Labs 導讀

URLLC「低時延高可靠性」是5G三大應用場景之一，也是 5G 區(qū)別于 2G/3 G/4G 的一個典型場景。作為移動通信行業(yè)切入垂直行業(yè)的一個突破口，URLLC對于自動駕駛、工業(yè)制造、車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等領域的廣泛應用非常關鍵，并在3GPP R16階段得到全面增強。

全球的智慧城市發(fā)展都在進入新的階段,5G作為智慧城市發(fā)展的新引擎,推動城市進入新的文明價段,隨著無線移動通信系統(tǒng)帶寬和能力的增加,面向個人和行業(yè)的移動應用快速發(fā)展,移動通信相關產(chǎn)業(yè)生態(tài)將逐漸變化,5G不僅是更高速率,更大帶寬、更強能力的空口技術,更是面向智慧城市的智能網(wǎng)絡。

5G目前包括三大典型場景：增強型移動寬帶eMBB、低延遲高可靠性URLLC、大規(guī)模機器通信mMTC。三個典型的場景能夠助力了大量的應用技術包括：高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)、無人機、AR/VR等。帶寬增加極大的提升了數(shù)據(jù)傳輸速率，極有可能對數(shù)據(jù)處理相關行業(yè)帶來一次革命。在5G網(wǎng)絡的推進建設下，城市內(nèi)的各個垂直行業(yè)領域都將被改變。當前工業(yè)制造、車聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)對5G的需求十分迫切，而URLLC技術場景則非常適合應用于以上領域，也因此3GPP在5G研究早期即提出一些低延遲的技術探討，在R16階段重點研究了URLLC場景的技術方案。

1、5G網(wǎng)絡架構

為了滿足對不同應用場景和應用需求。5G的網(wǎng)絡設計是基于彈性敏捷、靈活復用的設計理念，5G引入SDN/NFV技術，將軟硬件平臺進一步虛擬化和解耦，底層使用統(tǒng)一的NFVI基礎設施，利用SDN控制器實現(xiàn)內(nèi)部資源靈活調(diào)度。傳統(tǒng)網(wǎng)元被劃分為更細粒度的功能模塊，稱之為網(wǎng)絡功能(NF，Network Function)，網(wǎng)絡功能之間采用輕量API接口通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效化、靈活化、開放化。

5G網(wǎng)絡分為接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)三層。在接入網(wǎng)，5G網(wǎng)絡采用了新的架構、新的設計、新的頻段和新的天線技術。新的架構是指全新的網(wǎng)絡架構將以用戶為中心，圍繞用戶進行網(wǎng)絡的建設，同時將傳統(tǒng)的BBU(Building Base band Unite)分為CU(Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)兩個網(wǎng)元設備，同時RRU(Remote Radio Unit)和饋線、天線組成了新的AAU(Active Antenna Unit)。顧名思義CU是集中控制的設備，主要處理SDAP、RRC和PDCP層，即主要進行QoS流處理、無線資源控制和上層數(shù)據(jù)的壓縮、對齊加密等功能，處于無線空口的層3的位置。DU是分散控制單元，主要處理RLC、MAC和高層物理層協(xié)議，即主要進行無線鏈路質(zhì)量控制、邏輯信道和物理信道映射以及基帶功能。處于空口的層2位置。AAU是有源天線單元，將傳統(tǒng)的RRU和天線饋線合并主要是處理射頻信號。同時參數(shù)和幀的結(jié)構更加靈活，上下行配比可以根據(jù)實際需求調(diào)整。5G網(wǎng)絡有著更高的頻段，當前主要使用了sub6G頻段，之后更拓寬至26Ghz的毫米波頻段，更高的頻段有著相對更加豐富的頻譜資源帶來了更大的帶寬。同時采用了新的3D MIMO天線，一般為64T64R甚至128T128R的天線陣列，相比較之前4T4R的天線大幅提升了傳輸效率。

5G傳輸網(wǎng)涵蓋的范疇比較廣泛，從AAU到DU的前傳，DUCU之間的中傳到CU傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)的后傳部分都屬于傳輸承載網(wǎng)。5G流量激增對傳輸網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，對此中國移動提出了切片分組網(wǎng)絡SPN(Slicing Packet Network)的承載網(wǎng)技術【1】。

