5G URLLC无线网络部署方案分析

梁 辉，韩 潇，李福昌（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

1 概述

随着无线通信技术的发展以及通信工作者在网络设计、运营方面的经验积累，单纯以容量提升为目的的网络演进方案已不能满足5G时代的业务需求，低时延且超高可靠的业务保障能力是5G 网络的显著特征之一。国际电信联盟（ITU）对5G 网络在URLLC 场景下的可靠性和用户面时延能力要求如下：

a）时延：网络无负载情况下，小IP 数据包由发送端协议层2/3 SDU 起始点开始协议处理，通过空口传输，并在接收端完成协议层2/3 处理所需要的时延不大于1 ms。

b）可靠性：城市宏网边缘覆盖场景下，1 ms 内完成32 B的层2业务数据传输的可靠性不小于1-10-5。

运营商作为无线网络的建设者以及运营方，面对5G 时代多样化的业务需求，延续“一张网络满足全部应用场景需求”的网络部署思路将会面临巨大的成本压力。网络设计精细化，网络部署差异化将是5G URLLC 场景无线网络部署的重要特征。本文对URLLC 应用场景进行了介绍，并分析了网络制式、部署频段以及URLLC 软件功能对5G URLLC 无线网络的部署方案的影响。

2 URLLC应用场景

URLLC 场景是5G 的三大典型应用场景之一，也是5G 无线网络需要满足潜在业务连接需求的一个全新的场景。URLLC 场景下有众多的典型业务，3GPP组织评估的URLLC 业务场景包含AR/VR、工厂自动化、交通运输以及电力分发等。URLLC 场景典型业务如图1所示。

图1 URLLC场景典型业务

2.1 AR/VR场景

AR/VR 被业界预测为5G 时代率先兴起的典型业务之一，AR/VR 技术可以与教育、医疗、工业以及游戏等领域相结合，为普通消费者带来全新的应用体验，也可以重塑部分行业的生产与发展模式。根据3GPP TR 22.804，工业场景下AR 应用需要满足最高3 Gbit/s速率要求，需要保障单向端到端时延小于10 ms，通信可靠性则需要大于99.9%。而在5G 标准制定过程中，3GPP 评估部分小数据包的AR/VR 业务的空口时延需求为1 ms，可靠性为99.999%，需要5G URLLC 网络满足相关业务需求。

2.2 工厂自动化场景

工厂自动化场景下的运动控制类业务是最具挑战性和最苛刻的闭环控制应用之一，运动控制系统负责以明确定义的方式控制机器的运动和/或部件的旋转，如印刷机、机床和包装机等，这三大应用的典型特征如表1所示。

2.3 交通运输场景

交通运输场景下需要5G URLLC 网络提供连接的典型业务为远程驾驶类业务，在250 km/h 的速度范围内，需要保障V2X 的终端与V2X 服务器的端到端时延在5 ms 以内（其中空口时延小于3 ms），而可靠性要求为99.999%。

表1 工厂自动化场景典型URLLC应用

2.4 电力分发场景

电力分发场景下的典型业务如配电网故障与停电管理、配电网差动保护等控制型业务，对无线网络容量的需求低，但是对时延和可靠性要求均较高，典型需求如表2所示。

表2 电力分发场景典型URLLC应用

综上所述，现阶段预测的典型的URLLC 业务主要分布在垂直行业领域，具备URLLC 特性的5G 网络未来将以点状的区域性覆盖为主，面向不同的行业应用，5G 网络所需提供的容量、时延以及可靠性保障能力各不相同。随着AR、VR 等应用在普通消费者领域内推广普及，部分URLLC 网络也可以在业务的发生区域内进行部署，以保障用户的业务体验。

3 5G URLLC无线网络部署方案

在高可靠、低时延通信场景下，5G URLLC 无线网络部署需要重点考虑降低5G空口传输时延，提升业务传输可靠性的技术方案，而网络部署频段、网络制式以及适配的URLLC 软件功能是影响无线网络部署方案通信指标的三大重要因素。

