。

Rel-16物理层URLLC增强，正是为亚历克斯这样的实践者量身打造的“空战武器库”。它不再满足于Rel-15的基础框架，而是针对低时延和高可靠性这两个核心指标，对无线通信的每一个环节——从指令下发、信息反馈，到数据上传和资源分配——都进行了细致入微的优化和加固。

This work item is based on the outcome of the study items resulting in TR 38.824 and TR 38.825. It specifies PDCCH enhancements, UCI enhancements, PUSCH enhancements, enhanced inter UE TX prioritization/multiplexing and enhanced UL configured grant transmission. More precisely, the following key functionalities were introduced:

正如规范开宗明明义所指出的，物理层的增强主要围绕五大关键功能展开：PDCCH增强（指令通道）、UCI增强（反馈通道）、PUSCH增强（上行数据通道）、增强的上行发送优先级/复用（冲突仲裁机制）以及增强的上行配置授权传输（免调度VIP通道）。这五大“神兵利器”，共同构成了Rel-16 URLLC在物理层的坚固防线。现在，让我们逐一揭开它们的神秘面纱。

1. 指令通道的革命：更紧凑、更迅捷的PDCCH

PDCCH（物理下行控制信道）是基站向终端下达指令的“命令通道”，它承载的DCI（下行控制信息）告诉终端“在何时、何地、以何种方式”去接收数据或发送数据。对于URLLC业务，这个指令的传递本身就必须是超可靠、低时延的。

1.1 更坚固的指令：DCI format 0_2 和 DCI format 1_2

亚历克斯的机器人需要在充满电磁干扰的环境中准确无误地接收调度指令。一条被干扰而错失的指令，就可能导致生产停顿。

DCI format 0_2/1_2 with configurable sizes for most of the DCI fields are introduced, which provides the possibility to improve the reliability by decreasing the DCI size (e.g. ~24 bits) with appropriate RRC configuration of the DCI fields.

Rel-16为此引入了全新的、更为紧凑的DCI格式 0_2（用于上行调度）和 1_2（用于下行调度）。它们的核心特点是字段大小可配置。这意味着亚历克斯可以与运营商协商，为他的关键机器人配置一种“极简”DCI。通过去掉一些非必要的信息字段，可以将DCI的大小从常规的40-50比特压缩到约24比特。

场景解读：

这就像在嘈杂的工厂车间里下达命令。一个冗长的指令“请三号机床在下一个加工周期开始时，使用B方案处理二号流水线上的工件”很容易因为某个词听不清而产生歧义。而一个简短、响亮的口令“三号，B方案！”则更容易被准确接收。更小的DCI比特数意味着在相同的信道编码资源下，每个信息比特可以得到更强的能量保护，从而大大提升了在低信噪比（SNR）环境下的解码成功率，确保了指令的可靠性。

1.2 更迅捷的响应：增强的PDCCH监测能力

时延是URLLC的另一生命线。传统的终端在一个时隙（slot）内，通常只在固定的几个符号（symbol）上“竖起耳朵”听PDCCH。如果基站有一条紧急指令，但错过了这个监听窗口，就必须等到下一个时隙，这会引入不必要的延迟。

Rel-16 span-based PDCCH monitoring capability is introduced mainly for achieving low latency. A UE can indicate a capability to monitor PDCCH according to one or more of the combinations (X, Y) = (2, 2), (4, 3), and (7, 3) per SCS configuration… A span is a number of consecutive symbols in a slot where the UE is configured to monitor PDCCH.

Rel-16引入了基于跨度（span-based）的PDCCH监测能力。一个“span”是一个时隙内连续的N个符号。终端可以向网络表明自己具备在1个时隙内进行多次、灵活监听的能力。例如，（X, Y）=（4, 3）这个能力组合意味着，该终端能够监测持续时间最多为3个符号的span，并且任意两个span的起始符号之间的时间间隔可以小至4个符号。

场景解读：

这彻底改变了指令下发的模式。对于亚历克斯来说，基站现在不再需要“掐着点”在时隙开头下发指令。一旦有紧急数据要发送给机器人，基站几乎可以“随时”在时隙的多个位置（span）上发送PDCCH指令，而机器人也能“随时”捕捉到。规范中的“Fig. 1. An example of PDCCH monitoring using Rel-16 span based PDCCH monitoring capability”清晰地展示了在一个时隙内，多个PDCCH监听机会（span）是如何分布的。这将PDCCH的调度粒度从时隙级（slot-level）提升到了符号级（symbol-level），极大地降低了调度等待时延。

