5G高可靠低時延通信標準現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)進展

黎卓芳 劉慧敏 解博森

(1.中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心，北京 100191；2.中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191；3.北京郵電大學(xué)葉培大實驗班，北京 100876)

0 引言

ITU定義的5G三大應(yīng)用場景分別為，增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)滿足連續(xù)廣覆蓋和熱點高容量場景需求[1]；超高可靠低時延通信，(Ultra Reliable and Low Latency Communication，URLLC)滿足工業(yè)自動化、遠程自動駕駛等低時延高可靠應(yīng)用需求[2-3]；海量機器類通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)滿足低功耗大連接的物聯(lián)網(wǎng)需求[1]。從5G技術(shù)標準演進和商用部署情況看，eMBB場景已率先完成標準化并規(guī)模應(yīng)用，并逐漸向URLLC場景滲透，最后發(fā)展mMTC。

不同于eMBB場景可同時服務(wù)企業(yè)和個人，URLLC場景重點面向垂直行業(yè)應(yīng)用，隨著URLLC標準的完善，其關(guān)鍵技術(shù)正被逐步實現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)也開始不斷探索URLLC應(yīng)用模型。通過梳理URLLC標準和需求現(xiàn)狀，調(diào)研關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及技術(shù)試驗進展，提出我國URLLC產(chǎn)業(yè)推進建議，將有利于URLLC技術(shù)的商用落地，并拓展5G應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)模式。

1 URLLC國內(nèi)外標準現(xiàn)狀

1.1 國際標準

5G國際標準工作主要在國際電信聯(lián)盟(ITU)和第三代合作伙伴計劃(3GPP)的發(fā)起和組織下進行。

作為聯(lián)合國的15個專門機構(gòu)之一，ITU是5G國際標準制定的需求方，ITU發(fā)布的5G標準，是全球?qū)嵤┎渴?G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。ITU在2015年9月發(fā)布的ITU-R M.2083-0建議書《IMT愿景——2020年及之后 IMT未來發(fā)展的框架和總體目標》中明確指明URLLC是5G三大主要應(yīng)用場景之一，要求其空口時延達到1 ms[4]。

3GPP根據(jù)ITU提出的5G需求和愿景，開展關(guān)鍵技術(shù)研究和技術(shù)標準制定，并向ITU提交標準。目前，URLLC標準有3個演進版本，分別為R15、R16和R17，各版本逐步完善URLLC的業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用場景和性能指標。

2018年6月發(fā)布的R15版本，支持鏈路級的基礎(chǔ)URLLC能力，設(shè)計目標場景單一，主要保障單鏈路業(yè)務(wù)性能，如AR/VR等娛樂場景。R15側(cè)重于中低頻率的URLLC標準制定，通過引入傳輸時間間隔(Transmission Time Interval，TTI)結(jié)構(gòu)來降低時延并引入多項提升可靠性的方案[5]，滿足空口單向1 ms時延和99.999%的可靠性要求。

2020年7月發(fā)布的R16版本，完善了中低頻和毫米波頻段全覆蓋的URLLC技術(shù)方案，支持多業(yè)務(wù)場景的URLLC能力。R16標準引入時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking，TSN)基礎(chǔ)協(xié)議，為多種業(yè)務(wù)提供URLLC通信能力，滿足99.9999%的高可靠性和空口單向0.5～1 ms時延的業(yè)務(wù)需求，并提供低至1 μs的抖動和20 ns級別的精準授時同步。為R16新增的工業(yè)自動化、智能交通和電網(wǎng)管理等場景提供更高可靠、更低時延的技術(shù)解決方案。

R17版本計劃于2022年6月發(fā)布，將支持更高的定時精度和更靈活的頻譜方案，擴展支持免許可頻段的URLLC能力，并進一步將5G與TSN結(jié)合，目標是利用5G無線技術(shù)替代有線連接，解決傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)布線雜亂、維護難度大、設(shè)備移動性低等問題。

1.2 國內(nèi)標準

中國通信標準化協(xié)會(CCSA)是3GPP在中國的唯一合作伙伴，是我國5G通信標準的制定機構(gòu)，組織我國企業(yè)和研究機構(gòu)，緊跟5G技術(shù)發(fā)展，制定5G通信標準。

我國5G標準制定的總體原則是，基于3GPP國際標準，根據(jù)國內(nèi)運營市場需求和實際頻率規(guī)劃，依托5G產(chǎn)業(yè)進展，確定標準關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、功能要求和性能指標等，形成符合我國應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)能力的5G標準，支撐我國5G網(wǎng)絡(luò)部署。

