URLLC典型應(yīng)用建模與評估

王銳，夏亮，張龍，肖善鵬

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

為了實現(xiàn)萬物互聯(lián)，5G 標(biāo)準(zhǔn)在制定之初就提出了三大場景：增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、超可靠低延時通信（URLLC）、海量機(jī)器類通信（mMTC）。其中，URLLC 技術(shù)被視為移動通信技術(shù)針對工業(yè)控制、智能醫(yī)療、自動駕駛等高實時性高可靠性要求的垂直領(lǐng)域的深度優(yōu)化。本文將聚焦于第一批落地應(yīng)用的典型URLLC 場景（港口遠(yuǎn)程控制和工廠AGV），分析其典型業(yè)務(wù)模型，基于運營商典型網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行建模評估，結(jié)合系統(tǒng)級評估結(jié)果，給出后續(xù)發(fā)展建議。

1 應(yīng)用場景與需求指標(biāo)

1.1 港口

現(xiàn)階段，海運業(yè)承載了約90%的全球貿(mào)易，而港口是連接海路運輸和內(nèi)陸運輸?shù)闹匾獦屑~。中國是航運大國，截至2018 年，中國沿海港口150 個，萬噸級及以上泊位2 444 個，位居世界第一。全球集裝箱吞吐量前十港口中，中國占7席（上海、深圳、寧波、香港、廣州、青島、天津），建設(shè)智慧港口的需求非常迫切。港口的典型業(yè)務(wù)有橋吊、自動導(dǎo)引車（AGV,Automatic Guided Vehicle）以及龍門吊（RMG,Rail Mounted Gantry crane）等。本文將聚焦龍門吊業(yè)務(wù)展開詳細(xì)說明。

龍門吊主要用來實現(xiàn)堆場內(nèi)集裝箱的裝卸、整理。龍門吊操作工人需要進(jìn)行高空作業(yè)，頸椎職業(yè)病高發(fā)，而且存在一定安全隱患。在智慧港口建設(shè)中，港口客戶希望通過5G 蜂窩無線通信實現(xiàn)龍門吊遠(yuǎn)程控制，在保證操作人員的人身安全的同時，也避免了有線部署走線復(fù)雜、成本高、升級改造困難等問題。圖1 給出了智慧港口龍門吊遠(yuǎn)程控制示意圖。為做到龍門吊遠(yuǎn)程控制，龍門吊上需安裝高清攝像頭（每個龍門吊上需要安裝10 個左右高清攝像頭），高清攝像頭將拍攝到的畫面通過5G 網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至港口客戶的管理控制平臺，操作人員根據(jù)管理控制平臺的視頻或數(shù)據(jù)，發(fā)送龍門吊操作指令，該操作指令通過5G 網(wǎng)絡(luò)低時延地傳輸?shù)烬堥T吊，龍門吊根據(jù)指令完成裝卸、整理動作。

圖1 龍門吊遠(yuǎn)程控制示意圖

龍門吊業(yè)務(wù)的主要需求指標(biāo)：

（1）可靠性：龍門吊業(yè)務(wù)對于可靠性的要求較高，即99.999%；

（2）時延：端到端時延1 要求為上行50 ms，下行20 ms；空口單向時延2 為上行18 ms，下行16 ms；

（3）業(yè)務(wù)模型：上行每包大小6.25 kB，每秒600 包；下行每包大小80 Byte，每6 ms 一個包；

（4）用戶數(shù)：每小區(qū)約3 個用戶。

其中，端到端時延為給定信息從信息源傳輸?shù)侥康牡?，目的地正確接收所需要的時間，為單向時延?？湛跁r延主要包括基站/用戶處理時延、幀對齊時延、數(shù)據(jù)傳輸時延以及資源獲取時延（SR 過程）。上行為高清視頻，根據(jù)經(jīng)驗值扣除視頻流編碼時延30 ms，還剩20 ms，然后扣除核心網(wǎng)（本地）和傳輸各1 ms，因此空口時延18 ms。下行控制信令，端到端單向時延20 ms 扣除平臺側(cè)時延2 ms，核心網(wǎng)（本地）和傳輸各1 ms，因此空口時延為16 ms。

