URLLC應(yīng)用場景及未來發(fā)展研究

李靜，董秋麗，廖敏

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

ITU 在eMBB、mMTC、URLLC[1]這三大應(yīng)用場景上做出了一定規(guī)劃，5G 技術(shù)的三大場景應(yīng)用性和前幾代無線通信技術(shù)相比有巨大提升，它必將帶來一些目前無法想象出的應(yīng)用。5G 作為改變社會(huì)，改變生活的技術(shù)，它與上一代網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別不僅是速率的差異大小，而是低時(shí)延，5G 網(wǎng)絡(luò)可以將4G 網(wǎng)絡(luò)下的時(shí)延提升至人類感知不到的范圍，所以到5G 應(yīng)用的成熟階段，行業(yè)應(yīng)用將從大帶寬的特點(diǎn)向低時(shí)延、高可靠的方面拓展，對應(yīng)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能制造和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等高價(jià)值應(yīng)用預(yù)計(jì)將于2022 年廣泛進(jìn)入市場，助力運(yùn)營商通過開放網(wǎng)絡(luò)能力，打造差異化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，推動(dòng)移動(dòng)通信行業(yè)與其它垂直行業(yè)合作探索新領(lǐng)域。

本文聚焦超可靠低時(shí)延通信URLLC 的應(yīng)用場景，這一應(yīng)用場景涵蓋以人為中心的通信和以機(jī)器為中心的通信，使用案例的特點(diǎn)是對時(shí)延、可靠性和高可用性有嚴(yán)格的要求。URLLC 的應(yīng)用場景變化范圍非常大，端到端時(shí)延從幾毫秒到幾百毫秒，可靠性從兩個(gè)九到六個(gè)九，吞吐率從幾千到幾百兆字節(jié)每秒[2]等，需要平衡和兼顧如此大的需求范圍是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。為了更好地了解URLLC 所能帶來的商業(yè)機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，本文提煉三大URLLC 典型應(yīng)用場景進(jìn)行分析，希望借此幫助行業(yè)了解URLLC 的場景需求、關(guān)鍵問題和解決方案。

1 汽車應(yīng)用場景

隨著R16 URLLC 低時(shí)延高可靠階段的到來,智能車網(wǎng)聯(lián)化應(yīng)用逐步具備落地的條件，它可在一定成本范圍內(nèi)，大幅提高車輛感知距離和感知信息范圍，且不受惡劣天氣影響，提升車輛智能駕駛的速度和安全性，從而提高主動(dòng)安全駕駛，將有效緩解城市道路擁堵現(xiàn)象，提升交通資源調(diào)配效率，提高出行率，實(shí)現(xiàn)城市智慧交通[8]。

1.1 典型應(yīng)用分析

URLLC 可以用于在道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)化控制，低時(shí)延和高可靠的5G 連接用來連接道路兩旁的基礎(chǔ)設(shè)施，如路桿、交通燈、指示牌等，如圖1 所示。

車路協(xié)同應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求如表1 所示：

圖1 車路協(xié)同示意圖

表1 車路協(xié)同應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求

1.2 典型應(yīng)用挑戰(zhàn)

在汽車應(yīng)用URLLC 的初期，電信運(yùn)營商、通信系統(tǒng)設(shè)備商、應(yīng)用服務(wù)商、交通管理部門、行業(yè)業(yè)主和車企等多家企業(yè)聯(lián)合起來，通過合作共贏、優(yōu)勢互補(bǔ)[4]的方式，快速推出面向市場成熟可用的車聯(lián)網(wǎng)解決方案，共同打造車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。汽車應(yīng)用URLLC 的需求包括傳統(tǒng)的覆蓋、容量、時(shí)延、可靠性、速率、移動(dòng)性、安全、成本、功耗等，由于URLLC 繼承了蜂窩產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈和先進(jìn)的芯片，安全、成本、移動(dòng)性、功耗和容量都不是太大的問題，覆蓋、速率、時(shí)延、可靠性將是未來URLLC 在汽車應(yīng)用方面主要面臨的挑戰(zhàn)。

2 工業(yè)制造應(yīng)用場景

智能工廠是一個(gè)典型的5G URLLC 應(yīng)用場景。這是由于工業(yè)制造應(yīng)用場景的技術(shù)要求非常嚴(yán)格，時(shí)延要求一般在幾毫秒[5]之內(nèi)，并且需要極高的可靠性。

