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NR SPS与CG配置授权双径调度博弈:从VoNR到URLLC的省电密码

在5G网络中,每一个上行数据包的发送都需要gNB的"调度授权"——UE发出调度请求(SR),gNB回应DCI Grant,UE才能在PUSCH上发送数据。这条"请求→授权→发送"的三步链路,对eMBB大数据业务不算负担,但对VoNR语音包(每20ms一个)或URLLC工业控制包(周期<1ms)而言,PDCCH解码延迟和SR等待开销就是致命的。SPS(半持续调度)与CG(配置授权Configured Grant)正是NR为周期性业务设计的两条"免调度快车道",它们在控制面开销、时延、灵活性之间走出截然不同的博弈路径。


一、双径调度的设计动机:为什么需要免调度?

1.1 动态调度的成本天花板

传统的动态调度(Dynamic Scheduling)流程如下:

sequenceDiagram
    participant UE
    participant gNB
    Note over UE: 有上行数据到达
    UE->>gNB: SR (PUCCH Format 0/1)
    Note over gNB: 等待SR处理 + CCE分配
    gNB->>UE: DCI Format 0_1 (UL Grant)
    Note over UE: PDCCH解码 (~0.5ms)
    UE->>gNB: PUSCH (数据)
    Note over UE,gNB: 单次调度延迟: 3~5ms

对VoNR而言,语音帧每20ms产生一次,如果每次都要走SR→DCI→PUSCH三步链路,PDCCH开销占用的CCE资源在小区内大量VoNR用户场景下会迅速耗尽盲检预算。对URLLC场景更是如此——工业控制要求端到端时延<1ms,三步链路根本不可接受。

1.2 免调度的核心思想

SPS/CG的本质是"一次配置,周期复用":

维度 动态调度 SPS/CG免调度
控制信令 每次传输需DCI 仅配置/激活时需DCI
PDCCH开销 O(N×M) (N用户×M周期) O(N) (仅配置)
调度时延 3~5ms 0ms (资源已预分配)
灵活性 最高 受周期性约束
适用场景 突发数据 周期性数据(VoNR/URLLC)

TS 38.321 Section 5.8定义了三种免调度机制:

机制 方向 激活方式 规范章节
SPS 下行(DL) RRC配置 + DCI激活(CS-RNTI) TS 38.321 §5.1.2
CG Type 1 上行(UL) 仅RRC配置 TS 38.321 §5.8.2
CG Type 2 上行(UL) RRC配置 + DCI激活(CS-RNTI) TS 38.321 §5.8.3

二、下行SPS:从RRC配置到周期性PDSCH的完整链路

2.1 SPS配置与激活信令流

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE
    Note over gNB,UE: Step 1: RRC配置SPS参数
    gNB->>UE: RRCReconfiguration<br/>(SPS-Config IE)
    Note right of UE: sps-ConfigIndex=1<br/>nrofHARQ-Processes=8<br/>periodicity=20 slots<br/>n1PUCCH-AN=PUCCH资源ID
    Note over gNB,UE: Step 2: DCI激活SPS
    gNB->>UE: DCI Format 1_1 (CS-RNTI加扰)
    Note right of UE: 携带初始频域/时域资源<br/>MCS、HARQ进程号<br/>PDSCH-to-HARQ时序
    UE->>gNB: HARQ-ACK (PUCCH)
    Note over gNB,UE: Step 3: 周期性PDSCH传输
    loop 每 periodicity 个时隙
        gNB->>UE: PDSCH (无DCI调度)
        UE->>gNB: HARQ-ACK/NACK (PUCCH)
    end
    Note over gNB,UE: Step 4: SPS释放
    gNB->>UE: DCI Format 1_1 (CS-RNTI, 释放指示)
    Note right of UE: FDRA=全1, MCS=0,<br/>TB size=0指示释放
    UE->>gNB: HARQ-ACK (确认释放)

