基于5G網(wǎng)絡(luò)的URLLC場景應(yīng)用以及技術(shù)方案介紹

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(yīng)用快速發(fā)展,移動通信相關(guān)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(shù),更是面向智慧城市的智能網(wǎng)絡(luò)。

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(yīng)用技術(shù)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(guān)行業(yè)帶來一次革命。在5G網(wǎng)絡(luò)的推進建設(shè)下，城市內(nèi)的各個垂直行業(yè)領(lǐng)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(shù)場景則非常適合應(yīng)用于以上領(lǐng)域，也因此3GPP在5G研究早期即提出一些低延遲的技術(shù)探討，在R16階段重點研究了URLLC場景的技術(shù)方案。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了滿足對不同應(yīng)用場景和應(yīng)用需求。5G的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是基于彈性敏捷、靈活復用的設(shè)計理念，5G引入SDN/NFV技術(shù)，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(chǔ)設(shè)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(luò)功能(NF，Network Function)，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)采用了新的架構(gòu)、新的設(shè)計、新的頻段和新的天線技術(shù)。新的架構(gòu)是指全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將以用戶為中心，圍繞用戶進行網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，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(shè)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(shè)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(gòu)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(luò)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(luò)SPN（Slicing Packet Network）的承載網(wǎng)技術(shù)【1】。

SPN采用ITU-T的分層模型，能夠?qū)?u>以太網(wǎng)、IP、CBR業(yè)務(wù)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(shù)和OIF Flex E的物理層技術(shù)，提供了物理層面上的帶寬。切片通道層曾則是通過SE技術(shù)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(wù)上進行分發(fā)、封裝和傳輸，可以提供L2L3VPN等轉(zhuǎn)發(fā)能力；提供業(yè)務(wù)識別、分組、QoS保障處理，基于SR-TP技術(shù)提供面向連接的業(yè)務(wù)承載通道。

5G核心網(wǎng)基于SDN和NFV技術(shù)，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(gòu)相比較于之前的4G核心網(wǎng)有著以下的主要特征：

（1）控制面與用戶面分離。

（2）網(wǎng)元功能虛擬化。NFV技術(shù)應(yīng)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。

（3）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。

（4）SBA（Software Based on Architecture）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。各個虛擬網(wǎng)元之間耦合度低，其他業(yè)務(wù)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(wù)需求調(diào)整整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（5）接入網(wǎng)和核心網(wǎng)弱關(guān)聯(lián)性。5G核心網(wǎng)與接入網(wǎng)沒有強關(guān)聯(lián)，UE可以通過各種網(wǎng)絡(luò)接入5G核心網(wǎng)，即便非3GPP網(wǎng)絡(luò)，也可以通過N3IWF網(wǎng)元接入到5G核心網(wǎng)。

（6）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(gòu)示意圖。

5G核心網(wǎng)的主要網(wǎng)元如下：

（1）AMF（接入和移動性管理功能）：負責用戶的接入和移動性管理；

（2）SMF（會話管理功能）：負責用戶的會話管理；?

（3）UPF（用戶面功能）：負責用戶面處理；

（4）AUSF（認證服務(wù)器功能）：負責對用戶的 3GPP和非3GPP接入進行認證；

（5）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；

（6）UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）：負責用戶的簽約數(shù)據(jù)管理；

（7）NSSF（網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）：負責選擇用戶業(yè)務(wù)采用的網(wǎng)絡(luò)切片；

（8）NRF（網(wǎng)絡(luò)功能注冊功能）：負責網(wǎng)絡(luò)功能的注冊、發(fā)現(xiàn)和選擇；

（9）NEF（網(wǎng)絡(luò)能力開放功能）：負責將5G網(wǎng)絡(luò)的能力開放給外部系統(tǒng)；

（10）AF（應(yīng)用功能）：與核心網(wǎng)互通來為用戶提供業(yè)務(wù)第三方應(yīng)用。

URLLC關(guān)鍵技術(shù)

URLLC在3GPP標準化進程中包括低時延技術(shù)、高可靠技術(shù)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(gòu)以及短時隙調(diào)度等時延降低技術(shù)。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(shù)的研究及標準化，但仍然有很多優(yōu)化工作預(yù)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：

（1）支持靈活的幀結(jié)構(gòu)。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(gòu)，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。

（2）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。

（3）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(yīng)對URLLC需求突發(fā)的業(yè)務(wù)場景，滿足低時延的要求?！?】

（4）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(wù)時，就已經(jīng)將eMBB業(yè)務(wù)的資源也同時分配給了URLLC業(yè)務(wù)，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。

（5）采用邊緣計算技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)可以將UPF用戶面功能下沉到用戶側(cè)，邊緣計算服務(wù)器與UPF共站部署，UPF識別到業(yè)務(wù)流的目的地址是本地，就分流到本地的邊緣計算服務(wù)器進行業(yè)務(wù)處理，減少了業(yè)務(wù)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：

（1）免授權(quán)配置：基站預(yù)先配置周期性資源，UE不需向基站申請。UE預(yù)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(yīng)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。

（2）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(shè)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。

（3）支持時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN和5G網(wǎng)絡(luò)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(shù)是基礎(chǔ)以太網(wǎng)傳輸技術(shù)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：

（1）物理層面上，優(yōu)化了MCSCQI表格。LTE系統(tǒng)的MCSCQI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(yīng)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。

（2）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。

（3）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：

（1）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(guān)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。

（2）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(chǔ)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。

（3）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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)方案，但是仍有技術(shù)增強問題以及車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)場景下的應(yīng)用，遺留在R17及以后的版本中繼續(xù)解決。

URLLC主要應(yīng)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(luò)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(luò)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(shù)性能要求很高，而高端制造業(yè)對車間設(shè)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(yīng)用，制造設(shè)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(shù)，即在道路旁的基礎(chǔ)施部署智能采集設(shè)備包括智能燈桿、智能交通燈，通過5G網(wǎng)絡(luò)與車載電腦交互信息，大幅增加車輛對周圍事務(wù)的感知能力，提高駕駛安全性，有效解決城市擁堵問題。