目前，我國基于3GPP R15/R16協(xié)議的5G URLLC行業(yè)標準立項工作已完成。工業(yè)和信息化部已下達“5G數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng) 面向低時延高可靠(URLLC)的終端設(shè)備技術(shù)要求和測試方法(第一階段)”和“5G數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng) 面向低時延高可靠(URLLC)的基站設(shè)備技術(shù)要求和測試方法(第一階段)”兩項行標的立項計劃。

IMT-2020(5G)推進組由我國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會及科技部聯(lián)合推動成立，主要開展5G關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)研發(fā)試驗和推動我國在ITU、3GPP等國際標準化組織的相關(guān)工作。推進組于2021年8月完成兩本URLLC規(guī)范的制定，分別為《5G增強技術(shù)研發(fā)試驗 URLLC關(guān)鍵技術(shù)要求》和《5G增強技術(shù)研發(fā)試驗 URLLC關(guān)鍵技術(shù)測試方法》。規(guī)范整體編制原則是，基于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，技術(shù)要求適當(dāng)引領(lǐng)，測試規(guī)范匹配產(chǎn)業(yè)能力。目前，URLLC系統(tǒng)和芯片研發(fā)能力主要處于R15階段，因此技術(shù)要求面向3GPP R15和R16兩個版本的低時延和高可靠關(guān)鍵技術(shù)特性，測試方法主要面向R15版本的重點技術(shù)和基礎(chǔ)性能。

2 我國URLLC業(yè)務(wù)需求及產(chǎn)業(yè)能力分析

2.1 業(yè)務(wù)需求

不同于eMBB同時適用于企業(yè)用戶和個人用戶場景，URLLC將主要面向行業(yè)應(yīng)用，低時延主要用于數(shù)據(jù)及控制命令的無線快速傳輸和回傳，以實現(xiàn)信息傳遞的及時性、提升協(xié)同的準確性；高可靠主要提高無線信息傳輸?shù)恼_率，以提升應(yīng)用命令傳遞的有效性、保證操作的安全性。

不同行業(yè)不同應(yīng)用場景的不同業(yè)務(wù)，對時延和可靠性的要求也不相同，表1舉例的典型業(yè)務(wù)對時延的需求在1～20 ms，可靠性在“4個9”到“6個9”之間。

表1 3GPP定義的URLLC典型應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求舉例

我國運營商5G專網(wǎng)龍頭項目統(tǒng)計顯示，目前不同業(yè)務(wù)對時延和可靠性需求的分布情況如圖1所示，對端到端時延要求小于20 ms的業(yè)務(wù)占比49%，可靠性要求在5個9及以上的業(yè)務(wù)占比33.3%。未來隨著5G部署進入工業(yè)核心控制產(chǎn)業(yè)，嵌入生產(chǎn)流程，對時延和可靠性能力的要求將進一步提升，URLLC業(yè)務(wù)的比重也將進一步加大。

2.2 產(chǎn)業(yè)能力

當(dāng)前，商用實現(xiàn)能達到的極致空口時延能力為5 ms，一般低時延商用網(wǎng)絡(luò)只能達到10 ms量級，可滿足AR/VR娛樂類業(yè)務(wù)和港口遠程控制等時延需求10 ms量級，可靠性99.99%級別的業(yè)務(wù)需求，已落地應(yīng)用的URLLC典型案例主要包括港口遠程控制和工廠AGV等。

3 URLLC關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進展

3GPP的URLLC標準分別從空口和核心網(wǎng)兩方面開展關(guān)鍵技術(shù)研究[6-7]，R15階段重點支持URLLC基本功能，在空口靈活配置的基礎(chǔ)上做進一步增強；R16階段具備完整的URLLC能力，引入確定性關(guān)鍵技術(shù)，支持工業(yè)IoT、時延敏感通信等新業(yè)務(wù)，提供業(yè)務(wù)差異化的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障能力；R17階段支持更準確的定時精度，研究非授權(quán)頻段的實現(xiàn)方案。URLLC的空口關(guān)鍵技術(shù)較多，產(chǎn)業(yè)比較關(guān)注的特性參見表2。