2.2 SPS关键参数解析

SPS配置通过SPS-Config IE(TS 38.331 Section 6.3.2)传递,核心参数如下:

参数 含义 典型值(VoNR) 说明
sps-ConfigIndex SPS配置索引 0~15 标识第几套SPS配置
nrofHARQ-Processes HARQ进程数 8 用于SPS的HARQ进程池
periodicity SPS周期 20 slots (30kHz SCS) 对应20ms语音帧间隔
mcs-Table MCS表选择 qam64LowSE VoNR用低频效MCS表
n1PUCCH-AN SPS释放HARQ-ACK的PUCCH资源 资源ID 仅用于释放确认
harq-ProcID-Offset HARQ进程号偏移 0 避免与动态调度冲突
maxHarqProcessNum 最大HARQ进程数 8 与nrofHARQ-Processes关联

SPS激活DCI的特殊性:DCI Format 1_1用CS-RNTI(Configured Scheduling RNTI)加扰,而非C-RNTI。UE通过RNTI类型识别这是SPS激活而非动态调度。激活DCI中携带的频域资源分配、MCS、PDSCH-to-HARQ反馈时序等参数,将作为后续所有SPS PDSCH传输的模板。

2.3 SPS HARQ进程号的确定

SPS的HARQ进程号不需要DCI显式指示,UE通过公式计算(TS 38.321 Section 5.1.2):

HARQ_Process_ID = 
  [ (SFN × numberOfSlotsPerFrame × numberOfSymbolsPerSlot 
     + slot number in the frame × numberOfSymbolsPerSlot 
     + symbol number in the slot) 
    / periodicity ] 
  mod nrofHARQ-Processes

对于30kHz子载波间隔(每帧20个slot),20ms周期对应40个slot: - periodicity = 40 slots - nrofHARQ-Processes = 8 - SFN=0, slot=0时:HARQ PID = 0 - SFN=0, slot=40时:HARQ PID = 0 (回到起始) - SFN=0, slot=8时:HARQ PID = 1

这种确定性映射确保UE和gNB对每个SPS时机的HARQ进程号理解一致,无需额外信令。

2.4 SPS释放检测:DCI中的"暗号"

SPS释放通过DCI Format 1_1(CS-RNTI加扰)指示,UE通过以下字段的特定值判断这是释放而非激活(TS 38.214 Section 5.1.2):

DCI字段 释放指示值 说明
Frequency domain resource assignment 全1 表示无资源分配
Time domain resource assignment 0 固定为0
MCS 0 (索引) MCS=0
TB scaling 0 无TB
RV 0 冗余版本=0
NDI 0 (toggle) 新数据指示
HARQ process number 0 固定
PUCCH resource indicator 0
Antenna ports 0
DM-RS sequence initialization 0

这个设计的精妙之处:用"全零"状态表示释放,而非引入额外1 bit显式指示。在PDCCH资源紧张的NR系统中,每一个bit都弥足珍贵。


三、上行CG Type 1:纯RRC驱动的零开销快车道

3.1 CG Type 1完整配置流程

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE
    Note over gNB,UE: Step 1: RRC完整配置
    gNB->>UE: RRCReconfiguration<br/>(ConfiguredGrantConfig IE)
    Note right of UE: rrc-ConfiguredUplinkGrant包含:<br/>periodicity=20 slots<br/>timeDomainOffset=5<br/>timeDomainAllocation=idx<br/>frequencyDomainAllocation=RB bitmap<br/>mcsAndTBS=固定MCS<br/>antennaPort, dmrs配置
    UE->>gNB: RRCReconfigurationComplete
    Note over UE: RRC配置完成后立即生效
    Note over UE: 无需DCI激活!
    Note over gNB,UE: Step 2: 周期性免调度传输
    loop 每 periodicity 个时隙
        UE->>gNB: PUSCH (无SR/DCI)
        gNB->>UE: PHICH/PDCCH (HARQ反馈)
    end
    Note over gNB,UE: Step 3: 去配置(仅RRC)
    gNB->>UE: RRCReconfiguration (释放ConfiguredGrantConfig)

