URLLC技術(shù)研究及其在智能網(wǎng)聯(lián)行業(yè)的應(yīng)用探討

宋蒙，劉琪，許幸榮，王題

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智能城市研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6 月，工信部發(fā)放了5G 牌照，標(biāo)志著中國正式進(jìn)入5G 商用元年。5G 網(wǎng)絡(luò)定義了3 個(gè)主要的應(yīng)用場(chǎng)景，即eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、URLLC（高可靠和低延遲通信）、mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）。其中URLLC 主要就是面向工業(yè)控制、智慧交通等低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，也是目前標(biāo)準(zhǔn)研究主要聚焦的課題。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)旨在構(gòu)建“人-車-路-云”協(xié)同的智慧交通體系，是汽車、電子、信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)[1-2]。車輛的網(wǎng)聯(lián)化、智能化對(duì)大量數(shù)據(jù)的傳輸和對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延都提出了很高的要求。將5G 大帶寬、高可靠、低時(shí)延的特性應(yīng)用于其中，能夠顯著提升通信網(wǎng)絡(luò)性能、拓展應(yīng)用范圍。本文將介紹URLLC 技術(shù)研究進(jìn)展，并進(jìn)一步分析URLLC 技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)領(lǐng)域的應(yīng)用并給出建議。

1 URLLC 標(biāo)準(zhǔn)研究概況

在LTE 網(wǎng)絡(luò)中，口空的雙向時(shí)延一般為20 ms[3]（36.881），而3GPP 很早就針對(duì)縮短LTE 的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延開展了研究，通過引入半靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化無線資源調(diào)度[4]以及降低傳輸時(shí)間間隔（TTI,Transmission Time Interval）[5]，大大降低了LTE 的空口時(shí)延，到了R15 階段LTE 的時(shí)延理論上已經(jīng)能夠優(yōu)化到小于3 ms[6]。但是面對(duì)5G 時(shí)代提出的1 ms 時(shí)延的需求，LTE 顯然已經(jīng)無法滿足，需要通過5G URLLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3GPP 在2016 年初啟動(dòng)了5G 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，但URLLC 并不是5G 第一階段的研究重點(diǎn)。eMBB 場(chǎng)景是5G 網(wǎng)絡(luò)最基本的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，在第一個(gè)版本中主要完成了eMBB 場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)化工作。對(duì)于URLLC 技術(shù)，3GPP R15 主要定義了低時(shí)延和高可靠性兩個(gè)方面。低時(shí)延是指用戶面上行時(shí)延目標(biāo)是0.5 ms,下行也是0.5 ms，而可靠性要求用戶面時(shí)延1 ms 內(nèi)，傳送32 字節(jié)包的誤碼率低于10-5[7]。因此為了實(shí)現(xiàn)可靠性和低時(shí)延，在具體設(shè)計(jì)信道結(jié)構(gòu)時(shí)定義了多項(xiàng)物理層技術(shù)方案，包括新的幀結(jié)構(gòu)、子載波間隔、調(diào)度周期等。此外，3GPP 還針對(duì)URLLC業(yè)務(wù)，在盡量保證eMBB業(yè)務(wù)頻譜效率的情況下，對(duì)URLLC 與eMBB 業(yè)務(wù)共存進(jìn)行了研究探索[8]。

R15 包含基本URLLC 功能，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能力。R16 版本將側(cè)重對(duì)URLLC 進(jìn)行全面增強(qiáng)，進(jìn)一步提高通信的可靠性，降低延遲。在2019 年3 月召開的3GPP RAN#83 次會(huì)議上通過了Release16 URLLC 的WI 立項(xiàng)，基于SI 階段形成的評(píng)估結(jié)果和指導(dǎo)方案，繼續(xù)從各技術(shù)方面展開URLLC 的增強(qiáng)研究。預(yù)計(jì)從2019 年4 月的RAN1 會(huì)議開始執(zhí)行，到2019 年底結(jié)束。

2 URLLC 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空口技術(shù)

（1）子載波間隔

LTE 系統(tǒng)只能支持固定子載波間隔和固定的子幀長(zhǎng)度，即15 kHz 子載波間隔，對(duì)應(yīng)在時(shí)域是一個(gè)slot，兩個(gè)slot 組成一個(gè)基本傳輸單位子幀。5G 系統(tǒng)工作在更寬廣的頻段，尤其是在高頻段需要更大的子載波間隔來抵御噪聲，映射在時(shí)域上就是更小的傳輸時(shí)隙。6 GHz 以下頻段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz 等可變子載波間隔配置[9]，在60 kHz 的間隔下，最小的傳輸時(shí)隙只有0.25 ms。所以可以簡(jiǎn)單理解為：子載波間隔在LTE 15 kHz 基礎(chǔ)上增加了多少倍，那么時(shí)域上的傳輸間隔就減少相應(yīng)的倍數(shù)。

