面向6G的URLLC需求與關(guān)鍵技術(shù)分析

潘成康，王愛玲

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

URLLC 是5G 垂直行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。但信息技術(shù)的不斷革新，將催生大量智能體和虛擬空間[1]，諸多垂直細(xì)分場(chǎng)景開始借助智能體與虛擬空間手段升級(jí)。智能體是指可以獨(dú)立推理決策的實(shí)體，如機(jī)器人、無(wú)人車/無(wú)人機(jī)/無(wú)人船等。虛擬空間是對(duì)物理空間的模擬或重構(gòu)，如虛擬現(xiàn)實(shí)、全息景象和數(shù)字孿生系統(tǒng)等。智能體交互和虛實(shí)空間互動(dòng)將成為垂直應(yīng)用新場(chǎng)景。

然而這類新場(chǎng)景涉及到復(fù)雜的感知、計(jì)算、通信與控制問題。對(duì)象感知呈現(xiàn)多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科參數(shù)特征，對(duì)象通信呈現(xiàn)多維、異構(gòu)、多QoS 要求的多流并發(fā)特征，數(shù)據(jù)計(jì)算從云計(jì)算、邊緣計(jì)算向分布式計(jì)算和異構(gòu)計(jì)算轉(zhuǎn)移，決策/控制呈現(xiàn)集中式+分布式多級(jí)架構(gòu)特征。這對(duì)5G URLLC 能力提出了巨大挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)面向6G 的下一代網(wǎng)絡(luò)成為焦點(diǎn)。初步認(rèn)為[1]，6G 核心功能將從信息傳輸向端到端信息處理擴(kuò)展，覆蓋信息獲取、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)等多環(huán)節(jié)。本文將5G URLLC 范疇從信息傳遞擴(kuò)展到端到端信息處理全生命周期，將時(shí)延、可靠性和確定性內(nèi)涵擴(kuò)展到傳輸、計(jì)算和定位三個(gè)維度，在計(jì)算-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，探討URLLC 技術(shù)增強(qiáng)思路。

1 URLLC 新業(yè)務(wù)與新需求

URLLC、eMBB 和mMTC 是5G 的三大技術(shù)場(chǎng)景，將移動(dòng)通信以人-人通信擴(kuò)展到了人-物通信和物-物通信。信息技術(shù)的不斷革新，推動(dòng)著移動(dòng)通信場(chǎng)景進(jìn)一步從物理空間向虛擬空間滲透，從物-物通信向智能體交互升級(jí)，從而產(chǎn)生了如圖1 所示的智能體交互和虛實(shí)空間互動(dòng)兩大新場(chǎng)景。虛實(shí)空間互動(dòng)借助于CPS（Cyber Physical System，信息物理系統(tǒng)）等感知手段和可視化等技術(shù)，擴(kuò)展人類生產(chǎn)空間。智能體交互基于人機(jī)接口或意圖驅(qū)動(dòng)交互接口可協(xié)作完成指定任務(wù)，代替人類生產(chǎn)。兩類場(chǎng)景都支持遠(yuǎn)程控制，極大地豐富了垂直行業(yè)應(yīng)用。

圖1 面向6G通信新場(chǎng)景

1.1 虛實(shí)空間互動(dòng)場(chǎng)景

虛實(shí)空間互動(dòng)有兩類，一類是弱交互，如5G 云XR和全息景象，一般與物理世界互動(dòng)性較弱；另一類是強(qiáng)交互，如數(shù)字孿生系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和智能空間與物理世界深度融合，交互性強(qiáng)。后一類對(duì)URLLC 要求更為苛刻，尤其當(dāng)需要解決顯示（可視化）問題的時(shí)候。

基于4G V2X 的自動(dòng)駕駛是一個(gè)很好的先例。車載傳感器（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭等）采集周邊數(shù)據(jù)，同時(shí)通過Uu 口或PC5 口接收來(lái)自其他車輛或路邊單元的感知信息，在車載單元經(jīng)過數(shù)據(jù)融合計(jì)算，基于高清動(dòng)態(tài)地圖生成或更新汽車周邊虛擬空間，同時(shí)根據(jù)接收到的協(xié)同控制消息確定本車駕駛行為。對(duì)于數(shù)字孿生車間，現(xiàn)場(chǎng)傳感器和控制器等設(shè)備由于移動(dòng)性的需求，可以通過URLLC 空口連接到系統(tǒng)平臺(tái)，上報(bào)狀態(tài)參數(shù)以更新虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并接收指令。