3.2 CG Type 1的RRC参数全景

CG Type 1通过rrc-ConfiguredUplinkGrant IE一次性传递所有传输参数(TS 38.331 Section 6.3.2):

参数 含义 作用
periodicity 授权周期 控制传输频率
timeDomainOffset 时域偏移 相对于SFN=0的起始偏移
timeDomainAllocation 时域资源分配 对应TS 38.214 Table 6.1.2.1.1
frequencyDomainAllocation 频域资源分配 RB位图
mcsAndTBS 固定MCS/TBS 所有传输使用相同MCS
antennaPort 天线端口 DM-RS端口
dmrs-SeqGeneration DM-RS序列初始化
frequencyHopping 跳频配置
pathlossReferenceIndex 路损参考信号索引 功控参考
precodingAndNumberOfLayers 预编码和层数 MIMO配置
srs-ResourceIndicator SRS资源指示 用于功控和波束
mcs-Table MCS表选择
transformPrecoder 变换预编码使能 DFT-s-OFDM开关

3.3 CG Type 1的起始SFN计算

UE收到RRC配置后,需要确定第一个CG传输时机的SFN。计算方法(TS 38.321 Section 5.8.2):

SFN_offset = timeDomainOffset mod 1024
起始SFN = timeDomainOffset / 1024 (整数部分)

当 SFN mod (periodicity / numberOfSlotsPerFrame) == SFN_offset / numberOfSlotsPerFrame 时,UE在对应slot发送PUSCH。

设计意图:timeDomainOffset允许gNB精确控制CG Type 1的起始时间,实现小区内多UE的CG时机错开,避免PUSCH碰撞导致的干扰集中。


四、上行CG Type 2:DCI激活的灵活中间态

4.1 CG Type 2两阶段配置与MAC CE确认

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE
    Note over gNB,UE: Step 1: RRC模板配置
    gNB->>UE: RRCReconfiguration<br/>(ConfiguredGrantConfig, 无rrc-ConfiguredUplinkGrant)
    Note right of UE: 仅配置: periodicity,<br/>nrofHARQ-Processes,<br/>harq-ProcID-Offset等<br/>不包含时频资源!
    UE->>gNB: RRCReconfigurationComplete
    Note over gNB,UE: Step 2: DCI激活
    gNB->>UE: DCI Format 0_0/0_1 (CS-RNTI加扰)
    Note right of UE: 携带: 频域资源,<br/>时域资源, MCS,<br/>DM-RS等参数
    Note over UE: UE应用DCI中的参数
    Note over UE: 生成Configured Grant Confirmation MAC CE
    UE->>gNB: PUSCH + MAC CE (CG Confirmation)
    Note right of gNB: LCID = 55<br/>1字节: CG ID (4bit) + R (4bit)
    Note over gNB: 收到MAC CE → 激活成功
    Note over gNB,UE: Step 3: 周期性传输
    loop 每 periodicity 个时隙
        UE->>gNB: PUSCH (免调度)
        gNB->>UE: HARQ反馈
    end
    Note over gNB,UE: Step 4: DCI去激活
    gNB->>UE: DCI Format 0_0 (CS-RNTI, 全1指示去激活)
    UE->>gNB: MAC CE (CG Confirmation)
    Note over gNB: 收到MAC CE → 去激活成功

4.2 MAC CE确认机制的深层博弈

为什么CG Type 2需要MAC CE确认,而SPS用HARQ-ACK?

