董帝烺 許國平 林斌

【摘? 要】

分析了URLLC技術(shù)指標(biāo)要求和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求，介紹了4G用戶面時延情況和減少4G時延的技術(shù)演進(jìn)，研究和分析了5G實現(xiàn)URLLC低時延的靈活的幀結(jié)構(gòu)、動態(tài)HARQ、MEC，mini slot、自包含幀、免授權(quán)調(diào)度等技術(shù)，實現(xiàn)了URLLC低時延在工業(yè)控制和遠(yuǎn)程手術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】超可靠低時延;用戶面時延;幀結(jié)構(gòu);時隙;調(diào)度;業(yè)務(wù)應(yīng)用

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.017? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0078-07

引用格式：董帝烺，許國平，林斌. URLLC低時延的技術(shù)研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 78-84.

Low-Latency Technology Research and Service Application of URLLC

DONG Dilang， XU Guoping， LIN Bin

（China Unicom Fujian Branch， Quanzhou 362000， China）

[Abstract]

This paper analyzes the requirements of URLLC technical indicators and industrial Internet applications， and introduces the 4G user plane delay situation and the technological evolution to reduce 4G delay. Furthermore， the 5G technologies to achieve the URLLC low latency are investigated， such as the flexible frame structure， dynamic HARQ， MEC， mini slot， self-contained frame， grant-free schedule， and thus realize the service applications of URLLC low latency in industrial control and remote surgery.

[Key words] URLLC; user plane delay; frame structure; slot; schedule; service application

0? ?引言

3GPP對于5G的應(yīng)用主要分為：增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延（URLLC）和海量機(jī)器類通信（mMTC）三大應(yīng)用場景。eMBB技術(shù)成熟較早已經(jīng)在現(xiàn)有R15版本可以真正部署及應(yīng)用，URLLC及mMTC要在R16及R17版本才會完整推出。業(yè)務(wù)應(yīng)用上eMBB主要應(yīng)用于AR/VR、超高清視頻等用于人通信的業(yè)務(wù)體驗，URLLC和mMTC主要應(yīng)用在無人駕駛、遠(yuǎn)程控制、物聯(lián)網(wǎng)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。工信部部長苗圩曾指出，“5G真正的應(yīng)用場景，80%是用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G最期待的領(lǐng)域”。

3GPP TR38.913協(xié)議對URLLC的低時延要求用戶面端到端時延不超過1 ms，對可靠性要求在用戶面1 ms的時延內(nèi)，傳輸32 Byte的BLER不超過99.999%[1]。對于URLLC低時延和高可靠性兩個方面，本文重點放在低時延方面進(jìn)行研究。在URLLC的應(yīng)用場景中，大部分的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時延要求一般要小于10 ms，只有少數(shù)如無人駕駛才要求時延要小于1 ms同時要求可靠性極高?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步演進(jìn)也能滿足時延10 ms以內(nèi)的要求，要達(dá)到1ms以內(nèi)的時延，只有R16版本的5G網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)。

1? ? 4G網(wǎng)絡(luò)低時延的分析和演進(jìn)

1.1? LTE網(wǎng)絡(luò)時延的分析

在4G網(wǎng)絡(luò)中，以一個完整的ping包流程來分析空口的時延，圖1是用高通QCAT軟件來分析底層信令的過程。

從圖1的流程圖可以看到，一個典型的ping時延為20 ms，其中SR請求和授權(quán)grant就需要消耗11 ms。4G網(wǎng)絡(luò)這個時延已經(jīng)能夠滿足4G時代人人通信或人機(jī)通信的要求，但對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求的10 ms時延，需要進(jìn)一步縮短4G時延。

1.2? LTE網(wǎng)絡(luò)在低時延的演進(jìn)

3GPP在R14和R15版本對4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時延縮短的演進(jìn)。從圖1上行業(yè)務(wù)的流程來看，4G網(wǎng)絡(luò)空口的用戶面網(wǎng)絡(luò)延遲主要由SR調(diào)度請求和Grant上行授權(quán)、傳輸時間間隔、終端和基站數(shù)據(jù)及信令的處理時間、HARQ及重傳的時間這幾個部分組成。終端和基站數(shù)據(jù)及信令的處理時間這塊時延很難大幅改善，因此縮短時延的研究主要就在SR調(diào)度請求和Grant上行授權(quán)、傳輸時間間隔、HARQ及重傳這幾部分。

