URLLC应用场景及未来发展研究

李静，董秋丽，廖敏

（中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京 100048）

0 引言

ITU 在eMBB、mMTC、URLLC[1]这三大应用场景上做出了一定规划，5G 技术的三大场景应用性和前几代无线通信技术相比有巨大提升，它必将带来一些目前无法想象出的应用。5G 作为改变社会，改变生活的技术，它与上一代网络的区别不仅是速率的差异大小，而是低时延，5G 网络可以将4G 网络下的时延提升至人类感知不到的范围，所以到5G 应用的成熟阶段，行业应用将从大带宽的特点向低时延、高可靠的方面拓展，对应于智能网联汽车、智能制造和产业园区等高价值应用预计将于2022 年广泛进入市场，助力运营商通过开放网络能力，打造差异化的网络优势，推动移动通信行业与其它垂直行业合作探索新领域。

本文聚焦超可靠低时延通信URLLC 的应用场景，这一应用场景涵盖以人为中心的通信和以机器为中心的通信，使用案例的特点是对时延、可靠性和高可用性有严格的要求。URLLC 的应用场景变化范围非常大，端到端时延从几毫秒到几百毫秒，可靠性从两个九到六个九，吞吐率从几千到几百兆字节每秒[2]等，需要平衡和兼顾如此大的需求范围是个很大的挑战。为了更好地了解URLLC 所能带来的商业机会和挑战，本文提炼三大URLLC 典型应用场景进行分析，希望借此帮助行业了解URLLC 的场景需求、关键问题和解决方案。

1 汽车应用场景

随着R16 URLLC 低时延高可靠阶段的到来,智能车网联化应用逐步具备落地的条件，它可在一定成本范围内，大幅提高车辆感知距离和感知信息范围，且不受恶劣天气影响，提升车辆智能驾驶的速度和安全性，从而提高主动安全驾驶，将有效缓解城市道路拥堵现象，提升交通资源调配效率，提高出行率，实现城市智慧交通[8]。

1.1 典型应用分析

URLLC 可以用于在道路交通基础设施的自动化控制，低时延和高可靠的5G 连接用来连接道路两旁的基础设施，如路杆、交通灯、指示牌等，如图1 所示。

车路协同应用的技术指标要求如表1 所示：

图1 车路协同示意图

表1 车路协同应用的技术指标要求

1.2 典型应用挑战

在汽车应用URLLC 的初期，电信运营商、通信系统设备商、应用服务商、交通管理部门、行业业主和车企等多家企业联合起来，通过合作共赢、优势互补[4]的方式，快速推出面向市场成熟可用的车联网解决方案，共同打造车联网生态圈。汽车应用URLLC 的需求包括传统的覆盖、容量、时延、可靠性、速率、移动性、安全、成本、功耗等，由于URLLC 继承了蜂窝产品的产业链和先进的芯片，安全、成本、移动性、功耗和容量都不是太大的问题，覆盖、速率、时延、可靠性将是未来URLLC 在汽车应用方面主要面临的挑战。

2 工业制造应用场景

智能工厂是一个典型的5G URLLC 应用场景。这是由于工业制造应用场景的技术要求非常严格，时延要求一般在几毫秒[5]之内，并且需要极高的可靠性。

2.1 典型应用分析

工厂自动化[6]是工业制造应用场景下的一个典型应用，通过5G 的低时延和高可靠性的特性，把生产线的设备无线连接至边缘云平台，可以集中数据收集，实时分析和管理，协作和操控机器人等等，最终把生产线数码化和自动化，而整体的生产力和运作成本也可以优化。工厂自动化中包含各种机别的移动机器人控制，主要用于工厂室内或室外环境，覆盖面积要求在1 km2左右，终端数目在100 以下。具体的技术指标如表2 所示。

表2 工厂自动化应用的技术指标要求

2.2 典型应用挑战

5G URLLC 场景致力于扩展更多可支持的业务模型，但距离真正的工业自动化依然有很长的一段路要走。为满足URLLC 低时延高可靠的需求，应用最好部署在授权频段上，可以使用地方政府授权的频段，或者转租运营商现有的频段。这就要求运营商在做频谱规划的时候考虑这一因素。

