垂直行業(yè)URLLC 和TSN 關(guān)鍵技術(shù)研究*

徐慧俊，陳 林，楊 波

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

URLLC 是3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義的三大應(yīng)用場(chǎng)景之一[1]，經(jīng)過(guò)R15 版本和R16 增強(qiáng)版本的討論，目前已具備真正部署及應(yīng)用的條件。URLLC 主要應(yīng)用于垂直行業(yè)的AR/VR、工廠(chǎng)自動(dòng)化、傳輸工業(yè)/遠(yuǎn)程駕駛和電力分配等行業(yè)[2]。在3GPP TR38.913 協(xié)議中對(duì)URLLC 提出了如下的性能指標(biāo)：用戶(hù)面延遲的目標(biāo)為上行0.5ms 和下行0.5ms，可靠性需求為在用戶(hù)面延遲1ms 的前提下，對(duì)32 bytes 的一個(gè)包傳輸?shù)目煽啃赃_(dá)到99.999%[1]。對(duì)于URLLC 應(yīng)用場(chǎng)景中的低時(shí)延和高可靠性?xún)蓚€(gè)特性，本文通過(guò)幀結(jié)構(gòu)和短TTI 的設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求，而高可靠性則通過(guò)重復(fù)發(fā)送和低碼率傳輸來(lái)保證。同時(shí)分析了URLLC 和TSN 系統(tǒng)融合解決方案的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 5G URLLC 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 幀結(jié)構(gòu)

為了確保URLLC 業(yè)務(wù)上下行端到端用戶(hù)面時(shí)延小于1ms，采用SU 的幀結(jié)構(gòu)。SU 幀結(jié)構(gòu)具體構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 SU 幀結(jié)構(gòu)

在圖1 中，時(shí)隙S 的組成為12D:2G，即由12個(gè)下行OFDM 符號(hào)和2 個(gè)靈活OFDM 符號(hào)組成。時(shí)隙U 全為上行OFDM 符號(hào)。幀結(jié)構(gòu)參數(shù)基站通過(guò)廣播消息SIB1 中信元TDD-UL-DL-ConfigCommon下的TDD-UL-DL-Pattern 信元對(duì)UE 進(jìn)行配置[3]：在TDD-UL-DL-Pattern 中，dl-UL-Transmission Periodicity 配置為ms1，nrofDownlinkSlots 配置為0，nrofDownlinkSymbols 配置為12，nrofUplinkSlots 配置為1，nrofUplinkSymbols 配置為0。

在帶寬100M，子載波間隔30kHz 的情況下，上下行的單向延遲可以滿(mǎn)足小于1 毫秒。

1.1.2 HARQ-ACK

在垂直行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用場(chǎng)景，需要傳輸?shù)男畔⒓扔锌刂菩畔ⅲ钟懈咔逡曨l信息。控制信息等時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)可通過(guò)周期性地發(fā)送一定大小的數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)，而高清視頻業(yè)務(wù)可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度的方式實(shí)現(xiàn)。在NR 系統(tǒng)中，對(duì)下行控制信息通過(guò)SPS 業(yè)務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)，而下行傳輸?shù)膱D像則通過(guò)DG PDSCH 的方式實(shí)現(xiàn)。

為了保證控制信息的可靠性和時(shí)延，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中把SPS 業(yè)務(wù)作為高優(yōu)先級(jí)的URLLC 業(yè)務(wù)，而高清視頻業(yè)務(wù)作為低優(yōu)先級(jí)的eMBB 業(yè)務(wù)。在MAC調(diào)度器同時(shí)調(diào)度兩種業(yè)務(wù)的場(chǎng)景下，eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)進(jìn)行時(shí)分調(diào)度，用兩個(gè)PUCCH 分別進(jìn)行HARQ-ACK 反饋，如圖2 所示。

圖2 DG PDSCH 和SPS 優(yōu)先級(jí)不同HARQ 反饋示意圖

在圖2 中，給出了SPS 業(yè)務(wù)和DG PDSCH 業(yè)務(wù)HARQ-ACK 反饋示意圖。具體反饋的碼本為動(dòng)態(tài)Type 2 Codebook[4]。利用R16 中PUCCH 的新增功能，同時(shí)配置2 個(gè)PUCCH-Config，38.331 中配置信令為[6]：PUCCH-ConfigurationList-r16::=SEQUENCE(SIZE (1..2)) OF PUCCH-Config。第一個(gè)PUCCHConfig 與優(yōu)先級(jí)索引0 相關(guān)，第二個(gè)PUCCH-Config與優(yōu)先級(jí)索引1 相關(guān)，且同時(shí)配置2 個(gè)HARQACK 碼本時(shí)，38.331 中配置信令如下[6]：PDSCHHARQ-ACK-CodebookList-r16 ::=SEQUENCE (SIZE(1..2)) OF ENUMERATED {semiStatic,dynamic}，兩個(gè)碼本的取值為動(dòng)態(tài)碼本（dynamic）。其中，第一個(gè)碼本為低優(yōu)先級(jí)，第二個(gè)碼本為高優(yōu)先級(jí)。

