URLLC低時延的技術研究及業務應用

董帝烺 許國平 林斌

【摘? 要】

分析了URLLC技術指標要求和工業互聯網應用的要求，介紹了4G用戶面時延情況和減少4G時延的技術演進，研究和分析了5G實現URLLC低時延的靈活的幀結構、動態HARQ、MEC，mini slot、自包含幀、免授權調度等技術，實現了URLLC低時延在工業控制和遠程手術的業務應用。

【關鍵詞】超可靠低時延;用戶面時延;幀結構;時隙;調度;業務應用

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.017? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0078-07

引用格式：董帝烺，許國平，林斌. URLLC低時延的技術研究及業務應用[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 78-84.

Low-Latency Technology Research and Service Application of URLLC

DONG Dilang， XU Guoping， LIN Bin

（China Unicom Fujian Branch， Quanzhou 362000， China）

[Abstract]

This paper analyzes the requirements of URLLC technical indicators and industrial Internet applications， and introduces the 4G user plane delay situation and the technological evolution to reduce 4G delay. Furthermore， the 5G technologies to achieve the URLLC low latency are investigated， such as the flexible frame structure， dynamic HARQ， MEC， mini slot， self-contained frame， grant-free schedule， and thus realize the service applications of URLLC low latency in industrial control and remote surgery.

[Key words] URLLC; user plane delay; frame structure; slot; schedule; service application

0? ?引言

3GPP對于5G的應用主要分為：增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）三大應用場景。eMBB技術成熟較早已經在現有R15版本可以真正部署及應用，URLLC及mMTC要在R16及R17版本才會完整推出。業務應用上eMBB主要應用于AR/VR、超高清視頻等用于人通信的業務體驗，URLLC和mMTC主要應用在無人駕駛、遠程控制、物聯網等工業互聯網領域。工信部部長苗圩曾指出，“5G真正的應用場景，80%是用在工業互聯網，工業互聯網是5G最期待的領域”。

3GPP TR38.913協議對URLLC的低時延要求用戶面端到端時延不超過1 ms，對可靠性要求在用戶面1 ms的時延內，傳輸32 Byte的BLER不超過99.999%[1]。對于URLLC低時延和高可靠性兩個方面，本文重點放在低時延方面進行研究。在URLLC的應用場景中，大部分的工業互聯網的時延要求一般要小于10 ms，只有少數如無人駕駛才要求時延要小于1 ms同時要求可靠性極高。現有的4G網絡進一步演進也能滿足時延10 ms以內的要求，要達到1ms以內的時延，只有R16版本的5G網絡才能實現。

1? ? 4G網絡低時延的分析和演進

1.1? LTE網絡時延的分析

在4G網絡中，以一個完整的ping包流程來分析空口的時延，圖1是用高通QCAT軟件來分析底層信令的過程。

從圖1的流程圖可以看到，一個典型的ping時延為20 ms，其中SR請求和授權grant就需要消耗11 ms。4G網絡這個時延已經能夠滿足4G時代人人通信或人機通信的要求，但對于工業互聯網要求的10 ms時延，需要進一步縮短4G時延。

1.2? LTE網絡在低時延的演進

3GPP在R14和R15版本對4G網絡進行時延縮短的演進。從圖1上行業務的流程來看，4G網絡空口的用戶面網絡延遲主要由SR調度請求和Grant上行授權、傳輸時間間隔、終端和基站數據及信令的處理時間、HARQ及重傳的時間這幾個部分組成。終端和基站數據及信令的處理時間這塊時延很難大幅改善，因此縮短時延的研究主要就在SR調度請求和Grant上行授權、傳輸時間間隔、HARQ及重傳這幾部分。

在SR調度請求和Grant上行授權方面，普遍采用預調度的方式，就是讓eNodeB提前分配上行資源，UE在需要發送上行數據時就能在預先分配好的上行資源發送，不再需要通過SR調度請求獲得上行資源，從而縮短時延。但這種方法由于上行資源不管UE是否需要就已經預先分配好，這樣會導致無線資源白白浪費。在這種預調度的基礎上，3GPP在R14版本中，對上行資源引入了半靜態調度，提前分配好相應的上行無線資源，半靜態調度周期可以低至1 ms，并且當用戶不發送上行數據時，即使分配了無線資源，也可以不發送padding填充數據[2]。

