URLLC典型应用建模与评估

王锐，夏亮，张龙，肖善鹏

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

为了实现万物互联，5G 标准在制定之初就提出了三大场景：增强移动宽带（eMBB）、超可靠低延时通信（URLLC）、海量机器类通信（mMTC）。其中，URLLC 技术被视为移动通信技术针对工业控制、智能医疗、自动驾驶等高实时性高可靠性要求的垂直领域的深度优化。本文将聚焦于第一批落地应用的典型URLLC 场景（港口远程控制和工厂AGV），分析其典型业务模型，基于运营商典型网络配置进行建模评估，结合系统级评估结果，给出后续发展建议。

1 应用场景与需求指标

1.1 港口

现阶段，海运业承载了约90%的全球贸易，而港口是连接海路运输和内陆运输的重要枢纽。中国是航运大国，截至2018 年，中国沿海港口150 个，万吨级及以上泊位2 444 个，位居世界第一。全球集装箱吞吐量前十港口中，中国占7席（上海、深圳、宁波、香港、广州、青岛、天津），建设智慧港口的需求非常迫切。港口的典型业务有桥吊、自动导引车（AGV,Automatic Guided Vehicle）以及龙门吊（RMG,Rail Mounted Gantry crane）等。本文将聚焦龙门吊业务展开详细说明。

龙门吊主要用来实现堆场内集装箱的装卸、整理。龙门吊操作工人需要进行高空作业，颈椎职业病高发，而且存在一定安全隐患。在智慧港口建设中，港口客户希望通过5G 蜂窝无线通信实现龙门吊远程控制，在保证操作人员的人身安全的同时，也避免了有线部署走线复杂、成本高、升级改造困难等问题。图1 给出了智慧港口龙门吊远程控制示意图。为做到龙门吊远程控制，龙门吊上需安装高清摄像头（每个龙门吊上需要安装10 个左右高清摄像头），高清摄像头将拍摄到的画面通过5G 网络实时传输至港口客户的管理控制平台，操作人员根据管理控制平台的视频或数据，发送龙门吊操作指令，该操作指令通过5G 网络低时延地传输到龙门吊，龙门吊根据指令完成装卸、整理动作。

图1 龙门吊远程控制示意图

龙门吊业务的主要需求指标：

（1）可靠性：龙门吊业务对于可靠性的要求较高，即99.999%；

（2）时延：端到端时延1 要求为上行50 ms，下行20 ms；空口单向时延2 为上行18 ms，下行16 ms；

（3）业务模型：上行每包大小6.25 kB，每秒600 包；下行每包大小80 Byte，每6 ms 一个包；

（4）用户数：每小区约3 个用户。

其中，端到端时延为给定信息从信息源传输到目的地，目的地正确接收所需要的时间，为单向时延。空口时延主要包括基站/用户处理时延、帧对齐时延、数据传输时延以及资源获取时延（SR 过程）。上行为高清视频，根据经验值扣除视频流编码时延30 ms，还剩20 ms，然后扣除核心网（本地）和传输各1 ms，因此空口时延18 ms。下行控制信令，端到端单向时延20 ms 扣除平台侧时延2 ms，核心网（本地）和传输各1 ms，因此空口时延为16 ms。

1.2 工厂

目前，自动导引车（AGV）广泛应用于仓储物流、港口、工厂等场景中，负责自动运输货物。AGV 业务是另一个典型URLLC 应用。图2 给出了AGV 在工厂（室内）的工作示意图。工厂内部署5G 室内站，保证室内的5G 覆盖。AGV 小车在工作过程中，会周期性上报自己的状态，该数据通过5G 网络低时延地传输至数据管理平台。AGV 自动控制平台或操作人员通过该数据管理平台监控AGV 小车的状态，发送操作指令，该指令通过5G 网络低时延地传送给AGV 小车，AGV 小车根据指令完成相关动作。

图2 工厂（室内）AGV工作示意图

AGV 业务的主要需求指标：

（1）可靠性：AGV 业务对于可靠性的要求较高，即99.999%；

（2）时延：端到端时延1 要求为上行/下行20 ms；空口单向时延2 为上行/下行18 ms；

（3）业务模型：上行/下行每包大小300 Byte，每50 ms一个包。

其中，端到端时延为给定信息从信息源传输到目的地，目的地正确接收所需要的时间，为单向时延。空口时延主要包括基站/用户处理时延、帧对齐时延、数据传输时延以及资源获取时延（SR 过程）。上行/下行为控制信令，端到端单向时延20 ms 扣除核心网（本地）和传输各1 ms，因此上行/下行单向空口时延为18 ms。

