面向低时延高可靠的5G uRLLC增强技术研究

许森　信金灿

【摘  要】uRLLC是ITU提出的5G三大应用场景之一，目前国内运营商的5G网络主要是以面向eMBB业务为主，对于全面支持uRLLC的业务仍存在一些差距。首先分析了5G现网对于uRLLC业务的支持能力，结合uRLLC在3GPP标准中的进展情况，分析了未来全面支持uRLLC业务时运营商5G网络所需要引入的增强功能和面临的挑战。

【关键词】uRLLC;降低时延;可靠性增强

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.012        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）09-0062-06

引用格式：许森，信金灿. 面向低时延高可靠的5G uRLLC增强技术研究[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 62-67.

Study on 5G uRLLC Enhancement Technology for Ultra-reliable and Low Latency Communications

XU Sen1， XIN Jinchan2

[Abstract] The uRLLC is one of the three typical application scenarios for 5G networks proposed by ITU. Since Chinese operators mainly focus on eMBB services in their initial 5G deployment phase， there are some gaps to fully support uRLLC services in the practical network. This paper analyzes the ability to support the ultra-reliable and low latency service in the current network. Based on the progress of uRLLC in 3GPP standard， the enhanced features and challenges are analyzed that operators need to introduce to fully support uRLLC services.

[Key words]uRLLC; latency reduction; reliability enhancement

1   引言

ITU確定了5G的三大应用场景，即eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）、mMTC（massive Machine Type Communication，大规模机器类型通信）和uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠和低时延通信）。目前运营商的5G初期建设主要是以面向eMBB业务为主，其中在3.5 GHz频率上中国电信和中国联通采用了2.5 ms双周期的帧结构[1]，具体配置如图1所示。仿真数据表明，针对初传，2.5 ms双周期帧结构可以实现1.3 ms的下行单向时延和1.9 ms的上行单向时延，针对重传，可实现1.5 ms的下行单向时延和2.2 ms的上行单向时延。因此，2.5 ms双周期的帧结构可以满足eMBB业务对于空口单向4 ms时延的要求。

随着工业物联网（IIoT， Industrial Internet of Things）的兴起和工业4.0的提出，uRLLC在IIoT领域的应用获得了越来越多的关注[2]。表1给出了IIoT领域部分场景对时延和可靠性的需求。具体来说，在5G初期，uRLLC主要应用于虚拟现实（VR， Virtual Reality）/增强现实（AR， Augmented Reality）等领域，具体需满足1 ms用户面时延下10-5的可靠性需求。随着IIoT的进一步发展，uRLLC业务将更多地应用于工厂自动化（运动控制、控制到控制通信）、传输业（远程驾驶）和电力分配（智能电网）等领域，这些场景对时延和可靠性提出了更高的需求，具体来说，远程驾驶的要求是3 ms用户面时延下实现10-5的可靠性，电力分配系统的要求是2 ms用户面时延下实现10-6的可靠性，而工厂自动化场景的要求是1 ms用户面时延下实现10-6的可靠性。

与eMBB提出的4 ms用户面时延内达到10-3可靠性需求相比，uRLLC业务的要求更为严苛，其要求在1 ms用户面时延内达到10-5的可靠性。为了满足该可靠性要求，5G通过采用中短码长的多元LDPC码获得编码增益[3]，同时MIMO技术可以通过在发射端和接收端同时配置多根天线，实现空间分集增益以保证可靠性。仿真结果表明，当AL等于8时，无法满足5G初期提出的10-5的可靠性需求，当AL等于16时，仅可以在上行链路中满足10-5的可靠性需求。

结合上述分析可知，面向eMBB业务的2.5 ms双周期帧结构无法满足uRLLC业务提出的1 ms单向用户面时延的要求，而且基于现有的物理层技术，也无法满足当前IIoT场景提出的10-6的可靠性要求。因此，为了在5G网络中更好地支持uRLLC业务，需要通过uRLLC增强技术降低时延，提高可靠性。

本文后续将介绍3GPP在Rel-15和Rel-16阶段对于uRLLC的支持情况，并分别从降低时延和增强可靠性两个维度，分析现网全面支持uRLLC所需要引入的额外功能和要求。

