【摘 要】超可靠低時延通信場景是5G的典型應(yīng)用場景之一，也是5G標(biāo)準(zhǔn)面向業(yè)務(wù)應(yīng)用開展URLLC技術(shù)增強的重要驅(qū)動力之一。通過分析5G無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)在URLLC場景下潛在的低時延與高可靠關(guān)鍵技術(shù)，可以為運營商5G的時延與可靠性網(wǎng)絡(luò)性能提升提供技術(shù)參考。面向不同的URLLC業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，定制不同的URLLC技術(shù)組合方案是影響5G URLLC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要因素。
【關(guān)鍵詞】低時延；高可靠；關(guān)鍵技術(shù)
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.08.003
中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1006-1010(2020)08-0012-05
引用格式：梁輝,韓瀟,李福昌. 5G URLLC端到端關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 移動通信, 2020,44(8): 12-16.
0 引言
4G時代，移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展，在社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要性也愈發(fā)顯著。作為下一代無線通信技術(shù)，面向承載AR/VR等新興應(yīng)用，工業(yè)控制、電力分發(fā)以及遠(yuǎn)程駕駛等行業(yè)應(yīng)用，5G進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)低時延與超高可靠性通信保障能力的增強設(shè)計。
國際電信聯(lián)盟（ITU）在5G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)需求中，對URLLC場景的空口時延與可靠性能力進(jìn)行了要求，而在5G URLLC商用場景下，面向不同的業(yè)務(wù)需求，合理的端到端的URLLC保障方案設(shè)計將是提升5G網(wǎng)絡(luò)URLLC性能指標(biāo)并降低運營商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運維成本的關(guān)鍵因素。本文對5G無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)在URLLC場景下低時延與可靠性的潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。
1 無線網(wǎng)URLLC關(guān)鍵技術(shù)
URLLC場景是5G的三大典型應(yīng)用場景之一，ITU在URLLC場景下定義的5G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)包含：空口時延不大于1 ms，可靠性不小于99.999%。5G無線網(wǎng)影響業(yè)務(wù)時延的關(guān)鍵因素包括網(wǎng)絡(luò)制式與子載波間隔：
（1）網(wǎng)絡(luò)制式：5G支持TDD與FDD兩種工作方式，F(xiàn)DD制式不受上下行轉(zhuǎn)換時隙影響，低時延優(yōu)勢相比TDD制式更為明顯。
（2）子載波間隔：5G網(wǎng)絡(luò)在FR1頻段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz三種業(yè)務(wù)信道子載波間隔，在FR2頻段支持60 kHz、120 kHz兩種業(yè)務(wù)信道子載波間隔，子載波間隔越大，網(wǎng)絡(luò)低時延優(yōu)勢越明顯。
此外，為了進(jìn)一步降低URLLC場景下的網(wǎng)絡(luò)時延，無線側(cè)進(jìn)行了多種適用于上行鏈路與下行鏈路的關(guān)鍵技術(shù)方案的設(shè)計，典型的關(guān)鍵技術(shù)包括：
（1）非時隙調(diào)度：支持時域符號級的上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度傳輸。
（2）下行資源復(fù)用：高優(yōu)先級URLLC業(yè)務(wù)可以搶占低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的下行鏈路空口資源進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。
（3）上行資源復(fù)用：高優(yōu)先級URLLC業(yè)務(wù)可以搶占低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的上行鏈路空口資源進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。
（4）上行免授權(quán)調(diào)度：針對URLLC業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)預(yù)配置上行空口資源，上行業(yè)務(wù)產(chǎn)生后，無需網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源分配，降低信令交互引入的時延。
