面向5GURLLC業(yè)務(wù)的無線超低時(shí)延技術(shù)方案探討

摘要：文章基于5G網(wǎng)絡(luò)中URLLC業(yè)務(wù)所具備的低時(shí)延高可靠特性以及所帶來的新的挑戰(zhàn)，對空口時(shí)延的概念以及URLLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展展開分析，并從減少傳輸時(shí)延間隔、優(yōu)化資源調(diào)度方案等方面對5G無線超低時(shí)延技術(shù)方案和技術(shù)部署展開分析探討，結(jié)果表明，為有效解決時(shí)延問題，3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)從優(yōu)化資源調(diào)度和縮短傳輸時(shí)間間隔等方面提出可行思路，可為5G網(wǎng)絡(luò)部署初期低時(shí)延業(yè)務(wù)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；URLLC業(yè)務(wù)；低時(shí)延；傳輸技術(shù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.023

中圖分類號：TN 929.53 " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " " " " 文章編碼：1672-7274（2023）07-00-03

Exploration of Wireless Ultra Low Delay Technology Solution for 5G URLLC Service

LIU Jianming

（Shanxi Information Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan 030012， China）

Abstract： Based on the low latency and high reliability of URLLC service in 5G network and the new challenges it brings， this paper analyzes the concept of air port delay and the progress of URLLC standard， and discusses the technical scheme and technical deployment of 5G wireless ultra-low latency from the aspects of reducing Transmission delay interval， optimizing resource scheduling scheme， etc. The results show that in order to effectively solve the delay problem， The 3GPP R15 standard has proposed feasible ideas for optimizing resource scheduling and shortening transmission time intervals， which can provide technical support for low latency services in the initial deployment of 5G networks.

Key words： 5G network; URLLC business; low latency; transmission technology

5G應(yīng)用場景主要涵蓋增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量連接（mMTC）、低時(shí)延高可靠（URLLC），URLLC作為主要應(yīng)用場景之一，在智能駕駛、無人機(jī)控制、工業(yè)控制等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。就目前情況看，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中主要依托eMBB業(yè)務(wù)部署主體，旨在滿足個(gè)人和企業(yè)用戶對大帶寬業(yè)務(wù)等方面的要求；與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)能為個(gè)人和企業(yè)用戶提供足夠豐富的場景應(yīng)用，與此同時(shí)，URLLC自然成為5G技術(shù)下一階段部署的重點(diǎn)。

URLLC具有低時(shí)延、高可靠及較高的可用性，在工業(yè)、交通安全、遠(yuǎn)程制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等領(lǐng)域均較為適用。不同領(lǐng)域和業(yè)務(wù)具有不同的時(shí)延要求，例如工業(yè)自動(dòng)化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等對時(shí)延要求較高，其空口環(huán)回時(shí)延不得超出1 ms。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的興起，IIoT領(lǐng)域?qū)RLLC的要求不斷提高，IIoT領(lǐng)域場景對可靠性及時(shí)延的具體要求略有差異，Rel-15：AR/VR場景下可靠性要求為99.999%，空口時(shí)延為1.0 ms，數(shù)據(jù)包為32 Byte和200 Byte FTP Model3；遠(yuǎn)程駕駛傳輸場景下可靠性要求為99.999%，空口時(shí)延為3.0 ms，數(shù)據(jù)包為5 220 Byte；電力分布應(yīng)用場景下，可靠性要求99.9999%，空口時(shí)延為2.0～3.0 ms，數(shù)據(jù)包為100 Byte；工廠自動(dòng)化場景下，可靠性要求99.9999%，空口時(shí)延為

