5G URLLC端到端關鍵技術分析

梁輝 韓瀟 李福昌

【摘 ?要】

超可靠低時延通信場景是5G的典型應用場景之一，也是5G標準面向業務應用開展URLLC技術增強的重要驅動力之一。通過分析5G無線網、傳輸網與核心網在URLLC場景下潛在的低時延與高可靠關鍵技術，可以為運營商5G的時延與可靠性網絡性能提升提供技術參考。面向不同的URLLC業務應用場景，定制不同的URLLC技術組合方案是影響5G URLLC網絡應用的重要因素。

【關鍵詞】低時延;高可靠;關鍵技術

[Abstract]

The ultra-reliable and low latency communication scenario is one of typical 5G application scenarios and an important driver for the 5G standard to implement URLLC technology enhancement for service applications. Through analyzing the potential low-latency and ultra-reliability key technologies of the 5G wireless network， transmission network， and core network in the URLLC scenario， it can provide technical reference for operators to improve the performance of 5G low-latency and reliability network. For different URLLC service application scenarios， customizing different combinations of URLLC technology is an important factor affecting 5G URLLC network applications.

[Key words]low latency; high reliability; key technologies

0 ? 引言

4G時代，移動互聯網應用取得了飛速的發展，在社會的數字化轉型過程中，無線通信網絡的重要性也愈發顯著。作為下一代無線通信技術，面向承載AR/VR等新興應用，工業控制、電力分發以及遠程駕駛等行業應用，5G進行了網絡低時延與超高可靠性通信保障能力的增強設計。

國際電信聯盟（ITU）在5G網絡性能指標需求中，對URLLC場景的空口時延與可靠性能力進行了要求，而在5G URLLC商用場景下，面向不同的業務需求，合理的端到端的URLLC保障方案設計將是提升5G網絡URLLC性能指標并降低運營商網絡建設與運維成本的關鍵因素。本文對5G無線網、傳輸網與核心網在URLLC場景下低時延與可靠性的潛在關鍵技術進行了探討。

1 ? 無線網URLLC關鍵技術

URLLC場景是5G的三大典型應用場景之一，ITU在URLLC場景下定義的5G網絡性能指標包含：空口時延不大于1 ms，可靠性不小于99.999%。5G無線網影響業務時延的關鍵因素包括網絡制式與子載波間隔：

（1）網絡制式：5G支持TDD與FDD兩種工作方式，FDD制式不受上下行轉換時隙影響，低時延優勢相比TDD制式更為明顯。

（2）子載波間隔：5G網絡在FR1頻段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz三種業務信道子載波間隔，在FR2頻段支持60 kHz、120 kHz兩種業務信道子載波間隔，子載波間隔越大，網絡低時延優勢越明顯。

此外，為了進一步降低URLLC場景下的網絡時延，無線側進行了多種適用于上行鏈路與下行鏈路的關鍵技術方案的設計，典型的關鍵技術包括：

（1）非時隙調度：支持時域符號級的上下行數據業務調度傳輸。

（2）下行資源復用：高優先級URLLC業務可以搶占低優先級業務的下行鏈路空口資源進行業務數據的優先傳輸。

（3）上行資源復用：高優先級URLLC業務可以搶占低優先級業務的上行鏈路空口資源進行業務數據的優先傳輸。

（4）上行免授權調度：針對URLLC業務，網絡預配置上行空口資源，上行業務產生后，無需網絡進行資源分配，降低信令交互引入的時延。

（5）反饋增強：支持業務數據的反饋消息以子時隙的粒度進行反饋。

在空口的可靠性增強方面，主要以犧牲頻譜效率為代價，通過低碼率或者冗余傳輸的方案實現可靠性的提升，業務信道的可靠性增強關鍵技術主要包括：

（1）調制編碼方案增強：支持π/2 BPSK的調制方案以及更低的數據碼率。

（2）物理層重復傳輸：支持業務數據以不同的冗余版本進行物理層重復傳輸，以獲取盡量大的軟合并增益，提升業務可靠性。

（3）PDCP包復制：無線側支持在CA或者DC場景下，在PDCP層進行業務數據復制，通過不同的空口鏈路傳輸以提升業務可靠性。

2 ? 傳輸網URLLC關鍵技術

傳輸網時延主要包含光纖傳輸時延與設備轉發時延兩部分，其中光纖傳輸時延5 us/km，接入設備轉發時延一般小于15 us，核心設備轉發時延一般小于30 us。在城域網接入環40 km，匯聚機房到核心機房距離400 km的情況下，傳輸網時延分析如圖1所示。

