5GURLLC應用場景中低時延、高可靠關鍵技術分析

摘要：文章在概述5G網絡端到端傳輸時延類型及URLLC業務時延要求的基礎上，對傳輸網URLLC關鍵技術和核心網URLLC關鍵技術展開分析，面向不同的URLLC業務應用場景，制定不同的技術組合方案，以優化5G URLLC網絡應用，為運營商降低5G網絡時延和提高可靠性提供技術參考。

關鍵詞：5G；URLLC場景；低時延；高可靠

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.027

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

Analysis of Key Technologies with Low Delay and High Reliability in 5G Application URLLC Scenarios

LIANG Jian

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

Abstract： Based on the overview of 5G end-to-end Transmission delay types and URLLC service delay requirements， this paper analyzes and discusses the key technologies of transmission network URLLC and core network URLLC， and develops different technology combination schemes for different URLLC service application scenarios to optimize 5G URLLC network applications and provide technical references for operators' 5G delay and reliability.

Key words： 5G; URLLC scenario; low latency; high reliability

1 " 網絡時延及URLLC關鍵技術概述

1.1 網絡時延

5G網絡端到端傳輸時延包括單向時延和雙向時延兩種。其中，單向時延指信息從發送方發出后傳輸至接收方所需要的時間，業務端至端時延便屬于這種情況；雙向時延指信息從發送方發出并到達接收方后，接收方再發送信息給發送方所需要的全部時間。國際電聯無線電通信部門的IMT—2020將URLLC業務時延定義為用戶面時延，即指終端發送用戶數據對應的時間延遲[1]。與這一概念相對應的是控制面時延，即手機注冊網絡或狀態轉換對應的信令流程耗時。5G端到端傳輸時延具體見圖1。

圖1 5G網絡端到端傳輸時延

由圖1可知，5G網絡端到端傳輸時延主要包括空口時延、互聯網時延和非接入層時延等部分。限于篇幅，本文僅分析空口時延。所謂空口時延指基站側PDCP層和終端PDCP層間傳輸數據所需要的時間，其值與資源調度、混合重傳、基站及終端處理時間等有關。而基站和終端的處理時間主要受數據分組、設備處理能力等的影響，通過優化傳輸分組、編碼及改善芯片處理能力，能大幅降低相應時延。

1.2 URLLC關鍵技術概述

5G三大典型應用場景中的URLLC應用場景要求空口時延應在1 ms以內，可靠性在99.999%以上。網絡制式和子載波間隔是影響5G網絡業務時延的主要方面。就網絡制式方面來看，5G技術對FDD和TDD等方式均較為支持，其中FDD方式所承受的上下行轉換時隙的影響程度微乎其微，比TDD方式低時延的性能優勢更加明顯。而從子載波間隔的角度看，5G網絡在FR1頻段可支持15 kHz、30 kHz、60 kHz等業務信道對應的子載波間隔，但是在FR2頻段則只支持

60 kHz、120 kHz兩種業務信道子載波間隔，網絡低時延優勢也更為凸顯。

為切實降低URLLC應用場景中5G網絡時延，設計者提出多種對上下行鏈路均適用的思路，包括以下方面：一是對網路傳輸中時域符號上、下行數據調度傳輸實施非時隙調度；二是具備較高優先級的URLLC業務對具備較低優先級業務的下行鏈路空口資源實施擠占，進而達到業務數據優先傳輸以及對下行資源加強復用的優化目的；三是優先級較高的URLLC業務能占用優先級較低業務的上行鏈路空口資源而優先傳輸業務數據的上行資源復用；四是通過網絡對上行空口資源進行優化配置，同時對所形成的上行業務無須再分配至網絡中相應資源，只要求將信令交互方面的強度降低，同時盡可能多的引入上行免授權調度時延。

為增強空口可靠性，應暫時忽略頻譜效率，通過冗余傳輸或低碼率提升空口時延可靠性。通過以下技術達到增強業務信道可靠性的操作目的：一是通過支持π/2BPSK或更低碼率的操作，促使調制編碼強化的處理；二是始終依靠物理層實現數據重復傳輸，也就是充分依靠不同冗余版本達到在物理層支持業務數據重復傳輸的目的，進而獲得較大的合并增益，同時提升業務可靠性。