1.0 ms，數(shù)據(jù)包為32 Byte（確定性、周期性業(yè)務(wù)）。具體而言，在5G技術(shù)發(fā)展初期，URLLC技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域應(yīng)用較多，主要滿足1 ms用戶面時(shí)延下的可靠性需求。與eMBB所提出的4 ms用戶面時(shí)延可靠性需求相比，URLLC業(yè)務(wù)的可靠性要求更為苛刻。為滿足相關(guān)要求，5G技術(shù)主要借助中短碼長多元LDPC碼獲取編碼增益；而MIMO技術(shù)則通過在信號發(fā)射端和接收端之間增配若干束天線，起到空間分集增益以及增強(qiáng)超低時(shí)延可靠性等目的。結(jié)合所得出的仿真分析結(jié)果，當(dāng)AL取8時(shí)，很難為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期低時(shí)延高可靠傳輸提供必要保證，而當(dāng)AL取16時(shí)，則只能在上行鏈路中為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)傳輸提供低時(shí)延高可靠傳輸保證。

綜上所述，就eMBB業(yè)務(wù)的2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)而言，很難為5G通信業(yè)務(wù)提供URLLC所對應(yīng)的1.0 ms單向用戶面?zhèn)鬏敃r(shí)延要求，即便是動(dòng)用現(xiàn)有的全部可支配的物理層技術(shù)，也無法為IioT場景提供所需的可靠性傳輸條件。總之，為確保向5G網(wǎng)絡(luò)提供更好的URLLC支持業(yè)務(wù)，必須依托現(xiàn)有技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)無線超低時(shí)延傳輸，提升技術(shù)可靠性。

1 " 5G空口時(shí)延

5G空口時(shí)延包括控制面時(shí)延和用戶面時(shí)延，前者指網(wǎng)絡(luò)中終端注冊、轉(zhuǎn)換狀態(tài)所需要的時(shí)間；后者指通信數(shù)據(jù)從基站層到終端層下行的時(shí)間以及通信數(shù)據(jù)從終端層到基站層上行傳輸時(shí)間。以上兩種時(shí)延中用戶面時(shí)延對5G網(wǎng)絡(luò)2B應(yīng)用場景影響更大，故本文以此類時(shí)延為主要研究對象。

傳輸時(shí)隙間隔、基站和終端處理時(shí)間、重傳時(shí)間、資源調(diào)度時(shí)間等是影響用戶面時(shí)延的主要因素[1]。在TDD制式下，上行及下行數(shù)據(jù)均應(yīng)通過相應(yīng)的上行和下行時(shí)隙發(fā)送，其余情況下均處于等待狀態(tài)，對于當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)2.5 ms的雙周期幀結(jié)構(gòu)而言，數(shù)據(jù)在上行和下行向等待時(shí)間最大分別達(dá)到4個(gè)Tslot及2個(gè)Tslot。也就是說，5G URLLC業(yè)務(wù)空口時(shí)延主要受上行和下行時(shí)隙倒換間隔的影響。此外，對于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度模式而言，終端發(fā)出數(shù)據(jù)后，必須經(jīng)過調(diào)度請求、授權(quán)、數(shù)據(jù)傳輸、重傳等環(huán)節(jié)，所以說，數(shù)據(jù)重傳時(shí)延及調(diào)度時(shí)延也影響空口。最后，空口時(shí)延還受到終端及基站處理時(shí)間的影響，該處理時(shí)間主要取決于兩者的自處理性能，非本文研究范圍。

2 " URLLC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

3GPP R15階段所對應(yīng)的時(shí)延方案主要由以下方面組成。

（1）對靈活幀結(jié)構(gòu)更加支持：也就是說，4G LET僅對傳輸頻率為15 kHz的子載波間隔提供支持，對應(yīng)的各子幀長度固定為1.0 ms，每個(gè)子幀由2個(gè)時(shí)隙組成，每個(gè)時(shí)隙則包括7個(gè)OFDM符號。而5G/NR可對多種子載波間隔提供傳輸支持，sub-6 GHz以下頻段主要支持15 kHz/30 kHz/60 kHz等子載波間隔，各子幀所含間隙數(shù)與4G LET一致。

（2）對靈活調(diào)度單位更加支持：4技術(shù)主要以時(shí)隙為最小調(diào)度單位，而5G技術(shù)對非時(shí)隙調(diào)度也較為支持。