1.2 智能體交互場(chǎng)景

智能體交互有兩類，一類是人與智能體交互，衍生出虛擬X 業(yè)務(wù)，是指智能體為人類提供虛擬角色服務(wù)的智能業(yè)務(wù)，例如虛擬助理、虛擬服務(wù)員、虛擬教師、虛擬醫(yī)生、虛擬導(dǎo)游等；另一類是由智能體獨(dú)立運(yùn)作的零干預(yù)業(yè)務(wù)，稱為無(wú)人X 業(yè)務(wù)，可以由單一智能體或多個(gè)智能體協(xié)作完成，主要是面向關(guān)鍵任務(wù)的無(wú)人物流、無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)、無(wú)人制造、無(wú)人駕駛、無(wú)人農(nóng)田、無(wú)人運(yùn)維等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。由于智能體對(duì)環(huán)境感知和理解的時(shí)間和周期相比人類有極大縮短，因此后一類交互對(duì)URLLC 要求更為苛刻。

無(wú)人駕駛和無(wú)人制造是典型的智能體交互范例。無(wú)人駕駛通過V2X 通信與周邊智能體交互。無(wú)人制造是指生產(chǎn)設(shè)備、機(jī)器人、傳感器等智能體協(xié)作完成的生產(chǎn)流程，有多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同，如多機(jī)器人的協(xié)同制造、多無(wú)人車/無(wú)人機(jī)的協(xié)同運(yùn)輸、多傳感器的協(xié)同感知以及多視頻終端的協(xié)同監(jiān)視等。智能體將本環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵參數(shù)、狀態(tài)和自身決策等信息通過URLLC 空口進(jìn)行交互或上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，形成階段性決策，直至任務(wù)完成。

1.3 網(wǎng)絡(luò)能力需求

智能體交互需要超大維度的實(shí)時(shí)感知與協(xié)同決策，虛實(shí)空間互動(dòng)需要物理空間與虛擬空間關(guān)鍵參數(shù)保持一致的時(shí)空結(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、可靠性、時(shí)延、確定性、定時(shí)、三維定位都提出了更高的要求。

在3GPP R16 及之前的版本中，5G URLLC 已經(jīng)具備了0.5 ms 空口時(shí)延、99.999 9%可靠性和TSN 支持能力，百納秒級(jí)網(wǎng)絡(luò)同步精度以及小于1 m 的相對(duì)定位精度。在URLLC 與eMBB 復(fù)用條件下，傳輸帶寬可實(shí)現(xiàn)100 Mb/s 級(jí)別。R17 則將目標(biāo)提升到99.999 999%的可靠性以及10 ms 時(shí)延內(nèi)0.2 m 級(jí)別定位精度，支持3 m的垂直定位精度。

上述指標(biāo)中，空口時(shí)延和可靠性在一定程度上可以滿足新場(chǎng)景的基本需求，但進(jìn)一步提升性能成為必然趨勢(shì)，尤其在同步和定位精度上仍需進(jìn)一步增強(qiáng)，例如無(wú)人制造需要10 ms 時(shí)延內(nèi)的0.01 m 的定位精度，以及10 ns 級(jí)別的同步精度。另外，還需要綜合考慮通信與計(jì)算對(duì)時(shí)延和可靠性帶來(lái)的影響，多途徑突破5G 同步和定位性能瓶頸，提升網(wǎng)絡(luò)確定性承載能力，以滿足新場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