1.2 下行控制信道設(shè)計(jì)

NR 下行URLLC 調(diào)度支持的子時(shí)隙TTI 為2 Symbol，4 Symbol 和7 Symbol。這里以7 個(gè)OFDM符號(hào)為例，PDCCH 支持的格式如圖3 所示。

在圖3 中，eMBB 業(yè)務(wù)以時(shí)隙級(jí)為調(diào)度粒度，URLLC 業(yè)務(wù)以子時(shí)隙級(jí)為調(diào)度粒度。

1.3 上行控制信道設(shè)計(jì)

NR R16 中URLLC PUCCH 配置支持的子時(shí)隙粒度為2 Symbol 和7 Symbol。具體通過(guò)PUCCHConfig 中的subslotLengthForPUCCH 信元進(jìn)行配置。2 Symbol 和7 Symbol PUCCH 子時(shí)隙的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中對(duì)子時(shí)隙長(zhǎng)度為2 Symbol,PUCCH 資源長(zhǎng)度配置為2 Symbol；對(duì)子時(shí)隙長(zhǎng)度為7 Symbol，PUCCH 資源長(zhǎng)度配置為4 Symbol。

PUCCH 資源的具體配置以子時(shí)隙邊界為索引。圖5 中PUCCH 資源 i 相對(duì)子時(shí)隙的邊界為1 symbol，即startingSymbolIndex=1；PUCCH 資源的長(zhǎng)度nrofSymbols=4，nrofPRBs=1，子時(shí)隙0 和子時(shí)隙1 中PUCCH 資源的配置相同。

圖3 TTI 為7 OFDM 符號(hào)PDCCH 和PDSCH 的分布示意圖

圖4 子時(shí)隙2-Symbol 和7-Symbol PUCCH 資源示意圖

圖5 7 Symbol 子時(shí)隙的PUCCH 資源配置示意圖

2 5G URLLC 動(dòng)態(tài)調(diào)度

考慮同時(shí)調(diào)度eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)的場(chǎng)景，由于同一個(gè)UE 的eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)之間不能頻分調(diào)度的限制，同一個(gè)UE 的不同業(yè)務(wù)在一個(gè)時(shí)隙中采用時(shí)分調(diào)度的方式。考慮到垂直行業(yè)同時(shí)調(diào)度的用戶(hù)數(shù)較少，為了避免調(diào)度器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，調(diào)度采用的總體原則為：不同UE 之間的業(yè)務(wù)采用頻分調(diào)度，同一個(gè)UE 內(nèi)的不同業(yè)務(wù)之間采用時(shí)分調(diào)度。調(diào)度策略如圖6 所示。

對(duì)上行PUSCH 資源分配，為了提高業(yè)務(wù)的可靠性，對(duì)PUSCH 信道采用重復(fù)發(fā)送的方式，圖7中為分配的資源占4 個(gè)OFDM 符號(hào)的長(zhǎng)度，重復(fù)發(fā)送2 次。對(duì)PUCCH 信道，資源分配的符號(hào)長(zhǎng)度不能大于子時(shí)隙的長(zhǎng)度，即對(duì)2 個(gè)符號(hào)的子時(shí)隙，PUCCH 資源長(zhǎng)度要小于或等于2；對(duì)7 個(gè)符號(hào)的子時(shí)隙，PUCCH 資源長(zhǎng)度要小于或等于7[5]。

圖6 多UE 多業(yè)務(wù)資源調(diào)度示意圖

3 5G URLLC 可靠性仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否滿(mǎn)足垂直行業(yè)場(chǎng)景可靠性的需求，通過(guò)搭建物理層鏈路平臺(tái)對(duì)PDCCH 和PUSCH 信道進(jìn)行性能仿真。高可靠性仿真條件如表1 所示[11]。

圖7 上行PUCCH 和PUSCH 資源分配示意圖

表1 高可靠性仿真參數(shù)