目前，系統(tǒng)、芯片企業(yè)主要實現(xiàn)了部分R15關(guān)鍵技術(shù)，大部分芯片和系統(tǒng)廠家會在2022年逐步引入R15及R16的更多特性，產(chǎn)業(yè)重點推進的技術(shù)研發(fā)進展如下。

3.1 低時延

(1)非時隙調(diào)度(Non-slot)：引入mini-slot將最小調(diào)度顆粒從時隙級(14符號)縮短至符號級(2/4/7符號)，縮短空口數(shù)傳長度，降低時延，適用于超短時延小包業(yè)務(wù)場景。以3U1D幀結(jié)構(gòu)為例，mini-slot的引入會降低約13%的時延。Non-slot調(diào)度機制比較成熟，已有運營商支持，截止到2021年年底，所有運營商及大部分系統(tǒng)廠家都將支持。

(2)上行免授權(quán)調(diào)度配置：基站預(yù)先為部分終端分配上行傳輸資源，終端可根據(jù)業(yè)務(wù)需求在預(yù)分配的資源上直接發(fā)起上行傳輸，減少調(diào)度時延和開銷。目前，所有運營商及大部分系統(tǒng)廠家已支持。

(3)靈活幀結(jié)構(gòu)：使用1D1S幀結(jié)構(gòu)，可有效降低TDD上下行切換周期，在開預(yù)調(diào)度情況下，1D1S比1D3U1S幀結(jié)構(gòu)時延性能提升10%～20%，部分運營商已開始試點使用。

(4)業(yè)務(wù)搶占：終端可基于調(diào)度指示傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，降低高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的時延。例如，終端間及終端內(nèi)部的URLLC業(yè)務(wù)可搶占eMBB業(yè)務(wù)資源。大部分系統(tǒng)企業(yè)計劃2022年實現(xiàn)，運營商均計劃2022年之后實現(xiàn)該特性。

3.2 高可靠

(1)低碼率MCS/CQI表格：新增MCS表格和CQI表格各一張，支持更低碼率，實現(xiàn)更高可靠性。該特性產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)難度小，增益明顯，初始可靠性達到99.999%級別，目前部分運營商已支持，截止到2021年年底所有運營商及系統(tǒng)企業(yè)均支持。

圖1 不同業(yè)務(wù)對于時延和可靠性的需求占比

表2 URLLC空口重點關(guān)鍵技術(shù)列表

(2)PDCP重復(fù)：在CA/DC模式下，通過空口冗余傳輸提升可靠性，R15支持兩條冗余鏈路，R16支持最多4條鏈路冗余傳輸。理論評估可靠性能從單鏈路的99%提升至99.99%，適用于小包高可靠業(yè)務(wù)。部分運營商已支持，系統(tǒng)廠家均計劃2022年支持。

(3)PDCCH 高聚合等級：基站根據(jù)信道狀態(tài)的調(diào)整聚合等級，實現(xiàn)鏈路自適應(yīng)傳輸，運營商和系統(tǒng)廠家均已支持。

(4)PDCCH增強(壓縮DCI)：新引入2個新的DCI格式，降低控制信道開銷，可提升控制信道的可靠性，運營商和系統(tǒng)廠家均計劃2022年或之后支持。

3.3 確定性技術(shù)

目前，最受關(guān)注的確定性技術(shù)是SIB9高精度授時，通過基站系統(tǒng)消息SIB9的定時信息為終端授時，實現(xiàn)站內(nèi)3 μs，站間6 μs的授時精度，滿足差動保護等時間敏感型網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求。目前，已有部分運營商和系統(tǒng)企業(yè)支持該方案，大部分運營商與系統(tǒng)企業(yè)還沒有明確計劃。

4 我國URLLC技術(shù)試驗規(guī)劃

4.1 工作機制

IMT2020(5G)推進組不僅根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求制定技術(shù)規(guī)范，還負責(zé)統(tǒng)籌和組織我國5G技術(shù)試驗，推動形成產(chǎn)業(yè)共識。IMT2020(5G)推進組將在URLLC技術(shù)試驗過程中，逐步完善我國URLLC技術(shù)體系，探討URLLC典型場景需求，逐步明確產(chǎn)業(yè)對系統(tǒng)、終端設(shè)備的要求，推動產(chǎn)品實現(xiàn)。

