5G URLLC标准化关键技术分析

柴丽

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

ITU 和3GPP 是最受关注和认可的标准组织。ITU主要负责提出指标，指出5G 中需要解决的问题，3GPP负责完成具体的技术标准和规范的设计和定义。

ITU 确定了5G 的三大应用场景，即eMBB、mMTC和URLLC。2017 年12 月，3GPP 完成了R15 NSA 版本；2018 年6 月14 日，3GPP 发布了R15 SA 版本；而2018年底，为了保证5G 第一次部署工作的稳定性和兼容性，3GPP 决定推迟R15 late drop 版本。R15 是目前的5G第一阶段（Phase 1）的标准版本，eMBB 场景标准化工作已经基本完成。2019 年和2020 上半年将分别完成R15 late drop 和R16 版本，其中URLLC 是R16 的重点讨论课题。本文将从R15 和R16 两个阶段来讨论URLLC 相关的标准技术。

1 URLLC R15 标准化关键技术

1.1 超低时延技术方案

5G 的一大强劲优势就是可以支持超低延迟，在4G网络，打游戏的时候延迟还停留在几十毫秒的水平，而在车联网、工业互联网等领域，这样的延迟远远无法达到要求。而5G 技术不仅要满足普通用户的语音、视频和游戏等需求，更要赋能工业4.0，作为整个社会经济数字化、自动化转型的利器，只有更低的时延，更高的可靠性才能够满足工业互联网、车联网甚至自动驾驶技术的需要。在R15 阶段，3GPP 定义的URLLC 上行和下行的用户面时延目标都是0.5 ms。所谓用户面时延，即一个应用层的数据包/消息从无线协议层2 或层3 进入后，从对端的无线协议层2 或层3 传出所需要的时间[1]。

在3GPP 的R15 阶段，物理层主要形成了一些针对超低时延需求的技术方案，包括相对于LTE 的更灵活的帧结构设计、子载波间隔、占用带宽、调度周期和HARQ反馈以及HARQ-less 的无须PDCCH 配置激活的type 1的上行配置授权（Configured Grant,CG）的引入[2]。具体来说，首先是更丰富更灵活的帧结构设计，相对于LTE只支持15 kHz 的子载波间隔，每个子帧的固定长度是1 ms，由两个时隙组成，且每个时隙包含7 个OFDM 符号。NR 支持多种OFDM 子载波间隔（SCS），sub 6 GHz以下频段可支持15 kHz/30 kHz/60 kHz 等OFDM 子载波间隔配置，每个子帧（固定长度1 ms）包含2μ 个时隙。因为OFDM 子载波间隔是体现子载波带宽的参数，在频域上从LTE 固定的15 kHz 增加至30 kHz 和60 kHz，这就意味着一个slot 的时长从1ms 缩减到60 kHz 的子载波间隔所对应的0.25 ms。

NR 支持更灵活的调度单位，URLLC 在某些场景下可以用2 个或者4 个时间符号作为一个包括常规CP 的调度TTI，这样对于短slot（也称“迷你”时隙，mini-slot）可以大幅降低空口传输时延和UE/基站的处理时间。为了保证高优先级URLLC 业务需求，NR 设计了URLLC业务可以抢占eMBB 业务资源来降低时延。

1.2 超高可靠性技术方案

超高的可靠性是5G 网络又一新的优势，R15 阶段，3GPP 定义的URLLC 业务的可靠性需求是在用户面时延为1 ms 的限制下，一个数据包一次传输32 Byte 的PDCCH 的解调成功率不能低于99.999%[1]。

在物理层技术的标准化工作中，为了既能满足超低时延，又能同时保障URLLC 的超高可靠性，即PDCCH的解调成功率不能低于99.999%，所以，标准引入了小负载DCI 设计（Compact DCI)，从而可以提高聚合等级（Aggregation Level）。和利用传统的聚合等级进行PDCCH 检测相比，PDCCH 的盲检次数会进一步减少。这种Compact DCI 的控制信令包括一种指示比传统低的调制等级和编码率的MCS 表，更少的HRAQ 进程数和更少的MIMO 相关的天线端口模式[2]。

通过在发射机侧和接收机侧配置多根天线，支持单用户单流传输模式，最大化无线链路的分集阶数的分集技术来提高可靠性。通过支持多TRP 传输机制，即两个或多个不同的TRP 向UE 发送相同的数据分组或者控制分组，实现空间分集增益来提高可靠性。

