uRLLC中TSC技術及相關應用研究

廖 敏，李 靜（中國聯(lián)通網絡技術研究院，北京 100048）

1 概述

ITU 在增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超可靠、低時延通信（uRLLC）［1］這三大應用場景上做出了相關規(guī)劃。

時間敏感網絡（TSN）是指IEEE 802.1 工作組中的TSN 任務組開發(fā)的一套協(xié)議標準。該標準定義了以太網數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標準以太網的傳輸增加了確定性和可靠性，以確保其改造增強后能夠為關鍵數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定一致的服務級別（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)工業(yè)以太網改造

uRLLC R16 除了引入對工廠自動化、車聯(lián)網以及智能電網場景的支持，還需要考慮支持工業(yè)互聯(lián)網（IIOT——Industrial IoT），滿足TSN 對接5GS。NR R16同意了5GS 可以對接TSN 網絡，用于解決工廠無線連接的問題。新引入的時間敏感通信（TSC）支持高可靠性和高可用性的同步通信服務，為分組傳輸提供時延、丟失、抖動和可靠性的范圍保證（見圖2）。

圖2 5G與TSN對接示例

2 工業(yè)互聯(lián)網R16標準化TSC技術

3GPP 在R16 階段對uRLLC 進行了全面增強，提出降低時延的新方案，同時，為了真正達到5G 使能工業(yè)網絡的目的，在標準上深度討論了時間同步和TSN支持問題。表1 為TSC 業(yè)務的場景和需求。工廠自動化的部分場景下，可靠性要求達到10-8，時延要求達到0.5 ms。

表1 TSC業(yè)務場景和需求

表2 為TSC 時鐘同步的場景和需求，大部分場景下，時鐘同步要求低于1 μs。

表2 TSC時鐘同步場景和需求

2.1 精確的時間同步

工業(yè)自動化網絡通常由2個不同的時間域組成。

a）全局時間域（global time domain）是指用于整體同步的時間，它用于按時間順序對齊操作及事件。工業(yè)自動化使用術語“universal time domain”來指代它，在某些領域及標準中也被稱為“wall clock”。典型時間精度要求為不超過1 μs，指定的時間標度為國際原子時（TAI——temps atomique international），基于PTP協(xié)議從1970 年1 月1 日00：00：00 開始。通常只存在一個全局時間，但有可能有多個全局時間域。全局時間域中的時鐘同步適用于工業(yè)自動化的工業(yè)設備內的所有UE。

b）工作時鐘域（working clock domain），一般范圍受到限制，通常由一臺機器或一組物理協(xié)作的相鄰機器組成。與工作時鐘的同步一般用于對齊生產線、生產單元或機器/功能單元。應用程序在工作時鐘域內進行本地同步，允許與更高效的組件進行精確同步。

全局時間域通常包含多個工作時鐘域（見圖3）。

圖3 全局時間域包含的工作時鐘域

當不同工作時鐘域的成員交互時有以下2 種選項，使用哪種取決于應用程序及相應的要求（見圖4）。

圖4 合并式與分離式交互的差異

a）合并式（Merge）：工作時鐘域合并為一個。同步要求極其嚴格的應用會使用此選項，例如高精度機器人的交互。

b）分離式（Separate）：不同工作時鐘域的成員在保持各自獨立的時間同步的同時進行交互。同步要求不高的應用會使用此選項，例如AGV 從生產線收集成品。

TSN 中的同步由802.1AS/gPTP 消息執(zhí)行，消息由TSN 主時鐘（TSN Master Clock）負責生成，每個自動化端點充當802.1AS 客戶端。5GS 以類似“黑盒”模式為TSN 提供時間敏感的中繼，在802.1AS 術語中稱為“分布式時間敏感中繼（distributed time-aware relay）”。這種實現(xiàn)方式下整個5G 系統(tǒng)可以保持原樣，因此對5G系統(tǒng)中的節(jié)點影響最小。位于5G 系統(tǒng)邊緣的轉換器/適配器負責所有802.1a 相關功能，例如：支持（g）PTP協(xié)議功能、時間戳、最優(yōu)主時鐘算法（Best Master Clock Algorithm）等。

來自TSN 工作域（外部時鐘）的定時信息經由UE傳送到終端站。5G 系統(tǒng)內部時鐘（圖5 中的黑色時鐘）可以通過與無線幀的絕對定時相關的時間信息的信令（即類似LTE Rel-15 的基于SIB/RRC 的方法）向UE 提供。5G 系統(tǒng)作為TSN 系統(tǒng)的一個網元，需要接收從TSN 的時間源發(fā)送的同步消息（SYNC 消息），并根據(jù)數(shù)據(jù)包在5G 系統(tǒng)中處理和傳輸所消耗的時間延時來更新時間信息。