1.2 工廠

目前，自動導(dǎo)引車（AGV）廣泛應(yīng)用于倉儲物流、港口、工廠等場景中，負(fù)責(zé)自動運輸貨物。AGV 業(yè)務(wù)是另一個典型URLLC 應(yīng)用。圖2 給出了AGV 在工廠（室內(nèi)）的工作示意圖。工廠內(nèi)部署5G 室內(nèi)站，保證室內(nèi)的5G 覆蓋。AGV 小車在工作過程中，會周期性上報自己的狀態(tài)，該數(shù)據(jù)通過5G 網(wǎng)絡(luò)低時延地傳輸至數(shù)據(jù)管理平臺。AGV 自動控制平臺或操作人員通過該數(shù)據(jù)管理平臺監(jiān)控AGV 小車的狀態(tài)，發(fā)送操作指令，該指令通過5G 網(wǎng)絡(luò)低時延地傳送給AGV 小車，AGV 小車根據(jù)指令完成相關(guān)動作。

圖2 工廠（室內(nèi)）AGV工作示意圖

AGV 業(yè)務(wù)的主要需求指標(biāo)：

（1）可靠性：AGV 業(yè)務(wù)對于可靠性的要求較高，即99.999%；

（2）時延：端到端時延1 要求為上行/下行20 ms；空口單向時延2 為上行/下行18 ms；

（3）業(yè)務(wù)模型：上行/下行每包大小300 Byte，每50 ms一個包。

其中，端到端時延為給定信息從信息源傳輸?shù)侥康牡?，目的地正確接收所需要的時間，為單向時延?？湛跁r延主要包括基站/用戶處理時延、幀對齊時延、數(shù)據(jù)傳輸時延以及資源獲取時延（SR 過程）。上行/下行為控制信令，端到端單向時延20 ms 扣除核心網(wǎng)（本地）和傳輸各1 ms，因此上行/下行單向空口時延為18 ms。

2 系統(tǒng)建模與評估

2.1 系統(tǒng)評估參數(shù)

為使得評估結(jié)果更貼近現(xiàn)網(wǎng)，對垂直行業(yè)客戶及運營商具有更高的參考價值，本文將采用運營商典型網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行系統(tǒng)級建模評估?？紤]到TDD 在5G 中的重要地位，本文重點考慮TDD 雙工方式。不同頻段所采用的幀結(jié)構(gòu)如圖3 和圖4 所示：

圖3 2.6 GHz幀結(jié)構(gòu)

圖4 4.9 GHz幀結(jié)構(gòu)

在工廠場景中，引入了一種新的室內(nèi)基站部署方式，如圖6 所示。圖5 為3GPP[1]仿真中采用的室內(nèi)基站部署方式。這兩種部署方式的主要特點為：圖5 方式需要部署多個室內(nèi)基站（站間距20 m），成本較高；每個基站為一個小區(qū)，室內(nèi)區(qū)域有多個小區(qū)，可連接用戶數(shù)較多；室內(nèi)物體移動時，跨小區(qū)需要切換。圖6 方式僅需要部署1 個室內(nèi)基站，室內(nèi)覆蓋通過天線拉遠(yuǎn)實現(xiàn)，成本較低；該室內(nèi)區(qū)域僅有一個小區(qū)，可連接用戶數(shù)較少；室內(nèi)物體移動時，無需小區(qū)間切換?，F(xiàn)網(wǎng)中行業(yè)客戶較多采用圖6 所示的部署模式。

圖5 TR38.824中的室內(nèi)部署方式（layout1）

圖6 新的室內(nèi)部署方式（天線拉遠(yuǎn)，layout2）

（1）港口參數(shù)

本小節(jié)給出港口評估的詳細(xì)評估參數(shù)，如表1 所示。

（2）工廠參數(shù)