在縮短傳輸間隔方面，每次LTE調度中傳輸間隔時長固定為1個無線子幀，也就是1 ms，3GPP對LTE時頻結構進行了優化，將傳輸時間間隔從子幀級別降低至符號級別，最小的調度間隔根據情況可以選擇2、3、7個符號，對應2/14 ms、3/14 ms、7/14 ms。

在R15版本中，3GPP進一步對HARQ進行優化，把HARQ反饋從以前的4 ms降低到3 ms。

通過以上的一些技術演進，4G網絡的空口時延進一步縮短到6 ms，可以達到工業互聯網對于自動控制小于10 ms的要求。

2? ?5G URLLC低時延的技術研究

5G是在4G網絡的基礎上進行演進，在協議上有較多的內容是從4G繼承及發展的。從時間角度上，5G的最小時間單位Tc=0.509 ns，是4G最小時間單位Ts=32.552 ns的1/64，5G的時間粒度比4G小很多，更容易實現低時延。為了達到URLLC端到端1 ms的時延和10-5的高可靠性要求，5G NR在系統設計中從物理層、MAC層和RLC層分別進行了相關的設計。

在5G的物理層，針對URLLC的數據包在一個時隙內參考信號、控制信息和數據依次在時域上排列，使得信道估計、控制信道解碼、業務數據解碼可以串行進行，減少了處理時間。采用靈活可變的幀結構，可以設置更寬的子載波間隔，縮短傳輸TTI時間。采用LDPC和Polar碼來提升數據和控制信道的編解碼效率，也有助于降低時延。使用自包含幀或者mini slot進行調度，基于符號進行業務調度[3]。

在MAC（媒體接入）層，采用異步動態調度的HARQ，可以實現在同一個時隙就能反饋。未來還可以通過對上行免授權調度，減少上行資源請求及授權的過程，縮短上行時延。在調度中，URLLC業務可以優先調度，甚至可以搶占eMBB的資源[4]。

在RLC（無線鏈路控制）層，5G把數據的按順序傳遞的功能向上移到PDCP層，使得數據包需要重傳時，后面的數據包不需要等到前面的包重傳完畢就可以直接向上層傳遞[5]。

5G NR通過這些關鍵技術，使得5G的用戶面端到端時延可以縮短到1 ms。針對這些關鍵技術，介紹以下幾個方面。

2.1? 現有R15版本中5G低時延的技術研究

（1）靈活的幀結構

5G和4G網絡一樣，一個無線幀為10 ms，分為10個子幀，每個子幀為1 ms。不同的是，4G采用固定15 kHz的子載波間隔，5G定義了靈活的時頻結構，根據圖2和表1，時隙和符號長度根據子載波間隔進行靈活變化，不同的Numerology（參數集）時隙的時間長度是不同的。

在4G網絡中，無線資源的調度是以子幀1 ms來調度的，而在5G網絡是以時隙為時間單位來調度的，5G時隙的時間長度為毫秒[6]。時隙這種靈活的幀結構，使得5G網絡可以靈活適配不同的業務需求，通過使用子載波間隔較大的Numerology（參數集），可以減少系統調度時間，支持低時延的業務。

（2）時隙配置（如圖3）

時隙配置主流為2.5 ms雙周期，這種配置對于URLLC業務就需要進行調整，可以配置為1 ms單周期甚至0.5 ms單周期的時隙結構。以1 ms單周期為例，它在1 ms內包含一個全下行時隙和一個特殊時隙，在特殊時隙中只包含保護間隔GP和上行符號。在這種結構中，下行時隙接收、解調下行數據后，可以很快地在特殊時隙中的上行符號發送反饋，達到降低時延的目的[7]。