（3）支持URLLC高優(yōu)先級傳輸：5G/NR提出，URLLC業(yè)務(wù)可強(qiáng)占eMBB業(yè)務(wù)資源以降低時(shí)延，并確保高優(yōu)先級URLLC業(yè)務(wù)的需求。

（4）引入移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)，即將通用服務(wù)器部署在無線接入側(cè)，使無線接入網(wǎng)具備云計(jì)算能力，達(dá)到降低基站至核心網(wǎng)之間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的目的，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化。

在5G傳輸中R15引入以下功能：一是支持PDCP復(fù)制機(jī)制：也就是說發(fā)送端完全能夠借助PDCP層對相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施復(fù)制，同時(shí)將2個(gè)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)包同時(shí)向2個(gè)相對獨(dú)立的邏輯信道傳輸，以達(dá)到傳輸數(shù)據(jù)與頻率分集增益的雙重效果，提升傳輸過程的準(zhǔn)確性和可靠性。二是分集技術(shù)：也就是同時(shí)于發(fā)射機(jī)側(cè)和接收機(jī)側(cè)布設(shè)若干條天線，按照單用戶流量傳輸模式，達(dá)到增大無線鏈路分集階數(shù)以及提升傳輸可靠性的目的。三是對多TRP傳輸機(jī)制的支持：2個(gè)及以上TRP同時(shí)向UE發(fā)送數(shù)據(jù)分組或控制分組，以達(dá)到降低PDCCH編碼率及解碼誤碼率的目的。

為向URLLC業(yè)務(wù)提供全面支持，3GPP在R16階段采取了以下降低時(shí)延的技術(shù)。一是免授權(quán)配置：UE在授權(quán)配置調(diào)度運(yùn)行中主要通過調(diào)度請求獲取資源，存在一定的時(shí)延空間，而結(jié)合業(yè)務(wù)特點(diǎn)為部分UE預(yù)分配資源，允許免授權(quán)配置，能有效降低時(shí)延。二是對UE內(nèi)復(fù)用機(jī)制和優(yōu)先級的支持：即在R15中eMBB擁有比URLLC配置授權(quán)更加優(yōu)先的動(dòng)態(tài)授權(quán)，為確保URLLC業(yè)務(wù)低時(shí)延，R16提出依托LCH邏輯信道優(yōu)先級的限定選擇方案，以達(dá)到URLLC業(yè)務(wù)以更高優(yōu)先級傳輸?shù)哪康摹Ｈ菍?G網(wǎng)絡(luò)與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)融合的支持：即通過支持短周期半持續(xù)調(diào)度，為UE的1個(gè)BWP同時(shí)配備數(shù)個(gè)CG和SPS，并支持不匹配CG/SPS周期的TSN業(yè)務(wù)，借助以太網(wǎng)頭壓縮機(jī)制降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

考慮到部分業(yè)務(wù)對URLLC無線超低時(shí)延可靠性的較高要求，R16進(jìn)行了如下方面的增強(qiáng)。一是對多TRP傳輸方式的支持：在R15的基礎(chǔ)上，R16能夠通過空分、頻分、時(shí)隙內(nèi)時(shí)分、時(shí)隙間時(shí)分等方式對傳輸塊重復(fù)發(fā)送，同時(shí)還支持各種模式的組合以及模式間的動(dòng)態(tài)切換，以達(dá)到分集增益的效果。二是對PDCP復(fù)制增強(qiáng)機(jī)制的支持：R15對2條支路PDCP復(fù)制均較為支持，為提升可靠性，R16可支持4條支路PDCP復(fù)制。三是對多連接機(jī)制的支持：即通過MgNB及SgNB構(gòu)建端至端PDU會(huì)話并實(shí)現(xiàn)分集增益，實(shí)現(xiàn)更加可靠的高層冗余傳輸。

3 " 5G無線超低時(shí)延技術(shù)方案

3.1 減少傳輸時(shí)間間隔

與4G子載波寬度固定方案有所不同，5G網(wǎng)絡(luò)主要依托可變參數(shù)集方案，并結(jié)合具體頻段，從15 kHz、30～120 kHz的子載波間隔之間做出選擇，這種頻域子載波間隔成倍增大的處理技術(shù)意味著時(shí)域時(shí)間間隔、對應(yīng)的TTI長度和空口時(shí)延均成倍縮短。