本小節(jié)給出工廠評估的詳細(xì)評估參數(shù)，如表2 所示。

2.2 系統(tǒng)評估結(jié)果

（1）港口評估結(jié)果

圖7～圖8 給出了港口RMG 業(yè)務(wù)在兩種頻段、兩種幀結(jié)構(gòu)、兩種ISD 下，滿足業(yè)務(wù)需求指標(biāo)的用戶占比。從評估結(jié)果可以看出，相同的ISD（350 m），2.6 GHz 采用5 ms 幀結(jié)構(gòu)時，僅可以滿足每小區(qū)一個用戶的業(yè)務(wù)指標(biāo)；4.9 GHz采用2.5 ms 幀結(jié)構(gòu)時，可以滿足每小區(qū)3 個用戶的業(yè)務(wù)指標(biāo)。

表1 港口評估參數(shù)

表2 工廠評估參數(shù)

（2）工廠評估結(jié)果

圖9～圖12 給出了工廠AGV 業(yè)務(wù)在兩種頻段、兩種幀結(jié)構(gòu)、兩種layout 下，滿足業(yè)務(wù)需求指標(biāo)的用戶占比。從評估結(jié)果可以看出，兩種layout 部署下，滿足業(yè)務(wù)需求指標(biāo)的用戶占比均為100%。

圖7 港口龍門吊2.6 GHz仿真結(jié)果（ISD350）

圖8 港口龍門吊4.9 GHz仿真結(jié)果（ISD350）

圖9 工廠AGV 2.6 GHz仿真結(jié)果（layout1）

圖10 工廠AGV 4.9 GHz仿真結(jié)果（layout1）

2.3 評估結(jié)果

圖11 工廠AGV 2.6 GHz仿真結(jié)果（layout2）

圖12 工廠AGV 4.9 GHz仿真結(jié)果（layout2）

從港口的評估結(jié)果可以看出，對于港口龍門吊業(yè)務(wù)，5 ms幀周期的TDD 幀結(jié)構(gòu)（7D:1S:2U,S:6:4:4）較難滿足每小區(qū)3 個URLLC 用戶的業(yè)務(wù)需求。在該幀結(jié)構(gòu)配置下，僅能保證每小區(qū)1 個URLLC 用戶的業(yè)務(wù)指標(biāo)。而2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)配置可以滿足業(yè)務(wù)需求。從龍門吊業(yè)務(wù)模型可以看出，每10 ms 需要傳輸6 個6.25 kB 的上行大包，而對于5 ms 幀結(jié)構(gòu)而言，每10 ms 僅有4 個上行資源。對比來看2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)，每10 ms 有6 個上行資源。從可利用的上行資源上來講，2.5 ms 雙周期的幀結(jié)構(gòu)更適合龍門吊業(yè)務(wù)。同時，2.5 ms 雙周期上下行轉(zhuǎn)換更及時，從而縮短數(shù)據(jù)傳輸后等待ACK 的時間，進(jìn)一步提高傳輸效率。

對這種上行業(yè)務(wù)較多的URLLC 應(yīng)用，建議配置較短周期且上行資源多的幀結(jié)構(gòu)。后續(xù)將大力推動產(chǎn)業(yè)支持2.5 ms單周期的幀結(jié)構(gòu)（1D:1S:3U,S:10:2:2），從而更好地匹配大上行URLLC 行業(yè)應(yīng)用。

從工廠的評估結(jié)果可以看出，對于AGV 場景，無論是layout1 還是layout2 都可以滿足業(yè)務(wù)需求。考慮到layout2 可以帶來更少的切換和更低的成本，因此推薦該類場景以layout2 方式進(jìn)行部署。

3 結(jié)束語

4G 改變生活，5G 改變社會。5G 網(wǎng)絡(luò)從設(shè)計之初，其肩負(fù)的一個重要使命就是使能垂直行業(yè)。與傳統(tǒng)的4G業(yè)務(wù)相比，5G 垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求更多樣且差異巨大，運營商公網(wǎng)較難滿足垂直行業(yè)不同的業(yè)務(wù)需求，運營商企業(yè)專網(wǎng)應(yīng)運而生。運營商企業(yè)專網(wǎng)可以通過給不同的行業(yè)客戶配置不同的頻率、不同的幀結(jié)構(gòu)、提供電信級的分級QoS 保障等，更靈活地去適配差異化巨大的垂直行業(yè)需求，為提升行業(yè)客戶的運營效率和決策智能化水平提供新的技術(shù)支撐，助力“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施。