2   uRLLC标准进展简介

本节将分别从这两方面介绍uRLLC在Rel-15和Rel-16中关于uRLLC的可靠性和时延研究的进展情况。在3GPP Rel-15阶段提出的时延降低方案包括：

（1）支持更灵活的帧结构[5]：4G LTE只支持15 kHz的子载波间隔，每个子帧（固定长度1 ms）包含两个时隙，每个时隙包含7个OFDM符号。而5G/NR支持多种子载波间隔，sub-6GHz以下频段可支持15 kHz/30 kHz/60 kHz等子载波间隔配置，每个子帧（固定长度1 ms）包含2μ个时隙，从而减少了每个Slot的空口传输时间。

（2）支持更灵活的调度单位：4G调度的最小调度单位是时隙，5G支持非时隙即“迷你”时隙（最小2符号）调度。

（3）支持uRLLC高优先级传输：为了保证高优先级uRLLC业务需求，5G/NR提出，uRLLC业务可以抢占eMBB业务资源降低时延。

（4）引入移动边缘计算（MEC， Mobile Edge Computing）技术，通过在无线接入侧部署通用服务器，使无线接入网（RAN， Radio Access Network）具有IT和云计算的能力，从而实现业务本地化，降低数据从基站到核心网的传输时延。

针对保证5G传输的可靠性，在Rel-15中引入了如下功能：

（1）支持PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）复制机制，发送端在PDCP层将数据复制，然后将两个数据包发送到两个独立的逻辑信道传输，实现频率分集增益，提高可靠性。

（2）分集技术，在发射机侧和接收机侧配置多根天线，通过支持单用户单流传输模式，最大化无线链路的分集阶数，提高可靠性[7]。

（3）支持多TRP传输机制，两个或多个不同的TRP向UE发送相同的数据分组或者控制分组，实现空间分集增益，提高可靠性[8]。

（4）支持更小负载DCI设计，通过减少DCI开销提升AL，从而降低PDCCH的编码率，进而降低解码误码率，提高可靠性[9]。

为了全面支持uRLLC业务，3GPP在Rel-16阶段对uRLLC进行了进一步增强[10]，提出以下降低时延方案：

（1）支持免授權配置，一般来说，在基于授权配置的调度中，UE需要通过调度请求获取资源，为了降低时延，可以根据业务特点为部分UE预分配资源[11]。

（2）支持UE内优先级和复用机制，在Rel-15中，eMBB的动态授权优先于uRLLC的配置授权（CG， Configured Grant），为了保证uRLLC业务的时延，Rel-16提出基于LCH优先级和逻辑信道优先级（LCP， Logical Channel Prioritization）限制的选择方案，从而实现优先传输具有更高优先级的uRLLC业务。

（3）支持时间敏感网络（TSN， Time Sensitive Networking）和5G网络融合，通过以下机制实现时间敏感传输，保证主时钟和终端时钟的精确时钟同步，支持更短周期的半持续调度（SPS， Semi-Persistent Scheduling），支持为UE的一个BWP配置多个SPS和CG，支持与CG/SPS周期不匹配的TSN业务，通过以太网头压缩机制提高数据传输效率降低时延[12]。

为了进一步满足部分业务对于可靠性的苛刻要求，Rel-16阶段做了如下增强方案：

（1）支持多TRP传输方式，Rel-16在Rel-15的基础上提出，可以基于空分、频分、时隙内时分和时隙间时分的方式重复发送传输块，为了提高分集增益，还支持上述模式的组合以及不同模式（包括组合模式）间的动态切换。

（2）支持PDCP复制增强机制，Rel-15支持两条支路的PDCP复制，为了实现更高的可靠性，Rel-16支持最多四条支路的PDCP复制，该机制可通过CA复制、DC复制以及CA复制和DC复制的组合实现。

（3）支持多连接机制，通过更高层的冗余传输，例如，通过MgNB和SgNB建立两条独立的端到端PDU会话实现分集增益，提高可靠性[13]。

3   降低空口传输时延方案

根据第1节的分析，目前的2.5 ms双周期帧结构还无法满足某些对于时延较高（如空口传输时延为1 ms或者2 ms）的业务需求，本节将主要从降低空口时延和传输时延的角度分别分析5G网络降低时延的方案。