（2）調(diào)度方式

除了更小的傳輸時(shí)隙，5G 還引入了更靈活的微時(shí)隙調(diào)度機(jī)制，將最小的傳輸時(shí)間間隔由子幀縮小到了符號(hào)上。在某些URLLC 場(chǎng)景下可以選擇最小的調(diào)度間隔，根據(jù)情況可以選擇2 個(gè)符號(hào)或者4 個(gè)符號(hào)作為一個(gè)調(diào)度TTI，如圖1 所示[10]：

圖1 微時(shí)隙調(diào)度機(jī)制

基站經(jīng)過4 個(gè)符號(hào)的處理后，在下行數(shù)據(jù)信道上通過2 個(gè)符號(hào)的微時(shí)隙調(diào)度將數(shù)據(jù)傳輸給用戶，以此來大幅減低空口傳輸時(shí)延和基站的處理時(shí)間。

而對(duì)于上行業(yè)務(wù)，LTE 系統(tǒng)引入了半靜態(tài)調(diào)度來增強(qiáng)無線資源的調(diào)度能力，半靜態(tài)調(diào)度的資源一般是給每個(gè)用戶單獨(dú)分配的，當(dāng)用戶數(shù)量較多時(shí)就需要分配大量的資源，而且分配的資源還有可能不被使用。而5G URLLC 場(chǎng)景則是更進(jìn)了一步，終端不需要向基站發(fā)送資源調(diào)度請(qǐng)求，而是在給URLLC 業(yè)務(wù)預(yù)先配置或激活的資源自主進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，省去了調(diào)度請(qǐng)求和數(shù)據(jù)調(diào)度的時(shí)延。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)制定了兩種上行免調(diào)度機(jī)制[11]：

（1）Type 1——通過RRC 配置信息，可以確定周期性的PUSCH 傳輸機(jī)會(huì)，當(dāng)終端上行有新數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，就在最近的傳輸機(jī)會(huì)直接進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）Type 2——通過RRC 和PDCCH 共同配置PUSCH傳輸參數(shù)，PDCCH 激活信令激活Type 2 方式并同時(shí)指示調(diào)度信息。收到激活信令之后，終端才能使用對(duì)應(yīng)的PUSCH 資源進(jìn)行上行免調(diào)度傳輸。而釋放Type 2 上行資源，可以通過PDCCH 去激活信令來實(shí)現(xiàn)。

在可靠性方面，3GPP 引入了小負(fù)載DCI(Compact DCI) 的定義，通過提高AL（Aggregation Level，聚合等級(jí)）提升UE 一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的檢測(cè)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)較為密集的下行控制信道監(jiān)聽來達(dá)到更為高效可靠的傳輸[12]。還可以通過分布式的大規(guī)模天線或者多TRP 傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)分散到地理位置上分離的多個(gè)傳輸點(diǎn)上傳輸，獲得分集增益，可以進(jìn)一步提升傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)是由終端、基站、核心網(wǎng)以及業(yè)務(wù)服務(wù)器等構(gòu)成的。除了空口之外，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也要進(jìn)一步優(yōu)化才能夠滿足URLLC 場(chǎng)景要求的極低的業(yè)務(wù)時(shí)延。圍繞超低時(shí)延的目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面主要以縮短傳輸路徑以及預(yù)留專用資源為主。為了縮短業(yè)務(wù)傳輸路徑，需要將用戶面下沉到靠近用戶的邊緣節(jié)點(diǎn)，即移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC,Mobile Edge Computing）。而在URLLC 場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)該向低時(shí)延、高可靠方向傾斜，這就需要網(wǎng)絡(luò)切片來實(shí)現(xiàn)。

（1）邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算技術(shù)就是將用戶面下沉到無線側(cè)，縮短終端到用戶面的傳輸距離，實(shí)現(xiàn)包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳法、解析、管理等功能的本地化分流。將原本多跳的通信流程壓縮到一跳之內(nèi)完成，極大縮短基站后端的網(wǎng)絡(luò)回傳以及核心網(wǎng)處理帶來的時(shí)延。同時(shí)，MEC 部署到靠近無線側(cè)也可以更加快速地了解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、無線資源利用率等信息，保證用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是指將網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配，按業(yè)務(wù)需求組網(wǎng)。在協(xié)議棧功能上，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同對(duì)無線網(wǎng)側(cè)協(xié)議棧功能進(jìn)行定制切分。在5G 網(wǎng)絡(luò)無線側(cè)基站分為CU 和DU 兩個(gè)單元，URLLC 業(yè)務(wù)要求盡可能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度以降低時(shí)延，所以必須要采用CU 和DU 合設(shè)。在頻譜資源方面，可以獨(dú)立預(yù)留出一些資源給URLLC 的業(yè)務(wù)使用，然后網(wǎng)絡(luò)切片的調(diào)度管理服務(wù)根據(jù)切片業(yè)務(wù)請(qǐng)求的實(shí)時(shí)到達(dá)情況按需分配時(shí)頻資源。5G 核心網(wǎng)通過模塊化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，硬件由統(tǒng)一的服務(wù)器部署，軟件由不同的網(wǎng)絡(luò)功能承擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)切片可以按需調(diào)用不同的軟件模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的靈活定制。