4.2 試驗內(nèi)容及規(guī)劃

基于制定的測試規(guī)范，IMT2020(5G)推進組于2021年9月啟動我國URLLC技術(shù)試驗。技術(shù)試驗計劃持續(xù)兩年，2021年面向系統(tǒng)和終端廠商開展關(guān)鍵技術(shù)驗證，2022年基于2021年試驗成果，開展URLLC端到端完整的功能測試，對面向典型業(yè)務(wù)場景的整體方案與系統(tǒng)進行測試。

由于URLLC的多項特性在SA(獨立組網(wǎng))模式下才能體現(xiàn)，因此技術(shù)試驗均基于SA架構(gòu)展開，測試內(nèi)容包括關(guān)鍵技術(shù)的功能驗證和系統(tǒng)在不同信噪比條件下的吞吐量、時延和可靠性等性能指標測試。

鑒于不同廠商對URLLC的技術(shù)規(guī)劃不同，技術(shù)試驗并未對工作頻段進行限值，廠家可選擇中低頻段(TDD或FDD)或26 GHz毫米波頻段進行測試，系統(tǒng)參數(shù)也可基于5G商用網(wǎng)絡(luò)或針對URLLC單獨設(shè)計。

目前，系統(tǒng)企業(yè)已啟動高可靠低時延通信技術(shù)的實驗室測試。驗證了上下行平衡的幀結(jié)構(gòu)、上行免調(diào)度、高可靠的低碼率CQI/MCS表格等多項關(guān)鍵技術(shù)[8]。大部分廠商選擇中低頻段，部分廠商采用毫米波設(shè)備進行試驗。

5 URLLC產(chǎn)業(yè)推進策略

目前，所有5G系統(tǒng)廠商和少數(shù)終端企業(yè)已于2021年下半年啟動URLLC關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)工作，并計劃在2022年引入更多基于R15和R16標準的URLLC特性。芯片方面，主要芯片廠家目前已在硬件平臺上實現(xiàn)了URLLC功能，其軟件部分還需根據(jù)市場和產(chǎn)業(yè)需求逐步增加和完善。

通過對應(yīng)用需求、技術(shù)難度和產(chǎn)業(yè)能力等多方面綜合評估，產(chǎn)業(yè)界形成了比較一致的URLLC推進策略：在技術(shù)實現(xiàn)上從關(guān)鍵到補充；在場景覆蓋上從部分到全面；在功能實現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)研發(fā)上，從降低時延和提升可靠性兩個維度分步驟開展工作。

時延方面，將多種技術(shù)靈活組合，分別面向廣域和大部分局域業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)時延能力和服務(wù)，面向局域高需求業(yè)務(wù)提供增強時延服務(wù)；可靠性方面，為大部分業(yè)務(wù)提供99.999%的可靠性，為工業(yè)現(xiàn)場級類高要求業(yè)務(wù)提供99.9999%的可靠性，形成分級分檔的空口時延和可靠性能力和服務(wù)。

針對具體技術(shù)特性，總體引入策略建議結(jié)合需求迫切度和產(chǎn)業(yè)支持情況，分高、中、低3個優(yōu)先級分步實現(xiàn)，具體如下。

(1)高優(yōu)先級：2021年實現(xiàn)URLLC基礎(chǔ)功能。運營商、系統(tǒng)廠商和部分終端企業(yè)啟動URLLC關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)部署研究工作，實現(xiàn)對URLLC性能影響較大的功能和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力。

(2)中優(yōu)先級：2022年實現(xiàn)URLLC擴展功能。產(chǎn)業(yè)鏈主要廠商均啟動URLLC相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，進一步提升URLLC網(wǎng)絡(luò)性能和效率。

(3)低優(yōu)先級：2023年及之后實現(xiàn)URLLC增強功能。產(chǎn)業(yè)長期重點關(guān)注URLLC應(yīng)用及引導(dǎo)性技術(shù)的研究和實現(xiàn)。

6 結(jié)束語

目前，3GPP的URLLC標準已經(jīng)演進至R17版本，傳統(tǒng)通信企業(yè)的總體研發(fā)進度卻還在R15的部分特性研發(fā)階段，比標準落后兩個版本，不能完全滿足運營商開展新技術(shù)試驗及試點進度的需求。亟需上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)一起，推動芯片、模組、終端到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能和測試方法的成熟。要充分發(fā)揮行業(yè)主觀能動性，深入挖掘各行業(yè)對高可靠低時延業(yè)務(wù)的痛點需求，探索與URLLC匹配的應(yīng)用場景，真正體現(xiàn)URLLC的應(yīng)用價值，助力URLLC的落地商用。