3.1 无线网络制式

5G无线网络支持TDD 与FDD 2种网络制式，上下行数据传输所采用的双工方案是2 种制式的典型区别，不同的双工方案在业务缓存等待、数据调度与反馈重传等阶段会带来差异明显的时延体验。

3.1.1 TDD制式网络

5G 发展初期，全球主流频段部署的5G 网络以TDD 制式为主，无线网络采用不同的帧结构，在上下行时隙转换阶段所引入的业务时延也将不同，采用上下行时隙低转换时延的帧结构是TDD URLLC 无线网络部署的重要考量因素之一。

如图2所示，TDD 制式的网络下，下行时隙到达的上行业务存在上行调度等待时延，而上行时隙到达的下行业务存在下行调度等待时延，因此，在URLLC 场景下，降低上下行调度等待时延至关重要。此外，上下行传输反馈信息的调度以及重传数据的调度同样会受上下行时隙转换时延的影响。

图2 TDD制式的调度等待时延示意图

5G 网络支持TDD 制式下灵活的帧结构设计，eMBB场景下典型的帧结构包括2.5 ms双周期帧结构、2.5 ms 单周期帧结构等，而URLLC 场景下，可以考虑无线网络部署上下行传输资源间隔更短的1 ms 单周期帧结构或者自包含子帧帧结构。URLLC 场景下潜在的TDD帧结构如图3所示。

图3 URLLC场景下潜在的TDD帧结构

3.1.2 FDD制式网络

FDD 制式网络的典型特征是可以同时支持上下行业务传输，相比TDD 网络制式，URLLC 业务在FDD网络中将不会受上下行时隙切换带来的时延影响。因此，FDD 制式的无线网络在业务调度等待时延方面比TDD制式更有优势。

3.2 网络部署频段

3GPP 5G无线网络协议栈的技术方案与网络的实际部署频带存在一定的关联性。

a）中低频频谱资源较少，该频段部署的5G 网络支持的载波带宽也较小。但中低频频段的信道传播特性较好，覆盖范围较大，因此，网络所选择子载波间隔一般也相对较小，典型子载波间隔为15 kHz。

b）中高频频谱资源相对较多，5G 网络可以支持最大100 MHz 系统带宽，但考虑终端实现复杂度以及中高频信道传播特性，部署于该频段的5G系统支持的子载波间隔会相对较大，典型子载波间隔为30 kHz。

c）毫米波频段的频谱资源丰富，5G 网络支持最大400 MHz 系统带宽，但信道传播特性较差，因此，毫米波频段5G系统支持子载波间隔很大，典型子载波间隔为120 kHz。

URLLC 场景中，采用相同的调度粒度，越大的子载波间隔越有利于降低网络的调度时延，因此，URLLC 场景下，中低频频段的5G 无线网络完成单次调度的空口数据传输所需时延最高，而毫米波频段的5G 无线网络在单次调度中完成空口数据传输所需时延最低，但毫米波频段通信可靠性相对较差。

此外，5G 网络制式与部署频段同样存在关联性，FDD 制式的5G 网络主要部署于2.7 GHz 以下的中低频频段，而TDD 制式的5G 网络主要部署于1.4 GHz 以上的中高频频段以及毫米波频段。因此，无线网络部署方案的时延能力在考虑部署频段因素的同时，也需要与网络制式因素结合分析。

3.3 URLLC软件功能

为了满足5G 对URLLC 场景的支持，3GPP 在R15与R16版本的协议中进行了一系列网络低时延与高可靠增强方向的关键技术研究并完成了标准化，下面介绍典型的技术方案。

