無線超可靠低時延通信：關(guān)鍵設(shè)計(jì)分析與挑戰(zhàn)

伏玉筍，楊根科,2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)寧波人工智能研究院，浙江 寧波 315000）

1 引言

從20 世紀(jì)80 年代以來，移動通信技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)從固定到移動、模擬到數(shù)字、電路交換到云網(wǎng)融合、窄帶到寬帶，以及人人互聯(lián)到萬物智聯(lián)的演進(jìn)，為社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷注入新的動力，帶動了整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展，同時也提出了更高的生態(tài)系統(tǒng)需求。5G 時代的到來，促使5G 與人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等融合交織，在各行各業(yè)產(chǎn)生“聚變”反應(yīng)。

3GPP 在5G 考慮了3 種不同的業(yè)務(wù)類別：增強(qiáng)移動寬帶通信（eMBB,enhanced mobile broadband），如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR,augmented reality/virtual reality）等，增強(qiáng)移動寬帶場景主要是以人為中心的通信；大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC,massive machine type communication），這是一個純粹的以機(jī)器為中心的使用場景，主要特點(diǎn)是終端數(shù)量龐大；超可靠低時延通信（URLLC,ultra-reliable and low-latency communication），這是一個涵蓋以人為中心和以機(jī)器為中心的通信場景，常被稱為關(guān)鍵機(jī)器類通信（C-MTC,critical machine type communication）。URLLC 場景應(yīng)用案例的特點(diǎn)是對時延、可靠性和可用性有嚴(yán)格的要求，比如有安全要求的車輛間的通信、工業(yè)設(shè)備的無線控制、遠(yuǎn)程手術(shù)及智能電網(wǎng)中的分布式自動化；又如以人為中心的3D游戲和“觸覺互聯(lián)網(wǎng)”，其特點(diǎn)是低時延和超高數(shù)據(jù)速率。

這3 個場景并沒有涵蓋所有可能的應(yīng)用案例，而是提供了一個對大多數(shù)可預(yù)見的應(yīng)用情況的分類，來分析5G 無線接入所需要的關(guān)鍵能力，這意味著新的無線接口必須具有高度的靈活性以支持未來可能的新應(yīng)用?？紤]對垂直業(yè)務(wù)的有效支撐，能為整個電信行業(yè)帶來新的業(yè)務(wù)，URLLC 在其中扮演著非常重要的角色，因此，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界都已做了大量研究[1-120]，但大都側(cè)重某一方面進(jìn)行研究，或者不夠全面的“綜述”類研究[1-2]。本文基于“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”視角，首先從應(yīng)用場景和需求著手，全面分析了URLLC 所涉及的關(guān)鍵技術(shù)及可能的方案，包括從需求到架構(gòu)和解決方案總體、端到端服務(wù)質(zhì)量（QoS,quality of service）管理，然后重點(diǎn)對物理層檢測性能要求、媒體接入控制（MAC,media access control）層鏈路自適應(yīng)、無線資源管理（包括小區(qū)內(nèi)無線資源管理和小區(qū)間無線資源管理）、端到端分集方案（包括從應(yīng)用層到核心網(wǎng)、接入網(wǎng)）進(jìn)行了分析，最后給出了5G 中URLLC 作為橋被時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,time sensitive network）集成的方案等，以期對URLLC 領(lǐng)域有一個全面、系統(tǒng)、深入的了解和判斷。本文的寫作邏輯和框架如圖1所示。

圖1 本文的寫作邏輯和框架

需要說明的是，本文重點(diǎn)聚焦在5G 標(biāo)準(zhǔn)未確定的關(guān)鍵技術(shù)，對于5G 標(biāo)準(zhǔn)已確定的關(guān)鍵技術(shù)，只予以總體性提及，并不展開論述。

2 URLLC 應(yīng)用場景和需求

通信服務(wù)可用性是指端到端通信服務(wù)根據(jù)約定的QoS 交付的時間量和系統(tǒng)根據(jù)特定區(qū)域的規(guī)范預(yù)期交付端到端服務(wù)的時間量的百分比。

可靠性通常是指在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)纳舷挛闹?，在目?biāo)服務(wù)所要求的時間限制內(nèi)，成功傳送到給定系統(tǒng)實(shí)體的已發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)分組數(shù)量和已發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)分組的總數(shù)的百分比。與時延相關(guān)的可靠性中，時延保證達(dá)到可靠性水平。可靠性由時延范圍內(nèi)未成功發(fā)送到接收器的分組故障概率ε來判定，這些分組要么是錯誤的、丟失的，要么是到達(dá)太晚。圖2 顯示了與時延有關(guān)的可靠性定義，以及時延與可靠性的關(guān)系[3]，其中，CDF（cumulative distribution function）為累積分布函數(shù)。由圖2 可以看出，可靠性的提高是以增加時延為代價的。