SPN采用ITU-T的分層模型，能夠?qū)σ蕴W(wǎng)、IP、CBR業(yè)務綜合承載。

SPN分為切片傳送層、切片通道層和切片分組層，此外還包括時鐘同步和管理模塊。

切片傳送層是基于802.3以太網(wǎng)技術和OIF Flex E的物理層技術，提供了物理層面上的帶寬。切片通道層曾則是通過SE技術對以太網(wǎng)接口、光纖資源等進行時隙化切分處理，基于TDM原理進行管道硬切分，切分是在L1層面上的硬隔離。切片分組層則是在業(yè)務上進行分發(fā)、封裝和傳輸，可以提供L2\L3VPN等轉(zhuǎn)發(fā)能力;提供業(yè)務識別、分組、QoS保障處理，基于SR-TP技術提供面向連接的業(yè)務承載通道。

5G核心網(wǎng)基于SDN和NFV技術，成功實現(xiàn)了軟硬件解耦，各網(wǎng)元之間基于TCP/IP通信，接口通過https協(xié)議實現(xiàn)【2】。5G的核心網(wǎng)架構相比較于之前的4G核心網(wǎng)有著以下的主要特征：

• 控制面與用戶面分離。
• 網(wǎng)元功能虛擬化。NFV技術應用于核心網(wǎng)，讓軟硬件解耦，網(wǎng)元成為了一個個軟件功能模塊。
• 虛擬網(wǎng)元之間通過接口通信。不同網(wǎng)元之間采用輕量級的Restful/Http協(xié)議。
• SBA(Software Based on Architecture)的網(wǎng)絡架構。各個虛擬網(wǎng)元之間耦合度低，其他業(yè)務可以通過接口快速訪問虛擬網(wǎng)元，可以根據(jù)實際業(yè)務需求調(diào)整整個網(wǎng)絡架構。
• 接入網(wǎng)和核心網(wǎng)弱關聯(lián)性。5G核心網(wǎng)與接入網(wǎng)沒有強關聯(lián)，UE可以通過各種網(wǎng)絡接入5G核心網(wǎng)，即便非3GPP網(wǎng)絡，也可以通過N3IWF網(wǎng)元接入到5G核心網(wǎng)。
• 虛擬網(wǎng)元呈現(xiàn)無狀態(tài)。即存儲資源與計算資源解耦，控制面功主要交由AMF和SMF，而存儲的數(shù)據(jù)主要放在UDR和UDSF，實現(xiàn)計算與存儲解耦。

下圖為5G核心網(wǎng)架構示意圖。

5G核心網(wǎng)的主要網(wǎng)元如下：

• AMF(接入和移動性管理功能)：負責用戶的接入和移動性管理;
• SMF(會話管理功能)：負責用戶的會話管理;
• UPF(用戶面功能)：負責用戶面處理;
• AUSF(認證服務器功能)：負責對用戶的 3GPP和非3GPP接入進行認證;
• PCF(策略控制控制)：負責用戶的策略控制，包括會話的策略、移動性策略;
• UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)：負責用戶的簽約數(shù)據(jù)管理;
• NSSF(網(wǎng)絡切片選擇功能)：負責選擇用戶業(yè)務采用的網(wǎng)絡切片;
• NRF(網(wǎng)絡功能注冊功能)：負責網(wǎng)絡功能的注冊、發(fā)現(xiàn)和選擇;
• NEF(網(wǎng)絡能力開放功能)：負責將5G網(wǎng)絡的能力開放給外部系統(tǒng);
• AF(應用功能)：與核心網(wǎng)互通來為用戶提供業(yè)務第三方應用。

2、URLLC關鍵技術

URLLC在3GPP標準化進程中包括低時延技術、高可靠技術以及URLLC與eMBB復用三個方面的研究。R15研究之初即成立工作項目，來研究子載波間隔、靈活幀結(jié)構以及短時隙調(diào)度等時延降低技術。截至R16，3GPP先后完成了URLLC用例的性能評估工作、物理層各信道的增強以及URLLC與eMBB上行復用等技術的研究及標準化，但仍然有很多優(yōu)化工作預計留至R17來研究。