在SR調(diào)度請求和Grant上行授權(quán)方面，普遍采用預(yù)調(diào)度的方式，就是讓eNodeB提前分配上行資源，UE在需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)時就能在預(yù)先分配好的上行資源發(fā)送，不再需要通過SR調(diào)度請求獲得上行資源，從而縮短時延。但這種方法由于上行資源不管UE是否需要就已經(jīng)預(yù)先分配好，這樣會導(dǎo)致無線資源白白浪費(fèi)。在這種預(yù)調(diào)度的基礎(chǔ)上，3GPP在R14版本中，對上行資源引入了半靜態(tài)調(diào)度，提前分配好相應(yīng)的上行無線資源，半靜態(tài)調(diào)度周期可以低至1 ms，并且當(dāng)用戶不發(fā)送上行數(shù)據(jù)時，即使分配了無線資源，也可以不發(fā)送padding填充數(shù)據(jù)[2]。

在縮短傳輸間隔方面，每次LTE調(diào)度中傳輸間隔時長固定為1個無線子幀，也就是1 ms，3GPP對LTE時頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將傳輸時間間隔從子幀級別降低至符號級別，最小的調(diào)度間隔根據(jù)情況可以選擇2、3、7個符號，對應(yīng)2/14 ms、3/14 ms、7/14 ms。

在R15版本中，3GPP進(jìn)一步對HARQ進(jìn)行優(yōu)化，把HARQ反饋從以前的4 ms降低到3 ms。

通過以上的一些技術(shù)演進(jìn)，4G網(wǎng)絡(luò)的空口時延進(jìn)一步縮短到6 ms，可以達(dá)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于自動控制小于10 ms的要求。

2? ?5G URLLC低時延的技術(shù)研究

5G是在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行演進(jìn)，在協(xié)議上有較多的內(nèi)容是從4G繼承及發(fā)展的。從時間角度上，5G的最小時間單位Tc=0.509 ns，是4G最小時間單位Ts=32.552 ns的1/64，5G的時間粒度比4G小很多，更容易實現(xiàn)低時延。為了達(dá)到URLLC端到端1 ms的時延和10-5的高可靠性要求，5G NR在系統(tǒng)設(shè)計中從物理層、MAC層和RLC層分別進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計。

在5G的物理層，針對URLLC的數(shù)據(jù)包在一個時隙內(nèi)參考信號、控制信息和數(shù)據(jù)依次在時域上排列，使得信道估計、控制信道解碼、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)解碼可以串行進(jìn)行，減少了處理時間。采用靈活可變的幀結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置更寬的子載波間隔，縮短傳輸TTI時間。采用LDPC和Polar碼來提升數(shù)據(jù)和控制信道的編解碼效率，也有助于降低時延。使用自包含幀或者mini slot進(jìn)行調(diào)度，基于符號進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度[3]。

在MAC（媒體接入）層，采用異步動態(tài)調(diào)度的HARQ，可以實現(xiàn)在同一個時隙就能反饋。未來還可以通過對上行免授權(quán)調(diào)度，減少上行資源請求及授權(quán)的過程，縮短上行時延。在調(diào)度中，URLLC業(yè)務(wù)可以優(yōu)先調(diào)度，甚至可以搶占eMBB的資源[4]。

在RLC（無線鏈路控制）層，5G把數(shù)據(jù)的按順序傳遞的功能向上移到PDCP層，使得數(shù)據(jù)包需要重傳時，后面的數(shù)據(jù)包不需要等到前面的包重傳完畢就可以直接向上層傳遞[5]。

5G NR通過這些關(guān)鍵技術(shù)，使得5G的用戶面端到端時延可以縮短到1 ms。針對這些關(guān)鍵技術(shù)，介紹以下幾個方面。

2.1? 現(xiàn)有R15版本中5G低時延的技術(shù)研究

（1）靈活的幀結(jié)構(gòu)