2. 反馈通道的提速：更精细、更高优先级的UCI

UCI（上行控制信息）是终端向基站反馈信息的通道，其中最重要的就是HARQ-ACK（混合自动重传请求确认），即终端告知基站“数据已收到，是对是错”。这个反馈的及时性和可靠性，直接影响着重传决策的速度和整个通信环路的效率。

2.1 即时反馈：基于子时隙的HARQ-ACK

既然PDCCH和PDSCH（物理下行共享信道）的调度都可以在一个时隙内发生多次，那么反馈自然也需要跟上节奏。

Sub-slot based HARQ-ACK feedback is introduced to support more than one PUCCH for HARQ-ACK transmission within a slot, which is mainly beneficial for achieving low latency. An UL slot consists of a number of sub-slots. No more than one PUCCH carrying HARQ-ACKs starts in a sub-slot.

Rel-16引入了基于子时隙（sub-slot based）的HARQ-ACK反馈。它将一个上行时隙划分为多个更小的“子时隙”（例如，一个14符号的时隙可以划分为2个7符号的子时隙，或7个2符号的子时隙）。终端可以在每个子时隙中发送一次PUCCH（物理上行控制信道）来承载HARQ-ACK信息。

场景解读：

亚历克斯的机器人在一个时隙的前半部分收到了一个数据包，它无需再等到时隙末尾才能反馈。利用子时隙反馈，它可以在时隙的中间就立即发送一个“ACK”，告诉基站“数据已正确收到”。如果数据有误，基站也能更快地收到“NACK”，并立即安排重传，从而显著缩短了重传时延，提升了通信效率。

2.2 优先级保障：同时构建两个HARQ-ACK码本

在复杂的工业场景中，一个终端可能同时在接收多种不同优先级的业务。如何确保关键业务的反馈信息“绝不被耽误”？

This work item specifies the support of two HARQ-ACK codebooks with different priorities to be simultaneously constructed, which is mainly beneficial for improving reliability for service with higher priority. Each of the two HARQ-ACK codebooks can be either slot-based HARQ-ACK codebook or sub-slot-based HARQ-ACK codebook.

Rel-16允许终端同时构建两个具有不同优先级的HARQ-ACK码本（codebook）。一个码本对应高优先级业务的反馈，另一个对应低优先级业务。

场景解读：

亚历克斯的一台AGV正在同时接收两条数据流：一个是URLLC级的实时避障指令（高优先级），另一个是普通的日志文件更新（低优先级）。当AGV需要同时对这两条流进行反馈时，它会生成两个独立的反馈报告。高优先级报告会被放置在专门的、更可靠的PUCCH资源上发送。即使这两个PUCCH资源在时间和频率上发生冲突，Rel-16也定义了明确的规则：高优先级UCI“胜出”，低优先级UCI将被丢弃或推迟。这确保了最关键业务的反馈信息拥有绝对的优先权，就像在通信世界里开辟了一条“紧急救护通道”。

3. 上行通道的加固：更可靠、更灵活的PUSCH

PUSCH（物理上行共享信道）是终端向基站发送数据的“主干道”。无论是机器人上传的传感器读数，还是AGV上报的位置状态，都依赖于PUSCH的可靠传输。

This work item specifies PUSCH repetition type B and PUSCH repetition type A for PUSCH enhancements. PUSCH repetition type B is mainly beneficial for achieving low latency. PUSCH repetition type A can improve the spectral efficiency.

Rel-16引入了两种新的PUSCH重复传输方案，以在可靠性和效率之间取得平衡。

  • PUSCH Repetition Type B（低时延优先）：

    For PUSCH repetition type B, for a transport block, one dynamic UL grant or one configured grant schedules two or more PUSCH repetitions that can be in one slot, or across a slot boundary in consecutive available slots.