為了實現(xiàn)uRLLC場景的低時延需求，3GPP在R15階段提出以下解決方案：

• 支持靈活的幀結(jié)構。5G的NR(New Radio)支持LTE系統(tǒng)15KHz的載波間隔，還支持更多的間隔方案包括30KHz、60KHz、120KHz、240KHz，越高的載波間隔帶來越低延遲性能;同時5GNR支持調(diào)整幀的結(jié)構，相較于LTE系統(tǒng)固定的一個子幀包括2個時隙，NR可以靈活的在1、2、4個時隙中切換以及可以靈活配置上下行配比，使得延遲大幅降低。
• 支持更小的調(diào)度周期—迷你時隙。時隙是最小的調(diào)度周期單位，LTE系統(tǒng)中包括時隙有14個符號組成，但是在NR中支持迷你時隙，迷你時隙可以支持2符號、3符號和4符號長度，更短的時隙可以降低反饋時延。
• 靈活的PDCCH配置。搜索空間由一組候選PDCCH(Physical Downlink Control Channel)組成，搜索空間可以配置搜索類型、周期、時隙偏移、時隙數(shù)量、CORESET、DCI格式等參數(shù)。通過配置合理的PDCCH的監(jiān)聽周期和偏移值以及PDCCH在 一個時隙內(nèi)的監(jiān)聽圖樣，可以實現(xiàn)較為密集的PDCCH 監(jiān)聽機會，一個時隙內(nèi)具有多個PDCCH監(jiān)測時刻，可以應對URLLC需求突發(fā)的業(yè)務場景，滿足低時延的要求?！?】
• URLLC高優(yōu)先級傳輸。 URLLC低延遲場景的數(shù)據(jù)特點主要是突發(fā)性強但是數(shù)據(jù)量不大，所以NR支持URLLC采用搶占方式占據(jù)信道資源。在基站分配物理資源給eMBB業(yè)務時，就已經(jīng)將eMBB業(yè)務的資源也同時分配給了URLLC業(yè)務，當URLLC搶占物理資源時，NR將搶占結(jié)果通知給UE，用以保證URLLC的低延遲要求。
• 采用邊緣計算技術。5G網(wǎng)絡可以將UPF用戶面功能下沉到用戶側(cè)，邊緣計算服務器與UPF共站部署，UPF識別到業(yè)務流的目的地址是本地，就分流到本地的邊緣計算服務器進行業(yè)務處理，減少了業(yè)務的冗余傳輸路徑，降低時延。

在R16階段，3GPP又進一步提出URLLC低時延增強解決方案：

• 免授權配置：基站預先配置周期性資源，UE不需向基站申請。UE預先向基站申請PUSCH(Physical Uplink Share Channel物理上行共享信道)使用的資源并配置好相應的參數(shù)。當有上行資源時，直接使用這些資源進行傳輸，省去了向基站發(fā)送調(diào)度請求、申請資源以及接收基站反饋的時間，保證了URLLC的低延遲要求。
• HARQ反饋增強：在R15階段，UE在一個時隙中在PUCCH上只能傳輸一次HARQ-ACK(Hybrid Automatic Repeat Request)。當UE為了降低時延需要在同一個時隙的PUCCH再次上發(fā)HARQ-ACK時，是不允許的。在R16階段，允許在一個時隙內(nèi)部的多個PUCCH信道上反饋HARQ-ACK，為了支持這種設計，R16終端要求UE至少支持兩種HARQ編碼方式且物理層可以識別。
• 支持時間敏感網(wǎng)絡TSN和5G網(wǎng)絡融合：實現(xiàn)時間敏感傳輸，保證時鐘同步保。在PBCH中廣播或在RRC層中發(fā)送高精度的參考時間，保障主時鐘和終端時鐘的精確時間同步，實現(xiàn)時間敏感傳輸。因為TSN技術是基礎以太網(wǎng)傳輸技術發(fā)展的，所以TSN需要封裝以太網(wǎng)幀頭，但這樣會降低傳輸效率，所以還需要壓縮以太網(wǎng)幀頭以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低時延。

