5G URLLC標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)分析

柴麗

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

ITU 和3GPP 是最受關(guān)注和認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)組織。ITU主要負(fù)責(zé)提出指標(biāo)，指出5G 中需要解決的問(wèn)題，3GPP負(fù)責(zé)完成具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的設(shè)計(jì)和定義。

ITU 確定了5G 的三大應(yīng)用場(chǎng)景，即eMBB、mMTC和URLLC。2017 年12 月，3GPP 完成了R15 NSA 版本；2018 年6 月14 日，3GPP 發(fā)布了R15 SA 版本；而2018年底，為了保證5G 第一次部署工作的穩(wěn)定性和兼容性，3GPP 決定推遲R15 late drop 版本。R15 是目前的5G第一階段（Phase 1）的標(biāo)準(zhǔn)版本，eMBB 場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)基本完成。2019 年和2020 上半年將分別完成R15 late drop 和R16 版本，其中URLLC 是R16 的重點(diǎn)討論課題。本文將從R15 和R16 兩個(gè)階段來(lái)討論URLLC 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

1 URLLC R15 標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)

1.1 超低時(shí)延技術(shù)方案

5G 的一大強(qiáng)勁優(yōu)勢(shì)就是可以支持超低延遲，在4G網(wǎng)絡(luò)，打游戲的時(shí)候延遲還停留在幾十毫秒的水平，而在車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，這樣的延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到要求。而5G 技術(shù)不僅要滿足普通用戶的語(yǔ)音、視頻和游戲等需求，更要賦能工業(yè)4.0，作為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)字化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的利器，只有更低的時(shí)延，更高的可靠性才能夠滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)甚至自動(dòng)駕駛技術(shù)的需要。在R15 階段，3GPP 定義的URLLC 上行和下行的用戶面時(shí)延目標(biāo)都是0.5 ms。所謂用戶面時(shí)延，即一個(gè)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包/消息從無(wú)線協(xié)議層2 或?qū)? 進(jìn)入后，從對(duì)端的無(wú)線協(xié)議層2 或?qū)? 傳出所需要的時(shí)間[1]。

在3GPP 的R15 階段，物理層主要形成了一些針對(duì)超低時(shí)延需求的技術(shù)方案，包括相對(duì)于LTE 的更靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、子載波間隔、占用帶寬、調(diào)度周期和HARQ反饋以及HARQ-less 的無(wú)須PDCCH 配置激活的type 1的上行配置授權(quán)（Configured Grant,CG）的引入[2]。具體來(lái)說(shuō)，首先是更豐富更靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相對(duì)于LTE只支持15 kHz 的子載波間隔，每個(gè)子幀的固定長(zhǎng)度是1 ms，由兩個(gè)時(shí)隙組成，且每個(gè)時(shí)隙包含7 個(gè)OFDM 符號(hào)。NR 支持多種OFDM 子載波間隔（SCS），sub 6 GHz以下頻段可支持15 kHz/30 kHz/60 kHz 等OFDM 子載波間隔配置，每個(gè)子幀（固定長(zhǎng)度1 ms）包含2μ 個(gè)時(shí)隙。因?yàn)镺FDM 子載波間隔是體現(xiàn)子載波帶寬的參數(shù)，在頻域上從LTE 固定的15 kHz 增加至30 kHz 和60 kHz，這就意味著一個(gè)slot 的時(shí)長(zhǎng)從1ms 縮減到60 kHz 的子載波間隔所對(duì)應(yīng)的0.25 ms。

NR 支持更靈活的調(diào)度單位，URLLC 在某些場(chǎng)景下可以用2 個(gè)或者4 個(gè)時(shí)間符號(hào)作為一個(gè)包括常規(guī)CP 的調(diào)度TTI，這樣對(duì)于短slot（也稱“迷你”時(shí)隙，mini-slot）可以大幅降低空口傳輸時(shí)延和UE/基站的處理時(shí)間。為了保證高優(yōu)先級(jí)URLLC 業(yè)務(wù)需求，NR 設(shè)計(jì)了URLLC業(yè)務(wù)可以搶占eMBB 業(yè)務(wù)資源來(lái)降低時(shí)延。

