面向低時延高可靠的5G uRLLC增強技術(shù)研究

許森　信金燦

【摘? 要】uRLLC是ITU提出的5G三大應用場景之一，目前國內(nèi)運營商的5G網(wǎng)絡主要是以面向eMBB業(yè)務為主，對于全面支持uRLLC的業(yè)務仍存在一些差距。首先分析了5G現(xiàn)網(wǎng)對于uRLLC業(yè)務的支持能力，結(jié)合uRLLC在3GPP標準中的進展情況，分析了未來全面支持uRLLC業(yè)務時運營商5G網(wǎng)絡所需要引入的增強功能和面臨的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】uRLLC;降低時延;可靠性增強

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.012? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0062-06

引用格式：許森，信金燦. 面向低時延高可靠的5G uRLLC增強技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2019，43（9）： 62-67.

Study on 5G uRLLC Enhancement Technology for Ultra-reliable?and Low Latency Communications

XU Sen1， XIN Jinchan2

[Abstract]?The uRLLC is one of the three typical application scenarios for 5G networks proposed by ITU. Since Chinese operators mainly focus on eMBB services in their initial 5G deployment phase， there are some gaps to fully support uRLLC services in the practical network. This paper analyzes the ability to support the ultra-reliable and low latency service in the current network. Based on the progress of uRLLC in 3GPP standard， the enhanced features and challenges are analyzed that operators need to introduce to fully support uRLLC services.

[Key words]uRLLC; latency reduction; reliability enhancement

1? ?引言

ITU確定了5G的三大應用場景，即eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強型移動寬帶）、mMTC（massive Machine Type Communication，大規(guī)模機器類型通信）和uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠和低時延通信）。目前運營商的5G初期建設(shè)主要是以面向eMBB業(yè)務為主，其中在3.5 GHz頻率上中國電信和中國聯(lián)通采用了2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)[1]，具體配置如圖1所示。仿真數(shù)據(jù)表明，針對初傳，2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)1.3 ms的下行單向時延和1.9 ms的上行單向時延，針對重傳，可實現(xiàn)1.5 ms的下行單向時延和2.2 ms的上行單向時延。因此，2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)可以滿足eMBB業(yè)務對于空口單向4 ms時延的要求。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT， Industrial Internet of Things）的興起和工業(yè)4.0的提出，uRLLC在IIoT領(lǐng)域的應用獲得了越來越多的關(guān)注[2]。表1給出了IIoT領(lǐng)域部分場景對時延和可靠性的需求。具體來說，在5G初期，uRLLC主要應用于虛擬現(xiàn)實（VR， Virtual Reality）/增強現(xiàn)實（AR， Augmented Reality）等領(lǐng)域，具體需滿足1 ms用戶面時延下10-5的可靠性需求。隨著IIoT的進一步發(fā)展，uRLLC業(yè)務將更多地應用于工廠自動化（運動控制、控制到控制通信）、傳輸業(yè)（遠程駕駛）和電力分配（智能電網(wǎng)）等領(lǐng)域，這些場景對時延和可靠性提出了更高的需求，具體來說，遠程駕駛的要求是3 ms用戶面時延下實現(xiàn)10-5的可靠性，電力分配系統(tǒng)的要求是2 ms用戶面時延下實現(xiàn)10-6的可靠性，而工廠自動化場景的要求是1 ms用戶面時延下實現(xiàn)10-6的可靠性。

與eMBB提出的4 ms用戶面時延內(nèi)達到10-3可靠性需求相比，uRLLC業(yè)務的要求更為嚴苛，其要求在1 ms用戶面時延內(nèi)達到10-5的可靠性。為了滿足該可靠性要求，5G通過采用中短碼長的多元LDPC碼獲得編碼增益[3]，同時MIMO技術(shù)可以通過在發(fā)射端和接收端同時配置多根天線，實現(xiàn)空間分集增益以保證可靠性。仿真結(jié)果表明，當AL等于8時，無法滿足5G初期提出的10-5的可靠性需求，當AL等于16時，僅可以在上行鏈路中滿足10-5的可靠性需求。