2 URLLC 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時(shí)間同步機(jī)制

時(shí)間/時(shí)鐘同步是實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠、確定性傳輸?shù)氖滓獥l件。5G NR 支持超短幀結(jié)構(gòu)、大規(guī)模天線、高精度定位等空口能力，要求基站間滿足百納秒級(jí)時(shí)鐘同步精度。3GPP 正在討論的5G 與TSN 融合主要是兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間/時(shí)鐘同步問題。融合方案中，時(shí)間同步具體劃分為全網(wǎng)時(shí)間域和本地工作時(shí)鐘域兩部分。前者配置全網(wǎng)主時(shí)鐘，主時(shí)鐘位置理論上可以位于網(wǎng)絡(luò)任一個(gè)設(shè)備中，通過5G 網(wǎng)絡(luò)確定性支持功能向全網(wǎng)傳送時(shí)間同步信息。后者覆蓋所有具有關(guān)聯(lián)任務(wù)和分工的本地設(shè)備，如機(jī)器人、AGV、傳感器和控制器等，其中設(shè)置1 個(gè)或多個(gè)本地設(shè)備作為5G UE 接入5G 系統(tǒng)，接收時(shí)間同步信息。本地工作時(shí)鐘域之間獨(dú)立運(yùn)作。一個(gè)5G UE 支持同時(shí)連接多個(gè)本地工作時(shí)鐘域；同樣，一個(gè)5G 基站也支持同時(shí)連接多個(gè)本地工作時(shí)鐘域。兩個(gè)或多個(gè)本地工作時(shí)鐘域覆蓋因設(shè)備移動(dòng)發(fā)生重疊時(shí)，需要根據(jù)任務(wù)流程的同步精度要求決定是否需要多個(gè)時(shí)鐘域合并。如果精度要求苛刻，則需要時(shí)鐘域合并。

在智能體交互和大型虛實(shí)空間互動(dòng)場(chǎng)景中，工作時(shí)鐘域覆蓋范圍會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)交疊變化，可以考慮兩種時(shí)鐘域的合并方式。一種是多個(gè)工作時(shí)鐘域同時(shí)參考主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)多域合并；另一種是選擇一個(gè)工作時(shí)鐘域中具有UE功能設(shè)備，向待合并域發(fā)送同步信息實(shí)現(xiàn)多域合并。后者適合臨時(shí)性交互或同步精度要求不高的場(chǎng)景，例如無(wú)人物流過程中的無(wú)人機(jī)或無(wú)人車之間的協(xié)作。

2.2 低時(shí)延傳輸方案

5G URLLC 用戶面時(shí)延目標(biāo)為0.5 ms。為此，R15 NR 設(shè)置了更短時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)、更小的調(diào)度資源單元和靈活的調(diào)度周期與反饋機(jī)制以及可占用eMBB 資源的優(yōu)先機(jī)制，以降低傳輸與處理時(shí)延。R16 提出了兩步接入機(jī)制以及控制信息與數(shù)據(jù)信息傳輸資源沖突解決方案。R17 將進(jìn)一步討論非激活態(tài)下的兩步接入機(jī)制。

對(duì)于智能體交互與虛實(shí)空間互動(dòng)，需要解決多維數(shù)據(jù)混合傳輸時(shí)延的保障問題。通常這類業(yè)務(wù)具有明確的任務(wù)主題，因而業(yè)務(wù)流量具有先驗(yàn)行為特征，例如消息大小、發(fā)送周期、生命周期和移動(dòng)軌跡等。接入節(jié)點(diǎn)（如基站）可以根據(jù)這些特征信息，進(jìn)行無(wú)線資源預(yù)留和優(yōu)化，并通過設(shè)置不同業(yè)務(wù)流的優(yōu)先權(quán)值解決資源沖突問題。智能體采用直連通信方式時(shí)，可以采用基于資源池的分布式資源分配方式。在近距離交互場(chǎng)景中，可以引入太赫茲通信和可見光通信。這兩種通信方式具有豐富的頻譜資源，可與低頻譜形成多連接信道，有效保障低時(shí)延。

2.3 可靠性傳輸方案

R15 通過簡(jiǎn)化DCI 流程、多天線單流分集技術(shù)、多TRP 空間分集技術(shù)以及PDCP 復(fù)制多通道的頻率分集技術(shù)進(jìn)行可靠性增強(qiáng)。R16 進(jìn)一步提升PDCP 復(fù)制邏輯通道數(shù)，增加TRP 的頻分與時(shí)隙時(shí)分冗余傳輸分集能力，提出多用戶面和多路由通道的雙連接傳輸方案。R17 將進(jìn)一步增強(qiáng)物理層反饋機(jī)制，設(shè)計(jì)上行UCI 與數(shù)據(jù)復(fù)用方案，解決與非授權(quán)頻譜的兼容性問題。