2 " URLLC業務時延要求

按照國際電聯無線電通信部門的IMT—2020標準，對于高可靠、低時延場景，空口時延應控制在1 ms，端至端時延則應達到毫秒級。基于此，第三代合作計劃開始分析5G網絡需求，將針對低時延通信業務用戶的5G網絡時延要求具體為1 ms的雙向時延，上行和下行均為0.5 ms。

結合具體業務特征，第三代合作計劃在R16協議的TR38.824中提出5G網絡時延定義和可靠性要求，展開低時延業務典型應用需求評估。具體內容見表1。

3 " 傳輸網URLLC關鍵技術

傳輸網時延由設備轉發時延和光纖傳輸時延兩部分構成，接入設備和核心設備轉發時延一般不超0.015 ms和0.03 ms；光纖傳輸時延為0.005 ms/km。無線基站至匯聚機房和核心機房的時延分別為0.32 ms和2.38 ms，光纖傳輸時延在總時延中占94.2%。所以，應縮短URLLC應用場景中傳輸路徑光纖長度，并結合MEC對核心網UPF進行下沉部署。為降低傳輸設備轉發時延，可從以下方面著手。

一是分組設備低時延轉發。考慮到傳輸網業務傳輸時延性能主要受分組設備轉發時延的影響，當前分組設備雖已具備較低的轉發時延[2]，但仍存在一定優化空間。將專用時延敏感調度模塊添加進分組設備內部，并在常規流程中疊加超低時延轉發流程，通過資源之間的協調配合，達到以超低時延轉發特定業務的目的，降低5GURLLC應用場景中的傳輸網轉發時延。

二是層3VPN邊緣部署。5G網絡除要求提升基站密度外，還對站間協同有較高要求，所對應的站間流量帶寬需求和交互頻率相應較高。在接入層中下沉部署傳輸網層3VPN，以簡化流量迂回路徑，縮短傳輸距離，降低設備跳數，達到就近轉發流量，降低站間交互時延的目的。

4 " 核心網URLLC關鍵技術

5G核心網采用服務化架構設計思路，通過服務化、模塊化、軟件化的方式搭建核心網，不同核心網具備相對獨立的網元功能，可以說網元的改變、增減對整體架構無影響。在5GURLLC應用場景中，可從硬件部署和軟件功能兩個方面展開高可靠、低時延部署。

4.1 高可靠方案

為確保5GURLLC應用場景中業務高可靠性，可以借助不同基站以及不同的UPF，進而在網絡中建立起至少2個PDU冗余會話鏈路，從而為用戶面提供相對獨立和穩定的傳輸路徑，其中，數據包復制及冗余數據包檢測等任務由應用層完成。

通過構建業務數據冗余傳輸路徑，將2個隧道部署于接入網基站和錨點UPF之間，同時與1個單獨PDU會話關聯，以實現雙核心網隧道備份，提升隧道數據傳輸的安全性與可靠性。PSA UPF以及SMF中相異的路由信息只能通過隧道信息予以提供，依據優化后的網絡部署達到該類路由信息向相對獨立傳輸層映射的目的。在構建5GURLLC應用場景的QoS流時，若基于5QI、NG-RAN節點能力進行SMF冗余傳輸，則傳輸指令必須通過PSA UPF和NG-RAN執行。其中，對于從數據網絡所接收的錨點UPF至QoS流的下行數據包，必須復制數據包，同時分配GTP-U冗余傳輸序號。

4.2 低時延方案

4.2.1 轉發和控制分離

5G核心網具備網元自治功能，用戶面信令和控制面信令均不會發生交疊，只在控制及轉發等基本模式下以數據報文形式達到控制協議轉發，以及數據包檢測、轉發，用量上報的目的，最終完成QoS及接入等任務。基于PCF所提供的5GURLLC應用場景策略以及本地配置，由SMF網元直接生成規則，隨即發送至UPF，為端至端通信時延和可靠傳輸提供保障。