結(jié)合上述分析可知，面向eMBB業(yè)務的2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)無法滿足uRLLC業(yè)務提出的1 ms單向用戶面時延的要求，而且基于現(xiàn)有的物理層技術(shù)，也無法滿足當前IIoT場景提出的10-6的可靠性要求。因此，為了在5G網(wǎng)絡中更好地支持uRLLC業(yè)務，需要通過uRLLC增強技術(shù)降低時延，提高可靠性。

本文后續(xù)將介紹3GPP在Rel-15和Rel-16階段對于uRLLC的支持情況，并分別從降低時延和增強可靠性兩個維度，分析現(xiàn)網(wǎng)全面支持uRLLC所需要引入的額外功能和要求。

2? ?uRLLC標準進展簡介

本節(jié)將分別從這兩方面介紹uRLLC在Rel-15和Rel-16中關(guān)于uRLLC的可靠性和時延研究的進展情況。在3GPP Rel-15階段提出的時延降低方案包括：

（1）支持更靈活的幀結(jié)構(gòu)[5]：4G LTE只支持15 kHz的子載波間隔，每個子幀（固定長度1 ms）包含兩個時隙，每個時隙包含7個OFDM符號。而5G/NR支持多種子載波間隔，sub-6GHz以下頻段可支持15 kHz/30 kHz/60 kHz等子載波間隔配置，每個子幀（固定長度1 ms）包含2μ個時隙，從而減少了每個Slot的空口傳輸時間。

（2）支持更靈活的調(diào)度單位：4G調(diào)度的最小調(diào)度單位是時隙，5G支持非時隙即“迷你”時隙（最小2符號）調(diào)度。

（3）支持uRLLC高優(yōu)先級傳輸：為了保證高優(yōu)先級uRLLC業(yè)務需求，5G/NR提出，uRLLC業(yè)務可以搶占eMBB業(yè)務資源降低時延。

（4）引入移動邊緣計算（MEC， Mobile Edge Computing）技術(shù)，通過在無線接入側(cè)部署通用服務器，使無線接入網(wǎng)（RAN， Radio Access Network）具有IT和云計算的能力，從而實現(xiàn)業(yè)務本地化，降低數(shù)據(jù)從基站到核心網(wǎng)的傳輸時延。

針對保證5G傳輸?shù)目煽啃?，在Rel-15中引入了如下功能：

（1）支持PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）復制機制，發(fā)送端在PDCP層將數(shù)據(jù)復制，然后將兩個數(shù)據(jù)包發(fā)送到兩個獨立的邏輯信道傳輸，實現(xiàn)頻率分集增益，提高可靠性。

（2）分集技術(shù)，在發(fā)射機側(cè)和接收機側(cè)配置多根天線，通過支持單用戶單流傳輸模式，最大化無線鏈路的分集階數(shù)，提高可靠性[7]。

（3）支持多TRP傳輸機制，兩個或多個不同的TRP向UE發(fā)送相同的數(shù)據(jù)分組或者控制分組，實現(xiàn)空間分集增益，提高可靠性[8]。

（4）支持更小負載DCI設(shè)計，通過減少DCI開銷提升AL，從而降低PDCCH的編碼率，進而降低解碼誤碼率，提高可靠性[9]。

為了全面支持uRLLC業(yè)務，3GPP在Rel-16階段對uRLLC進行了進一步增強[10]，提出以下降低時延方案：

（1）支持免授權(quán)配置，一般來說，在基于授權(quán)配置的調(diào)度中，UE需要通過調(diào)度請求獲取資源，為了降低時延，可以根據(jù)業(yè)務特點為部分UE預分配資源[11]。

（2）支持UE內(nèi)優(yōu)先級和復用機制，在Rel-15中，eMBB的動態(tài)授權(quán)優(yōu)先于uRLLC的配置授權(quán)（CG， Configured Grant），為了保證uRLLC業(yè)務的時延，Rel-16提出基于LCH優(yōu)先級和邏輯信道優(yōu)先級（LCP， Logical Channel Prioritization）限制的選擇方案，從而實現(xiàn)優(yōu)先傳輸具有更高優(yōu)先級的uRLLC業(yè)務。