基于多連接的分集技術(shù)具有良好的可靠性增強(qiáng)效果。理論上，多連接可以在協(xié)議棧的任意一層實(shí)現(xiàn)，如物理層、PDCP 層或路由層。在物理層，可見光通信與太赫茲通信可以提供額外的連接通道。此外，還可以通過網(wǎng)絡(luò)切片及多切片傳輸、非公網(wǎng)絡(luò)保障端到端的可靠性。進(jìn)一步，可以與非3GPP 網(wǎng)絡(luò)建立多路由通道。最后，還可以利用毫米波雷達(dá)和攝像頭等設(shè)備的感知能力，輔助無(wú)線傳輸（如增強(qiáng)信道探測(cè)質(zhì)量、約定資源分配方案），提升傳輸可靠性。

2.4 高精度定位方案

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)或其他接口開放的定位增強(qiáng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)遮擋場(chǎng)景下的水平定位。R14 提出了OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達(dá)時(shí)間差）增強(qiáng)定位方案。該方案引入定位參考節(jié)點(diǎn)，結(jié)合定位參考信號(hào)和小區(qū)參考信號(hào)獲得到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位。在R15 中，每個(gè)射頻單元被分配可識(shí)別的參考信號(hào)，基于TDOA 或到達(dá)角進(jìn)一步提升定位精度。

然而R14 和R15 目前還無(wú)法解決立體垂直定位問題。隨著面向6G 的超大規(guī)模天線、太赫茲通信和可見光通信等無(wú)線技術(shù)的發(fā)展以及智能體感知技術(shù)的增強(qiáng)，三維定位問題可以借助強(qiáng)大的通信和計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)。智能體定位將沿著衛(wèi)星定位+無(wú)線定位+自身定位的路線發(fā)展。對(duì)于無(wú)線定位，需要設(shè)置具有三維定位功能的接入節(jié)點(diǎn)，發(fā)送供垂直方向和水平方向AOA 測(cè)量的定位信號(hào)。對(duì)于自身定位，考慮雷達(dá)定位或慣導(dǎo)定位，還可以基于視覺特征匹配和高精度地圖的融合定位以及接收其他定位設(shè)備的定位信息。三維定位需要定義一個(gè)坐標(biāo)系和參考點(diǎn)，定位信息包括定位對(duì)象外輪廓關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，通常以一個(gè)預(yù)設(shè)的頻率（如10 Hz）發(fā)送，并添加一個(gè)時(shí)間戳。

3 URLLC 一體化方案

上述URLLC 關(guān)鍵技術(shù)的討論，體現(xiàn)了計(jì)算通信一體化趨勢(shì)。計(jì)算通信一體化是指信息傳遞過程融合信息獲取與計(jì)算的信息處理機(jī)制。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)僅有接入節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)無(wú)線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)。本文提出的URLLC 一體化方案，核心思想引入定位節(jié)點(diǎn)、時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)，形成同步網(wǎng)、確定性傳輸網(wǎng)、多功能無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的深度融合架構(gòu)，如圖2 所示。該架構(gòu)將核心網(wǎng)的控制功能下沉到各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，形成多級(jí)多域分布式控制體系，支持端到端URLLC 各環(huán)節(jié)的信息傳遞與計(jì)算等處理，本文稱之為通信-計(jì)算-控制一體化網(wǎng)絡(luò)。

圖2 高可靠低時(shí)延一體化技術(shù)方案架構(gòu)

在一體化網(wǎng)絡(luò)中，同步網(wǎng)通過同步功能節(jié)點(diǎn)傳遞高精度時(shí)間同步消息，其同步能力可作為增值服務(wù)對(duì)外開放。確定性傳輸網(wǎng)基于SDN 思想，通過集中式+分布式方式控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息處理有界一致的性能指標(biāo)，具備超高精度同步信息和定位信息的傳送能力，零擁塞丟失，并可與其他時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)以及“盡力而為”網(wǎng)絡(luò)共存。確定性傳輸需要解決流量均衡、算力均衡以及兩者之間的均衡問題。為此，需要研究IP 新協(xié)議（如多標(biāo)識(shí)可變IP），綜合流量調(diào)度和算力調(diào)度的數(shù)據(jù)尋址、數(shù)據(jù)計(jì)算與存儲(chǔ)技術(shù)。無(wú)線接入網(wǎng)通過接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能體和智能空間/數(shù)字孿生系統(tǒng)中各種設(shè)備的接入。