圖2 可靠性定義及與時延的關(guān)系

表1 給出了典型低時延高可靠場景的性能需求[4-5]。

表1 典型低時延高可靠場景性能需求

3 URLLC 協(xié)議框架、關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

時延是端到端的時延，可靠性是端到端的可靠性，因此架構(gòu)很重要。為支持差異化的應(yīng)用場景和云化部署方式，5G 采用全新的基于服務(wù)化的架構(gòu)（SBA,service based architecture），如圖3 所示[11]，具體介紹如下。

1) 借鑒信息技術(shù)（IT,information technology）系統(tǒng)服務(wù)化/微服務(wù)化架構(gòu)的成功經(jīng)驗(yàn)，通過模塊化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，各解耦后的網(wǎng)絡(luò)功能獨(dú)立擴(kuò)容、獨(dú)立演進(jìn)、按需部署。

2) 控制面所有網(wǎng)絡(luò)功能（NF,network function）之間的交互采用服務(wù)化接口，同一種服務(wù)可以被多種NF 調(diào)用，降低NF 之間接口定義的耦合度，最終實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)功能的按需定制，靈活支持不同的業(yè)務(wù)場景和需求。

圖3 中的AUSF、AMF、SMF、NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM、AF、UPF、(R)AN、DN、UE等是模塊化的網(wǎng)絡(luò)功能，Nausf、Namf、Nsmf、Nnssf、Nnef、Nnrf、Npcf、Nudm、Naf 等是對應(yīng)模塊基于服務(wù)化的接口。以NSSF 為例，網(wǎng)絡(luò)切片本質(zhì)上是將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬專網(wǎng)，每個虛擬專網(wǎng)根據(jù)不同的服務(wù)需求靈活地支撐不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)專用。5G 提供網(wǎng)絡(luò)切片的功能，基于同客戶簽訂的服務(wù)級協(xié)議（SLA，service level agreement），為不同垂直行業(yè)、不同客戶、不同業(yè)務(wù)提供相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。比如eMBB、mMTC、URLLC 就可屬于3 個不同切片。

QoS 機(jī)制主要負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)的角度進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和提供業(yè)務(wù)的差異性，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體根據(jù)不同的質(zhì)量需求來處理不同業(yè)務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)的QoS 模型如圖4 所示[12]，其主要特點(diǎn)如下。

1) 控制粒度為適配多樣化的業(yè)務(wù)需求，基于QoS 流（QoS flow）執(zhí)行QoS 控制。

2) 同一PDU（power distribution unit）會話（session）的服務(wù)流采用同一隧道（tunnel），減少隧道管理開銷。

3) 5G QoS 包括保證比特速率（GBR,guaranteed bit rate）QoS 流和非保證比特速率（Non-GBR）QoS 流。

4) 5G QoS 流與數(shù)據(jù)無線承載（DRB,data radio bearer）支持多對一映射。

5) QoS 建立機(jī)制，支持信令控制QoS 機(jī)制和反射QoS（reflective QoS）機(jī)制（僅用Non-GBR QoS流），后者可減少信令開銷。

圖3 基于服務(wù)化的5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖4 5G 網(wǎng)絡(luò)的QoS 模型

涉及QoS 的主要參數(shù)有資源類型（GBR、delay critical GBR 和Non-GBR）、優(yōu)先級、分組時延、分組錯誤率、平滑窗大小、最大數(shù)據(jù)量等。和URLLC密切相關(guān)的是參數(shù)時延臨界GBR（delay critical GBR）等。

URLLC 解決方案是端到端的、全系統(tǒng)的，可以分為低時延、高可靠，以及系統(tǒng)效率這三部分約束下，如何最大化系統(tǒng)效率。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是新型幀結(jié)構(gòu)、物理層信道性能增強(qiáng)、靈活架構(gòu)、資源管理、端到端的多路徑分集等，具體如圖5所示。

圖5 URLLC 解決方案

4 URLLC 物理層檢測性能需求分析

以下行空口傳輸過程為例，通常一個空口發(fā)送，再反饋重傳的過程如圖6 所示。設(shè)pc表示下行控制信道的成功檢測概率，PDTX=P{DTX或NACK|DTX}表示UE 發(fā)送DTX 被檢測為DTX 或NACK 的概率，PN=P{DTX或 NACK|NACK}表示UE 發(fā)送NACK 但被檢測為DTX 或NACK 的概率，Pd1、Pd2分別表示數(shù)據(jù)信道第一次和第二次成功檢查的概率。那么兩次傳輸后的成功概率為