3 电力应用场景

电力应用场景[7]下，通信的节点位于非常细的末梢树枝上，甚至到了叶子节点，对于通信网络的覆盖和终端成本提出了很高的要求，光纤由于建设成本高难以支撑这类应用，无线网络是最经济的选择。由于电力入网需要对齐相位，因而需要调整发电机组的相位以便与网络整体衔接，高精度的测量、低时延的反馈和控制更加有利于实现相位对齐。从长远来看，电力应用场景对URLLC的需求会逐渐增加，并且处于高速的发展轨道上。

3.1 典型应用分析

本节将重点介绍输配电自动化场景中的典型应用——分布式FA。分布式FA 主要应用于配电领域，其主要目的是避免发生电力事故时导致大面积停电，从而提高供电的可靠性，降低因突发停电造成的事故和经济损失，提升人民群众的生活满意度。URLLC 可以使得各个层级电闸同时上报数据，因而整个供电系统只需要一个级差，这可以大大降低对供电设备的要求，相当于配电网络发生了一次革命。分布式FA 应用的技术指标要求如表3 所示：

表3 分布式FA应用的技术指标要求

3.2 典型应用挑战

为满足电力应用场景，要求电网保护智能终端通信稳定可靠，相关联的智能保护终端需要在时间误差范围内收到相邻节点的电流信息，从而保障故障判断的有效性和准确定。运营商可以帮助电力企业部署和运维5G网络，或者采用以租代建的方式；运营商可以通过部署URLLC 网络切片[9]等技术来满足业务的低时延需求，针对终端设备可连接数收费，也可以按照软硬件流量整体打包的方式收取功能服务费，也可按照将功能服务费捆绑网络使用费，对企业统一收取整体解决方案服务费。

4 网络切片助力URLLC 业务

现有的网络架构很难满足5G 时代如此复杂的网络需求，因此网络切片的概念应运而生。具体的网络切片方法有很多种，最基本的是按照三大业务场景进行切片，即分成eMBB 切片、mMTC 切片和URLLC 切片三大类。由于这三大类的实现技术（尤其是无线侧的技术）不一样，所以这三大场景内部可以根据服务等级、网络制式或者企业不同进行进一步的细分。下面将从部署和策略两个方面进URLLC 切片方案的设计，灵活的URLLC 切片方案将助力垂直行业典型应用在5G 网络中的发展。

4.1 部署方案

针对URLLC 业务，考虑成本与组网复杂度，优选在SA 架构下支持URLLC 部署。可基于不同实体设备实现核心网切片，URLLC 可采用UPF 下沉的方式，采用更接近前端部署的UPF。同时，传输网络也可采用差异化的策略来实现传输切片，如eMBB 可采用softVPN，而URLLC 可采用FlexE 技术，部署方案示例如图2 所示：

图2 URLLC切片部署方案示例

表4 给出了URLLC 使用不同频段和技术时的技术指标，综合对比下，现主要推荐使用FDD 频段支持URLLC 业务。

表4 URLLC频率需求情况对比

4.2 策略方案

针对URLLC 切片与eMBB 切片对于可靠度、低时延等方面的要求差异，整体策略上的差异可体现为：

（1）低时延保障

URLLC 切片业务基于mini-slot 进行调度，而eMBB切片基于slot 进行调度。具有URLLC 切片业务的UE，上行可配置上行免授权方式进行上行传输，减小SR 与信令调度方面的时延开销。针对URLLC 的切片业务，相较于eMBB 切片业务，降低其期望的目标BLER，而后根据降低后的期望BLER 进行外环调整，以相对保守的调度策略减少重传，达到降低时延的目的。URLLC 的切片业务，使用LowSE（低频谱效率）的MCS 与CQI 映射表格（99.999%可靠度），保证传输可靠度，而相对保守的调度策略可帮助减少重传，达到降低时延的目的，而eMBB的切片业务使用常规的MCS 与CQI 映射表格（90%可靠度）。相较于eMBB 切片业务，由于URLLC 切片业务的低时延要求，可采用更为严格的接纳算法配置，进行URLLC 切片对应的用户数与承载数限制。