这是上行与下行信令模型的不对称性决定的:

维度 SPS (下行) CG Type 2 (上行)
激活方向 gNB→UE (DL) gNB→UE (DL)
反馈方向 UE→gNB (UL) UE→gNB (UL)
反馈方式 HARQ-ACK (对DCI本身的确认) MAC CE (显式确认)
反馈时延 ~1个slot ~数个slot

SPS场景:gNB发送DCI激活SPS后,UE在PUCCH上回复HARQ-ACK。这个HARQ-ACK既是对DCI接收的确认,也是对SPS激活的确认——如果UE没收到DCI,自然不会回复ACK,gNB就知道激活失败。

CG Type 2场景:gNB发送DCI激活CG后,UE也需要确认。但CG是上行授权——UE在收到DCI后需要准备上行传输资源,确认的语义不再是"我收到了DCI",而是"我已成功配置了上行授权参数"。因此,MAC CE比HARQ-ACK更合适,因为: 1. MAC CE在PUSCH上发送,与后续CG传输共享上行信道 2. MAC CE携带CG-ID,精确指示确认的是哪套CG配置 3. MAC CE的可靠性高于HARQ-ACK(有RLC ARQ保护)

Configured Grant Confirmation MAC CE格式(TS 38.321 Section 6.1.3.7):

|  CG ID (4 bits)  |  R (4 bits)  |
|     0xxx         |    0000      |

4.3 CG Type 2去激活的DCI检测

与SPS释放类似,CG Type 2去激活通过DCI Format 0_0(CS-RNTI)的特定字段值指示:

DCI字段 去激活指示值
Frequency domain resource assignment 全1
Time domain resource assignment 0
MCS 0
NDI 0
RV 0
HARQ process number 0

五、三种机制的状态转换全景

stateDiagram-v2
    [*] --> 未配置: RRC未配置
    未配置 --> RRC已配置: RRCReconfiguration<br/>(SPS-Config / ConfiguredGrantConfig)

    state "RRC已配置" as configured

    configured --> CG1_激活: CG Type 1<br/>(RRC完成后自动激活)
    configured --> CG2_待激活: CG Type 2<br/>(等待DCI)
    configured --> SPS_待激活: SPS<br/>(等待DCI)

    CG2_待激活 --> CG2_激活: DCI (CS-RNTI) 激活
    CG2_待激活 --> 未配置: RRC释放
    SPS_待激活 --> SPS_激活: DCI (CS-RNTI) 激活
    SPS_待激活 --> 未配置: RRC释放

    CG1_激活 --> 未配置: RRC释放<br/>(唯一释放路径)
    CG2_激活 --> CG2_待激活: DCI (CS-RNTI) 去激活<br/>+ MAC CE确认
    CG2_激活 --> 未配置: RRC释放
    SPS_激活 --> SPS_待激活: DCI (CS-RNTI) 释放<br/>+ HARQ-ACK确认
    SPS_激活 --> 未配置: RRC释放

六、运营商成本博弈:三种机制的选型决策

6.1 场景-机制匹配矩阵

业务场景 周期 包大小 推荐机制 理由
VoNR语音 20ms 40~200 bytes SPS(DL) + CG Type 2(UL) 固定周期,需要灵活激活/去激活
URLLC工业控制 <1ms 小包 CG Type 1 极低时延,RRC一次配置永不再等
视频监控上行 33/66ms 可变 CG Type 2 周期不固定时需DCI重激活
IoT小包上报 秒级 极小 CG Type 1 RRC-only,零PDCCH开销
AR/VR下行 11ms 大包 SPS 固定帧率下行推送

6.2 PDCCH资源节省的量化分析

以一个典型VoNR小区(50个VoNR用户)为例:

调度方式 每秒DCI数量 CCE消耗/秒 PDCCH利用率
全动态调度 50×50=2500 2500×2=5000 ~83%
SPS+CG Type 2 50×2=100(仅激活) 100×2=200 ~3.3%
SPS+CG Type 1 50×1=50(仅SPS激活) 50×2=100 ~1.7%

关键发现:VoNR场景下,SPS+CG可以将PDCCH利用率从83%降至3.3%以下,释放出的CCE资源可用于eMBB动态调度。这就是为什么VoNR商用网络必须开启SPS/CG——不开则PDCCH成为容量瓶颈。