2 系统建模与评估

2.1 系统评估参数

为使得评估结果更贴近现网，对垂直行业客户及运营商具有更高的参考价值，本文将采用运营商典型网络配置进行系统级建模评估。考虑到TDD 在5G 中的重要地位，本文重点考虑TDD 双工方式。不同频段所采用的帧结构如图3 和图4 所示：

图3 2.6 GHz帧结构

图4 4.9 GHz帧结构

在工厂场景中，引入了一种新的室内基站部署方式，如图6 所示。图5 为3GPP[1]仿真中采用的室内基站部署方式。这两种部署方式的主要特点为：图5 方式需要部署多个室内基站（站间距20 m），成本较高；每个基站为一个小区，室内区域有多个小区，可连接用户数较多；室内物体移动时，跨小区需要切换。图6 方式仅需要部署1 个室内基站，室内覆盖通过天线拉远实现，成本较低；该室内区域仅有一个小区，可连接用户数较少；室内物体移动时，无需小区间切换。现网中行业客户较多采用图6 所示的部署模式。

图5 TR38.824中的室内部署方式（layout1）

图6 新的室内部署方式（天线拉远，layout2）

（1）港口参数

本小节给出港口评估的详细评估参数，如表1 所示。

（2）工厂参数

本小节给出工厂评估的详细评估参数，如表2 所示。

2.2 系统评估结果

（1）港口评估结果

图7～图8 给出了港口RMG 业务在两种频段、两种帧结构、两种ISD 下，满足业务需求指标的用户占比。从评估结果可以看出，相同的ISD（350 m），2.6 GHz 采用5 ms 帧结构时，仅可以满足每小区一个用户的业务指标；4.9 GHz采用2.5 ms 帧结构时，可以满足每小区3 个用户的业务指标。

表1 港口评估参数

表2 工厂评估参数

（2）工厂评估结果

图9～图12 给出了工厂AGV 业务在两种频段、两种帧结构、两种layout 下，满足业务需求指标的用户占比。从评估结果可以看出，两种layout 部署下，满足业务需求指标的用户占比均为100%。

图7 港口龙门吊2.6 GHz仿真结果（ISD350）

图8 港口龙门吊4.9 GHz仿真结果（ISD350）

图9 工厂AGV 2.6 GHz仿真结果（layout1）

图10 工厂AGV 4.9 GHz仿真结果（layout1）

2.3 评估结果

图11 工厂AGV 2.6 GHz仿真结果（layout2）

图12 工厂AGV 4.9 GHz仿真结果（layout2）

从港口的评估结果可以看出，对于港口龙门吊业务，5 ms帧周期的TDD 帧结构（7D:1S:2U,S:6:4:4）较难满足每小区3 个URLLC 用户的业务需求。在该帧结构配置下，仅能保证每小区1 个URLLC 用户的业务指标。而2.5 ms 双周期的帧结构配置可以满足业务需求。从龙门吊业务模型可以看出，每10 ms 需要传输6 个6.25 kB 的上行大包，而对于5 ms 帧结构而言，每10 ms 仅有4 个上行资源。对比来看2.5 ms 双周期的帧结构，每10 ms 有6 个上行资源。从可利用的上行资源上来讲，2.5 ms 双周期的帧结构更适合龙门吊业务。同时，2.5 ms 双周期上下行转换更及时，从而缩短数据传输后等待ACK 的时间，进一步提高传输效率。

对这种上行业务较多的URLLC 应用，建议配置较短周期且上行资源多的帧结构。后续将大力推动产业支持2.5 ms单周期的帧结构（1D:1S:3U,S:10:2:2），从而更好地匹配大上行URLLC 行业应用。

从工厂的评估结果可以看出，对于AGV 场景，无论是layout1 还是layout2 都可以满足业务需求。考虑到layout2 可以带来更少的切换和更低的成本，因此推荐该类场景以layout2 方式进行部署。

3 结束语

4G 改变生活，5G 改变社会。5G 网络从设计之初，其肩负的一个重要使命就是使能垂直行业。与传统的4G业务相比，5G 垂直行业的业务需求更多样且差异巨大，运营商公网较难满足垂直行业不同的业务需求，运营商企业专网应运而生。运营商企业专网可以通过给不同的行业客户配置不同的频率、不同的帧结构、提供电信级的分级QoS 保障等，更灵活地去适配差异化巨大的垂直行业需求，为提升行业客户的运营效率和决策智能化水平提供新的技术支撑，助力“中国制造2025”战略的实施。