1.2 超高可靠性技術(shù)方案

超高的可靠性是5G 網(wǎng)絡(luò)又一新的優(yōu)勢(shì)，R15 階段，3GPP 定義的URLLC 業(yè)務(wù)的可靠性需求是在用戶面時(shí)延為1 ms 的限制下，一個(gè)數(shù)據(jù)包一次傳輸32 Byte 的PDCCH 的解調(diào)成功率不能低于99.999%[1]。

在物理層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作中，為了既能滿足超低時(shí)延，又能同時(shí)保障URLLC 的超高可靠性，即PDCCH的解調(diào)成功率不能低于99.999%，所以，標(biāo)準(zhǔn)引入了小負(fù)載DCI 設(shè)計(jì)（Compact DCI)，從而可以提高聚合等級(jí)（Aggregation Level）。和利用傳統(tǒng)的聚合等級(jí)進(jìn)行PDCCH 檢測(cè)相比，PDCCH 的盲檢次數(shù)會(huì)進(jìn)一步減少。這種Compact DCI 的控制信令包括一種指示比傳統(tǒng)低的調(diào)制等級(jí)和編碼率的MCS 表，更少的HRAQ 進(jìn)程數(shù)和更少的MIMO 相關(guān)的天線端口模式[2]。

通過(guò)在發(fā)射機(jī)側(cè)和接收機(jī)側(cè)配置多根天線，支持單用戶單流傳輸模式，最大化無(wú)線鏈路的分集階數(shù)的分集技術(shù)來(lái)提高可靠性。通過(guò)支持多TRP 傳輸機(jī)制，即兩個(gè)或多個(gè)不同的TRP 向UE 發(fā)送相同的數(shù)據(jù)分組或者控制分組，實(shí)現(xiàn)空間分集增益來(lái)提高可靠性。

在高層的標(biāo)準(zhǔn)討論中，在基于LTE 的雙連接的DRB Split（數(shù)據(jù)承載分離技術(shù)）的協(xié)議架構(gòu)和技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了支持PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）的數(shù)據(jù)包的復(fù)制機(jī)制，發(fā)送端在PDCP 層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，然后將兩個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送到兩個(gè)獨(dú)立的邏輯信道傳輸，實(shí)現(xiàn)頻率分集增益，提高可靠性[3]。

2 URLLC 和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)R16 標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 超低時(shí)延及確定性服務(wù)技術(shù)方案

3GPP 在R16 階段對(duì)URLLC 進(jìn)行了全面增強(qiáng)，提出降低時(shí)延的方案，同時(shí)，為了真正達(dá)到5G 使能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的目的，在標(biāo)準(zhǔn)上深度討論和制定了支持TSN（Time Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）上的確定性業(yè)務(wù)的方案。所謂確定性業(yè)務(wù)，即具有周期性、確定性和數(shù)據(jù)大小固定等特點(diǎn)，同時(shí)有的業(yè)務(wù)也具有低時(shí)延和高可靠性的要求。為了同時(shí)滿足這些苛刻的業(yè)務(wù)需求，R16 深入討論了時(shí)間同步和TSN 支持問(wèn)題。表1 為TSC 業(yè)務(wù)的場(chǎng)景和需求。

表1 TSC業(yè)務(wù)的場(chǎng)景和需求[1-6]

（1）提升時(shí)間同步的精度

為了支持TSN 業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感傳輸，保證主時(shí)鐘和終端時(shí)鐘的精確時(shí)鐘同步。RAN2 和RAN3 同步評(píng)估了SA1 發(fā)送的聯(lián)絡(luò)函中的業(yè)務(wù)特性的可行性評(píng)估和對(duì)5G 系統(tǒng)架構(gòu)的影響。在多種備選的架構(gòu)方案中，RAN2傾向采用一種5G 系統(tǒng)作為黑盒子的架構(gòu)，并發(fā)送給了SA2 和SA1。最終，多次激烈的討論后，SA2 決定了如圖1 所示的時(shí)間同步架構(gòu)。