（3）支持時間敏感網(wǎng)絡（TSN， Time Sensitive Networking）和5G網(wǎng)絡融合，通過以下機制實現(xiàn)時間敏感傳輸，保證主時鐘和終端時鐘的精確時鐘同步，支持更短周期的半持續(xù)調(diào)度（SPS， Semi-Persistent Scheduling），支持為UE的一個BWP配置多個SPS和CG，支持與CG/SPS周期不匹配的TSN業(yè)務，通過以太網(wǎng)頭壓縮機制提高數(shù)據(jù)傳輸效率降低時延[12]。

為了進一步滿足部分業(yè)務對于可靠性的苛刻要求，Rel-16階段做了如下增強方案：

（1）支持多TRP傳輸方式，Rel-16在Rel-15的基礎(chǔ)上提出，可以基于空分、頻分、時隙內(nèi)時分和時隙間時分的方式重復發(fā)送傳輸塊，為了提高分集增益，還支持上述模式的組合以及不同模式（包括組合模式）間的動態(tài)切換。

（2）支持PDCP復制增強機制，Rel-15支持兩條支路的PDCP復制，為了實現(xiàn)更高的可靠性，Rel-16支持最多四條支路的PDCP復制，該機制可通過CA復制、DC復制以及CA復制和DC復制的組合實現(xiàn)。

（3）支持多連接機制，通過更高層的冗余傳輸，例如，通過MgNB和SgNB建立兩條獨立的端到端PDU會話實現(xiàn)分集增益，提高可靠性[13]。

3? ?降低空口傳輸時延方案

根據(jù)第1節(jié)的分析，目前的2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)還無法滿足某些對于時延較高（如空口傳輸時延為1 ms或者2 ms）的業(yè)務需求，本節(jié)將主要從降低空口時延和傳輸時延的角度分別分析5G網(wǎng)絡降低時延的方案。

3.1? 引入更短周期幀結(jié)構(gòu)

為了降低空口時延，可以考慮引入比2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)更短周期的幀結(jié)構(gòu)，如1 ms單周期幀結(jié)構(gòu)，通過縮短上行時隙間隔以降低上行業(yè)務資源等待時延。具體來說，1 ms單周期幀結(jié)構(gòu)的具體配置如圖2所示，其中一個周期內(nèi)包含一個全下行時隙和一個特殊時隙，為了降低由傳統(tǒng)特殊時隙帶來的上行傳輸時延，該幀結(jié)構(gòu)的特殊時隙中只包含保護間隔和上行符號，通過上行符號傳輸上行數(shù)據(jù)。相比于2.5 ms雙周期中上行時隙的平均間隔，該幀結(jié)構(gòu)降低了特殊時隙（上行符號）的平均間隔，從而降低了上行傳輸時延。

為了進一步對比兩種幀結(jié)構(gòu)下的空口傳輸時延，仿真得到了兩種幀結(jié)構(gòu)的上下行單向平均時延和考慮一次重傳的平均時延（假設(shè)初傳和重傳比例為9：1），其中，無線網(wǎng)絡的用戶面時延指的是空口時延（以ms為單位）。結(jié)合上述幀結(jié)構(gòu)配置和下面的仿真結(jié)果可知，考慮到1 ms單周期中兩個特殊時隙的間隔小于2.5 ms雙周期中兩個上行時隙的平均間隔，因此，針對上行用戶面的平均時延（如圖3所示），無論是初傳還是重傳，1 ms單周期的平均時延都低于2.5 ms雙周期的平均時延。

同理，針對下行用戶面的平均時延（如圖4所示），由于2.5 ms雙周期中兩個下行時隙的平均間隔小于1 ms單周期中兩個下行時隙的平均間隔，因此，無論是初傳還是重傳，2.5 ms雙周期的平均時延低于1 ms單周期的平均時延。