圖6 下行空口傳輸過程

設(shè)pURLLC=99.999%，為達(dá)成這一最終目標(biāo)，由式(1)可以看出，控制信道和反饋信道的可靠性與數(shù)據(jù)信道的可靠性之間存在相互制約的關(guān)系，任何一方的可靠性降低，都影響著最終結(jié)果。假設(shè)只有一次數(shù)據(jù)發(fā)送，則成功的概率pURLLC=pcpd1。當(dāng)pc=pd1時，則pc=pd1=99.999 5%，那么下行數(shù)據(jù)信道的誤塊率BLERd1=1 ?pd1=5 ×10?6。這表明無論是對控制信道還是數(shù)據(jù)信道的檢測性能要求都是非常高的。對于數(shù)據(jù)信道，可以通過混合自動重復(fù)請求（HARQ,hybrid automatic repeat request）機(jī)制進(jìn)一步提升可靠性，而對于控制信道，只能通過“重復(fù)”提高，當(dāng)情況最差時，無線鏈路控制（RLC,radio link control）層的自動重傳請求（ARQ,automatic repeat request）也是對數(shù)據(jù)信道和控制信道都受益的糾錯機(jī)制，只不過時延進(jìn)一步拉長。當(dāng)然，信道編碼和接收機(jī)的性能也無疑是非常關(guān)鍵的。

綜上可知，可以從最大傳輸次數(shù)為2 的情況推廣到最大傳輸次數(shù)為N的情況[12]，如式(2)所示。

5 URLLC 的鏈路自適應(yīng)分析

鏈路自適應(yīng)指系統(tǒng)根據(jù)無線環(huán)境和鏈路狀態(tài)等信息對調(diào)制方式、傳輸塊（TBS,transport block size）大小及碼率進(jìn)行動態(tài)選擇的過程。在5G 系統(tǒng)中，上下行方向的鏈路自適應(yīng)都是由基站來進(jìn)行控制的?；靖鶕?jù)UE 上報(bào)的CQI 來選擇當(dāng)前信道狀況下最合適的MCS，以滿足特定比特錯誤率和分組誤塊率（BLER,block error rate）的頻譜效率，確保數(shù)據(jù)速率最大化。例如，當(dāng)無線條件較好時，則在物理層上使用較高的MCS 和碼率，以增加系統(tǒng)吞吐量；當(dāng)無線環(huán)境較差時，則需要使用較低的MCS 和碼率，以增加傳輸可靠性。

5.1 URLLC 的MCS 工作點(diǎn)

傳統(tǒng)CQI 表對應(yīng)的誤塊率目標(biāo)值為10%，因此無法達(dá)到URLLC 的可靠性要求。HARQ 雖然可以提高可靠性，但是會增加時延。在CQI 表增加較低碼率雖然可以滿足可靠性和時延要求，但是會增加UE 上報(bào)CQI 表所需要的比特?cái)?shù)。因此考慮URLLC采用獨(dú)立的CQI 表[13-14]，并使用不同的BLER 目標(biāo)值。另外，由于URLLC 對峰值速率的要求不高[15]，因此沒有必要采用較高的調(diào)制階數(shù)。圖7 以6 bit的CQI 表[13]、基于QPSK/16QAM/ 64QAM 為例來顯示不同業(yè)務(wù)在不同工作點(diǎn)所對應(yīng)的頻譜效率，其中，CQI 越大，意味著信干比或信噪比越高。由圖7 可以看出，提升可靠性的代價是犧牲了頻譜效率，即頻譜效率越高，意味著單位時間和帶寬內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)越多。

圖7 URLLC 和MBB 業(yè)務(wù)不同工作點(diǎn)對應(yīng)的頻譜效率

5.2 HARQ 的影響分析及其最優(yōu)設(shè)計(jì)

HARQ 是一種時間分集，對提升數(shù)據(jù)在無線信道下的可靠性有著非常重要的意義。然而，只有當(dāng)超可靠業(yè)務(wù)的時延要求為HARQ（或ARQ）重傳留下足夠的時間時，才能使用HARQ。從表1 可以看出，不同應(yīng)用場景對時延的要求不同。對于有適度時延要求的超可靠業(yè)務(wù)（明顯超過HARQ 重傳時間），HARQ 是提供足夠可靠性的選項(xiàng)之一。對于HARQ 而言，也需要考慮HARQ 反饋信息的可靠性來進(jìn)行總體可靠性評估，前面對此已經(jīng)分析，故本節(jié)不再贅述。當(dāng)不考慮HARQ 時，可以通過捆綁多個子幀重復(fù)發(fā)送的方式來增加傳輸?shù)目煽啃?。因此，基于HARQ 的傳輸和基于非HARQ 的傳輸應(yīng)該根據(jù)時延、可靠性和頻譜效率之間的權(quán)衡來考慮。