5G和4G網(wǎng)絡(luò)一樣，一個無線幀為10 ms，分為10個子幀，每個子幀為1 ms。不同的是，4G采用固定15 kHz的子載波間隔，5G定義了靈活的時頻結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖2和表1，時隙和符號長度根據(jù)子載波間隔進(jìn)行靈活變化，不同的Numerology（參數(shù)集）時隙的時間長度是不同的。

在4G網(wǎng)絡(luò)中，無線資源的調(diào)度是以子幀1 ms來調(diào)度的，而在5G網(wǎng)絡(luò)是以時隙為時間單位來調(diào)度的，5G時隙的時間長度為毫秒[6]。時隙這種靈活的幀結(jié)構(gòu)，使得5G網(wǎng)絡(luò)可以靈活適配不同的業(yè)務(wù)需求，通過使用子載波間隔較大的Numerology（參數(shù)集），可以減少系統(tǒng)調(diào)度時間，支持低時延的業(yè)務(wù)。

（2）時隙配置（如圖3）

時隙配置主流為2.5 ms雙周期，這種配置對于URLLC業(yè)務(wù)就需要進(jìn)行調(diào)整，可以配置為1 ms單周期甚至0.5 ms單周期的時隙結(jié)構(gòu)。以1 ms單周期為例，它在1 ms內(nèi)包含一個全下行時隙和一個特殊時隙，在特殊時隙中只包含保護(hù)間隔GP和上行符號。在這種結(jié)構(gòu)中，下行時隙接收、解調(diào)下行數(shù)據(jù)后，可以很快地在特殊時隙中的上行符號發(fā)送反饋，達(dá)到降低時延的目的[7]。

（3）動態(tài)HARQ

在4G和5G通信中，上行或下行的數(shù)據(jù)都是要以收到對應(yīng)的HARQ反饋才形成閉環(huán)，5G為了支持更快的HARQ反饋，在數(shù)據(jù)接收同時也進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，在上下行鏈路切換的時隙或保護(hù)間隔（Guard Period）就準(zhǔn)備進(jìn)行HARQ反饋，一旦上下行鏈路切換也就是在1個TTI就立刻發(fā)送HAQR。同時5G NR對于HARQ采用了動態(tài)調(diào)度，取消4G網(wǎng)絡(luò)上下行timing的關(guān)系，使得上下行的HARQ反饋更加靈活，更適合URLLC業(yè)務(wù)低時延要求[8]。

（4）MEC

在5G網(wǎng)絡(luò)中，為了進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的下載速率和縮短用戶面時延，引入了移動邊緣計算MEC（Mobile Edge Computing），MEC又稱為多接入邊緣計算，不僅用于移動網(wǎng)絡(luò)接入，還可以用于其他接入方式。MEC使得無線接入網(wǎng)具有IT和云計算的能力，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化，降低數(shù)據(jù)從基站到核心網(wǎng)的傳輸時延[9]。

（5）5G網(wǎng)絡(luò)用戶面時延

目前5G網(wǎng)絡(luò)上行和下行業(yè)務(wù)的流程和4G網(wǎng)絡(luò)一樣，上行需要先通過SR申請上行資源，才能在分配的上行資源發(fā)送數(shù)據(jù)。以2.5 ms雙周期和1 ms周期來分析5G網(wǎng)絡(luò)空口用戶面時延，考慮到基站和UE終端數(shù)據(jù)包從SDAP層到MAC層逐步封裝組成，這部分處理能力時延相對較小，先不進(jìn)行計算。從圖4中可以簡單計算在2.5 ms雙周期，上下行環(huán)路的空口用戶面時延為5.5 ms，在1ms周期空口用戶面時延為3.5 ms。在5G網(wǎng)絡(luò)可以開啟上行預(yù)調(diào)度，減少SR請求及資源授權(quán)的過程，時延縮短到2.5 ms。

2.2? 后續(xù)R16版本低時延的演進(jìn)