結(jié)合兩種幀結(jié)構(gòu)配置，綜合考慮上下行用戶面平均時延可知，1 ms單周期比2.5 ms雙周期更能滿足uRLLC低時延的要求。

這種新型幀結(jié)構(gòu)對于部署頻點有兩種方案：

（1）方案一：同頻部署，即在不同的區(qū)域中采用不同周期的幀結(jié)構(gòu)以滿足不同用戶的需求，如針對行業(yè)用戶采用1 ms幀結(jié)構(gòu)，對公眾客戶采用2.5 ms雙周期。

（2）方案二：異頻部署，即不同的頻段采用不同的幀結(jié)構(gòu)滿足不同類型的用戶需求，如3.5 GHz采用2.5 ms雙周期，而在4.9 GHz或者其他頻段上采用1 s幀結(jié)構(gòu)。

需要說明的是，兩種方案都需要保持與同頻和臨頻的隔離距離要求以避免因時隙配置不同對同頻和臨頻的干擾。

3.2? TSN網(wǎng)絡功能增強

為了降低uRLLC業(yè)務的傳輸時延，可考慮將5G網(wǎng)絡和TSN（Time Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡）進行深度融合。一般來說，TSN業(yè)務具有周期性、確定性和數(shù)據(jù)大小固定的特點，TSN網(wǎng)絡根據(jù)該業(yè)務特點，可以實現(xiàn)TSN業(yè)務的確定性傳輸?？紤]到eMBB業(yè)務不具有數(shù)據(jù)大小和時延確定的特點，目前，面向eMBB業(yè)務的LTE和NR系統(tǒng)并不能為業(yè)務提供確定性傳輸。然而，與TSN業(yè)務類似，部分uRLLC業(yè)務也具有周期性、確定性和固定長度的特點，因此，可以考慮5G網(wǎng)絡支持TSN網(wǎng)絡的相關(guān)功能以滿足業(yè)務對低時延和高可靠性的要求。

具體來說，為了給TSN業(yè)務提供確定性傳輸，TSN網(wǎng)絡可以從核心網(wǎng)獲取該業(yè)務的周期、數(shù)據(jù)大小等信息，基于這些信息為TSN業(yè)務預先配置資源或者進行半靜態(tài)調(diào)度，這樣，當TSN數(shù)據(jù)到達時，不需要通過調(diào)度請求從網(wǎng)絡側(cè)獲取資源，降低了等待資源的時間。一般來說，無線網(wǎng)中的業(yè)務周期以ms為單位，而TSN業(yè)務的周期以Hz為單位，例如，在智能電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的周期可能為1 Hz/1200 Hz，即0.833 ms。因此，可能會出現(xiàn)無線資源配置周期與TSN業(yè)務周期不匹配的問題，為了降低該問題導致的TSN業(yè)務的資源等待時延，一方面，可以考慮根據(jù)TSN業(yè)務周期為其配置更短周期的半靜態(tài)資源調(diào)度，另一方面，還可以根據(jù)業(yè)務周期為其配置多個具有相同周期不同時間偏置的半靜態(tài)調(diào)度。最后，考慮到TSN是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)發(fā)展的，因此，TSN數(shù)據(jù)需要封裝為以太網(wǎng)幀傳輸，但是考慮到IIoT業(yè)務的數(shù)據(jù)包相對較小，以太網(wǎng)幀頭部將占用較大的比例，為了降低其帶來的時延，可以考慮對以太網(wǎng)幀頭部進行壓縮。

4? ?可靠性增強方案研究

根據(jù)IMT-2020中定義，可靠性指的是特定時間內(nèi)數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕省Ｔ?G發(fā)展初期，uRLLC業(yè)務的可靠性需求是1 ms單向時延下實現(xiàn)10-5的可靠性，但是隨著需求的提高，現(xiàn)階段uRLLC關(guān)鍵技術(shù)需要考慮如何滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中1 ms單向時延下10-6的可靠性要求。

4.1? 數(shù)據(jù)包重復傳輸

在LTE系統(tǒng)中，為了提高可靠性提出了RLC層的自動重復請求（ARQ， Automatic Repeat Request），機制、MAC層的混合自動重傳機制（HARQ， Hybrid Automatic Repeat Request）以及物理層的自適應調(diào)制編碼機制。但是無論是ARQ的重傳機制，還是HARQ的停等協(xié)議都是以時延為代價提高可靠性的。為了降低時延，5G/NR考慮在PDCP層對數(shù)據(jù)進行復制[15]，通過在不同路徑上傳輸多個相同的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)分集增益，提高可靠性。