下面首先對時延進(jìn)行分析。需要說明的是，本文忽略固定時延，只考慮由HARQ/ARQ 引起的相對時延。

沒有HARQ，只考慮ARQ，由BLER 導(dǎo)致的時延可以表示為

其中，TTI 表示傳輸間隔，DUE-RAN(ARQ)表示UE 和RAN 之間存在的ARQ 時延，DARQ表示ARQ 機(jī)制導(dǎo)致的時延，M表示最大傳輸次數(shù)。當(dāng)M趨向于無窮時，有

考慮HARQ，但沒有軟合并，在HARQ 之后再ARQ，可得式(6)和式(7)所示結(jié)果。

其中，DUE-RAN(HARQ)表示UE 和RAN 之間存在HARQ 的時延，DHARQ表示HARQ 導(dǎo)致的時延，N表示最大傳輸次數(shù)，DUE-RAN(HARQ&ARQ)表示UE 和RAN 間存在HARQ 和ARQ 的時延。

考慮HARQ，但有軟合并，在HARQ 之后再ARQ，有式(8)和式(9)所示結(jié)果。

本文對上述幾種機(jī)制的平均傳輸時延進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與式(14)及式(15)對應(yīng)文獻(xiàn)的鏈路級參數(shù)如表2 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表3 平均傳輸時延結(jié)果

由表3 可以看出，當(dāng)BLER 比較小時，對時延的影響比較??；隨著BLER 的增大，時延也增加。有了時延和BLER 的對應(yīng)結(jié)果，再根據(jù)BLER 和SINR 的解調(diào)曲線，就很容易基于時延和錯誤率的約束來選擇基于吞吐量最大化的MCS。

6 URLLC 的無線資源管理

資源管理首先要滿足用戶QoS 的要求，在此基礎(chǔ)上，要最大化系統(tǒng)的效率。5G 系統(tǒng)的QoS特征如表4 所示[10]。需要說明的是，由于表格太大，本文省略了GBR 和Non-GBR 的部分描述，對應(yīng)URLLC 的主要是delay critical GBR 所對應(yīng)的行。

必須強(qiáng)調(diào)的是，QoS 是端到端的QoS，因此需要端到端、端到全系統(tǒng)的每個節(jié)點(diǎn)/環(huán)節(jié)及功能模塊聯(lián)合起來共同努力。表5 說明了用戶面處理和表4的QoS 功能和參數(shù)是如何分配給網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)與功能模塊的。

表4 5G 系統(tǒng)的QoS 特征

表5 用戶面QoS 功能總體

本節(jié)重點(diǎn)討論與無線資源管理的上下行調(diào)度密切相關(guān)的部分。調(diào)度涉及的資源分配總體框架如圖8 所示。其中，HARQ 重傳與鏈路自適應(yīng)部分在前面已涉及，功率控制與分配與下文的干擾管理有關(guān)。

6.1 優(yōu)先級計(jì)算

不同的業(yè)務(wù)有不同的QoS 要求，時延不敏感業(yè)務(wù)和時延敏感業(yè)務(wù)常用的優(yōu)先級計(jì)算方法[45-46]如表6 所示。可以用表6 中類似方法或者其他方法來推廣URLLC 業(yè)務(wù)，但要在有關(guān)變量的統(tǒng)計(jì)上，采用適合URLLC 業(yè)務(wù)的方案。具體說明如下。

圖8 MAC 層資源分配總體框架

表6 常用的調(diào)度優(yōu)先級計(jì)算方法

設(shè)分組i的大小為si，剩余時間為di(di≥ 1)個TTI。如果分組i在，那么該分組將被丟棄，因?yàn)槭Ｓ鄷r間結(jié)束。因?yàn)橐粋€分組可以被分段在不同TTI 的不同的RB 上發(fā)送，所以設(shè)是TTIt結(jié)束時發(fā)送的總的數(shù)據(jù)量的大小，那么如果（表示數(shù)據(jù)分組i的剩余時間還未結(jié)束），則這個數(shù)據(jù)分組成功發(fā)送給了UE。反之，如果（表示數(shù)據(jù)分組i沒有全部發(fā)送）且（表示剩余時間結(jié)束），則這個數(shù)據(jù)分組沒有被成功發(fā)送，將被丟棄。Ri(t)可按如式(24)進(jìn)行更新。

可以看出，URLLC 業(yè)務(wù)的方案不僅考慮了當(dāng)前TTI 時刻t，而且考慮到了，也就是說，直到完成最后一個分組的傳輸，整個分組才能傳輸成功，Ri(t)才變化，這和表6 中的表述不同。

