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2020/3/9 21:08

中移雄研咨詢洞察:5G URLLC關鍵技術研究報告

移動labs  杜鵬

URLLC「低時延高可靠性」是5G三大應用場景之一,也是 5G 區別于 2G/3G/4G 的一個典型場景。作為移動通信行業切入垂直行業的一個突破口,URLLC對于自動駕駛、工業制造、車聯網和智能電網等領域的廣泛應用非常關鍵,并在3GPP R16階段得到全面增強。

全球的智慧城市發展都在進入新的階段,5G作為智慧城市發展的新引擎,推動城市進入新的文明價段,隨著無線移動通信系統帶寬和能力的增加,面向個人和行業的移動應用快速發展,移動通信相關產業生態將逐漸變化,5G不僅是更高速率,更大帶寬、更強能力的空口技術,更是面向智慧城市的智能網絡。

5G目前包括三大典型場景:增強型移動寬帶eMBB、低延遲高可靠性URLLC、大規模機器通信mMTC。三個典型的場景能夠助力了大量的應用技術包括:高清視頻、物聯網、無人機、AR/VR等。帶寬增加極大的提升了數據傳輸速率,極有可能對數據處理相關行業帶來一次革命。在5G網絡的推進建設下,城市內的各個垂直行業領域都將被改變。當前工業制造、車聯網和智能電網對5G的需求十分迫切,而URLLC技術場景則非常適合應用于以上領域,也因此3GPP在5G研究早期即提出一些低延遲的技術探討,在R16階段重點研究了URLLC場景的技術方案。

一、5G網絡架構

為了滿足對不同應用場景和應用需求。5G的網絡設計是基于彈性敏捷、靈活復用的設計理念,5G引入SDN/NFV技術,將軟硬件平臺進一步虛擬化和解耦,底層使用統一的NFVI基礎設施,利用SDN控制器實現內部資源靈活調度。傳統網元被劃分為更細粒度的功能模塊,稱之為網絡功能(NF,Network Function),網絡功能之間采用輕量API接口通信,實現系統的高效化、靈活化、開放化。

5G網絡分為接入網、傳輸網和核心網三層。在接入網,5G網絡采用了新的架構、新的設計、新的頻段和新的天線技術。新的架構是指全新的網絡架構將以用戶為中心,圍繞用戶進行網絡的建設,同時將傳統的BBU(Building Base band Unite)分為CU(Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)兩個網元設備,同時RRU(Remote Radio Unit)和饋線、天線組成了新的AAU(Active Antenna Unit)。顧名思義CU是集中控制的設備,主要處理SDAP、RRC和PDCP層,即主要進行QoS流處理、無線資源控制和上層數據的壓縮、對齊加密等功能,處于無線空口的層3的位置。DU是分散控制單元,主要處理RLC、MAC和高層物理層協議,即主要進行無線鏈路質量控制、邏輯信道和物理信道映射以及基帶功能。處于空口的層2位置。AAU是有源天線單元,將傳統的RRU和天線饋線合并主要是處理射頻信號。同時參數和幀的結構更加靈活,上下行配比可以根據實際需求調整。5G網絡有著更高的頻段,當前主要使用了sub6G頻段,之后更拓寬至26Ghz的毫米波頻段,更高的頻段有著相對更加豐富的頻譜資源帶來了更大的帶寬。同時采用了新的3D MIMO天線,一般為64T64R甚至128T128R的天線陣列,相比較之前4T4R的天線大幅提升了傳輸效率。

5G傳輸網涵蓋的范疇比較廣泛,從AAU到DU的前傳,DUCU之間的中傳到CU傳輸到核心網的后傳部分都屬于傳輸承載網。5G流量激增對傳輸網帶來了巨大的挑戰,對此中國移動提出了切片分組網絡SPN(Slicing Packet Network)的承載網技術【1】。

SPN采用ITU-T的分層模型,能夠對以太網、IP、CBR業務綜合承載。

SPN分為切片傳送層、切片通道層和切片分組層,此外還包括時鐘同步和管理模塊。

切片傳送層是基于802.3以太網技術和OIF Flex E的物理層技術,提供了物理層面上的帶寬。切片通道層曾則是通過SE技術對以太網接口、光纖資源等進行時隙化切分處理,基于TDM原理進行管道硬切分,切分是在L1層面上的硬隔離。切片分組層則是在業務上進行分發、封裝和傳輸,可以提供L2\L3VPN等轉發能力;提供業務識別、分組、QoS保障處理,基于SR-TP技術提供面向連接的業務承載通道。

5G核心網基于SDN和NFV技術,成功實現了軟硬件解耦,各網元之間基于TCP/IP通信,接口通過https協議實現【2】。5G的核心網架構相比較于之前的4G核心網有著以下的主要特征:

(1)控制面與用戶面分離。

(2)網元功能虛擬化。NFV技術應用于核心網,讓軟硬件解耦,網元成為了一個個軟件功能模塊。

(3)虛擬網元之間通過接口通信。不同網元之間采用輕量級的Restful/Http協議。

(4)SBA(Software Based on Architecture)的網絡架構。各個虛擬網元之間耦合度低,其他業務可以通過接口快速訪問虛擬網元,可以根據實際業務需求調整整個網絡架構。

(5)接入網和核心網弱關聯性。5G核心網與接入網沒有強關聯,UE可以通過各種網絡接入5G核心網,即便非3GPP網絡,也可以通過N3IWF網元接入到5G核心網。

(6)虛擬網元呈現無狀態。即存儲資源與計算資源解耦,控制面功主要交由AMF和SMF,而存儲的數據主要放在UDR和UDSF,實現計算與存儲解耦。

下圖為5G核心網架構示意圖。

5G核心網的主要網元如下:

(1)AMF(接入和移動性管理功能):負責用戶的接入和移動性管理;

(2)SMF(會話管理功能):負責用戶的會話管理;

(3)UPF(用戶面功能):負責用戶面處理;

(4)AUSF(認證服務器功能):負責對用戶的 3GPP和非3GPP接入進行認證;

(5)PCF(策略控制控制):負責用戶的策略控制,包括會話的策略、移動性策略;

(6)UDM(統一數據管理):負責用戶的簽約數據管理;

(7)NSSF(網絡切片選擇功能):負責選擇用戶業務采用的網絡切片;

(8)NRF(網絡功能注冊功能):負責網絡功能的注冊、發現和選擇;

(9)NEF(網絡能力開放功能):負責將5G網絡的能力開放給外部系統;

(10)AF(應用功能):與核心網互通來為用戶提供業務第三方應用。

二、URLLC關鍵技術

URLLC在3GPP標準化進程中包括低時延技術、高可靠技術以及URLLC與eMBB復用三個方面的研究。R15研究之初即成立工作項目,來研究子載波間隔、靈活幀結構以及短時隙調度等時延降低技術。截至R16,3GPP先后完成了URLLC用例的性能評估工作、物理層各信道的增強以及URLLC與eMBB上行復用等技術的研究及標準化,但仍然有很多優化工作預計留至R17來研究。

為了實現uRLLC場景的低時延需求,3GPP在R15階段提出以下解決方案:

(1)支持靈活的幀結構。5G的NR(New Radio)支持LTE系統15KHz的載波間隔,還支持更多的間隔方案包括30KHz、60KHz、120KHz、240KHz,越高的載波間隔帶來越低延遲性能;同時5GNR支持調整幀的結構,相較于LTE系統固定的一個子幀包括2個時隙,NR可以靈活的在1、2、4個時隙中切換以及可以靈活配置上下行配比,使得延遲大幅降低。

(2)支持更小的調度周期—迷你時隙。時隙是最小的調度周期單位,LTE系統中包括時隙有14個符號組成,但是在NR中支持迷你時隙,迷你時隙可以支持2符號、3符號和4符號長度,更短的時隙可以降低反饋時延。

  (3) 靈活的PDCCH配置。搜索空間由一組候選PDCCH(Physical Downlink Control Channel)組成,搜索空間可以配置搜索類型、周期、時隙偏移、時隙數量、CORESET、DCI格式等參數。通過配置合理的PDCCH的監聽周期和偏移值以及PDCCH在 一個時隙內的監聽圖樣,可以實現較為密集的PDCCH 監聽機會,一個時隙內具有多個PDCCH監測時刻,可以應對URLLC需求突發的業務場景,滿足低時延的要求!5】

(4)URLLC高優先級傳輸。 URLLC低延遲場景的數據特點主要是突發性強但是數據量不大,所以NR支持URLLC采用搶占方式占據信道資源。在基站分配物理資源給eMBB業務時,就已經將eMBB業務的資源也同時分配給了URLLC業務,當URLLC搶占物理資源時,NR將搶占結果通知給UE,用以保證URLLC的低延遲要求。

(5)采用邊緣計算技術。5G網絡可以將UPF用戶面功能下沉到用戶側,邊緣計算服務器與UPF共站部署,UPF識別到業務流的目的地址是本地,就分流到本地的邊緣計算服務器進行業務處理,減少了業務的冗余傳輸路徑,降低時延。

在R16階段,3GPP又進一步提出URLLC低時延增強解決方案:

(1)免授權配置:基站預先配置周期性資源,UE不需向基站申請。UE預先向基站申請PUSCH(Physical Uplink Share Channel物理上行共享信道)使用的資源并配置好相應的參數。當有上行資源時,直接使用這些資源進行傳輸,省去了向基站發送調度請求、申請資源以及接收基站反饋的時間,保證了URLLC的低延遲要求。

(2)HARQ反饋增強:在R15階段,UE在一個時隙中在PUCCH上只能傳輸一次HARQ-ACK(Hybrid Automatic Repeat Request)。當UE為了降低時延需要在同一個時隙的PUCCH再次上發HARQ-ACK時,是不允許的。在R16階段,允許在一個時隙內部的多個PUCCH信道上反饋HARQ-ACK,為了支持這種設計,R16終端要求UE至少支持兩種HARQ編碼方式且物理層可以識別。