（3）動態HARQ

在4G和5G通信中，上行或下行的數據都是要以收到對應的HARQ反饋才形成閉環，5G為了支持更快的HARQ反饋，在數據接收同時也進行數據解碼，在上下行鏈路切換的時隙或保護間隔（Guard Period）就準備進行HARQ反饋，一旦上下行鏈路切換也就是在1個TTI就立刻發送HAQR。同時5G NR對于HARQ采用了動態調度，取消4G網絡上下行timing的關系，使得上下行的HARQ反饋更加靈活，更適合URLLC業務低時延要求[8]。

（4）MEC

在5G網絡中，為了進一步提升網絡的下載速率和縮短用戶面時延，引入了移動邊緣計算MEC（Mobile Edge Computing），MEC又稱為多接入邊緣計算，不僅用于移動網絡接入，還可以用于其他接入方式。MEC使得無線接入網具有IT和云計算的能力，從而實現業務本地化，降低數據從基站到核心網的傳輸時延[9]。

（5）5G網絡用戶面時延

目前5G網絡上行和下行業務的流程和4G網絡一樣，上行需要先通過SR申請上行資源，才能在分配的上行資源發送數據。以2.5 ms雙周期和1 ms周期來分析5G網絡空口用戶面時延，考慮到基站和UE終端數據包從SDAP層到MAC層逐步封裝組成，這部分處理能力時延相對較小，先不進行計算。從圖4中可以簡單計算在2.5 ms雙周期，上下行環路的空口用戶面時延為5.5 ms，在1ms周期空口用戶面時延為3.5 ms。在5G網絡可以開啟上行預調度，減少SR請求及資源授權的過程，時延縮短到2.5 ms。

2.2? 后續R16版本低時延的演進

（1）mini slot

在5G NR中，為了更好地適應URLLC業務，提出了一種mini slot的時隙結構，如圖5所示。在一個時隙中的mini slot有2/4/7三種情況，為了更好地獲得參考信號的解調增益，mini slot緊跟在用于資源調度的第一個符號之后。對應于NR的上下行PDSCH和PUSCH信道，mini slot也分為上行和下行，上下行的配置方式是一樣的。5G系統對于無線資源的分配支持TypeA和TypeB兩種類型，不同的資源分配類型對應的無線資源起始位置和長度是不同的，其中只有TypeB是非時隙調度，能支持在1個時隙內任意符號起始位置、長度為2/4/7個符號，也就是說只有TypeB類型的無線資源分配能支持mini slot這種結構[10]。

毫米波的帶寬可以達到400 MHz，數據量只要幾個OFDM符號就可以完成傳送。在毫米波使用模擬波束賦形時，傳輸到多個UE的不同波束較難在頻域上實現復用，能在時域上進行復用，因此mini slot也比較適合與模擬式波束賦形一起使用。

（2）自包含幀

5G支持FDD和TDD制式，由于UE在下行時隙接收解調下行數據后必須要等到上行時隙才能進行反饋，TDD的時延相比FDD系統會較長。為了滿足快速反饋的需求，5G在系統設計時提出了自包含幀的概念。這種自包含幀就是在同一個子幀里同時包含DL、UL和GP三部分，在同一個子幀內UE可以在接收到第一個DL符號就開始進行解調，在UL符號到來時開始進行下行數據的HARQ反饋，或者在同一個子幀內UE收到上行授權的調度信息后很快地在UL符號時刻進行上行數據發送。如圖6所示，在（a）中的自包含幀，可以在同一個子幀內進行上行授權及上行數據發送，或者下行數據接收解調后進行HARQ反饋。由于這種自包含幀對于UE的處理能力要求很高，因此也有（b）中這種給與調度及HARQ反饋有更多時間余量的方案。

