关于 URLLC场景下的 the Short Blocklength Regime

Posted 2021-06-14 若水菱花

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，对于需要低时延的URLLC场景，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，用于低延迟场景中可以显著降低时延。

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. Yury Polyanskiy 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信道下有限包长度n和有限包错误概率$ϵ$下的最大编码率的近似表达式（单位：bit/s/Hz或bit/symbol或bit/channel use）：
   $$R^{\ast }(n,ϵ)\approx C-\sqrt{\frac{V}{n}}{Q}^{-1}(ϵ)$$
   其中，C为香农容量， V为信道色散。

7. 关于n

   数据包的传输是一个将数据位映射为一个连续的时间信号，然后通过无线信道传输的过程，在OFDM系统中，假设该连续时间信号的传输持续时间为T，子载波间隔为W，则符号周期$T_s=1/W$，因此$T\ast W$即为该连续时间信号的符号数，我们用它来表征包长度n，即$n=T\ast W$。

8. 关于C,V

   1. V(channel dispersion)：其衡量信道相对于具有相同容量的确定性信道的随机性。

   2. 在平均功率受限的复AWGN信道下，设$\gamma$为信噪比，则：
      $$C=log(1+\gamma )$$

      $$V=\gamma \frac{2+\gamma }{(1+\gamma {)}^2}\frac{1}{(ln2{)}^2}$$

      以上两式参考文献[9]。

9. 参考文献、网页和文档

• 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
• [1].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.
• [2].She C, Yang C, Quek T Q S. Cross-layer optimization for ultra-reliable and low-latency radio access networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 17(1): 127-141.
• [3].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.
• [4].J. Chen, L. Zhang, Y. Liang, X. Kang and R. Zhang, “Resource Allocation for Wireless-Powered IoT Networks With Short Packet Communication,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 18, no. 2, pp. 1447-1461, Feb. 2019, doi: 10.1109/TWC.2019.2893335.
• [5].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.
• [6].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.
• [7].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.
• [8].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.
• [9].G. Durisi, T. Koch and P. Popovski, “Toward Massive, Ultrareliable, and Low-Latency Wireless Communication With Short Packets,” in Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 9, pp. 1711-1726, Sept. 2016, doi: 10.1109/JPROC.2016.2537298.