    Type B专为追求极致低时延而设计。一个上行调度授权（UL grant）可以直接命令终端，将同一个数据包在连续可用的时隙（或一个时隙内的多个可用符号）上快速重复发送多次。它还支持在重复传输之间进行跳频，以对抗频率选择性衰落。

    场景解读： 亚历克斯的质检摄像头发现了一个严重的产品缺陷，需要立刻上报。Type B机制使其能像发出警报一样，连续、快速地将这个“坏消息”重复发送，确保控制中心能在第一时间收到，即使其中一两次传输受到了干扰。规范中的“Fig. 2. Examples of PUSCH repetition type B”形象地展示了2次和5次重复是如何紧凑地排列的。

  • PUSCH Repetition Type A（频谱效率优先）：

    PUSCH repetition type A corresponds to PUSCH transmission with Rel-15 behavior with or without slot aggregation. With slot aggregation, the number of repetitions can be dynamically indicated in Rel-16.

    Type A则更侧重于在保证可靠性的同时，兼顾频谱效率。它更像是Rel-15重复传输的增强版，允许网络通过DCI动态地指示重复的次数。它的重复不像Type B那样必须是紧邻的，调度上更为灵活。

    场景解读： 对于常规的生产数据上报，亚历克斯会选择Type A。网络可以根据当前的信道状况和业务需求，灵活地决定重复2次还是4次，在可靠性和资源消耗之间找到最佳平衡点。

4. 冲突仲裁的艺术：增强的UE间发送优先级

在一个密集部署的无线网络中，资源冲突在所难免。当两个终端被调度在相同或重叠的时频资源上进行上行传输时，如何避免相互干扰？特别是当其中一个是高优先级的URLLC业务时，必须有一种机制来“拉偏架”。

This work item specifies UL cancellation scheme and enhanced UL power control scheme for enhanced inter UE Tx prioritization/multiplexing, which are mainly beneficial for achieving low latency.

4.1 主动避让：上行取消方案（UL cancellation scheme）

For UL cancellation scheme, DCI format 2_4 is introduced for notifying the PRB(s) and OFDM symbol(s) where UE cancels the corresponding UL transmission from the UE.

Rel-16为此设计了一种非常直接的机制。基站可以发送一个特殊的DCI格式2_4，明确地命令一个（或一组）低优先级的终端，取消其在特定时频资源上的上行传输（可以是PUSCH或SRS）。

场景解读：

亚历克斯的两台AGV靠得很近。A车正准备上报常规日志（低优先级），而B车突然需要紧急上报避障告警（高优先级）。基站预见到它们的上行传输将会碰撞。于是，基站立即向A车发送一条DCI format 2_4指令，内容是：“放弃你原计划在XXX资源上的传输！” A车收到后，会立即停止准备发送的数据，从而为空中信道“让路”，确保B车的紧急告警能够干净、无干扰地发送出去。这是一种动态、精准的“交通管制”能力。

4.2 功率协同：增强的上行功控方案

除了主动取消，更精细的功率控制也是一种有效的协同手段。Rel-16增强了上行功率控制，允许通过DCI动态指示终端使用不同的开环功控参数集。

场景解读：

这意味着基站可以更灵活地管理小区内不同终端的发射功率。例如，当一个关键机器人正在进行低时延上行传输时，基站可以指令其周边的其他非关键终端适当降低发射功率，从而减少对关键通信的干扰。

5. 免调度VIP通道：增强的上行配置授权

对于周期性极强的URLLC业务，如机器人每2ms一次的位置上报，传统的“请求-调度”模式会引入不必要的信令开销和时延。配置授权（Configured Grant, CG）就是为此设计的“免调度”VIP通道。

Up to 12 configured grant configurations can be configured in a BWP of a serving cell, which is mainly beneficial for achieving high reliability. Separate RRC parameters can be configured for different configured grant configurations.