圖3 給出了一體化技術(shù)方案架構(gòu)的示例。其中，控制節(jié)點(diǎn)是邏輯節(jié)點(diǎn)，具有全域和本地控制功能。計(jì)算節(jié)點(diǎn)包括云節(jié)點(diǎn)、邊緣節(jié)點(diǎn)和本地計(jì)算節(jié)點(diǎn)，為全網(wǎng)信息處理提供算力支撐。接入節(jié)點(diǎn)可以兼有同步和定位等多種功能，根據(jù)需要配置感知功能。對(duì)于多功能接入節(jié)點(diǎn)，感知信號(hào)、定位信號(hào)可以采用與通信信號(hào)相同的載波和波形設(shè)計(jì)，通過多維信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)方式增強(qiáng)空口URLLC 能力。這里，一體化方案既可以多功能協(xié)同設(shè)計(jì)，也可以多功能融合設(shè)計(jì)。

圖3 一體化技術(shù)架構(gòu)示意圖

基于上述一體化架構(gòu)，為了保障時(shí)延和可靠性，在本地算力不足的情況下，需要將計(jì)算任務(wù)卸載到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)。由于計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，以及無(wú)線資源及無(wú)線傳輸時(shí)間直接影響任務(wù)時(shí)延，同時(shí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)故障率以及無(wú)線傳輸中斷率直接影響可靠性，因此流量與算力聯(lián)合調(diào)度非常重要[5]。

首先，智能體將計(jì)算任務(wù)分解為若干子任務(wù)，通過接入節(jié)點(diǎn)j發(fā)送給計(jì)算節(jié)點(diǎn)i，計(jì)算節(jié)點(diǎn)i把計(jì)算結(jié)果發(fā)送至系統(tǒng)平臺(tái)（也可以返回智能體）進(jìn)行子任務(wù)結(jié)果融合獲得最終結(jié)果，并返回給UE。假設(shè)控制節(jié)點(diǎn)具有計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源及排隊(duì)狀態(tài)、接入節(jié)點(diǎn)無(wú)線資源及排隊(duì)狀態(tài)等先驗(yàn)信息，那么最小化任務(wù)完成時(shí)間的計(jì)算通信資源聯(lián)合優(yōu)化問題可描述為：

其中，Pj和Bj分別是UE 到接入節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)量和無(wú)線接入速率，Wj,i是接入節(jié)點(diǎn)j到計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的傳輸時(shí)延，Ti和Ci分別是計(jì)算節(jié)點(diǎn)i收到的計(jì)算量和計(jì)算速度，Di是結(jié)算節(jié)點(diǎn)i發(fā)送子任務(wù)結(jié)果到系統(tǒng)平臺(tái)的時(shí)延。最大化可靠性的多鏈路傳輸節(jié)點(diǎn)選擇問題與此類似，計(jì)算通信一體化問題最終是各類資源的優(yōu)化調(diào)度問題。隨著無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)算力的規(guī)模提升，URLLC 將成為網(wǎng)絡(luò)的普適性能力，推動(dòng)垂直應(yīng)用的智能化升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能體交互協(xié)作和虛實(shí)空間融合互動(dòng)將為垂直行業(yè)帶來(lái)大量新技術(shù)和新場(chǎng)景。3GPP 不斷提升URLLC 的技術(shù)能力，但由于標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)奏限制，還沒有充分考慮計(jì)算通信一體化的技術(shù)趨勢(shì)。本文提出的計(jì)算-通信-控制一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)URLLC 相關(guān)的同步、定位、接入、傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)URLLC 的關(guān)鍵問題都可以通過通信資源和計(jì)算資源的聯(lián)合調(diào)度解決。下一步將在新場(chǎng)景的具體性能指標(biāo)、URLLC 關(guān)鍵問題的分解與建模方面做進(jìn)一步的工作。