為了實現(xiàn)高可靠性的要求，3GPP在R15階段提出以下解決方案：

• 物理層面上，優(yōu)化了MCS\CQI表格。LTE系統(tǒng)的MCS\CQI是不能滿足NR對于系統(tǒng)可靠性以及傳輸速率的要求，于是NR在CQI(channel quality indication)表格中增加了兩個更低的碼率，相對應的基站增加了兩個MCS(Modulation and Coding Scheme)低頻選項， UE和基站之間可以選擇更低的碼率保障可靠性。
• 數(shù)據(jù)包重復傳輸：LTE系統(tǒng)提出了在MAC和RLC層的HARQ重傳機制，但是這種可靠性都是以犧牲時延為代價的，NR提出在PDCP層復制數(shù)據(jù)，在不同的PDCP信道上傳輸同樣的數(shù)據(jù)提升可靠性。
• 高聚合等級的PDCCH：CCE是PDCCH的基本單位，LTE的PDCCH最多包含8個CCE，在N15階段，NR最多可以包含16個CCE,更多的資源可以降低傳輸?shù)木幋a速率，保障傳輸可靠性。

在R16階段，3GPP又進一步提出URLLC高可靠性增強解決方案：

• 冗余傳輸方案，UE之間建立冗余的PDU會話和N3接口的冗余傳輸基于N3接口的冗余傳輸。首先， NG-RAN復制上行數(shù)據(jù)包，然后通過兩條冗余的鏈路(N3接口)通道發(fā)送給UPF，其中每條N3通道與一個PDU會話關聯(lián)，建立兩條獨立的N3通道傳輸數(shù)據(jù)，基站、SMF和UPF將會為兩條鏈路提供不同的路由。
• 在迷你時隙層面上重復傳輸。R15版本的重傳機制都是在時隙的調(diào)度基礎上，R16階段進一步支持了迷你時隙級別別的重傳，重傳次數(shù)最大可達到16次。
• 目前仍在PUCCH、PUSCH、HARQ增強方面繼續(xù)研究

綜合R15和R16，當前URLLC場景主要應用在于工業(yè)自動化、車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)以及AR/VR。雖然3GPP在R15階段和R16極端了很多URLLC關鍵技術方案，但是仍有技術增強問題以及車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)場景下的應用，遺留在R17及以后的版本中繼續(xù)解決。

3、URLLC主要應用場景

5GURLLC場景最大的特點是低時延、高可靠性，URLLC場景的使用范圍很大，在不同的場景對時延、可靠性和帶寬的要求是不同的。具體來說包括電力自動化“三遙”場景、車聯(lián)網(wǎng)場景和工業(yè)制造場景?！?】

1 電力自動化場景

差動保護是電力網(wǎng)絡的自我保護手段，將輸電線兩端的電氣量進行比較以判斷故障范圍，實現(xiàn)故障的精準隔離，避免停電影響范圍擴大。電網(wǎng)通信以光纖為主，但35kv以下配網(wǎng)未實現(xiàn)光纖覆蓋，且部署場景復雜多樣，需要無線網(wǎng)絡作為通信載體。5G的URLLC場景非常適用于在電力自動化場景部署。

2 工業(yè)制造場景

工業(yè)制造的對技術性能要求很高，而高端制造業(yè)對車間設備的延遲和穩(wěn)定性有著非常高的需求。5GURLLC的低時延和高可靠性非常適合在工作制造場場景應用，制造設備通過5G接入企業(yè)云或者現(xiàn)場控制系統(tǒng)，采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實時分析生產(chǎn)狀況。實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的無人化和無線化。

3 車聯(lián)網(wǎng)場景

車聯(lián)網(wǎng)由于特殊性，對于系統(tǒng)的安全可靠和超低延遲有著非常高的要求，5G的URLLC場景非常適合在車聯(lián)網(wǎng)場景部署。車聯(lián)網(wǎng)當前階段主要車路協(xié)同技術，即在道路旁的基礎施部署智能采集設備包括智能燈桿、智能交通燈，通過5G網(wǎng)絡與車載電腦交互信息，大幅增加車輛對周圍事務的感知能力，提高駕駛安全性，有效解決城市擁堵問題。

【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】

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