(3)支持時間敏感網絡TSN和5G網絡融合:實現時間敏感傳輸,保證時鐘同步保。在PBCH中廣播或在RRC層中發送高精度的參考時間,保障主時鐘和終端時鐘的精確時間同步,實現時間敏感傳輸。因為TSN技術是基礎以太網傳輸技術發展的,所以TSN需要封裝以太網幀頭,但這樣會降低傳輸效率,所以還需要壓縮以太網幀頭以提高數據傳輸效率,降低時延。

為了實現高可靠性的要求,3GPP在R15階段提出以下解決方案:

(1)物理層面上,優化了MCS\CQI表格。LTE系統的MCS\CQI是不能滿足NR對于系統可靠性以及傳輸速率的要求,于是NR在CQI(channel quality indication)表格中增加了兩個更低的碼率,相對應的基站增加了兩個MCS(Modulation and Coding Scheme)低頻選項, UE和基站之間可以選擇更低的碼率保障可靠性。

(2)數據包重復傳輸:LTE系統提出了在MAC和RLC層的HARQ重傳機制,但是這種可靠性都是以犧牲時延為代價的,NR提出在PDCP層復制數據,在不同的PDCP信道上傳輸同樣的數據提升可靠性。

(3)高聚合等級的PDCCH:CCE是PDCCH的基本單位,LTE的PDCCH最多包含8個CCE,在N15階段,NR最多可以包含16個CCE,更多的資源可以降低傳輸的編碼速率,保障傳輸可靠性。

在R16階段,3GPP又進一步提出URLLC高可靠性增強解決方案:

(1)冗余傳輸方案,UE之間建立冗余的PDU會話和N3接口的冗余傳輸基于N3接口的冗余傳輸。首先, NG-RAN復制上行數據包,然后通過兩條冗余的鏈路(N3接口)通道發送給UPF,其中每條N3通道與一個PDU會話關聯,建立兩條獨立的N3通道傳輸數據,基站、SMF和UPF將會為兩條鏈路提供不同的路由。

(2)在迷你時隙層面上重復傳輸。R15版本的重傳機制都是在時隙的調度基礎上,R16階段進一步支持了迷你時隙級別別的重傳,重傳次數最大可達到16次。

(3)目前仍在PUCCH、PUSCH、HARQ增強方面繼續研究

綜合R15和R16,當前URLLC場景主要應用在于工業自動化、車聯網、智能電網以及AR/VR。雖然3GPP在R15階段和R16極端了很多URLLC關鍵技術方案,但是仍有技術增強問題以及車聯網和工業場景下的應用,遺留在R17及以后的版本中繼續解決。

三、URLLC主要應用場景

5GURLLC場景最大的特點是低時延、高可靠性,URLLC場景的使用范圍很大,在不同的場景對時延、可靠性和帶寬的要求是不同的。具體來說包括電力自動化“三遙”場景、車聯網場景和工業制造場景!6】

1 電力自動化場景

差動保護是電力網絡的自我保護手段,將輸電線兩端的電氣量進行比較以判斷故障范圍,實現故障的精準隔離,避免停電影響范圍擴大。電網通信以光纖為主,但35kv以下配網未實現光纖覆蓋,且部署場景復雜多樣,需要無線網絡作為通信載體。5G的URLLC場景非常適用于在電力自動化場景部署。

2 工業制造場景

工業制造的對技術性能要求很高,而高端制造業對車間設備的延遲和穩定性有著非常高的需求。5GURLLC的低時延和高可靠性非常適合在工作制造場場景應用,制造設備通過5G接入企業云或者現場控制系統,采集現場環境數據和生產數據,實時分析生產狀況。實現整條生產線的無人化和無線化。

3 車聯網場景

車聯網由于特殊性,對于系統的安全可靠和超低延遲有著非常高的要求,5G的URLLC場景非常適合在車聯網場景部署。車聯網當前階段主要車路協同技術,即在道路旁的基礎施部署智能采集設備包括智能燈桿、智能交通燈,通過5G網絡與車載電腦交互信息,大幅增加車輛對周圍事務的感知能力,提高駕駛安全性,有效解決城市擁堵問題。

參考文獻

【1】切片分組網絡關鍵技術研究. 程偉強,王敏學,袁程磊

【2】5G核心網關鍵技術研究. 聶衡,趙慧玲,毛聰杰

【3】3GPP中URLLC標準研究進展張軼. 夏亮,徐曉東,胡臻平

【4】URLLC關鍵技術及標準演進. 高雪娟

【5】新空口超可靠、低時延演進系統研究. 閆志宇,郝煜

【6】URLLC應用場景及未來發展研究. 李靜,董秋麗,廖敏

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寫得不太好

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