無線基站到匯聚機房的時延約0.32 ms，無線基站到核心機房的時延約2.38 ms。傳輸時延主要由光纖傳輸引入，占比約92.4%。因此，對于典型URLLC應用場景，降低傳輸網傳輸路徑的光纖長度，將核心網UPF結合MEC進行下沉部署，這是保障URLLC業務時延的關鍵。此外，在降低傳輸設備轉發時延方面，存在如下潛在技術方案。

（1）層3 VPN邊緣部署

5G網絡具備組網超密集的特征，基站密度提升的同時，站間協同是5G URLLC組網的潛在關鍵技術之一，因此站間的東西向流量帶寬需求以及站間交互頻率也會增加。通過將傳輸網層3 VPN下沉部署在接入層，減少流量迂回路徑，在減少傳輸距離的同時也可以降低了設備跳數，從而實現X2/Xn流量就近轉發，降低站間交互的時延。

層3 VPN部署到邊緣，同時可以降低層2/層3橋接對復雜性和可靠性帶來的影響，如ARP同步、層2/層3聯動等。除實現東西向流量就近轉發降低時延外，層3 VPN部署到邊緣后組網業務配置將簡單化，故障定位也會更便捷。

（2）分組設備低時延轉發

傳輸網分組設備轉發時延是影響傳輸網業務傳輸時延性能的重要因素之一，現有的分組設備轉發時延已經較低，但URLLC場景下仍有進一步優化的空間。通過在分組設備內部添加專用的時延敏感調度模塊，在正常業務流程上疊加超低時延轉發流程，協調不同的轉發資源，可以實現特定業務的超低時延轉發，將業務單跳轉發時延下降一個數量級，達到微秒級別，有效降低URLLC業務的傳輸網轉發時延。

3 ? 核心網URLLC關鍵技術

5G的核心網設計采用了服務化架構，通過與NFV云原生的設計思想相結合，可以以軟件化、模塊化、服務化的方式構建5G核心網，而不同的核心網網元功能支持獨立自治，網元的新增、升級以及改造并不會互相影響。在URLLC場景下，5G核心網在軟件功能以及硬件部署方面均存在潛在的低時延與高可靠保障方案。

3.1 ?低時延保障方案

（1）控制與轉發分離

網元功能獨立自治的5G核心網，控制面與用戶面信令不再互相交疊，在控制和轉發分離方案下，核心網報文轉發控制協議對數據包檢測、數據包轉發、用量上報、緩存處理、QoS執行和多接入等功能制定了相應的功能。控制面網元SMF可以根據PCF提供的面向URLLC通信場景的策略和本地配置，可以生成相關規則并發送給UPF，更好地保障端到端通信時延與可靠性。

（2）核心網網元功能下沉

5G無線基站到核心網UPF之間的數據傳輸時延，主要受到UPF網元部署位置的影響。目前，運營商UPF可選的部署位置覆蓋整個通信云，包括各級區域DC與邊緣DC。UPF部署位置越高，其服務業務覆蓋范圍就越廣，但基站與UPF之間交互所需的網絡時延也會越大。為了提供URLLC場景下的業務低時延保障，5G URLLC網絡部署需要盡量地降低基站到UPF之間的設備轉發跳數、傳輸光纖長度以及匯聚網元的數目。因此，通過將UPF下沉部署，可以從物理上降低基站到UPF的傳輸距離，同時可以保證傳輸不上承載網，減少擁塞的可能性。

為了滿足URLLC場景下控制面信令的實時處理需求，可以在部分極端場景考慮將SMF、AMF等控制面網元與UPF一起下沉部署，部署于邊緣云平臺，實現UPF、SMF等眾多虛擬化網元與MEC業務的共平臺部署。控制面網元的下沉可以實現用戶面控制面同位置部署，避免控制面信令回傳受傳輸時延和承載網擁塞的影響，保障實時信令交互和處理。