TSN UE 與TSN GM 時鐘之間的同步誤差由3個因素決定：網絡側的精度、空口的精度以及時鐘參考信息的粒度。

a）網絡側的精度。gNB 和TSN GM 時鐘之間的同步精度可以遠小于1 μs。根據(jù)選擇的同步源的不同，能達到的精度如表3所示。

表3 TSN GM時鐘和gNB之間的最大絕對時間誤差（TE）

b）空口的精度。如果UE 不能補償和gNB 之間的傳播時延，可實現(xiàn)的時間同步精度取決于gNB 到UE的距離，同時SCS 越高則能達到的精度越高。在不同站間距（ISD）下的參考數(shù)據(jù)如表4所示。如果UE 有能力進行傳播時延補償，則不需要考慮站間距（ISD）。在15 kHz SCS 下能達到的精度為470 ns 至540 ns，同時SCS 越高則能達到的精度越高；如果需要達到1 μs的時間同步誤差，對于密集部署的較小服務區(qū)域不需要由UE 進行傳播延遲補償；對于更大的服務區(qū)域或更稀疏的小區(qū)部署，TSN UE需要應用傳播時延補償。

表4 無時延補償時的同步精度

c）時鐘參考信息的粒度。復用LTE Rel-15 引入的時間精度方案，通過系統(tǒng)信息SIB9 或者專用信令DLInformationTransfer 來傳遞TSN 時鐘參考信息，粒度從10 ms 進一步提升到10 ns。UE 收到單播信令指示的TSN 時鐘參考信息后，在指定的幀邊界對齊TSN 時鐘。

綜合考慮上述情況，假設UE 進行傳播時延補償且gNB 使用站內GNSS 接收機，在15 kHz SCS 下的同步誤差大致為645 ns（540 ns+100 ns+10 ns/2）。

2.2 以太網頭壓縮

以太網頭壓縮（EHC）是一種減少以太網報頭傳輸開銷的方法。在基于以太網的工業(yè)物聯(lián)網中通常有效負載在幀的總體大小中占比較小，因此EHC 將帶來較大的收益。在5G 系統(tǒng)中以太網幀將在以太網類型的PDU會話中傳輸。

通用的以太網標準是當今現(xiàn)有局域網采用的最通用的通信協(xié)議標準，以太網使用載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測（CSMA/CD）技術可在多種類型的電纜上運行。以太網鏈路上的數(shù)據(jù)包被稱作以太幀：起始部分由前導碼（Preamble）和幀開始符（SFD）組成，前導碼的作用是使接收節(jié)點進行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準備。其后緊跟一個以太網報頭，以MAC 地址說明目的地址和源地址。幀的中部是負載的包含其他協(xié)議報頭的數(shù)據(jù)包（例如IP 協(xié)議）。以太幀由一個32 位冗余校驗碼結尾（FCS——Frame Check Sequence），它用于檢驗數(shù)據(jù)傳輸是否出現(xiàn)損壞。幀間距指當一個幀發(fā)送出去之后，發(fā)送方在下次發(fā)送幀之前，需要再發(fā)送至少12個octet的空閑線路狀態(tài)碼。

3GPP R16 新引入的以太網頭壓縮只支持一種格式的以太幀頭壓縮，圖6是以太幀格式的示例。

圖6 IEEE 802.3 以太幀格式示例——802.1Q

802.1 Q 標簽，指在以太網幀格式里MAC 源地址與以太網類型/長度之間添加的一個32 位的域，遵守如表5所示格式。

表5 802.1Q標簽

a）標簽協(xié)議識別符（TPID——Tag Protocol Identifier）：16 bit 的域，其數(shù)值被設置為0x8100，標識某個IEEE 802.1Q的幀成為“已被標注的”。

b）優(yōu)先權代碼點（PCP——Priority Code Point）：3 bit 的域，從0（最低）到7（最高），用于指示數(shù)據(jù)流（音頻、視頻、文件等）傳輸?shù)膬?yōu)先級。

c）標準格式指示（Canonical Format Indicator，CFI）：1 bit 的域，又稱為DEI（Drop Eligible Indicator），可以用來標識報文的丟棄優(yōu)先級；

d）虛擬局域網識別符（VID——VLAN Identifier）：12 bit的域，用來標識幀是屬于哪個VLAN。

802.1Q 標簽以及其子域在傳輸中通常是固定的，因此可以考慮進行頭壓縮。Preamble、SFD 和FCS 將不會在5G 以太網類型的PDU 會話中傳輸，因此EHC不需要考慮這些域的壓縮。最終確定的EHC 壓縮域為：MAC 目標地址、MAC 源地址、802.1Q 標簽及其子域（見圖7）。

圖7 EHC頭位置

由于SDAP 頭不會被加密，而EHC 頭作為負荷將會被加密。EHC 頭選擇放在SDAP 頭后面，PDCP 的加密會更容易實現(xiàn)。EHC 頭包含3 個字段：Format、Context ID 和Reserved。其中Format 字段占用1 bit 指示EHC頭的格式，Context ID 和Reserved的具體長度標準尚未確定。