（2）高可靠传输保障

相较于eMBB 切片业务，URLLC 部分高可靠传输保障的策略与低时延保障中的相同，其中包括降低期望的目标BLER、使用LowSE 的MCS 与CQI 映射表格等。从资源利用率的角度考虑，URLLC 切片业务可考虑重复发送，并且由于URLLC 业务的时延敏感特性，采用基于上行免授权的重复发送较为适合。

（3）资源保障

上行/下行URLLC 的切片业务均可与eMBB 的切片业务进行半静态频分配置（采用不同调度器），调度器预留一定比例资源以保障URLLC 的切片业务。下行支持不同UE 间的URLLC 的切片业务与eMBB 的切片业务进行打孔抢占，保证URLLC 切片业务的传输资源。

5 面临的挑战

前面列举分析的应用场景仅是5G URLLC 相对典型的一部分，更多的应用相信未来会随着技术和产业链的成熟如雨后春笋般出现。但是5G URLLC 的应用在标准、频谱及网络部署、终端和商业模式等方面都面临巨大的挑战。

（1）标准

当前的3GPP R15 标准主要定义了eMBB 的技术规范，而真正作为5G 革命性技术的URLLC 和网络切片技术要在3GPP R16 才能得以完善。URLLC 的各种功能当前还在R16 技术规范讨论中。其他功能如mMTC 更要到R17 才会定义。3GPP R16 标准预计在2020 年确定，而商业部署和产业链成熟也需要标准确定后的若干年才能实现规模商用。

（2）频谱及网络

当前国内的5G 频谱主要应用于eMBB 业务，例如3.5 GHz 和2.6 GHz 频段。如前面所提到的，eMBB 和URLLC 业务，尤其是极高要求（Critical/Ultra-Cricital）的URLLC 业务，可能难以在同一张物理网络上同时应用。而即使采用了网络切片方式的虚拟专网也可能因为应用场景的巨大差异而使得网络运维变得复杂，所以运营商或许需要考虑使用专用的频段和物理网络来部署URLLC，比如FDD 频谱重耕等。而又因为URLLC 应用于各种垂直行业，各行各业的应用场景不尽相同，如覆盖大小、移动性、时延、吞吐率、可靠性等指标要求不一致，使得URLLC的频谱策略和网络部署变得复杂和难以平衡。

不同于eMBB 业务的终端，URLLC 业务终端将更多应用于垂直行业。有的终端追求性能，有的追求功耗和成本，各种行业应用要求不尽相同，因此终端的产品形态将呈现多样化和定制化趋势，这对于产业链的成熟周期也提出了新的要求。

（3）商业模式

由于URLLC 业务将更多应用于垂直行业，而各行各业的应用场景和需求不尽相同。这要求服务提供商能根据行业特点进行精细化定制和设定灵活的策略及接口。虽然5G 引入网络切片的架构技术使得垂直行业应用和定制变得更加标准化，但是商业模式和运维上仍然充满了新的和不可预知的挑战。无论是电信运营商、互联网公司，还是系统设备商、终端制造商，均需要产业圈各方通力合作，进行5G URLLC 全方位生态建设，打造5G URLLC 业务落地的示范效应，推动5G URLLC 生态圈不断壮大[10]。

6 结束语

为了更好地了解URLLC 所能带来的商业机会，本文选取了三大最有前景的应用场景进行分析，希望借此帮助行业了解URLLC 技术应用的进展和挑战。虽然目前URLLC 技术的成熟落地还有一段窗口期，但是其低时延高可靠的无线属性势必将会成为未来智慧交通、工业制造、智慧能源等垂直行业转型升级不可或缺的支撑技术，其毫秒级的时延、六个九的高可靠性和百兆以上的传输速率，保证其能够与特定垂直行业的各环节融合。5G 的三大服务场景URLLC、eMBB 和mMTC 其天然的差异性将引领未来关键的基础设施和重要应用逐步架构在5G 网络切片的技术发展上，所以本文深入探讨了URLLC 切片的解决方案，结合部署和无线策略的合理设计，可针对性地满足不同应用场景的需求，有助于URLLC 赋能垂直行业的良性发展。