3.1  引入更短周期帧结构

为了降低空口时延，可以考虑引入比2.5 ms双周期帧结构更短周期的帧结构，如1 ms单周期帧结构，通过缩短上行时隙间隔以降低上行业务资源等待时延。具体来说，1 ms单周期帧结构的具体配置如图2所示，其中一个周期内包含一个全下行时隙和一个特殊时隙，为了降低由传统特殊时隙带来的上行传输时延，该帧结构的特殊时隙中只包含保护间隔和上行符号，通过上行符号传输上行数据。相比于2.5 ms双周期中上行时隙的平均间隔，该帧结构降低了特殊时隙（上行符号）的平均间隔，从而降低了上行传输时延。

为了进一步对比两种帧结构下的空口传输时延，仿真得到了两种帧结构的上下行单向平均时延和考虑一次重传的平均时延（假设初传和重传比例为9：1），其中，无线网络的用户面时延指的是空口时延（以ms为单位）。结合上述帧结构配置和下面的仿真结果可知，考虑到1 ms单周期中两个特殊时隙的间隔小于2.5 ms双周期中两个上行时隙的平均间隔，因此，针对上行用户面的平均时延（如图3所示），无论是初传还是重传，1 ms单周期的平均时延都低于2.5 ms双周期的平均时延。

同理，针对下行用户面的平均时延（如图4所示），由于2.5 ms双周期中两个下行时隙的平均间隔小于1 ms单周期中两个下行时隙的平均间隔，因此，无论是初传还是重传，2.5 ms双周期的平均时延低于1 ms单周期的平均时延。

结合两种帧结构配置，综合考虑上下行用户面平均时延可知，1 ms单周期比2.5 ms双周期更能满足uRLLC低时延的要求。

这种新型帧结构对于部署频点有两种方案：

（1）方案一：同频部署，即在不同的区域中采用不同周期的帧结构以满足不同用户的需求，如针对行业用户采用1 ms帧结构，对公众客户采用2.5 ms双周期。

（2）方案二：异频部署，即不同的频段采用不同的帧结构满足不同类型的用户需求，如3.5 GHz采用2.5 ms双周期，而在4.9 GHz或者其他频段上采用1 s帧结构。

需要说明的是，两种方案都需要保持与同频和临频的隔离距离要求以避免因时隙配置不同对同频和临频的干扰。

3.2  TSN网络功能增强

为了降低uRLLC业务的传输时延，可考虑将5G网络和TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）进行深度融合。一般来说，TSN业务具有周期性、确定性和数据大小固定的特点，TSN网络根据该业务特点，可以实现TSN业务的确定性传输。考虑到eMBB业务不具有数据大小和时延确定的特点，目前，面向eMBB业务的LTE和NR系统并不能为业务提供确定性传输。然而，与TSN业务类似，部分uRLLC业务也具有周期性、确定性和固定长度的特点，因此，可以考虑5G网络支持TSN网络的相关功能以满足业务对低时延和高可靠性的要求。

具体来说，为了给TSN业务提供确定性传输，TSN网络可以从核心网获取该业务的周期、数据大小等信息，基于这些信息为TSN业务预先配置资源或者进行半静态调度，这样，当TSN数据到达时，不需要通过调度请求从网络侧获取资源，降低了等待资源的时间。一般来说，无线网中的业务周期以ms为单位，而TSN业务的周期以Hz为单位，例如，在智能电网中，数据包的周期可能为1 Hz/1200 Hz，即0.833 ms。因此，可能会出现无线资源配置周期与TSN业务周期不匹配的问题，为了降低该问题导致的TSN业务的资源等待时延，一方面，可以考虑根据TSN业务周期为其配置更短周期的半静态资源调度，另一方面，还可以根据业务周期为其配置多个具有相同周期不同时间偏置的半静态调度。最后，考虑到TSN是基于传统以太网发展的，因此，TSN数据需要封装为以太網帧传输，但是考虑到IIoT业务的数据包相对较小，以太网帧头部将占用较大的比例，为了降低其带来的时延，可以考虑对以太网帧头部进行压缩。