2.1 典型應(yīng)用分析

工廠自動(dòng)化[6]是工業(yè)制造應(yīng)用場景下的一個(gè)典型應(yīng)用，通過5G 的低時(shí)延和高可靠性的特性，把生產(chǎn)線的設(shè)備無線連接至邊緣云平臺(tái)，可以集中數(shù)據(jù)收集，實(shí)時(shí)分析和管理，協(xié)作和操控機(jī)器人等等，最終把生產(chǎn)線數(shù)碼化和自動(dòng)化，而整體的生產(chǎn)力和運(yùn)作成本也可以優(yōu)化。工廠自動(dòng)化中包含各種機(jī)別的移動(dòng)機(jī)器人控制，主要用于工廠室內(nèi)或室外環(huán)境，覆蓋面積要求在1 km2左右，終端數(shù)目在100 以下。具體的技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 工廠自動(dòng)化應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求

2.2 典型應(yīng)用挑戰(zhàn)

5G URLLC 場景致力于擴(kuò)展更多可支持的業(yè)務(wù)模型，但距離真正的工業(yè)自動(dòng)化依然有很長的一段路要走。為滿足URLLC 低時(shí)延高可靠的需求，應(yīng)用最好部署在授權(quán)頻段上，可以使用地方政府授權(quán)的頻段，或者轉(zhuǎn)租運(yùn)營商現(xiàn)有的頻段。這就要求運(yùn)營商在做頻譜規(guī)劃的時(shí)候考慮這一因素。

3 電力應(yīng)用場景

電力應(yīng)用場景[7]下，通信的節(jié)點(diǎn)位于非常細(xì)的末梢樹枝上，甚至到了葉子節(jié)點(diǎn)，對于通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和終端成本提出了很高的要求，光纖由于建設(shè)成本高難以支撐這類應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)是最經(jīng)濟(jì)的選擇。由于電力入網(wǎng)需要對齊相位，因而需要調(diào)整發(fā)電機(jī)組的相位以便與網(wǎng)絡(luò)整體銜接，高精度的測量、低時(shí)延的反饋和控制更加有利于實(shí)現(xiàn)相位對齊。從長遠(yuǎn)來看，電力應(yīng)用場景對URLLC的需求會(huì)逐漸增加，并且處于高速的發(fā)展軌道上。

3.1 典型應(yīng)用分析

本節(jié)將重點(diǎn)介紹輸配電自動(dòng)化場景中的典型應(yīng)用——分布式FA。分布式FA 主要應(yīng)用于配電領(lǐng)域，其主要目的是避免發(fā)生電力事故時(shí)導(dǎo)致大面積停電，從而提高供電的可靠性，降低因突發(fā)停電造成的事故和經(jīng)濟(jì)損失，提升人民群眾的生活滿意度。URLLC 可以使得各個(gè)層級電閘同時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)，因而整個(gè)供電系統(tǒng)只需要一個(gè)級差，這可以大大降低對供電設(shè)備的要求，相當(dāng)于配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了一次革命。分布式FA 應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求如表3 所示：

表3 分布式FA應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)要求

3.2 典型應(yīng)用挑戰(zhàn)

為滿足電力應(yīng)用場景，要求電網(wǎng)保護(hù)智能終端通信穩(wěn)定可靠，相關(guān)聯(lián)的智能保護(hù)終端需要在時(shí)間誤差范圍內(nèi)收到相鄰節(jié)點(diǎn)的電流信息，從而保障故障判斷的有效性和準(zhǔn)確定。運(yùn)營商可以幫助電力企業(yè)部署和運(yùn)維5G網(wǎng)絡(luò)，或者采用以租代建的方式；運(yùn)營商可以通過部署URLLC 網(wǎng)絡(luò)切片[9]等技術(shù)來滿足業(yè)務(wù)的低時(shí)延需求，針對終端設(shè)備可連接數(shù)收費(fèi)，也可以按照軟硬件流量整體打包的方式收取功能服務(wù)費(fèi)，也可按照將功能服務(wù)費(fèi)捆綁網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，對企業(yè)統(tǒng)一收取整體解決方案服務(wù)費(fèi)。

4 網(wǎng)絡(luò)切片助力URLLC 業(yè)務(wù)