5G還進(jìn)行了迷你間隙子時(shí)隙架構(gòu)的界定，迷你時(shí)隙主要包括2個(gè)及以上符號，為超低時(shí)延高可靠分組的URLLC業(yè)務(wù)提供必須且可靠的傳輸依據(jù)。

時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）的5G結(jié)構(gòu)比4G結(jié)構(gòu)更加靈活，對0.5 ms、1.0 ms、2.0 ms、2.5 ms及5.0 ms、10.0 ms等配置周期均較為適用。通過加強(qiáng)幀結(jié)構(gòu)配置，可滿足5G URLLC場景對上下行業(yè)務(wù)及時(shí)延的相關(guān)需求[2]。由于TDD制式的5G無線幀結(jié)構(gòu)中包括自包含幀結(jié)構(gòu)，故其同一時(shí)隙中的時(shí)隙結(jié)構(gòu)框架必然含有上下行調(diào)度和確認(rèn)等環(huán)節(jié)；各時(shí)隙均具有相對獨(dú)立的解碼功能，能有效防止跨時(shí)隙靜態(tài)時(shí)序關(guān)系的出現(xiàn)，保證系統(tǒng)時(shí)延的降低。與2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)相比，1.0 ms單周期幀結(jié)構(gòu)能有效縮短等待時(shí)延，并結(jié)合上下行時(shí)隙與來包時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，縮短上下行時(shí)延。但是這種縮短處理也存在一定弊端，即當(dāng)GP符號占比超出7%時(shí)，便會(huì)對頻譜效率產(chǎn)生較大影響，同時(shí)影響非對稱上下行業(yè)務(wù)某方向數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

與LTE所具有的15 kHz的固定子載波間隔相比，NR子載波間隔類型具有不同特征，隨著子載波間隔的增大，其時(shí)隙長度隨之減小，60 kHz的子載波間隔對應(yīng)0.25 ms的時(shí)隙，比30 kHz的時(shí)隙長度縮減了一半。這種時(shí)隙長度的縮減可降低時(shí)延，但是因符號長度及循環(huán)前綴的隨之縮短，抗多徑干擾的性能隨之減弱，在部分頻段和場景中面臨一定性能風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 優(yōu)化資源調(diào)度方案

（1）上行傳輸過程優(yōu)化。在通過通信網(wǎng)絡(luò)終端傳遞上行數(shù)據(jù)期間，必須先將相關(guān)資源調(diào)度指令發(fā)送給基站，進(jìn)而由基站將所匹配的資源向終端實(shí)施配置，終端接收到相應(yīng)指派信令后立即向其發(fā)出上行數(shù)據(jù)。以上傳輸過程必然會(huì)使相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增大，為此，5G傳輸技術(shù)提出上下行傳輸過程免調(diào)度的優(yōu)化傳輸理念和思路，也就是借助通信網(wǎng)絡(luò)展開免調(diào)度資源的事先配置，在展開終端數(shù)據(jù)傳送之前也無須再次向基站提出相同或類似的資源請求，只需要通過預(yù)先配置資源傳輸數(shù)據(jù)即可。這種開啟免調(diào)度系統(tǒng)的處理從理論上而言可節(jié)省40～60%時(shí)延。

從配置和激活模式角度來看，這種免調(diào)度處理包括兩種方案：一是RRC方式，即通過RRC進(jìn)行傳輸參數(shù)配置，依托配置情況，進(jìn)行周期性預(yù)留資源確定；一旦終端上行接收到新數(shù)據(jù)，便通過就近預(yù)留資源直接傳輸。二是DCI方式，即借助RRC與PDCCH實(shí)現(xiàn)傳輸參數(shù)的共同配置，前者主要進(jìn)行周期、偏移等參數(shù)配置，后者則通過激活信令以通知上行免調(diào)度配置參數(shù)。在接收到激活信令的基礎(chǔ)上，終端動(dòng)用相應(yīng)的PDCCH資源進(jìn)行上行免調(diào)度傳輸。