3 基于URLLC 的智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)應(yīng)用

智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)是通過車輛和道路環(huán)境的智能化實(shí)現(xiàn)車與云平臺(tái)、車與車、車與路、車與人全方位網(wǎng)絡(luò)連接。而未來高級(jí)別的智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)，例如自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、車輛編隊(duì)等，都對(duì)通信時(shí)延和可靠性提出了非常高的要求。而URLLC 的特點(diǎn)剛好可以滿足上述要求，因此URLLC 在無人駕駛業(yè)務(wù)方面擁有很大潛力。

3.1 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

綜合文章關(guān)于URLLC 技術(shù)的分析，可以初步描繪出基于URLLC 技術(shù)的自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)的總體架構(gòu)如圖2所示。

（1）子載波、調(diào)度機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)可以降低空口時(shí)延、采取CU/DU 合設(shè)降低復(fù)雜度，降低時(shí)延。

（2）5G 基站通過非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）/獨(dú)立組網(wǎng)（SA）連接4G/5G 核心網(wǎng)。

（3）自動(dòng)駕駛車輛部署5G 終端以及感知設(shè)備，感知獲得的周邊路況環(huán)境數(shù)據(jù)以及基于數(shù)據(jù)分析的駕駛決策建議通過5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互（路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施信息可以通過路側(cè)單元（RSU,Road Side Unit）回傳，也可以直連MEC）。

（4）將自動(dòng)駕駛相關(guān)的數(shù)據(jù)融合分析等用戶面下沉到MEC 服務(wù)器，降低核心網(wǎng)業(yè)務(wù)處理時(shí)延。

在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，通過無線側(cè)空口的優(yōu)化以及核心網(wǎng)側(cè)縮短傳輸路徑減少處理時(shí)延，達(dá)到滿足自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)需求的能力。

3.2 發(fā)展部署建議

圖2 基于URLLC的自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)架構(gòu)

URLLC 與其說是一種技術(shù)，更可以理解成一張按需部署的網(wǎng)絡(luò)。目前URLLC 技術(shù)研究起步比較晚，相對(duì)應(yīng)用也比較少，主要是一些工廠園區(qū)和試點(diǎn)有這樣的需求，用戶數(shù)量也不大。在這些園區(qū)內(nèi)部署自動(dòng)駕駛、車輛編隊(duì)等業(yè)務(wù)可以考慮按需求建設(shè)專網(wǎng)，在園區(qū)內(nèi)部署5G基站和配套的MEC 服務(wù)器，并將用戶面以及業(yè)務(wù)相關(guān)的APP 部署在其中，按業(yè)務(wù)需求將智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流處理。至于核心網(wǎng)AMF、SMF 等網(wǎng)元可以在城市中集中部署。另外，在MEC 上部署應(yīng)用時(shí)還必須考慮數(shù)據(jù)信息安全策略，以便于隔絕安全風(fēng)險(xiǎn)，便于運(yùn)營商進(jìn)行業(yè)務(wù)監(jiān)管。

隨著URLLC 技術(shù)進(jìn)一步成熟，包括時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,Time Sensitive Networks）、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等，以及工業(yè)園、示范區(qū)、碼頭、礦山等有高級(jí)駕駛需求的場(chǎng)景越來越多，為了能夠滿足不同園區(qū)甚至園區(qū)內(nèi)不同業(yè)務(wù)的多樣化需求，此時(shí)部署URLLC 網(wǎng)絡(luò)需要引入這些新技術(shù)。以網(wǎng)絡(luò)切片為例，可以為各個(gè)不同的園區(qū)建設(shè)一個(gè)切片，也可以為某個(gè)具體應(yīng)用建設(shè)端到端的切片，這就需要運(yùn)營商與園區(qū)業(yè)主進(jìn)行協(xié)調(diào)，從業(yè)務(wù)指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)靈活性、建設(shè)復(fù)雜度和成本方面綜合考慮來推廣部署。

4 結(jié)束語

目前URLLC 技術(shù)還處在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，規(guī)?；纳逃卯a(chǎn)品更是要滯后一段時(shí)間，但是URLLC 技術(shù)從在物理層面的新機(jī)制到網(wǎng)絡(luò)層面新的架構(gòu)分布，構(gòu)建了完整的端到端低時(shí)延高可靠的解決方法。這樣的技術(shù)特點(diǎn)決定了URLLC 將在未來智能網(wǎng)聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)4.0 等領(lǐng)域提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮重要的核心作用。運(yùn)營商針對(duì)URLLC做好深入的技術(shù)儲(chǔ)備并執(zhí)行由點(diǎn)到面的推廣部署思路，這將會(huì)給運(yùn)營商帶來更加廣泛的產(chǎn)業(yè)合作和效益。