核心網網元功能下沉也會導致網元的覆蓋范圍受限，且需要對低層級機房按需改造，一定程度會加大5G網絡的建設成本。

（3）邊緣計算

隨著邊緣計算概念的提出與發展，5G核心網在設計之初即考慮對邊緣計算功能的支持，并定義了多種機制，包括通過上行分類器或者分流點進行上行數據分流機制、應用觸發數據分流機制、用戶面變化上報、本地接入數據網絡等。因此5G核心網可以比4G核心網更好地支持邊緣計算。目前，5G對于邊緣計算的支持僅限于連續性保證和本地分流等功能，URLLC場景下需要邊緣側具有較強的路由快速轉發、本地低時延高效處理、用戶面增強等功能，相關技術研究與驗證需要進一步完善。

（4）QoS增強

為了輔助支持業務的低時延與高可靠業務保障需求，3GPP針對垂直行業的應用，定義了新的以時延為主的GBR類型，設計了新的5QI與業務服務質量的映射方式。如表1所示，針對不同垂直行業應用，定義了82、83、84和85等新的標準的5QI，不同5QI映射的數據包時延、誤包率、默認最大數據量并不相同，同時對應不同的默認優先級。在建立PDU會話的過程中，基站可以根據新的5QI進行資源調度，以保障業務低時延高可靠通信需求。

業務調度過程中，可以在終端和PSA UPF之間進行數據包時延的QoS監控，監控內容可以包括無線空口以及無線基站與PSA UPF之間的上行與下行數據包時延。其中，無線空口的時延可以由NG-RAN提供，而無線基站與PSA UPF之間的時延可在QoS流級別或GTP-U路徑級別進行。在業務時延的監控和測量的基礎上，可以結合監測結果，對URLLC業務進行低時延的保障策略的靈活調整。

3.2 ?高可靠保障方案

（1）雙PDU會話備份傳輸（如圖2）

為了保障業務高可靠性要求，終端可以在5G網絡中建立兩個冗余的PDU會話，兩個PDU會話通過不同的基站、不同的UPF建立，可以保障用戶面路徑不相交。基站通過雙連接或者CU/DU分離等技術，實現兩個PDU會話通過不同基站傳輸，應用層完成數據包復制和冗余數據包的檢測。

（2）雙核心網隧道備份傳輸（如圖3）

基于雙核心網隧道的備份傳輸通過建立業務數據的冗余傳輸路徑，將兩個獨立的N3隧道部署在錨點UPF與接入網基站之間，并關聯到同一個單獨的PDU會話，可以提高N3隧道數據傳輸的可靠性。為了確保兩個N3隧道通過不相交的傳輸層路徑傳輸，SMF或PSA UPF需要在隧道信息中提供不同的路由信息，并且將這些路由信息根據網絡部署配置映射到不相交的傳輸層路徑。

在URLLC場景下QoS流建立過程中，若SMF配置冗余傳輸基于授權的5QI、NG-RAN節點能力，則SMF需要通知PSA UPF與NG-RAN執行冗余傳輸指令：

1）對錨點UPF從數據網絡接收到對應該QoS流的每個下行數據包，錨點UPF需要進行數據包復制，并分配相同的用于冗余傳輸的GTP-U序號。

2）對于無線基站從終端接收的對應于該QoS流的每個上行數據包，NG-RAN進行數據包復制，并分配用于冗余傳輸的相同GTP-U序號，錨點UPF基于GTP-U序號減少復制的數據包。

4 ? 結束語

URLLC是5G網絡獨特的性能體現，也象征著無線網絡在追求容量、連接數增加的發展歷程中，正式面向時延、可靠性等新的網絡指標提升展開了研究。隨著3GPP R16版本協議的凍結，5G URLLC網絡將逐步開始商用，受限于光纖傳輸帶來的時延影響，URLLC應用初期將以區域性的點狀分布的場景為主，本文從端到端的角度，分析了URLLC潛在的關鍵技術，希望后續有更多關于端到端URLLC網絡部署方案的研究。

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