圖1 5G系統(tǒng)支持TSN業(yè)務(wù)的參考時(shí)間同步架構(gòu)圖[8]

在這個(gè)架構(gòu)中，5G 系統(tǒng)作為TSN 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)透明傳輸?shù)木W(wǎng)橋（Bridge），整個(gè)5G 系統(tǒng)被視為一個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)。只有在5G 系統(tǒng)邊緣的TSN 轉(zhuǎn)換器（TSN Translators,TTs）需要支持IEEE 802.1AS 協(xié)議功能[9]。UE、gNB、UPF、NW-TT 和DS-TTs 都和5G GM（5G 系統(tǒng)的內(nèi)部時(shí)鐘）保持高精度的同步。在5G 系統(tǒng)邊緣的TSN 轉(zhuǎn)換器（TTs）執(zhí)行所有IEEE 802.AS 的協(xié)議功能，例如，支持(g)PTP 協(xié)議功能、時(shí)間戳、最優(yōu)主時(shí)鐘算法等。5G 系統(tǒng)作為TSN 系統(tǒng)的一個(gè)網(wǎng)元，需要接收從TSN 的時(shí)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(shí)間延時(shí)來(lái)更新時(shí)間信息。并且，所有的時(shí)間信息的更新處理目前都是在5G 系統(tǒng)的邊緣，即由UE 轉(zhuǎn)換器或UPF 轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行處理。

為了適應(yīng)TSN 網(wǎng)絡(luò)的高精度的時(shí)間同步需求，標(biāo)準(zhǔn)上在NR 引入了高精度的參考時(shí)間發(fā)送機(jī)制，可以有廣播消息（SIB9）或者專用的RRC 消息（DLInformationTransfer消息）[4]發(fā)送，時(shí)間粒度從10 ms 增強(qiáng)到了10 ns。

根據(jù)RAN1 的仿真結(jié)果，RAN2 假設(shè)對(duì)于子載波間隔為15 kHz 的用戶在服務(wù)范圍大于200 m 的場(chǎng)景下是需要時(shí)延補(bǔ)償?shù)?。但在Release 16 階段，RAN1 只是提供了在TDD 和FDD 的場(chǎng)景下，基站和UE 的傳輸時(shí)延補(bǔ)償可以根據(jù)時(shí)間提前量的一半來(lái)做結(jié)論，即NTA×Tc/2，并不包括NTA_offset。而且RAN1 雖然討論了很多關(guān)于什么時(shí)候和怎么來(lái)執(zhí)行傳輸時(shí)延補(bǔ)充的問(wèn)題，但在Release 16 階段沒(méi)有結(jié)論。同時(shí)，在時(shí)鐘同步方面，對(duì)RAN1 的38.200協(xié)議并沒(méi)有影響。

（2）支持TSN 確定性業(yè)務(wù)技術(shù)

為了給TSN 業(yè)務(wù)提供確定性傳輸，標(biāo)準(zhǔn)上引入了TSN 的輔助信息的定義，使得TSN 網(wǎng)絡(luò)可以從核心網(wǎng)獲取該業(yè)務(wù)的周期、數(shù)據(jù)大小等信息，基于這些信息，基站可以為TSN 業(yè)務(wù)預(yù)下半靜態(tài)的配置和TSN 業(yè)務(wù)更加匹配的通信資源，當(dāng)TSN 數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，不需要通過(guò)調(diào)度請(qǐng)求從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取資源，從而降低了等待資源的時(shí)間。表2 為TSC 輔助時(shí)間信息：

表2 TSC輔助時(shí)間信息[8]