在高层的标准讨论中，在基于LTE 的双连接的DRB Split（数据承载分离技术）的协议架构和技术基础上，进行了增强，实现了支持PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）的数据包的复制机制，发送端在PDCP 层对数据进行复制，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[3]。

2 URLLC 和工业互联网R16 标准化关键技术

2.1 超低时延及确定性服务技术方案

3GPP 在R16 阶段对URLLC 进行了全面增强，提出降低时延的方案，同时，为了真正达到5G 使能工业网络的目的，在标准上深度讨论和制定了支持TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）上的确定性业务的方案。所谓确定性业务，即具有周期性、确定性和数据大小固定等特点，同时有的业务也具有低时延和高可靠性的要求。为了同时满足这些苛刻的业务需求，R16 深入讨论了时间同步和TSN 支持问题。表1 为TSC 业务的场景和需求。

表1 TSC业务的场景和需求[1-6]

（1）提升时间同步的精度

为了支持TSN 业务，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。RAN2 和RAN3 同步评估了SA1 发送的联络函中的业务特性的可行性评估和对5G 系统架构的影响。在多种备选的架构方案中，RAN2倾向采用一种5G 系统作为黑盒子的架构，并发送给了SA2 和SA1。最终，多次激烈的讨论后，SA2 决定了如图1 所示的时间同步架构。

图1 5G系统支持TSN业务的参考时间同步架构图[8]

在这个架构中，5G 系统作为TSN 网络的一个透明传输的网桥（Bridge），整个5G 系统被视为一个时间感知系统。只有在5G 系统边缘的TSN 转换器（TSN Translators,TTs）需要支持IEEE 802.1AS 协议功能[9]。UE、gNB、UPF、NW-TT 和DS-TTs 都和5G GM（5G 系统的内部时钟）保持高精度的同步。在5G 系统边缘的TSN 转换器（TTs）执行所有IEEE 802.AS 的协议功能，例如，支持(g)PTP 协议功能、时间戳、最优主时钟算法等。5G 系统作为TSN 系统的一个网元，需要接收从TSN 的时间源发送的同步消息（SYNC 消息），并根据数据包在5G 系统中处理和传输所消耗的时间延时来更新时间信息。并且，所有的时间信息的更新处理目前都是在5G 系统的边缘，即由UE 转换器或UPF 转换器来进行处理。

为了适应TSN 网络的高精度的时间同步需求，标准上在NR 引入了高精度的参考时间发送机制，可以有广播消息（SIB9）或者专用的RRC 消息（DLInformationTransfer消息）[4]发送，时间粒度从10 ms 增强到了10 ns。

根据RAN1 的仿真结果，RAN2 假设对于子载波间隔为15 kHz 的用户在服务范围大于200 m 的场景下是需要时延补偿的。但在Release 16 阶段，RAN1 只是提供了在TDD 和FDD 的场景下，基站和UE 的传输时延补偿可以根据时间提前量的一半来做结论，即NTA×Tc/2，并不包括NTA_offset。而且RAN1 虽然讨论了很多关于什么时候和怎么来执行传输时延补充的问题，但在Release 16 阶段没有结论。同时，在时钟同步方面，对RAN1 的38.200协议并没有影响。

（2）支持TSN 确定性业务技术

为了给TSN 业务提供确定性传输，标准上引入了TSN 的辅助信息的定义，使得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，基站可以为TSN 业务预下半静态的配置和TSN 业务更加匹配的通信资源，当TSN 数据包到达时，不需要通过调度请求从网络侧获取资源，从而降低了等待资源的时间。表2 为TSC 辅助时间信息：

表2 TSC辅助时间信息[8]

进一步，为了支持工业互联网的多种业务需求，匹配不同业务的发送时间规律，或者为了提升单个URLLC 的可靠性，R16 支持为UE 的一个BWP 配置多个半持续调度（SPS,Semi-Persistent Scheduling）和配置授权CG 配置。为了节省发送时延，还需要进一步讨论和标准化以太网头压缩机制，提高数据传输效率，降低时延。

2019 年3GPP 多次讨论了CG 的业务周期和TSN业务的周期不匹配问题。因为无线网络中的业务周期以毫秒为单位，而TSN 业务的周期以赫兹为单位。例如，在智能电网中，数据包的周期可能为1 Hz/1 200 Hz，即0.833 ms，如表3 所示：

表3 工业互联网的用例[7]