如果采用式(26)或式(27)所示效用函數(shù)，那么基于動態(tài)規(guī)劃求最優(yōu)解也是候選方案[47]。

除了上面所述動態(tài)調(diào)度，對于URLLC 業(yè)務(wù)，也可以采用持續(xù)調(diào)度（persistent scheduling）或者半持續(xù)調(diào)度（semi-persistent scheduling），類似于基于IP 語音（VoIP,voice over IP）傳輸業(yè)務(wù)的調(diào)度處理方式[46]。所謂持續(xù)調(diào)度就是通過高層信令預(yù)先分配好資源和調(diào)制編碼方式，用戶在分配有效期內(nèi)不再監(jiān)聽物理層控制信道而是直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這種方法的好處是節(jié)省信令開銷、簡單，同時可降低對控制信道可靠性的要求；不足之處是可能浪費(fèi)數(shù)據(jù)信道資源。

6.2 干擾管理

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多對通信鏈路共享相同資源域時，所產(chǎn)生的相互干擾將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)并使網(wǎng)絡(luò)性能惡化，因此干擾管理是改善網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段。圖9 給出了干擾管理的各種技術(shù)及潛在的增益空間和實(shí)現(xiàn)代價（圖中符號說明：S表示信號；I表示干擾；N0表示噪聲；分母上的i表示部分干擾，分子上的i表示干擾轉(zhuǎn)換為信號的部分）。需要說明的是，這里的代價不僅僅指接收機(jī)的處理能力，更多的是指為了實(shí)現(xiàn)小區(qū)間的聯(lián)合設(shè)計(jì)，不同的技術(shù)所需要滿足的條件，包括基站間是否需要同步、基站間回傳的時延和帶寬需求等。此外，涉及物理層的特有干擾抑制技術(shù)，包括干擾抑制合并（IRC,interference rejection combining）。即當(dāng)存在個別主要干擾時，可以選擇加權(quán)系數(shù)在干擾的方向形成大的衰落，抑制特定的干擾，以及非線性接收機(jī)最大似然檢測（MLD,maximum likelihood detector）等，本節(jié)不涉及，故不贅述。

圖9 干擾管理

1) 干擾隨機(jī)化（IR,interference randomization）的目標(biāo)是在接收端得到接近白噪聲的干擾信號，即隨機(jī)化的干擾信號，從而獲得抑制干擾的處理增益。跳頻、交織、偽隨機(jī)信號都有干擾隨機(jī)化的功能，但交織和偽隨機(jī)信號由協(xié)議物理層標(biāo)準(zhǔn)確定，跳頻通?？勺鳛橘Y源管理的范疇。

2) 干擾消除（IC,interference cancellation）的主要思想是對干擾信號進(jìn)行譯碼，然后重構(gòu)干擾信號，并從接收信號中刪除。按照譯碼干擾信號方式的不同，可分為串行干擾消除（SIC,successive interference cancellation）和并行干擾消除（PIC,parallel interference cancellation）[48]。這些是物理層技術(shù)，也會涉及和MAC 層的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，為了更好地發(fā)揮干擾消除的作用，在下行網(wǎng)絡(luò)中輔助的干擾消除（NAIC,network-assisted interference cancellation and suppression）也是候選的技術(shù)手段[49]。

3) 干擾協(xié)調(diào)（IC,interference coordination）的主要思想是通過小區(qū)間進(jìn)行時間域、功率域、頻率域、波束域的相互協(xié)作降低干擾，如時域/功率域/頻率域eICIC（enhanced inter-cell interference coordination）與DPB（dynamic point blanking）、CS/CB（coordinated scheduling/coordinated beamforming）、DPS/DCS（dynamic point selection/dynamic cell selection）、小區(qū)間功率控制等都屬于此類[50-54]。

4) 干擾利用（IU,interference utilization），本文指小區(qū)間聯(lián)合發(fā)送（JT,joint transmission）或者聯(lián)合接收（JR,joint reception）[52,56-57]。

5) 干擾對齊（IA,interference alignment）的基本思想是將來自不同干擾源的干擾信號在接收端對齊壓縮至較小的信號維度，從而減小干擾信號所占用的維度[48]。不過實(shí)現(xiàn)上挑戰(zhàn)太大，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中難以兌現(xiàn)。

總之，不同的方法需要從應(yīng)用場景、效果、效率和實(shí)現(xiàn)代價等方面，綜合考慮選擇什么樣的具體方案。對于URLLC 來說，可靠性是最重要的，因此，對空口來說，則最大程度改善信干比是首選，干擾利用中的聯(lián)合發(fā)送和接收、干擾協(xié)調(diào)通常是最好的手段[56,58]。

6.3 URLLC 和eMBB 混合

當(dāng)URLLC 業(yè)務(wù)和eMBB 業(yè)務(wù)混合時，URLLC業(yè)務(wù)的QoS 是必須要保證的，也就是說，URLLC優(yōu)先級更高，因此命題就轉(zhuǎn)化為在保證URLLC 業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下，使eMBB 容量最大化。目前在這方面已做了大量研究[59-64]，類似的思想可用式(28)～式(30)來表示[61]。