PDCCH 信道的仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 PDCCH BLER-SNR 仿真曲線(xiàn)

從表2 的對(duì)比中可以看出，對(duì)聚合等級(jí)AL1性能比提案的仿真結(jié)果有1.5dB 的增益，對(duì)聚合等級(jí)AL16 性能與提案的結(jié)果相當(dāng)。對(duì)AL2、AL4 和AL8，性能有1-3dB 的差距。

表2 PDCCH 仿真結(jié)果對(duì)比

PUSCH 信道的仿真結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 中的仿真曲線(xiàn)可推出BLER 為10-5時(shí)，PUSCH 的解調(diào)門(mén)限為-7.3dB。仿真結(jié)果與提案[10]相當(dāng)，可以滿(mǎn)足垂直行業(yè)可靠性的需求。

圖9 PUSCH BLER-SNR 仿真曲線(xiàn)

4 URLLC 和TSN 融合解決方案

圖10 中把5G 系統(tǒng)作為一個(gè)黑盒的實(shí)現(xiàn)方式。在這樣一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，整個(gè)5G 系統(tǒng)可以保持獨(dú)立，這樣對(duì)5G 系統(tǒng)的影響最小。Translator/adaptor的功能位于5G 系統(tǒng)的邊緣，可以支持關(guān)注所有802.1AS 相關(guān)的功能。如：（g）PTP 支持，時(shí)間戳可以在這個(gè)translator 中實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)URLLC 和TSN 系統(tǒng)接入網(wǎng)相關(guān)的主要功能包括：準(zhǔn)確參考時(shí)間規(guī)定（Provision）,QoS 和調(diào)度器,以太網(wǎng)頭壓縮[8]。

4.1 準(zhǔn)確參考時(shí)間規(guī)定（Provision）

URLLC 結(jié)合TSN 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景如圖10 所示[7]。

圖10 5GS 和TSN 融合方案

參考時(shí)間傳遞原理：5GS 作為一個(gè)時(shí)間感知（time-aware）系統(tǒng)，時(shí)間同步的基本原理是[7]，TSN GM 對(duì)從時(shí)鐘（slave clocks）發(fā)送給它的時(shí)間信息（using SYNC messages），沿途的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素接收同步消息且對(duì)同步消息增加一個(gè)修正（同步消息的延遲，即停留時(shí)間）。5GS 作為單個(gè)時(shí)間敏感系統(tǒng)，其停留時(shí)間通過(guò)外部接口間進(jìn)行計(jì)算（即與右側(cè)TSN 橋連接的translator 和與左側(cè)End Station連接的translator）。

gNB 和UE 間的消息傳遞：gNB 和UE 之間通過(guò)Uu 口消息進(jìn)行傳遞，基站在SIB9 和DLInformation Transfer 中引入信元ReferenceTimeInfo-r16，通知UE時(shí)間戳。

4.2 QoS 和調(diào)度器增強(qiáng)

使用TSC 業(yè)務(wù)模式gNB 需滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)Ethernet QoS的需求，需支持TSC 消息周期為NR 支持的CG/SPS周期非整數(shù)倍的場(chǎng)景。gNB 需要滿(mǎn)足多SPSs-CGs 配置、QoS 保證、支持TSC 業(yè)務(wù)模式的SPS CG、SPS短周期配置、LCP 和LCH 限制和測(cè)量GAP 功能。

4.3 以太網(wǎng)頭壓縮

Ethernet 的頭壓縮放在PDCP 層進(jìn)行。PDCP Ethernet 頭壓縮使用Rel-15 PDCP 結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在的頭壓縮/解壓功能結(jié)構(gòu)。Ethernet 頭壓縮后作為PDCP 層的數(shù)據(jù)部分。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)URLLC 關(guān)鍵技術(shù)在垂直行業(yè)的應(yīng)用基于標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展進(jìn)行了研究，提出了URLLC 滿(mǎn)足高可靠低時(shí)延特性的幀結(jié)構(gòu)、上下行控制信道和上下行業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)方案。基于仿真平臺(tái)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案可以滿(mǎn)足URLLC 業(yè)務(wù)的高可靠性，并結(jié)合TSN 系統(tǒng)介紹了5GS 在整個(gè)TSN 系統(tǒng)中的相應(yīng)功能，特別是對(duì)gNB 需要增強(qiáng)的功能進(jìn)行了初步分析。URLLC 將在未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，發(fā)揮重要的作用。