（1）mini slot

在5G NR中，為了更好地適應(yīng)URLLC業(yè)務(wù)，提出了一種mini slot的時隙結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在一個時隙中的mini slot有2/4/7三種情況，為了更好地獲得參考信號的解調(diào)增益，mini slot緊跟在用于資源調(diào)度的第一個符號之后。對應(yīng)于NR的上下行PDSCH和PUSCH信道，mini slot也分為上行和下行，上下行的配置方式是一樣的。5G系統(tǒng)對于無線資源的分配支持TypeA和TypeB兩種類型，不同的資源分配類型對應(yīng)的無線資源起始位置和長度是不同的，其中只有TypeB是非時隙調(diào)度，能支持在1個時隙內(nèi)任意符號起始位置、長度為2/4/7個符號，也就是說只有TypeB類型的無線資源分配能支持mini slot這種結(jié)構(gòu)[10]。

毫米波的帶寬可以達(dá)到400 MHz，數(shù)據(jù)量只要幾個OFDM符號就可以完成傳送。在毫米波使用模擬波束賦形時，傳輸?shù)蕉鄠€UE的不同波束較難在頻域上實現(xiàn)復(fù)用，能在時域上進(jìn)行復(fù)用，因此mini slot也比較適合與模擬式波束賦形一起使用。

（2）自包含幀

5G支持FDD和TDD制式，由于UE在下行時隙接收解調(diào)下行數(shù)據(jù)后必須要等到上行時隙才能進(jìn)行反饋，TDD的時延相比FDD系統(tǒng)會較長。為了滿足快速反饋的需求，5G在系統(tǒng)設(shè)計時提出了自包含幀的概念。這種自包含幀就是在同一個子幀里同時包含DL、UL和GP三部分，在同一個子幀內(nèi)UE可以在接收到第一個DL符號就開始進(jìn)行解調(diào)，在UL符號到來時開始進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的HARQ反饋，或者在同一個子幀內(nèi)UE收到上行授權(quán)的調(diào)度信息后很快地在UL符號時刻進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送。如圖6所示，在（a）中的自包含幀，可以在同一個子幀內(nèi)進(jìn)行上行授權(quán)及上行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者下行數(shù)據(jù)接收解調(diào)后進(jìn)行HARQ反饋。由于這種自包含幀對于UE的處理能力要求很高，因此也有（b）中這種給與調(diào)度及HARQ反饋有更多時間余量的方案。

（3）免授權(quán)調(diào)度

針對上行的資源請求和分配，目前討論的免授權(quán)調(diào)度，可以有效地減少上行的時延。在上行免授權(quán)調(diào)度中，gNB通過激活一次上行授權(quán)給UE，在UE未收到去激活的情況下，將會一直使用第一次上行授權(quán)所指定資源進(jìn)行上行傳輸。上行免授權(quán)調(diào)度有兩種傳輸類型，分別是配置授權(quán)TypeⅠ和TypeⅡ。配置授權(quán)TypeⅠ是由高層參數(shù)配置PUSCH 傳輸使用的時頻資源等參數(shù)，根據(jù)該配置信息，UE可以在有上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候立即使用這些資源傳輸，免去了發(fā)送SR以及接收上行g(shù)rant的時間。第二類配置授權(quán)TypeⅡ采用兩步式資源配置過程，首先由高層參數(shù)配置PUSCH傳輸使用的時域資源參數(shù)，然后由使用CS-RNTI加擾的DCI激活配置授權(quán)TypeⅡ的PUSCH傳輸，并同時在DCI中配置時域資源、頻域資源、DMRS、MCS等在內(nèi)的其他傳輸資源和傳輸參數(shù)，UE可以在收到激活配置授權(quán)TypeⅡ的PUSCH傳輸資源之后，使用這些配置授權(quán)的PUSCH 資源傳輸上行數(shù)據(jù)，免去了發(fā)送SR以及接收上行g(shù)rant的時間[11]。

3? ?5G URLLC的業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1? 工業(yè)控制

泉州聯(lián)通、福建（泉州）哈工大工程技術(shù)研究院和中興通訊三方就5G通信助力工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深入合作，共同打造5G智能制造應(yīng)用創(chuàng)新實驗室（如圖7），探索5G技術(shù)和機(jī)械控制、智能制造、AGV的結(jié)合。