4   可靠性增强方案研究

根据IMT-2020中定义，可靠性指的是特定时间内数据包成功传输的概率。在5G发展初期，uRLLC业务的可靠性需求是1 ms单向时延下实现10-5的可靠性，但是随着需求的提高，现阶段uRLLC关键技术需要考虑如何满足工业互联网场景中1 ms单向时延下10-6的可靠性要求。

4.1  数据包重复传输

在LTE系统中，为了提高可靠性提出了RLC层的自动重复请求（ARQ， Automatic Repeat Request），机制、MAC层的混合自动重传机制（HARQ， Hybrid Automatic Repeat Request）以及物理层的自适应调制编码机制。但是无论是ARQ的重传机制，还是HARQ的停等协议都是以时延为代价提高可靠性的。为了降低时延，5G/NR考虑在PDCP层对数据进行复制[15]，通过在不同路径上传输多个相同的数据包，实现分集增益，提高可靠性。

目前，通过物理层技术可实现1 ms单向时延下10-4的可靠性，因此，可以考虑通过两条PDU复制链路实现uRLLC业务提出的1 ms单向时延下10-6的可靠性要求。但是，考虑到无线信道的随机性，为了保证业务可靠性，提出了支持最多四条复制链路的PDCP复制增强方案[16]，具体可以通过CA复制、DC复制以及CA复制和DC复制的组合来实现（如图5所示[17]）。为了降低复制传输带来的资源浪费，标准中也提出了动态的复制激活/去激活的机制。

5G网络在未来引入多个载波后，可考虑引入数据包复制技术。基于该技术可以根据信道条件和业务的QoS要求，选择不同数量的复制链路，以更高的资源利用率保证可靠性。

4.2  通过多连接增强可靠性

为了进一步提升用户面的可靠性，标准中还引入了多连接方案[18]：

（1）方案一：基于DC的终端到终端的用户面冗余传输方案，即通过在UE1和UE2间建立两条冗余PDU会话提高数据传输可靠性。具体来说，一条会话从UE1出发，通过MgNB连接到用户面控制管理功能（UPF1， User Plane Function 1），以UPF1为会话锚点连接到UE2，另一条也从UE1出发，通过SgNB连接到UPF2，以UPF2为会话锚点连接到UE2，从而实现分集增益，提高可靠性。其中MgNB通过Xn接口控制SgNB的选择和DC功能设置。该方案中，冗余路径会跨越整个系统，包括RAN、核心网，甚至还会扩展到数据网络。

（2）方案二：基于N3接口的冗余传输。首先，NG-RAN复制上行数据包，然后通过两条冗余的N3通道发送给UPF，其中每条N3通道与一个PDU会话关联。通过两条独立的传输层路径可以实现分集增益，提高可靠性。为了确保两条N3通道通过相互独立的传输层路径传输，NG-RAN节点、会话管理功能或UPF将为每条N3通道提供不同的路由信息。

本节提到的两种多连接方案和上节提到的PDCP复制基本原理类似，都是通过冗余传输实现分集增益提高可靠性。但不同的是，PDCP复制是RAN内部的冗余传输，DC方案是基于UE和应用/DC间的冗余传输，N3接口方案是基于RAN和UPF间的冗余传输。相比于后两种方案，PDCP复制方案占用资源较少，因此，当仅有两个频段时，可以考虑采用PDCP复制增强方案实现uRLLC业务的10-6的可靠性需求。

5   结束语

5G作为移动通信与垂直行业融合的突破口，有望通过自动驾驶、工厂自动化和智能电网等uRLLC业务带来對整个社会巨大的变化。当前的5G网络仍然以支持eMBB业务为主，对于全面支持uRLLC业务仍然有差距。因此未来的5G网络需要对时延和可靠性进行进一步的增强。运营商可以根据业务发展需求，选择合适的更短周期帧结构以降低业务的空口时延，并考虑与工业界提出的TSN网络实现深度融合，保障业务端到端的低传输时延。在5G频谱资源充分的情况下，在部署多载波的基础上，通过引入PDCP层和更高层的数据复制传输技术实现可靠性的进一步提升。

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