（2）下行調(diào)度過程優(yōu)化因無線通信系統(tǒng)中頻譜資源屬稀缺資源，eMBB和URLLC業(yè)務(wù)必然共享頻譜資源。根據(jù)R15協(xié)議，eMBB和URLLC均可展開半靜態(tài)復(fù)用，也就是依托參數(shù)配置狀況預(yù)設(shè)兩者共用頻域資源的分配比例。為保證在資源高效率利用的基礎(chǔ)上滿足URLLC業(yè)務(wù)時(shí)延要求，R15進(jìn)行了下行強(qiáng)占調(diào)度機(jī)制的界定，即某個(gè)終端突發(fā)URLLC業(yè)務(wù)可對其余終端正在傳輸?shù)膃 MBB業(yè)務(wù)部分資源實(shí)施強(qiáng)占，因前者業(yè)務(wù)量一般不大，通過打孔方式確保后者正常傳輸是完全可行的。但這種處理必然影響e MBB的傳輸性能，為此，R15協(xié)議主要通過DCI2-1對eMBB終端提供打孔輔助；與此同時(shí)，傳輸網(wǎng)絡(luò)借助控制信令向受影響終端發(fā)出通知，終端隨即通過HARQ對被打孔數(shù)據(jù)進(jìn)行二次傳輸[3]。

4 " 5G無線超低時(shí)延技術(shù)部署

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)制式，URLLC低時(shí)延技術(shù)能有效降低5G網(wǎng)絡(luò)空口時(shí)延，但對TDD制式而言，卻難以克服上下行時(shí)隙倒換所引發(fā)的等待時(shí)延。FDD制式不存在這種等待時(shí)延，上層數(shù)據(jù)的發(fā)送較為及時(shí)，為此，在時(shí)延方面要求較高的自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程控制等場景，均應(yīng)優(yōu)先通過FDD制式進(jìn)行部署。

就當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的低時(shí)延技術(shù)而言，上行免調(diào)度與下行調(diào)度機(jī)制均具有較好的時(shí)延增益效果，對終端及網(wǎng)絡(luò)的不利影響也較小，故可以優(yōu)先引入；而迷你時(shí)隙技術(shù)時(shí)延增益的效果相當(dāng)有限，對終端支持的要求也較高，只適用于特定的場景；特殊幀結(jié)構(gòu)和子載波間隔對頻譜效率存在較大影響，必須在應(yīng)用前全面評估其適用性[4]。總之，5G無線傳輸網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延與高可靠相互依存，為降低URLLC業(yè)務(wù)時(shí)延，必須借助有效技術(shù)降低數(shù)據(jù)重傳頻次，提升傳輸系統(tǒng)的可靠性。

5 " 結(jié)束語

綜上所述，URLLC業(yè)務(wù)是5G網(wǎng)絡(luò)的全新應(yīng)用領(lǐng)域，其能協(xié)助電信運(yùn)營商開啟廣闊的業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，并牽動(dòng)和引領(lǐng)新一輪產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)意味著URLLC技術(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，但該技術(shù)相應(yīng)的硬件設(shè)備的優(yōu)化部署與成熟仍需要時(shí)間，在這一過程中，該業(yè)務(wù)仍需依托R15設(shè)備承載與運(yùn)營。

參考文獻(xiàn)

[1] 張斌，張鵬，薛超粵．uRLLC業(yè)務(wù)時(shí)延分析及低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)部署探討[J]．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2022（5）：37-41.

[2] 楊一帆，姚鍵，吳祖輝，等．面向5G URLLC業(yè)務(wù)的時(shí)延分析與無線超低時(shí)延技術(shù)研究[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2021（2）：10-15.

[3] 許森，信金燦．面向低時(shí)延高可靠的5G uRLLC增強(qiáng)技術(shù)研究[J]．移動(dòng)通信，2019（9）：62-67.

[4] 林何平，高志英，韓劍，等．網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析及面向5G的低時(shí)延策略[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2018（9）：26-30.