進(jìn)一步，為了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多種業(yè)務(wù)需求，匹配不同業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)間規(guī)律，或者為了提升單個(gè)URLLC 的可靠性，R16 支持為UE 的一個(gè)BWP 配置多個(gè)半持續(xù)調(diào)度（SPS,Semi-Persistent Scheduling）和配置授權(quán)CG 配置。為了節(jié)省發(fā)送時(shí)延，還需要進(jìn)一步討論和標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)頭壓縮機(jī)制，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低時(shí)延。

2019 年3GPP 多次討論了CG 的業(yè)務(wù)周期和TSN業(yè)務(wù)的周期不匹配問(wèn)題。因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)周期以毫秒為單位，而TSN 業(yè)務(wù)的周期以赫茲為單位。例如，在智能電網(wǎng)中，數(shù)據(jù)包的周期可能為1 Hz/1 200 Hz，即0.833 ms，如表3 所示：

表3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的用例[7]

因此，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)線資源配置周期與TSN 業(yè)務(wù)周期不匹配的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致基站需要在一定時(shí)間間隔后，重新匹配CG 的資源參數(shù)，否則數(shù)據(jù)包等待的時(shí)間將越來(lái)越長(zhǎng)。為了降低該問(wèn)題導(dǎo)致的TSN 業(yè)務(wù)的資源等待時(shí)延，會(huì)議上各公司提出了基站利用bitmap 或者pattern等方式告知UE。TSN 業(yè)務(wù)的時(shí)間特性，讓UE 可以根據(jù)TSN 業(yè)務(wù)的時(shí)間特性在配置的CG 時(shí)間資源上選擇有效的資源，但因?yàn)榉桨覆皇諗浚罱K在投票過(guò)程中，同意了根據(jù)TSN 業(yè)務(wù)周期為其配置更短周期的半靜態(tài)資源調(diào)度以及配置多個(gè)具有相同周期不同時(shí)間偏置的半靜態(tài)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

在Release 15 的業(yè)務(wù)包調(diào)度優(yōu)先級(jí)定義中，動(dòng)態(tài)調(diào)度的包的優(yōu)先級(jí)總是高于配置授權(quán)，所以，eMBB 的動(dòng)態(tài)授權(quán)優(yōu)先于URLLC 的配置授權(quán)。為了進(jìn)一步滿足URLLC 業(yè)務(wù)的超低時(shí)延需求，Release 16 階段，RAN1和RAN2 工作組進(jìn)行了UE 內(nèi)優(yōu)先級(jí)和復(fù)用機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)化工作，對(duì)多種場(chǎng)景展開了分析和討論。討論的場(chǎng)景包括UE 內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)和配置授權(quán)的數(shù)據(jù)資源沖突場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)之間的資源沖突場(chǎng)景，控制信息（如調(diào)度請(qǐng)求SR、HARQ 反饋和CSI）之間的資源沖突場(chǎng)景以及控制信息（如調(diào)度請(qǐng)求SR、HARQ 反饋和CSI）和調(diào)度數(shù)據(jù)之間的資源沖突場(chǎng)景。同時(shí)，Release 16 增強(qiáng)了現(xiàn)有的LCH 優(yōu)先級(jí)和邏輯信道優(yōu)先級(jí)（LCP,Logical Channel Prioritization）的選擇方案，從而實(shí)現(xiàn)了UE 對(duì)具有更高優(yōu)先級(jí)的URLLC 的上行數(shù)據(jù)包的優(yōu)先調(diào)度和發(fā)送。為了實(shí)現(xiàn)這種增強(qiáng)機(jī)制，DCI 控制信令中的增加了可以體現(xiàn)可靠性等級(jí)的指示，RRC 信令中配置了和邏輯信息匹配的半靜態(tài)配置的資源，如CG 和SPS。標(biāo)準(zhǔn)化了在資源碰撞時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包的重傳處理機(jī)制，即可以通過(guò)基站重傳調(diào)度的資源，或者UE 自動(dòng)選擇同一HARQ 進(jìn)程的相同或不同的配置授權(quán)資源上的資源進(jìn)行重傳。