6.3 灵活性-开销的帕累托前沿

灵活性 ↑
  │    动态调度
  │       ★
  │      
  │              CG Type 2 / SPS
  │                 ★
  │
  │                        CG Type 1
  │                           ★
  └───────────────────────→ 控制面开销

七、HARQ进程管理:免调度的隐藏复杂性

7.1 HARQ进程号冲突与规避

免调度机制最易忽略的问题是HARQ进程号冲突。CG Type 1的HARQ进程号由公式计算,而动态调度的HARQ进程号由DCI显式指示。如果两者使用了重叠的HARQ进程号空间,就会出现一个进程同时被CG和动态调度使用的冲突。

解决方案:TS 38.321引入harq-ProcID-Offset参数,将CG的HARQ进程号空间与动态调度空间错开:

CG HARQ PID范围: [harq-ProcID-Offset, harq-ProcID-Offset + nrofHARQ-Processes - 1]
动态调度 HARQ PID范围: [0, 15] 中除CG占用的部分

实战建议:配置CG时必须规划HARQ进程号空间。典型配置: - CG: harq-ProcID-Offset=8, nrofHARQ-Processes=8 → 使用PID 8~15 - 动态调度: 使用PID 0~7 - SPS: 独立配置harq-ProcID-Offset,避免三方冲突

7.2 configuredGrantTimer与HARQ进程保护

TS 38.321引入configuredGrantTimer定时器,保护CG的HARQ进程:

博弈点:configuredGrantTimer设置过短→HARQ进程过早归还→CG重传机会丢失。设置过长→动态调度可用进程减少→eMBB性能下降。典型值:8~16个slot。

7.3 CG Type 1重传的困境

CG Type 1只能用于初始传输,重传必须通过动态调度(TS 38.321 Section 5.8.2)。这意味着:

sequenceDiagram
    participant UE
    participant gNB
    Note over UE: CG Type 1时机到达
    UE->>gNB: PUSCH (CG初始传输, HARQ PID=8)
    gNB->>UE: HARQ NACK (PHICH/PDCCH)
    Note over UE: 等待gNB分配动态重传资源
    gNB->>UE: DCI Format 0_0 (C-RNTI, 重传调度)
    Note right of UE: 指定相同的HARQ PID=8<br/>新频域/时域资源
    UE->>gNB: PUSCH (动态重传)
    gNB->>UE: HARQ ACK

这就是CG Type 2比CG Type 1更实用的原因之一——CG Type 2在激活DCI中指定的参数可以作为重传模板,gNB有更多控制权。


八、抓包识别与故障排查

8.1 抓包特征识别

机制 Wireshark过滤 关键特征
SPS激活 rrc.sps_Config + dcit.type == 1_1 && rnti == CS-RNTI RRC配置后首个CS-RNTI DCI
CG Type 1 rrc.ConfiguredGrantConfig && rrc.rrc_ConfiguredUplinkGrant 含rrc-ConfiguredUplinkGrant
CG Type 2 rrc.ConfiguredGrantConfig && !rrc.rrc_ConfiguredUplinkGrant 无rrc-ConfiguredUplinkGrant
CG激活确认 mac.ce_lcid == 55 MAC CE LCID=55
SPS释放 CS-RNTI DCI中FDRA=全1, MCS=0 特殊DCI字段组合

8.2 常见故障点

故障1:CG Type 1配置后UE不发送PUSCH

排查路径: 1. 检查timeDomainOffset是否正确 → UE可能算错起始SFN 2. 检查pathlossReferenceIndex对应的RS是否配置 → 功控失效导致UE不发 3. 检查configuredGrantTimer是否过短 → 进程冲突 4. 检查UE是否有上行TA(Time Alignment) → TA失效导致UE被barred