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很難滿足5G 時(shí)代如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)需求，因此網(wǎng)絡(luò)切片的概念應(yīng)運(yùn)而生。具體的網(wǎng)絡(luò)切片方法有很多種，最基本的是按照三大業(yè)務(wù)場景進(jìn)行切片，即分成eMBB 切片、mMTC 切片和URLLC 切片三大類。由于這三大類的實(shí)現(xiàn)技術(shù)（尤其是無線側(cè)的技術(shù)）不一樣，所以這三大場景內(nèi)部可以根據(jù)服務(wù)等級、網(wǎng)絡(luò)制式或者企業(yè)不同進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。下面將從部署和策略兩個(gè)方面進(jìn)URLLC 切片方案的設(shè)計(jì)，靈活的URLLC 切片方案將助力垂直行業(yè)典型應(yīng)用在5G 網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展。

4.1 部署方案

針對URLLC 業(yè)務(wù)，考慮成本與組網(wǎng)復(fù)雜度，優(yōu)選在SA 架構(gòu)下支持URLLC 部署?？苫诓煌瑢?shí)體設(shè)備實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)切片，URLLC 可采用UPF 下沉的方式，采用更接近前端部署的UPF。同時(shí)，傳輸網(wǎng)絡(luò)也可采用差異化的策略來實(shí)現(xiàn)傳輸切片，如eMBB 可采用softVPN，而URLLC 可采用FlexE 技術(shù)，部署方案示例如圖2 所示：

圖2 URLLC切片部署方案示例

表4 給出了URLLC 使用不同頻段和技術(shù)時(shí)的技術(shù)指標(biāo)，綜合對比下，現(xiàn)主要推薦使用FDD 頻段支持URLLC 業(yè)務(wù)。

表4 URLLC頻率需求情況對比

4.2 策略方案

針對URLLC 切片與eMBB 切片對于可靠度、低時(shí)延等方面的要求差異，整體策略上的差異可體現(xiàn)為：

（1）低時(shí)延保障

URLLC 切片業(yè)務(wù)基于mini-slot 進(jìn)行調(diào)度，而eMBB切片基于slot 進(jìn)行調(diào)度。具有URLLC 切片業(yè)務(wù)的UE，上行可配置上行免授權(quán)方式進(jìn)行上行傳輸，減小SR 與信令調(diào)度方面的時(shí)延開銷。針對URLLC 的切片業(yè)務(wù)，相較于eMBB 切片業(yè)務(wù)，降低其期望的目標(biāo)BLER，而后根據(jù)降低后的期望BLER 進(jìn)行外環(huán)調(diào)整，以相對保守的調(diào)度策略減少重傳，達(dá)到降低時(shí)延的目的。URLLC 的切片業(yè)務(wù)，使用LowSE（低頻譜效率）的MCS 與CQI 映射表格（99.999%可靠度），保證傳輸可靠度，而相對保守的調(diào)度策略可幫助減少重傳，達(dá)到降低時(shí)延的目的，而eMBB的切片業(yè)務(wù)使用常規(guī)的MCS 與CQI 映射表格（90%可靠度）。相較于eMBB 切片業(yè)務(wù)，由于URLLC 切片業(yè)務(wù)的低時(shí)延要求，可采用更為嚴(yán)格的接納算法配置，進(jìn)行URLLC 切片對應(yīng)的用戶數(shù)與承載數(shù)限制。

（2）高可靠傳輸保障

相較于eMBB 切片業(yè)務(wù)，URLLC 部分高可靠傳輸保障的策略與低時(shí)延保障中的相同，其中包括降低期望的目標(biāo)BLER、使用LowSE 的MCS 與CQI 映射表格等。從資源利用率的角度考慮，URLLC 切片業(yè)務(wù)可考慮重復(fù)發(fā)送，并且由于URLLC 業(yè)務(wù)的時(shí)延敏感特性，采用基于上行免授權(quán)的重復(fù)發(fā)送較為適合。

（3）資源保障

上行/下行URLLC 的切片業(yè)務(wù)均可與eMBB 的切片業(yè)務(wù)進(jìn)行半靜態(tài)頻分配置（采用不同調(diào)度器），調(diào)度器預(yù)留一定比例資源以保障URLLC 的切片業(yè)務(wù)。下行支持不同UE 間的URLLC 的切片業(yè)務(wù)與eMBB 的切片業(yè)務(wù)進(jìn)行打孔搶占，保證URLLC 切片業(yè)務(wù)的傳輸資源。

5 面臨的挑戰(zhàn)