目前，通過物理層技術(shù)可實現(xiàn)1 ms單向時延下10-4的可靠性，因此，可以考慮通過兩條PDU復制鏈路實現(xiàn)uRLLC業(yè)務提出的1 ms單向時延下10-6的可靠性要求。但是，考慮到無線信道的隨機性，為了保證業(yè)務可靠性，提出了支持最多四條復制鏈路的PDCP復制增強方案[16]，具體可以通過CA復制、DC復制以及CA復制和DC復制的組合來實現(xiàn)（如圖5所示[17]）。為了降低復制傳輸帶來的資源浪費，標準中也提出了動態(tài)的復制激活/去激活的機制。

5G網(wǎng)絡在未來引入多個載波后，可考慮引入數(shù)據(jù)包復制技術(shù)?；谠摷夹g(shù)可以根據(jù)信道條件和業(yè)務的QoS要求，選擇不同數(shù)量的復制鏈路，以更高的資源利用率保證可靠性。

4.2? 通過多連接增強可靠性

為了進一步提升用戶面的可靠性，標準中還引入了多連接方案[18]：

（1）方案一：基于DC的終端到終端的用戶面冗余傳輸方案，即通過在UE1和UE2間建立兩條冗余PDU會話提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。具體來說，一條會話從UE1出發(fā)，通過MgNB連接到用戶面控制管理功能（UPF1， User Plane Function 1），以UPF1為會話錨點連接到UE2，另一條也從UE1出發(fā)，通過SgNB連接到UPF2，以UPF2為會話錨點連接到UE2，從而實現(xiàn)分集增益，提高可靠性。其中MgNB通過Xn接口控制SgNB的選擇和DC功能設(shè)置。該方案中，冗余路徑會跨越整個系統(tǒng)，包括RAN、核心網(wǎng)，甚至還會擴展到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

（2）方案二：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N3通道發(fā)送給UPF，其中每條N3通道與一個PDU會話關(guān)聯(lián)。通過兩條獨立的傳輸層路徑可以實現(xiàn)分集增益，提高可靠性。為了確保兩條N3通道通過相互獨立的傳輸層路徑傳輸，NG-RAN節(jié)點、會話管理功能或UPF將為每條N3通道提供不同的路由信息。

本節(jié)提到的兩種多連接方案和上節(jié)提到的PDCP復制基本原理類似，都是通過冗余傳輸實現(xiàn)分集增益提高可靠性。但不同的是，PDCP復制是RAN內(nèi)部的冗余傳輸，DC方案是基于UE和應用/DC間的冗余傳輸，N3接口方案是基于RAN和UPF間的冗余傳輸。相比于后兩種方案，PDCP復制方案占用資源較少，因此，當僅有兩個頻段時，可以考慮采用PDCP復制增強方案實現(xiàn)uRLLC業(yè)務的10-6的可靠性需求。

5? ?結(jié)束語

5G作為移動通信與垂直行業(yè)融合的突破口，有望通過自動駕駛、工廠自動化和智能電網(wǎng)等uRLLC業(yè)務帶來對整個社會巨大的變化。當前的5G網(wǎng)絡仍然以支持eMBB業(yè)務為主，對于全面支持uRLLC業(yè)務仍然有差距。因此未來的5G網(wǎng)絡需要對時延和可靠性進行進一步的增強。運營商可以根據(jù)業(yè)務發(fā)展需求，選擇合適的更短周期幀結(jié)構(gòu)以降低業(yè)務的空口時延，并考慮與工業(yè)界提出的TSN網(wǎng)絡實現(xiàn)深度融合，保障業(yè)務端到端的低傳輸時延。在5G頻譜資源充分的情況下，在部署多載波的基礎(chǔ)上，通過引入PDCP層和更高層的數(shù)據(jù)復制傳輸技術(shù)實現(xiàn)可靠性的進一步提升。

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