故障2:SPS PDSCH被UE漏收

排查路径: 1. 检查SPS激活DCI是否被UE正确解码(CS-RNTI加扰) 2. 检查SPS PDSCH的DM-RS配置是否与激活DCI一致 3. 检查HARQ进程号是否与动态调度冲突 4. 检查PUCCH资源是否足够承载SPS的HARQ-ACK

故障3:CG Type 2 MAC CE未收到

排查路径: 1. UE可能在CG激活DCI中没有正确识别CS-RNTI(检查RNTI配置) 2. MAC CE可能因UL grant不足无法发送(检查BSR和UL资源) 3. 检查MAC CE的LCID是否正确(应为55) 4. 如果gNB未收到MAC CE,会重发激活DCI

九、Rel-18/19增强:Multi-PUSCH CG与SPS多配置

3GPP Rel-18对CG/SPS引入了重要增强:

9.1 Multiple CG配置(TS 38.321 Rel-18)

9.2 SPS Multi-Configuration(TS 38.321 Rel-18)

Rel-18引入CG-UCI,允许UE在CG PUSCH中携带控制信息: - HARQ-ACK反馈 - BSR - 功率余量报告(PHR)

这使得CG Type 1的UE不需要额外的PUCCH传输控制信息,进一步降低开销。


常见问题

Q1: CG Type 1和CG Type 2在RRC配置上的核心区别是什么? A: 核心区别在于rrc-ConfiguredUplinkGrant字段的有无。CG Type 1的RRC配置中包含此字段,一次性提供所有传输参数(时频资源、MCS、DM-RS等),配置完即生效。CG Type 2的RRC配置中不含此字段,仅提供周期和HARQ相关参数,具体的时频资源由后续DCI(CS-RNTI加扰)激活时提供。

Q2: 为什么SPS用HARQ-ACK确认激活,而CG Type 2用MAC CE? A: 因为SPS是下行机制,gNB发DCI激活后发PDSCH,UE天然会对PDSCH回复HARQ-ACK,这个ACK同时确认了DCI的接收。CG Type 2是上行机制,gNB发DCI激活后,UE需要显式确认"我已经准备好上行传输配置了",HARQ-ACK只表示"DCI收到了",MAC CE才表示"配置已应用"。另外MAC CE走PUSCH,有RLC ARQ保护,可靠性更高。

Q3: 一个UE能同时使用SPS和CG吗? A: 可以。典型VoNR场景就是SPS(DL语音) + CG Type 2(UL语音)同时配置。SPS和CG有独立的HARQ进程池(通过不同的harq-ProcID-Offset隔离)。Rel-18后更支持同一方向多套配置并行。

Q4: CG Type 1重传如何处理? A: TS 38.321明确规定CG Type 1仅用于初始传输。如果gNB解码失败(NACK),必须通过DCI(C-RNTI加扰)分配动态授权进行重传,使用相同的HARQ进程号。这是CG Type 1灵活性不足的主要体现——重传依赖gNB的动态调度响应速度。

Q5: SPS/CG的periodicity有哪些可选值? A: TS 38.321定义了丰富的周期选项,从极短的2 symbols到极长的640 slots。30kHz SCS下常用值:10/20/40/80/160/320 slots,分别对应5/10/20/40/80/160ms。URLLC场景可配置更短周期(如4/8 slots),IoT场景可配置更长周期。


参考来源

  1. 3GPP TS 38.321 V18.x.x — NR MAC Protocol Specification — Sections 5.1.2 (SPS), 5.8.2 (CG Type 1), 5.8.3 (CG Type 2), 6.1.3.7 (CG Confirmation MAC CE)
  2. 3GPP TS 38.331 V18.x.x — NR RRC Protocol Specification — ConfiguredGrantConfig IE, SPS-Config IE
  3. ShareTechnote — NR Configured Scheduling — CG Type 1/2和SPS的可视化流程图
  4. Amarisoft Tech Academy — NR CG (Configured Grant) — CG机制配置参数和实战分析
  5. ETSI TS 138 321 V17.12.0 — Release 17正式版MAC层规范

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。

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