前面列舉分析的應(yīng)用場景僅是5G URLLC 相對典型的一部分，更多的應(yīng)用相信未來會(huì)隨著技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟如雨后春筍般出現(xiàn)。但是5G URLLC 的應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)、頻譜及網(wǎng)絡(luò)部署、終端和商業(yè)模式等方面都面臨巨大的挑戰(zhàn)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前的3GPP R15 標(biāo)準(zhǔn)主要定義了eMBB 的技術(shù)規(guī)范，而真正作為5G 革命性技術(shù)的URLLC 和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)要在3GPP R16 才能得以完善。URLLC 的各種功能當(dāng)前還在R16 技術(shù)規(guī)范討論中。其他功能如mMTC 更要到R17 才會(huì)定義。3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)在2020 年確定，而商業(yè)部署和產(chǎn)業(yè)鏈成熟也需要標(biāo)準(zhǔn)確定后的若干年才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。

（2）頻譜及網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前國內(nèi)的5G 頻譜主要應(yīng)用于eMBB 業(yè)務(wù)，例如3.5 GHz 和2.6 GHz 頻段。如前面所提到的，eMBB 和URLLC 業(yè)務(wù)，尤其是極高要求（Critical/Ultra-Cricital）的URLLC 業(yè)務(wù)，可能難以在同一張物理網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)應(yīng)用。而即使采用了網(wǎng)絡(luò)切片方式的虛擬專網(wǎng)也可能因?yàn)閼?yīng)用場景的巨大差異而使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維變得復(fù)雜，所以運(yùn)營商或許需要考慮使用專用的頻段和物理網(wǎng)絡(luò)來部署URLLC，比如FDD 頻譜重耕等。而又因?yàn)閁RLLC 應(yīng)用于各種垂直行業(yè)，各行各業(yè)的應(yīng)用場景不盡相同，如覆蓋大小、移動(dòng)性、時(shí)延、吞吐率、可靠性等指標(biāo)要求不一致，使得URLLC的頻譜策略和網(wǎng)絡(luò)部署變得復(fù)雜和難以平衡。

不同于eMBB 業(yè)務(wù)的終端，URLLC 業(yè)務(wù)終端將更多應(yīng)用于垂直行業(yè)。有的終端追求性能，有的追求功耗和成本，各種行業(yè)應(yīng)用要求不盡相同，因此終端的產(chǎn)品形態(tài)將呈現(xiàn)多樣化和定制化趨勢，這對于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟周期也提出了新的要求。

（3）商業(yè)模式

由于URLLC 業(yè)務(wù)將更多應(yīng)用于垂直行業(yè)，而各行各業(yè)的應(yīng)用場景和需求不盡相同。這要求服務(wù)提供商能根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化定制和設(shè)定靈活的策略及接口。雖然5G 引入網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)技術(shù)使得垂直行業(yè)應(yīng)用和定制變得更加標(biāo)準(zhǔn)化，但是商業(yè)模式和運(yùn)維上仍然充滿了新的和不可預(yù)知的挑戰(zhàn)。無論是電信運(yùn)營商、互聯(lián)網(wǎng)公司，還是系統(tǒng)設(shè)備商、終端制造商，均需要產(chǎn)業(yè)圈各方通力合作，進(jìn)行5G URLLC 全方位生態(tài)建設(shè)，打造5G URLLC 業(yè)務(wù)落地的示范效應(yīng)，推動(dòng)5G URLLC 生態(tài)圈不斷壯大[10]。

6 結(jié)束語

為了更好地了解URLLC 所能帶來的商業(yè)機(jī)會(huì)，本文選取了三大最有前景的應(yīng)用場景進(jìn)行分析，希望借此幫助行業(yè)了解URLLC 技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)展和挑戰(zhàn)。雖然目前URLLC 技術(shù)的成熟落地還有一段窗口期，但是其低時(shí)延高可靠的無線屬性勢必將會(huì)成為未來智慧交通、工業(yè)制造、智慧能源等垂直行業(yè)轉(zhuǎn)型升級不可或缺的支撐技術(shù)，其毫秒級的時(shí)延、六個(gè)九的高可靠性和百兆以上的傳輸速率，保證其能夠與特定垂直行業(yè)的各環(huán)節(jié)融合。5G 的三大服務(wù)場景URLLC、eMBB 和mMTC 其天然的差異性將引領(lǐng)未來關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施和重要應(yīng)用逐步架構(gòu)在5G 網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)發(fā)展上，所以本文深入探討了URLLC 切片的解決方案，結(jié)合部署和無線策略的合理設(shè)計(jì)，可針對性地滿足不同應(yīng)用場景的需求，有助于URLLC 賦能垂直行業(yè)的良性發(fā)展。