（5）反饋增強：支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的反饋消息以子時隙的粒度進(jìn)行反饋。
在空口的可靠性增強方面，主要以犧牲頻譜效率為代價，通過低碼率或者冗余傳輸?shù)姆桨笇崿F(xiàn)可靠性的提升，業(yè)務(wù)信道的可靠性增強關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
（1）調(diào)制編碼方案增強：支持π/2 BPSK的調(diào)制方案以及更低的數(shù)據(jù)碼率。
（2）物理層重復(fù)傳輸：支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以不同的冗余版本進(jìn)行物理層重復(fù)傳輸，以獲取盡量大的軟合并增益，提升業(yè)務(wù)可靠性。
（3）PDCP包復(fù)制：無線側(cè)支持在CA或者DC場景下，在PDCP層進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)復(fù)制，通過不同的空口鏈路傳輸以提升業(yè)務(wù)可靠性。
2 傳輸網(wǎng)URLLC關(guān)鍵技術(shù)
傳輸網(wǎng)時延主要包含光纖傳輸時延與設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延兩部分，其中光纖傳輸時延5 μs/km，接入設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延一般小于15 μs，核心設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延一般小于30 μs。在城域網(wǎng)接入環(huán)40 km，匯聚機房到核心機房距離400 km的情況下，傳輸網(wǎng)時延分析如圖1所示。
無線基站到匯聚機房的時延約0.32 ms，無線基站到核心機房的時延約2.38 ms。傳輸時延主要由光纖傳輸引入，占比約92.4%。因此，對于典型URLLC應(yīng)用場景，降低傳輸網(wǎng)傳輸路徑的光纖長度，將核心網(wǎng)UPF結(jié)合MEC進(jìn)行下沉部署，這是保障URLLC業(yè)務(wù)時延的關(guān)鍵。此外，在降低傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延方面，存在如下潛在技術(shù)方案。
（1）層3 VPN邊緣部署
5G網(wǎng)絡(luò)具備組網(wǎng)超密集的特征，基站密度提升的同時，站間協(xié)同是5G URLLC組網(wǎng)的潛在關(guān)鍵技術(shù)之一，因此站間的東西向流量帶寬需求以及站間交互頻率也會增加。通過將傳輸網(wǎng)層3 VPN下沉部署在接入層，減少流量迂回路徑，在減少傳輸距離的同時也可以降低了設(shè)備跳數(shù)，從而實現(xiàn)X2/Xn流量就近轉(zhuǎn)發(fā)，降低站間交互的時延。
層3 VPN部署到邊緣，同時可以降低層2/層3橋接對復(fù)雜性和可靠性帶來的影響，如ARP同步、層2/層3聯(lián)動等。除實現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)降低時延外，層3 VPN部署到邊緣后組網(wǎng)業(yè)務(wù)配置將簡單化，故障定位也會更便捷。
（2）分組設(shè)備低時延轉(zhuǎn)發(fā)
傳輸網(wǎng)分組設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延是影響傳輸網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸時延性能的重要因素之一，現(xiàn)有的分組設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延已經(jīng)較低，但URLLC場景下仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。通過在分組設(shè)備內(nèi)部添加專用的時延敏感調(diào)度模塊，在正常業(yè)務(wù)流程上疊加超低時延轉(zhuǎn)發(fā)流程，協(xié)調(diào)不同的轉(zhuǎn)發(fā)資源，可以實現(xiàn)特定業(yè)務(wù)的超低時延轉(zhuǎn)發(fā)，將業(yè)務(wù)單跳轉(zhuǎn)發(fā)時延下降一個數(shù)量級，達(dá)到微秒級別，有效降低URLLC業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)時延。
3 核心網(wǎng)URLLC關(guān)鍵技術(shù)
5G的核心網(wǎng)設(shè)計采用了服務(wù)化架構(gòu)，通過與NFV云原生的設(shè)計思想相結(jié)合，可以以軟件化、模塊化、服務(wù)化的方式構(gòu)建5G核心網(wǎng)，而不同的核心網(wǎng)網(wǎng)元功能支持獨立自治，網(wǎng)元的新增、升級以及改造并不會互相影響。在URLLC場景下，5G核心網(wǎng)在軟件功能以及硬件部署方面均存在潛在的低時延與高可靠保障方案。
3.1 低時延保障方案
（1）控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離