其中，BeMBB,i和BURLLC,j分別表示eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)所占用的帶寬；peMBB,i和pURLLC,j分別表示eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)所分配的功率；β表示對香農(nóng)公式的矯正；N0表示噪聲；heMBB,i和hURLLC,j分別表示eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)的信道增益；∈表示可靠性要求。假設(shè)D服從Pareto 分布，則該分布為

需要說明的是，目前這類方法最大的挑戰(zhàn)是符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)建模困難、具體求解困難。

對于URLLC 和eMBB 混合場景，最簡單的方法就是搶占或者受限性搶占[65]，其思想是將傳輸隊(duì)列分組為幾個優(yōu)先級類，在具有更高優(yōu)先級的所有隊(duì)列都為空之前，其他類的隊(duì)列不能被服務(wù)，如圖10 所示。當(dāng)然，在URLLC 或者eMBB 內(nèi)部，也可以采用前面如表6 所述方法，但在URLLC 和eMBB間采用嚴(yán)格的搶占。

圖10 搶占示例

下面分析說明一下和eMBB 與URLLC 混合時，HARQ 重傳的處理機(jī)制，即碼塊分組。

如果傳輸塊（TB,transport block）太大，一個TB 進(jìn)行一次（比如1 bit）ACK/NACK 反饋，一旦該TB 譯碼出錯，會造成整個TB 重傳。由于該TB比較大，重傳整個TB 將使資源利用率比較低。

由于一個TB 中包含多個編碼塊（CB,code block），譯碼時可以知道每個CB 是否正確，但若針對每個CB 均進(jìn)行ACK/NACK 反饋，如果某個TB 譯碼失敗，只需要對傳輸錯誤的那個CB進(jìn)行重傳即可，沒有必要重傳整個TB，從而提高了資源利用率，但是需要反饋很多的上行ACK/NACK，這會導(dǎo)致上行信令非常大，同樣也會造成資源浪費(fèi)。

為此，本文采用一種基于TB 反饋和CB 反饋的折中方案，即將TB 中的多個CB 分組，分組后的CB 組稱之為編碼塊組（CBG,code block group），然后針對每個CBG 反饋對應(yīng)的ACK/NACK，并且基于CBG 進(jìn)行重傳[66-68]，如圖11 所示。

圖11 碼塊分組

傳輸塊TB 由多個（比如N個）CB 組成，設(shè)每個傳輸塊的目標(biāo)誤塊率BLER 為BLERTB，則每個CB 的目標(biāo)BLER 為BLERCB應(yīng)該滿足式(32)所示條件。

其中，n表示TB 中包含的CB 個數(shù)。

通過對式(32)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，可得

遇到差的信道或者和URLLC 沖突的情況時，基于CBG 的重發(fā)如圖12 所示。eMBB 業(yè)務(wù)基于碼塊分組的重傳機(jī)制，也可以提高eMBB 和URLLC混合時系統(tǒng)的傳輸效率。

圖12 基于CBG 的重發(fā)

上述資源分配還是基于正交多址的機(jī)制，但在5G 中，非正交多址作為物理層的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)[69-71]，彌補(bǔ)了正交多址的不足，更加有效地支持5G 豐富的部署場景：eMBB、URLLC、mMTC。在有助于URLLC 業(yè)務(wù)低時延的同時，增加下行調(diào)度系統(tǒng)的頻譜效率，還能大大提升上行免調(diào)度場景下的用戶連接數(shù)和系統(tǒng)吞吐量[72-75]，不過挑戰(zhàn)在于接收機(jī)的復(fù)雜度、信道估計(jì)的非理想等導(dǎo)致的性能損失等[76]。

7 URLLC 端到端分集解決方案

對于無線連接來說，最大的挑戰(zhàn)是無線衰落信道。為了在無線衰落信道上實(shí)現(xiàn)超可靠傳輸，必須有大的信噪比余量。在多個獨(dú)立信道上不同分集階數(shù)與衰落余量的關(guān)系[109]如圖13 所示，這充分說明了分集對于URLLC 的重要性。

圖13 不同分集階數(shù)與衰落余量的關(guān)系

為了應(yīng)對用戶面單路徑對支持高可靠的挑戰(zhàn)，5G 系統(tǒng)支持冗余的傳輸，即在網(wǎng)絡(luò)和UE 間建立多條路徑的傳輸[10,110-115]。從式(36)～式(38)可以看出多路徑的價值。

其中，pLLUR,i表示第i條鏈路的成功概率，L表示冗余鏈路條數(shù)，pLLUR表示滿足低時延高可靠要求的概率，BLER 表示誤塊率，BLERtarget表示目標(biāo)誤塊率，τ表示時延，τtarget表示目標(biāo)時延。可以看出，n越大，則pLLUR越大，意味著越可靠，當(dāng)然，也意味著系統(tǒng)越復(fù)雜，成本越高。顯然，基于每條鏈路的可靠性和時延能力以及總目標(biāo)的要求，可以反推出需要幾條冗余鏈路。