2.2 超高可靠性增強(qiáng)技術(shù)方案

為了進(jìn)一步滿足部分業(yè)務(wù)對(duì)于可靠性的苛刻要求，即1 ms 單向時(shí)延下99.999 9%的可靠性要求，R16 階段做了如下增強(qiáng)方案。

為了支持PDCP 復(fù)制增強(qiáng)機(jī)制，R15 支持兩條支路的PDCP 復(fù)制，為了實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，R16 支持最多四條支路（即RLC 實(shí)體）的PDCP 復(fù)制，即由基站通過(guò)RRC 消息進(jìn)行多套腿的初始配置，然后由基站根據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)送性能情況和無(wú)線資源的信道質(zhì)量情況進(jìn)行靈活的激活/去激活操作。在標(biāo)準(zhǔn)方案的選擇過(guò)程中，充分評(píng)估了冗余發(fā)送導(dǎo)致的開銷和協(xié)議復(fù)雜度與增益的比重。該機(jī)制可通過(guò)CA 復(fù)制、DC 復(fù)制以及CA 復(fù)制和DC 復(fù)制的組合實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)上仍然保持了只有兩個(gè)基站參與復(fù)制發(fā)送的限制。討論期間雖然探討了基于UE 的激活/去激活和基于包的PDCP 復(fù)制發(fā)送的功能設(shè)計(jì)，最終被降為低優(yōu)先級(jí)的議題，目前未被采納，雖然關(guān)注和支持的公司也不在少數(shù)。為了支持多于兩條腿激活/去激活的機(jī)制，在R15 的冗余發(fā)送激活/去激活的MAC CE 的基礎(chǔ)上做增強(qiáng)，設(shè)計(jì)了新的MAC CE，如圖2 所示：

圖2 R16冗余發(fā)送激活/去激活MAC CE[5]

與此同時(shí)，SA2 工作組也通過(guò)了更高層的冗余傳輸?shù)亩噙B接機(jī)制，例如，通過(guò)MgNB 和SgNB 建立兩條獨(dú)立的端到端PDU 會(huì)話實(shí)現(xiàn)分集增益，提高可靠性，主要是引入了以下的多連接方案。

基于雙連接的用戶面冗余傳輸方案（如圖3 所示），即UE 分別和兩個(gè)基站及用戶面控制管理功能節(jié)點(diǎn)（UPF,User Plane Function）分別建立兩條路徑，從而通過(guò)冗余傳輸達(dá)到可靠性傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖3 基于雙連接的高層用戶面冗余傳輸方案[10]

同時(shí)，還有一種基于N3 接口的冗余傳輸（如圖4 所示），即通過(guò)兩條冗余的，具有獨(dú)立路由信息的N3 通道發(fā)送給UPF，通過(guò)兩條獨(dú)立的傳輸層路徑可以實(shí)現(xiàn)分集增益，提高可靠性。

圖4 基于N3接口的冗余傳輸架構(gòu)[10]

同時(shí)在物理層也進(jìn)一步增強(qiáng)了多TRP 傳輸方式，在R15 的基礎(chǔ)上提出，可以基于空分、頻分、時(shí)隙內(nèi)時(shí)分和時(shí)隙間時(shí)分等方式進(jìn)行傳輸塊的冗余發(fā)送，為了提高分集增益，還支持上述模式的組合以及不同模式間的動(dòng)態(tài)切換。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著R16 技術(shù)的逐步完善，URLLC 將通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到各垂直行業(yè)。同時(shí)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和確定性要求更加苛刻，例如達(dá)到99.999 999%。為此，3GPP R17 啟動(dòng)了新的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究。下一步，針對(duì)物理層的反饋方案將做進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)UE 業(yè)務(wù)優(yōu)先權(quán)與復(fù)用方案，上行UCI與數(shù)據(jù)復(fù)用方案等進(jìn)行增強(qiáng)。隨著AI 技術(shù)的滲透，探索AI 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中面臨的新的確定性需求及其標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵技術(shù)，這將是未來(lái)的重點(diǎn)方向。