EHC 壓縮側和解壓側均將一個Context ID 關聯(lián)到以太幀頭的內容上：發(fā)送側傳輸攜帶完整幀頭的以太幀以及Context ID，以便于解壓側建立EHC 上下文；解壓側建立一條上下文后通過PDCP control PDU 向壓縮側指示feedback，其中攜帶Context ID 信息。壓縮側接收到解壓側指示的feedback 后，相應Context ID 對應的EHC上下文可以用于以太幀頭壓縮操作。

以太網通信中PCP/DE 組合可能隨優(yōu)先級而變化，因此所有Q-TAG 中的每個不同PCP/DE 值組合都與一個獨立的Context ID關聯(lián)。

2.3 針對TSC業(yè)務的調度增強

為了給TSC 業(yè)務提供確定性傳輸，標準引入了TSC 輔助信息（TSCAI——TSC assistance information），描述5G 系統(tǒng)中使用的TSC 流量特性（見表6）。獲知輔助信息后，gNB 可以通過配置授權CG、半持續(xù)調度（SPS——Semi-Persistent Scheduling）更有效地調度周期性、確定性的業(yè)務流。當TSN 數(shù)據(jù)包到達時，不需要通過調度請求從網絡側獲取資源，從而降低了等待資源的時間。

表6 TSC輔助信息

SMF 從TSN AF（Application Function）獲取TSN 流的業(yè)務特性，并根據(jù)業(yè)務特性設置TSCAI。TSCAI 通過QoS Flow建立過程從SMF發(fā)送給5G-AN，TSN和5G時鐘發(fā)生漂移時，由UPF 向SMF 更新偏差，SMF 可以觸發(fā)PDU Session Modification 過程，觸發(fā)TSCAI更新。

為了支持工業(yè)互聯(lián)網的多種業(yè)務需求，匹配不同業(yè)務的發(fā)送時間規(guī)律，R16 支持為UE 的一個BWP 配置多個半持續(xù)調度和配置授權。

對于CG，一個BWP 上至多支持同時配置和激活12套CG配置，支持通過DCI對CG type2進行獨立的激活操作，或聯(lián)合或獨立去激活操作。CG 引入了整數(shù)N以下的任意整數(shù)倍slot 的周期，其中N和SCS 有關：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz，5 120 for 120 kHz。在HARQ 進程ID 計算時，為每套CG配置參數(shù)harq-procID-offset，實現(xiàn)不同CG 使用的HARQ進程錯開（見圖8）。

圖8 同一個BWP的多個配置授權

對于SPS，一個BWP 上至多支持同時配置和激活8 套SPS 配置。支持通過DCI 對SPS 進行獨立的激活操作，或聯(lián)合或獨立去激活操作。SPS 引入了整數(shù)N以下的任意整數(shù)倍slot 的周期，其中N和SCS 有關：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz and 5 120 for 120 kHz。在HARQ 進程ID 計算時，為每套SPS可以配置參數(shù)harq-procID-offset，實現(xiàn)不同SPS 使用的HARQ進程錯開。

3 典型應用

典型的uRLLC 應用主要用于工業(yè)工廠室內的工控，根據(jù)5G 工業(yè)自動化聯(lián)盟的研究，一個典型的應用場景為工廠自動化（Factory automation）場景，這類場景有兩大典型的需求：一是極致時延，二是極高的時鐘同步能力，也就是TSN（Time-Sensitive Networking）。

圖9 給出了5G 工業(yè)自動化的應用領域。表7 為5G工業(yè)自動化聯(lián)盟的研究給出的性能要求。

表7 5G工業(yè)應用的服務需求

圖9 5G工業(yè)自動化的應用領域

面向工業(yè)應用的方案中，無線方面通過加載5G uRLLC 技術來降低時延并提升可靠性。架構上盡可能少的引入網絡跳點，從而使時延絕對數(shù)值及抖動數(shù)值能夠得到控制（見圖10）。

圖10 極簡5G網絡替代部分工業(yè)有線連接的架構

如應用邊緣DC 與BBU 共存，大幅減少網絡跳數(shù)；可以實現(xiàn)UPF 功能下沉、邊緣應用服務等典型功能，通過更新、加載新的uRLLC 技術以滿足工業(yè)領域的時延、可靠性、安全性要求。

4 結束語

uRLLC 技術在高可靠、低時延等方面的特性使其成為傳統(tǒng)通信切入垂直行業(yè)的重要突破口。雖然3GPP 制定了多種針對性的技術和方法來支持uRLLC的特性，但仍然無法解決TDD系統(tǒng)幀結構的上行/下行轉換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時延，所以TDD 系統(tǒng)對uRLLC 的適應性不足。因此，建議uRLLC 業(yè)務部署在FDD 系統(tǒng)上，uRLLC 業(yè)務在FDD 系統(tǒng)中擁有更為廣闊的應用前景，而具體的部署方式還有待進一步地探討和研究。