分集包括時間集、頻率分集和空間分集。當(dāng)超可靠業(yè)務(wù)需要非常低的時延時，就無法利用時域上的多樣性，因此，只能使用頻率域的分集和空間域的分集。信道編碼需要擴(kuò)散編碼的比特到不同的分集信道上，以便利用更高的分集水平。

事實(shí)上，從應(yīng)用層到核心網(wǎng)，再到接入網(wǎng)，有不同的多路徑分集技術(shù)可以利用，比如TCP 層的MP-TCP[116-117]、UPF 的復(fù)制、雙鏈接、載波聚合、MIMO和協(xié)調(diào)多點(diǎn)（CoMP,coordinated multi-point），如圖14 和圖15 中標(biāo)識為“5G 低時延高可靠性系統(tǒng)”部分所示。就5G 系統(tǒng)側(cè)而言，主要問題如下。

1) 針對某一QoS 流，如何決策是否冗余傳輸。

2) 如何在UE/RAN/UPE 復(fù)制數(shù)據(jù)。

3) 如何建立、修改和釋放隔離的隧道。

4) 如何支持切換過程。

具體方案依賴于部署場景。比如為了利用發(fā)射端和接收端的空間分集，需要利用多個天線。但應(yīng)該注意的是，具有URLLC 能力的UE 可能嵌入各種類型的設(shè)備中，例如工業(yè)傳感器和執(zhí)行器，不過這種設(shè)備的形狀因素可能會限制設(shè)備上可用天線的數(shù)量。因此，在提供URLLC 解決方案時，要考慮UE 天線配置的限制。

本文以最小化占用資源為目標(biāo)，給出如何選擇鏈路路徑的例子。具體如式(39)～式(42)所示目標(biāo)函數(shù)和約束條件[110]。

其中，αi∈ {0,1}表示該鏈路是否被激活；PBRi表示在鏈路i上分配的物理資源塊（PRB,physical resource block）；B i表示鏈路i上最大可用的PRB；MCSi是鏈路i上選擇的調(diào)制編碼格式；TBSLLUR表示低時延高可靠業(yè)務(wù)對應(yīng)的傳輸塊的大小。

通過這個最優(yōu)化的求解，就可獲得滿足低時延高可靠業(yè)務(wù)傳輸?shù)逆溌芳捌渌鶎?yīng)的調(diào)制編碼格式。

8 URLLC 與TSN 的集成

許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（例如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)上傳和控制指令下發(fā)、遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、無人駕駛、VR 游戲等）需要將端到端時延控制在1～10 ms，將時延抖動控制在微秒級，但傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)只能將端到端的時延減少到幾十毫秒。面對時延敏感性業(yè)務(wù)的迫切需求，如何從“盡力而為”到“準(zhǔn)時、準(zhǔn)確”地控制端到端的時延對IP 網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。及時、安全地傳輸數(shù)據(jù)是工業(yè)通信技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。時間敏感網(wǎng)絡(luò)是滿足該要求的、有發(fā)展前景的一項(xiàng)技術(shù)。TSN 的主要目標(biāo)是通過IEEE 802（以太網(wǎng)）有線網(wǎng)絡(luò)提供確定性服務(wù)，這意味著低時延、小抖動、低分組丟失率、有保證的數(shù)據(jù)分組傳輸。TSN 的關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)為如下幾個方面[118-120]。

1) 時間同步。定時機(jī)制和同步機(jī)制是關(guān)鍵。

2) 超可靠。幀復(fù)制和幀消除、路徑控制、流過濾策略、時間同步可靠性是關(guān)鍵。

3) 有界低時延。幀搶占、流量整形與調(diào)度是關(guān)鍵。

4) 資源管理。資源預(yù)留、TSN 配置是關(guān)鍵。

圖14 多路徑分集

5G 系統(tǒng)可以降低與布線基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的成本，支持自動推車或移動無人搬用車（AGV,automated guided vehicle）等移動設(shè)備，并提高工業(yè)應(yīng)用的靈活性。為了將工業(yè)設(shè)備（工業(yè)傳感器/執(zhí)行器）以無線方式連接到TSN，5G 系統(tǒng)是非常合適的解決方案。5G 系統(tǒng)提供了更好的可靠性和傳輸時延，而且，其架構(gòu)允許被靈活地部署。因此，5G 可以實(shí)現(xiàn)不受電纜限制的TSN。由于5G 系統(tǒng)和TSN 都有自己的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，為了在5G 系統(tǒng)上支持TSN服務(wù)，需要進(jìn)一步增強(qiáng)無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，主要挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)的互通。