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，会导致基站需要在一定时间间隔后，重新匹配CG 的资源参数，否则数据包等待的时间将越来越长。为了降低该问题导致的TSN 业务的资源等待时延，会议上各公司提出了基站利用bitmap 或者pattern等方式告知UE。TSN 业务的时间特性，让UE 可以根据TSN 业务的时间特性在配置的CG 时间资源上选择有效的资源，但因为方案不收敛，最终在投票过程中，同意了根据TSN 业务周期为其配置更短周期的半静态资源调度以及配置多个具有相同周期不同时间偏置的半静态调度的实现方法来解决这个问题。

在Release 15 的业务包调度优先级定义中，动态调度的包的优先级总是高于配置授权，所以，eMBB 的动态授权优先于URLLC 的配置授权。为了进一步满足URLLC 业务的超低时延需求，Release 16 阶段，RAN1和RAN2 工作组进行了UE 内优先级和复用机制的标准化工作，对多种场景展开了分析和讨论。讨论的场景包括UE 内的动态调度数据和配置授权的数据资源冲突场景，动态调度数据之间的资源冲突场景，控制信息（如调度请求SR、HARQ 反馈和CSI）之间的资源冲突场景以及控制信息（如调度请求SR、HARQ 反馈和CSI）和调度数据之间的资源冲突场景。同时，Release 16 增强了现有的LCH 优先级和逻辑信道优先级（LCP,Logical Channel Prioritization）的选择方案，从而实现了UE 对具有更高优先级的URLLC 的上行数据包的优先调度和发送。为了实现这种增强机制，DCI 控制信令中的增加了可以体现可靠性等级的指示，RRC 信令中配置了和逻辑信息匹配的半静态配置的资源，如CG 和SPS。标准化了在资源碰撞时，低优先级的数据包的重传处理机制，即可以通过基站重传调度的资源，或者UE 自动选择同一HARQ 进程的相同或不同的配置授权资源上的资源进行重传。

2.2 超高可靠性增强技术方案

为了进一步满足部分业务对于可靠性的苛刻要求，即1 ms 单向时延下99.999 9%的可靠性要求，R16 阶段做了如下增强方案。

为了支持PDCP 复制增强机制，R15 支持两条支路的PDCP 复制，为了实现更高的可靠性，R16 支持最多四条支路（即RLC 实体）的PDCP 复制，即由基站通过RRC 消息进行多套腿的初始配置，然后由基站根据业务的发送性能情况和无线资源的信道质量情况进行灵活的激活/去激活操作。在标准方案的选择过程中，充分评估了冗余发送导致的开销和协议复杂度与增益的比重。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，标准上仍然保持了只有两个基站参与复制发送的限制。讨论期间虽然探讨了基于UE 的激活/去激活和基于包的PDCP 复制发送的功能设计，最终被降为低优先级的议题，目前未被采纳，虽然关注和支持的公司也不在少数。为了支持多于两条腿激活/去激活的机制，在R15 的冗余发送激活/去激活的MAC CE 的基础上做增强，设计了新的MAC CE，如图2 所示：

图2 R16冗余发送激活/去激活MAC CE[5]

与此同时，SA2 工作组也通过了更高层的冗余传输的多连接机制，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，主要是引入了以下的多连接方案。

基于双连接的用户面冗余传输方案（如图3 所示），即UE 分别和两个基站及用户面控制管理功能节点（UPF,User Plane Function）分别建立两条路径，从而通过冗余传输达到可靠性传输的目的。

图3 基于双连接的高层用户面冗余传输方案[10]

同时，还有一种基于N3 接口的冗余传输（如图4 所示），即通过两条冗余的，具有独立路由信息的N3 通道发送给UPF，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。

图4 基于N3接口的冗余传输架构[10]

同时在物理层也进一步增强了多TRP 传输方式，在R15 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等方式进行传输块的冗余发送，为了提高分集增益，还支持上述模式的组合以及不同模式间的动态切换。

3 结束语

随着R16 技术的逐步完善，URLLC 将通过5G 网络应用到各垂直行业。同时，随着工业互联网的发展，其业务对时延和确定性要求更加苛刻，例如达到99.999 999%。为此，3GPP R17 启动了新的标准化技术研究。下一步，针对物理层的反馈方案将做进一步增强，对UE 业务优先权与复用方案，上行UCI与数据复用方案等进行增强。随着AI 技术的渗透，探索AI 在工业互联网应用中面临的新的确定性需求及其标准化关键技术，这将是未来的重点方向。