4.2.2 網元功能下沉

UPF網元部署位置是影響5G基站至核心網UPF間數據傳輸時延的主要因素，當前，運營商可在整個通信云中選擇UPF部署位置，且所選擇的部署位置越高，覆蓋面也越廣，但是UPF和基站間的網絡時延會相應增大。為降低5GURLLC應用場景中的時延，必須縮短UPF和基站之間的光纖傳輸長度，控制設備轉發跳數，降低匯聚網元數。具體而言，可通過下沉部署，縮短UPF和基站間的物理傳輸距離，降低擁塞發生的可能性。出于滿足URLLC應用場景中信令處理需求方面的考慮，應在邊緣云平臺下沉部署UPF和AMF、SMF控制面網元，以達到共平臺部署虛擬化網元和MEC業務的目的，防止傳輸時延及承載網擁塞影響控制面信令回傳情況的發生，確保信令實時交互處理。

出于在URLLC應用場景中對控制面信令實時處理方面的目的，必須在極端場景中在邊緣云平臺同時部署和安排AMF、SMF控制面網元以及UPF共同下沉，以達到將SMF、UPF等虛擬化網元以及MEC業務在同一傳輸平臺部署的操作目的。通過這種下沉部署，確保信令能按照傳輸指令要求實時交互處理。核心網元功能的下沉還會使網元覆蓋范圍受限，為避免這種現象，必須改造低層級機房，這必然會使5G網絡建造成本增大。

4.2.3 邊緣計算

5G網絡在設計階段就已經考慮到對邊緣計算功能支持的可能性，并采用上行分離器分流上行數據、觸發數據分流、用戶面上報、數據網絡本地接入等相關機制界定，因此，5G網絡擁有比4G網絡更好的邊緣計算支持功能。當前，5G網絡僅支持連續性保證及本地分流等邊緣計算功能，在URLLC應用場景中邊緣計算功能的實施則需要路由快速轉發、低時延高效處理、用戶面增強等的支持。

4.2.4 QoS處理

為向輔助支持業務提供高可靠、低時延的業務保障，第三代合作計劃提出基于時延的GBR類型，并進行5QI和業務服務質量映射方式的設計，具體見表2。在此基礎上對不同垂直行業5QI標準及映射數據包時延、數據量、誤包率等重新進行界定[3]。依據所構建的PDU會話，基站可進行5QI資源調度，為通信業務提供高可靠、低時延保證。

在進行業務調度處理時，必須在PSA UPF和終端間設置數據包時延QoS監控模塊，對無線空口、無線基站、上下行數據包時延等進行監控。其中，由NG-RAN對無線空口時延進行監控；在QoS流級別進行無線基站時延控制；結合監測結果，靈活調整URLLC應用場景中低時延控制策略。

5 " 結束語

綜上所述，URLLC應用場景可助力運營商開啟垂直行業業務，也象征著無線網絡在追求擴容、增大連接數等的過程中，對可靠性、時延等網絡指標展開進一步研究。第三代合作計劃R16標準的凍結標志著URLLC設計的完成以及5G URLLC網絡開始轉向商用，但URLLC設備的成熟和完善部署仍需要時間，在這一過程中URLLC業務仍需借助R15標準設備承載。因受到光纖傳輸所引起的時延限制，在URLLC應用的初期仍以點狀分布場景為主。本文對5GURLLC應用場景中端至端高可靠、低時延關鍵技術的分析，可為URLLC網絡測試及部署提供一些思路。

參考文獻

[1] 黎卓芳，劉慧敏，解博森．5G高可靠低時延通信標準現狀及產業進展[J]．信息通信技術與政策，2022（4）：37-42.

[2] 劉珊，黃蓉，王友祥．5G URLLC技術應用[J]．移動通信，2022（2）：55-60.

[3] 豐雷，謝坤宜，朱亮，等．面向電網業務質量保障的5G高可靠低時延通信資源調度方法[J]．電子與信息學報，2021（12）：3418-3426.