3.3.1 低时延技术方案

无线网络业务时延主要包含协议栈缓存区队列排序等待、协议栈处理、物理资源等待、空口传输、传输反馈等不同阶段的时延，此外，上行业务时延额外包含调度授权引入的时延。URLLC 场景下，针对不同阶段的时延，存在不同的技术优化方案。

a）针对URLLC 业务，核心网定义了URLLC 场景适用的Delay Critical GBR 承载类型，并定义了标准的82/83/84/85 5QI 值，不同5QI 对应的URLLC 业务在无线侧映射较高的处理优先级，可以有效降低业务缓存等待以及协议栈处理等待时延。

b）在空口资源不足的场景下，5G 网络设计了上下与下行链路的资源抢占机制，URLLC 业务可以复用已分配的物理层资源进行数据优先传输，降低物理资源等待时延。

c）相比eMBB 场景基于时隙的调度方案，基于OFDM 符号调度的非时隙方案可以减少数据传输的时域符号长度，降低URLLC业务的空口传输时延。

d）在业务调度反馈方面，URLLC用户可以支持更低的K1 取值，或者采用基于子时隙的快速反馈机制，降低业务传输与反馈信息的时延。

e）对于URLLC 上行业务传输，支持免授权调度方案，通过预配置空口资源，可以在上行业务产生后，完成快速的业务传输，降低上行资源申请及授权带来的时延。

3.3.2 高可靠技术方案

无线网络业务信道高可靠传输方案主要通过降低码率和重复传输方案实现。

a）低码率方案。在面向99.999%的可靠性基础上，进行了专有的调制编码方案设计。

b）重复传输方案。包括物理层的数据重复发送方案以及CA/DC 架构下PDCP 的包复制方案，通过数据合并获得可靠性增益。

5G URLLC 场景下，主要通过URLLC 关键技术软件功能的灵活部署保障无线网络低时延高可靠的业务需求。URLLC 网络可以在eMBB网络部署方案的基础上，通过软件升级方式实现。现阶段国内5G eMBB网络包括低中频段FDD 制式网络、中频段TDD 制式网络，未来会有毫米波频段TDD 网络，不同网络的时延与可靠性基础并不相同。URLLC 软件功能在不同的eMBB 网络基础上升级，带来的绝对性能增益并不相同，如非时隙调度技术，在下行2 符号调度方案下，相比时隙调度，可以降低的调度时延，该时延绝对值大小与子载波间隔相关，在15 kHz 子载波间隔网络（如低中频FDD 制式网络）下对应的调度时延降低约0.42 ms，而在120 kHz 子载波间隔网络（如毫米波TDD制式）下对应的调度时延降低量仅为0.05 ms左右。

综上所述，在5G URLLC 网络部署方案对URLLC软件功能适配性方面，运营商需要根据网络所承载的URLLC 业务需求，在不同的网络制式与部署频段方案下，灵活设计URLLC软件功能方案。

3.4 小结

5G URLLC 关键技术特性较多，但在无线网络软件功能部署方面，URLLC 软件功能并不受网络制式与部署频段的约束。因此，未来在运营商5G频谱资源相对丰富的情况下，依托运营商对不同频率的定位以及使用规划，在URLLC 场景5G 网络部署方案设计时，需要优先考虑网络部署频段以及网络制式对时延与可靠性的影响，在此基础上，可以采用URLLC 技术进一步降低业务通信时延并提升可靠性。

4 结束语

URLLC 无线网络部署方案是拓展5G 与垂直行业融合广度与融合深度的重要方案之一，推动5G URLLC 网络部署方案成熟，有利于加速5G URLLC 网络商用。本文对URLLC 潜在的应用场景进行了介绍，并分析了网络制式、网络部署频段以及URLLC 软件功能适配性对5G URLLC 无线网络部署方案的影响。而在URLLC 网络未来的商用部署方案中，运营商需要从端到端角度分析业务时延的分布需求，而在无线网络降低通信时延方面，除本文探讨分析的3 个影响因素外，还需要考虑网络部署成本、帧结构调整面临的同频干扰以及公网与专网频率分配等因素对无线网络部署方案的影响。