（3）免授權調度

針對上行的資源請求和分配，目前討論的免授權調度，可以有效地減少上行的時延。在上行免授權調度中，gNB通過激活一次上行授權給UE，在UE未收到去激活的情況下，將會一直使用第一次上行授權所指定資源進行上行傳輸。上行免授權調度有兩種傳輸類型，分別是配置授權TypeⅠ和TypeⅡ。配置授權TypeⅠ是由高層參數配置PUSCH 傳輸使用的時頻資源等參數，根據該配置信息，UE可以在有上行數據傳輸的時候立即使用這些資源傳輸，免去了發送SR以及接收上行grant的時間。第二類配置授權TypeⅡ采用兩步式資源配置過程，首先由高層參數配置PUSCH傳輸使用的時域資源參數，然后由使用CS-RNTI加擾的DCI激活配置授權TypeⅡ的PUSCH傳輸，并同時在DCI中配置時域資源、頻域資源、DMRS、MCS等在內的其他傳輸資源和傳輸參數，UE可以在收到激活配置授權TypeⅡ的PUSCH傳輸資源之后，使用這些配置授權的PUSCH 資源傳輸上行數據，免去了發送SR以及接收上行grant的時間[11]。

3? ?5G URLLC的業務應用

3.1? 工業控制

泉州聯通、福建（泉州）哈工大工程技術研究院和中興通訊三方就5G通信助力工業應用領域進行深入合作，共同打造5G智能制造應用創新實驗室（如圖7），探索5G技術和機械控制、智能制造、AGV的結合。

機械臂是工業裝配常見的機械化裝置，當前的機械臂由主控計算機通過有線線纜對其進行控制和操作，生產新產品需要調整生產線上的機械臂位置和控制程序，以前需要一臺一臺機械臂進行配置，這樣不僅需要大量人力物力且無法做到快速部署上線。采用5G網絡可以實現機械臂云端集中化控制，不僅可以更加靈活部署，而且還可以更方便與AGV、人工協調工作和柔性機械臂的廣泛應用。表2為5G智慧工廠網絡速率及時延的實測數據：

基于5G和邊緣計算的AGV和機械臂可以廣泛應用于制造工廠、物料分揀、智慧園區等場景里。

3.2? 遠程手術

2019年1月10日，福建聯通聯合北京301醫院、福建醫科大學孟超肝膽醫院，成功實施了全球首例基于5G網絡的動物遠程機器人手術（如圖8）。這次遠程機器人手術是依托通信、機器人和傳感等技術，為實現手術微創性，采用電子機械手開展手術的一種醫療形式。醫生與患者分別處于不同的地理位置，遠端醫生借助3D視頻和觸覺感應獲得現場感，并利用操縱桿控制患者端的機器人開展手術。

在遠程機器人手術中，對于通信網絡的要求是極為苛刻的，一方面要求超低延遲通信，遠程手術醫生操作后，力反饋以及視頻信息反饋需要超低時延傳輸到醫生端，以保障手術的流程安全，另一方面要求手術過程中傳輸的現場實時的高清3D視頻和虛擬現實的觸覺感應，這需要穩定可靠的高速率通信傳輸。在這次機器人遠程手術中對無線網絡提出上行150 Mb/s的高速率需求，網絡時延10 ms的低時延需求，用5G網絡可以滿足。表3? ?為實測5G遠程機器人手術的網絡速率時延：

4? ?結束語

5G的應用主要在工業互聯網，現階段5G網絡還沒廣泛部署的情況下，現有的4G網絡進一步演進也能支持時延要求不苛刻的工業互聯網應用，而利用5G網絡能更加完美地滿足工業互聯網低時延和高可靠的要求。伴隨著5G在URLLC技術研究和版本凍結，URLLC將是移動通信行業切入到各類垂直行業的突破口，這將會催生更多更成熟的商用應用，賦能及改變社會。后續將結合新版本URLLC的部署，進行無人駕駛應用的研究。

參考文獻：

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作者簡介

董帝烺（orcid.org/0000-0003-3831-0584）：高級工程師，畢業于廈門大學通信工程專業，中國聯通集團網優專家，現任中國聯通福建省分公司泉州片區優化中心主任，主要從事WCDMA、LTE、NR的規劃和優化相關工作。

許國平：高級工程師，博士畢業于北京郵電大學，中國聯通集團網優專家，現任職于中國聯通集團網絡運營部，主要從事WCDMA、LTE、NR的規劃和優化相關工作。

林斌：畢業于福州大學，中國聯通集團網優專家，現任職于中國聯通福建省分公司網絡運營部，主要從事WCDMA、LTE、NR的規劃和優化相關工作。