5G 系統(tǒng)可以看作“時間感知系統(tǒng)”“具有絕對時限的時間感知調(diào)度”[10]，其提供了和外部業(yè)務(wù)/網(wǎng)絡(luò)的多個接口，可以用于TSN 的集成。5G 系統(tǒng)在外部網(wǎng)絡(luò)中顯示為TSN 橋。這種“邏輯”TSN 橋包括自適應(yīng)功能（AF,adaptation function），用于將5G系統(tǒng)協(xié)議和信息對象轉(zhuǎn)換為TSN 協(xié)議和信息對象，反之亦然。核心網(wǎng)和RAN 中的5G 系統(tǒng)特定過程、無線通信鏈路等對TSN 保持隱藏。為了實(shí)現(xiàn)對TSN的這種透明性并顯示為任何其他TSN 橋，5G 系統(tǒng)網(wǎng)橋通過UE 側(cè)的TSN 轉(zhuǎn)換器（TT,TSN translator）設(shè)備和核心網(wǎng)側(cè)的DN 的“TSN 轉(zhuǎn)換器”（包括控制面和用戶面）提供TSN 入口和出口端口。5G 系統(tǒng)網(wǎng)橋需要支持不同的TSN 配置模型，這要求在控制面和用戶面上，向TSN 終端站、TSN 橋、集中網(wǎng)絡(luò)配置（CNC,centralized network configuration）和集中用戶配置（CUC,centralized user configuration）提供多個符合TSN 協(xié)議的接口。TSN 網(wǎng)橋自我管理（對于全分布式模型）和與CNC 交互所需的功能位于轉(zhuǎn)換器處。圖15 給出了URLLC 分集方案與TSN的集成表示。

具體來說，圖15 中的RAN11和RAN12、UPE11和UPE12是對應(yīng)UE1的用戶面多路徑分集，RAN2和UPE2是對應(yīng)UE2的用戶面路徑分集。必須說明的是，這是一個一般化的表示，具體如何選擇多路徑分集的方案，由第7 節(jié)中的描述決定，比如類似式(39)～式(42)所示最優(yōu)化思想。但是，無論圖15中的“5G 低時延高可靠性系統(tǒng)”部分如何設(shè)計(jì)，對TSN 來說，都是黑盒子，僅僅是TSN 中的一個TSN 橋，通過AF 接口對接。

從TSN 的觀點(diǎn)來看，將5G 系統(tǒng)視為一個黑盒子更便利，因?yàn)樗捎?G 系統(tǒng)的指定QoS 框架，并且不需要任何網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來支持作為外部TSN 系統(tǒng)一部分的TSN 協(xié)議和過程。5G 系統(tǒng)作為TSN 橋出現(xiàn)，5G 系統(tǒng)使用完善的5G QoS 框架接收與TSN相關(guān)的預(yù)訂請求。然后，5G 系統(tǒng)使用5G 內(nèi)部信令來滿足TSN 預(yù)約請求，比如5G 系統(tǒng)使用QoS 流類型（GBR、時延關(guān)鍵GBR）、5QI、ARP 等5G 框架來滿足請求QoS 屬性，如圖16 所示。

圖15 URLLC 分集方案和TSN 的集成方案

圖16 TSN 識別QoS 配置文件生成過程

TSN 轉(zhuǎn)換器作為5G 和TSN 的互聯(lián)接口，除了映射TSN 配置到5G QoS 管理架構(gòu)，還提供以太網(wǎng)功能（如環(huán)路檢測）、頭壓縮，以及支持調(diào)度和去抖動緩沖區(qū)等功能。

具體來說，圖16 中TSN 的CNC 把時延敏感業(yè)務(wù)特征和其QoS 要求發(fā)送給TSN 和5G 系統(tǒng)的接口模塊，即TSN 自適應(yīng)功能模塊AF，然后該模塊生成QoS 配置文件給5G 系統(tǒng)的PCF 模塊，如果5G 系統(tǒng)能滿足其QoS 要求，則回復(fù)確認(rèn)信息。

9 結(jié)束語

URLLC在未來5G垂直行業(yè)的應(yīng)用中扮演著非常重要的角色，已得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的充分重視。本文以全景式視角，從應(yīng)用場景和需求開始，分析介紹了URLLC 有關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和解決方案總體，然后分別對物理層檢測性能需求、鏈路自適應(yīng)、無線資源管理、端到端分集解決方案及如何與TSN 集成進(jìn)行了深入的分析和可能的候選方案的探討，從廣度到深度對URLLC 的理論研究到如何應(yīng)用，有一個透徹全面的介紹分析，對其挑戰(zhàn)有一個清晰的認(rèn)識，從而為相關(guān)研究和工程技術(shù)人員提供關(guān)借鑒和參考。必須說明的是，這是一個龐大的領(lǐng)域，限于篇幅，無法一一深入細(xì)節(jié)且面面俱到，未來需要庖丁解牛式地展開進(jìn)一步研究工作。