機(jī)械臂是工業(yè)裝配常見的機(jī)械化裝置，當(dāng)前的機(jī)械臂由主控計算機(jī)通過有線線纜對其進(jìn)行控制和操作，生產(chǎn)新產(chǎn)品需要調(diào)整生產(chǎn)線上的機(jī)械臂位置和控制程序，以前需要一臺一臺機(jī)械臂進(jìn)行配置，這樣不僅需要大量人力物力且無法做到快速部署上線。采用5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)機(jī)械臂云端集中化控制，不僅可以更加靈活部署，而且還可以更方便與AGV、人工協(xié)調(diào)工作和柔性機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用。表2為5G智慧工廠網(wǎng)絡(luò)速率及時延的實測數(shù)據(jù)：

基于5G和邊緣計算的AGV和機(jī)械臂可以廣泛應(yīng)用于制造工廠、物料分揀、智慧園區(qū)等場景里。

3.2? 遠(yuǎn)程手術(shù)

2019年1月10日，福建聯(lián)通聯(lián)合北京301醫(yī)院、福建醫(yī)科大學(xué)孟超肝膽醫(yī)院，成功實施了全球首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的動物遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)（如圖8）。這次遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)是依托通信、機(jī)器人和傳感等技術(shù)，為實現(xiàn)手術(shù)微創(chuàng)性，采用電子機(jī)械手開展手術(shù)的一種醫(yī)療形式。醫(yī)生與患者分別處于不同的地理位置，遠(yuǎn)端醫(yī)生借助3D視頻和觸覺感應(yīng)獲得現(xiàn)場感，并利用操縱桿控制患者端的機(jī)器人開展手術(shù)。

在遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)中，對于通信網(wǎng)絡(luò)的要求是極為苛刻的，一方面要求超低延遲通信，遠(yuǎn)程手術(shù)醫(yī)生操作后，力反饋以及視頻信息反饋需要超低時延傳輸?shù)结t(yī)生端，以保障手術(shù)的流程安全，另一方面要求手術(shù)過程中傳輸?shù)默F(xiàn)場實時的高清3D視頻和虛擬現(xiàn)實的觸覺感應(yīng)，這需要穩(wěn)定可靠的高速率通信傳輸。在這次機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)中對無線網(wǎng)絡(luò)提出上行150 Mb/s的高速率需求，網(wǎng)絡(luò)時延10 ms的低時延需求，用5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足。表3? ?為實測5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的網(wǎng)絡(luò)速率時延：

4? ?結(jié)束語

5G的應(yīng)用主要在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)階段5G網(wǎng)絡(luò)還沒廣泛部署的情況下，現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步演進(jìn)也能支持時延要求不苛刻的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而利用5G網(wǎng)絡(luò)能更加完美地滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低時延和高可靠的要求。伴隨著5G在URLLC技術(shù)研究和版本凍結(jié)，URLLC將是移動通信行業(yè)切入到各類垂直行業(yè)的突破口，這將會催生更多更成熟的商用應(yīng)用，賦能及改變社會。后續(xù)將結(jié)合新版本URLLC的部署，進(jìn)行無人駕駛應(yīng)用的研究。

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作者簡介

董帝烺（orcid.org/0000-0003-3831-0584）：高級工程師，畢業(yè)于廈門大學(xué)通信工程專業(yè)，中國聯(lián)通集團(tuán)網(wǎng)優(yōu)專家，現(xiàn)任中國聯(lián)通福建省分公司泉州片區(qū)優(yōu)化中心主任，主要從事WCDMA、LTE、NR的規(guī)劃和優(yōu)化相關(guān)工作。

許國平：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，中國聯(lián)通集團(tuán)網(wǎng)優(yōu)專家，現(xiàn)任職于中國聯(lián)通集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營部，主要從事WCDMA、LTE、NR的規(guī)劃和優(yōu)化相關(guān)工作。

林斌：畢業(yè)于福州大學(xué)，中國聯(lián)通集團(tuán)網(wǎng)優(yōu)專家，現(xiàn)任職于中國聯(lián)通福建省分公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營部，主要從事WCDMA、LTE、NR的規(guī)劃和優(yōu)化相關(guān)工作。