Rel-16对CG进行了革命性的增强，允许在一个带宽部分（BWP）内为单个UE同时配置和激活多达12个CG配置。

场景解读：

这给亚历克斯带来了前所未有的灵活性。他可以为一台多功能机器人配置多个并行的“VIP通道”：

  • 通道1（高可靠CG）： 用于发送最关键的运动控制状态，配置了较低阶的调制方式和多次重复传输。

  • 通道2（低时延CG）： 用于发送普通传感器数据，配置了更高效的传输参数，追求更低时延。

  • 通道3（备用CG）： 在主用通道受阻时可以快速切换。

这12个CG配置可以独立激活/释放，拥有各自的RRC参数。这意味着同一台机器人可以根据业务性质，自主选择最合适的“VIP通道”来发送数据，无需等待基站调度。这对于承载多种不同QoS需求的周期性URLLC业务来说，是至关重要的能力。

总结

Rel-16对NR物理层的URLLC增强，是一次深入到“毛细血管”的精细化手术。从更紧凑、更灵活的PDCCH，到更及时、更高优先级的UCI反馈，再到更可靠的PUSCH重复传输，以及智能的冲突仲裁和强大的配置授权，每一项增强都直击无线通信的根本痛点。

这些物理层技术共同协作，为亚历克斯的智能工厂构建了一个响应迅捷、坚固可靠、智能协同的无线空口环境。它们是核心网URLLC策略的忠实执行者，是将5G“确定性网络”的承诺从PPT带入现实的最终保障。

至此，我们已经完整地剖析了Rel-16在核心网和物理层为URLLC所做的努力。在下一篇文章中，我们将把视角抬高，看看这些底层能力是如何被整合进一个更大的框架——“5.3 Support of NR Industrial Internet of Things”，来系统性地支撑工业物联网的宏伟蓝图。

FAQ环节

Q1：Rel-16引入的紧凑型DCI（format 0_2/1_2）是否会完全取代旧的DCI格式？

A1：不会。紧凑型DCI是通过减少或压缩一些控制字段来实现高可靠性的，这牺牲了一定的灵活性。例如，它可能无法支持所有复杂的调度选项。因此，它是一种按需配置的“增强模式”，专门用于对可靠性要求极高、但调度方式相对固定的URLLC业务。对于eMBB等需要高度灵活调度的业务，仍然会使用功能更全面的传统DCI格式。

Q2：什么是“span-based PDCCH monitoring”，它和传统的监测方式有什么根本不同？

A2：根本不同在于调度时延的降低和灵活性的提升。传统监测方式，UE只在一个时隙（slot）内固定的、离散的几个符号上监听PDCCH，调度机会有限。而“span-based”监测允许UE在一个时隙内连续的一段符号（span）上进行监听，并且一个时隙内可以有多个这样的监听机会（span）。这意味着基站可以在时隙内的任意一个span开始时发送调度指令，大大缩短了等待下一个调度机会的时间，从而显著降低了控制面的时延。

Q3：PUSCH重复传输Type B和Type A的主要应用场景有何区别？

A3：Type B专为最低时延和最高可靠性场景设计。它的特点是重复传输在时间上是连续的、紧凑的，一个调度授权就能触发，适用于突发性的、极其关键的数据传输，如紧急停机指令。Type A则更注重可靠性与频谱效率的平衡。它的重复次数可以由网络动态指示，调度上更灵活，适用于可靠性要求高、但对时延要求不如Type B那么极致的周期性或事件触发型数据，如常规的状态上报。

Q4：UL Cancellation（上行取消）机制中，基站是如何知道会发生冲突并决定取消哪个UE的传输？

A4：基站作为资源的分配者，拥有全局的调度视图。当它准备调度一个新的高优先级URLLC业务上行传输时，会检查该业务所需的时频资源是否已经被分配给了其他（通常是较低优先级的）UE。如果发现资源重叠，基站就会利用新引入的DCI format 2_4，向那个已经获得资源的低优先级UE发送“取消”指令，从而为高优先级业务“清场”。这个决策完全由基站的调度器根据业务优先级和资源占用情况来做出。

Q5：拥有“多达12个激活的配置授权（CG）”对一个终端来说，最大的好处是什么？

A5：最大的好处是极大的业务灵活性和并发性。对于一个功能复杂的工业设备（如多功能机器人），它可能需要同时上报多种不同特性（周期、时延、可靠性要求都不同）的周期性数据流。拥有多个并发的CG，意味着这台设备可以为每一种数据流都分配一个独立的、参数最优的“VIP免调度通道”。它可以在一个通道上传输高可靠的控制信令，在另一个通道上传输低时延的传感器数据，而无需在不同业务间切换配置，也无需频繁请求调度，极大地提升了复杂URLLC场景的承载效率和性能。

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