網(wǎng)元功能獨立自治的5G核心網(wǎng)，控制面與用戶面信令不再互相交疊，在控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離方案下，核心網(wǎng)報文轉(zhuǎn)發(fā)控制協(xié)議對數(shù)據(jù)包檢測、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、用量上報、緩存處理、QoS執(zhí)行和多接入等功能制定了相應(yīng)的功能?？刂泼婢W(wǎng)元SMF可以根據(jù)PCF提供的面向URLLC通信場景的策略和本地配置，可以生成相關(guān)規(guī)則并發(fā)送給UPF，更好地保障端到端通信時延與可靠性。
（2）核心網(wǎng)網(wǎng)元功能下沉
5G無線基站到核心網(wǎng)UPF之間的數(shù)據(jù)傳輸時延，主要受到UPF網(wǎng)元部署位置的影響。目前，運營商UPF可選的部署位置覆蓋整個通信云，包括各級區(qū)域DC與邊緣DC。UPF部署位置越高，其服務(wù)業(yè)務(wù)覆蓋范圍就越廣，但基站與UPF之間交互所需的網(wǎng)絡(luò)時延也會越大。為了提供URLLC場景下的業(yè)務(wù)低時延保障，5G URLLC網(wǎng)絡(luò)部署需要盡量地降低基站到UPF之間的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、傳輸光纖長度以及匯聚網(wǎng)元的數(shù)目。因此，通過將UPF下沉部署，可以從物理上降低基站到UPF的傳輸距離，同時可以保證傳輸不上承載網(wǎng)，減少擁塞的可能性。
為了滿足URLLC場景下控制面信令的實時處理需求，可以在部分極端場景考慮將SMF、AMF等控制面網(wǎng)元與UPF一起下沉部署，部署于邊緣云平臺，實現(xiàn)UPF、SMF等眾多虛擬化網(wǎng)元與MEC業(yè)務(wù)的共平臺部署。控制面網(wǎng)元的下沉可以實現(xiàn)用戶面控制面同位置部署，避免控制面信令回傳受傳輸時延和承載網(wǎng)擁塞的影響，保障實時信令交互和處理。
核心網(wǎng)網(wǎng)元功能下沉也會導(dǎo)致網(wǎng)元的覆蓋范圍受限，且需要對低層級機房按需改造，一定程度會加大5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。
（3）邊緣計算
隨著邊緣計算概念的提出與發(fā)展，5G核心網(wǎng)在設(shè)計之初即考慮對邊緣計算功能的支持，并定義了多種機制，包括通過上行分類器或者分流點進(jìn)行上行數(shù)據(jù)分流機制、應(yīng)用觸發(fā)數(shù)據(jù)分流機制、用戶面變化上報、本地接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等。因此5G核心網(wǎng)可以比4G核心網(wǎng)更好地支持邊緣計算。目前，5G對于邊緣計算的支持僅限于連續(xù)性保證和本地分流等功能，URLLC場景下需要邊緣側(cè)具有較強的路由快速轉(zhuǎn)發(fā)、本地低時延高效處理、用戶面增強等功能，相關(guān)技術(shù)研究與驗證需要進(jìn)一步完善。
（4）QoS增強
為了輔助支持業(yè)務(wù)的低時延與高可靠業(yè)務(wù)保障需求，3GPP針對垂直行業(yè)的應(yīng)用，定義了新的以時延為主的GBR類型，設(shè)計了新的5QI與業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的映射方式。如表1所示，針對不同垂直行業(yè)應(yīng)用，定義了82、83、84和85等新的標(biāo)準(zhǔn)的5QI，不同5QI映射的數(shù)據(jù)包時延、誤包率、默認(rèn)最大數(shù)據(jù)量并不相同，同時對應(yīng)不同的默認(rèn)優(yōu)先級。在建立PDU會話的過程中，基站可以根據(jù)新的5QI進(jìn)行資源調(diào)度，以保障業(yè)務(wù)低時延高可靠通信需求。業(yè)務(wù)調(diào)度過程中，可以在終端和PSA UPF之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包時延的QoS監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容可以包括無線空口以及無線基站與PSA UPF之間的上行與下行數(shù)據(jù)包時延。其中，無線空口的時延可以由NG-RAN提供，而無線基站與PSA UPF之間的時延可在QoS流級別或GTP-U路徑級別進(jìn)行。在業(yè)務(wù)時延的監(jiān)控和測量的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，對URLLC業(yè)務(wù)進(jìn)行低時延的保障策略的靈活調(diào)整。
3.2 高可靠保障方案
（1）雙PDU會話備份傳輸（如圖2）
為了保障業(yè)務(wù)高可靠性要求，終端可以在5G網(wǎng)絡(luò)中建立兩個冗余的PDU會話，兩個PDU會話通過不同的基站、不同的UPF建立，可以保障用戶面路徑不相交。基站通過雙連接或者CU/DU分離等技術(shù)，實現(xiàn)兩個PDU會話通過不同基站傳輸，應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)包復(fù)制和冗余數(shù)據(jù)包的檢測。
（2）雙核心網(wǎng)隧道備份傳輸（如圖3）
基于雙核心網(wǎng)隧道的備份傳輸通過建立業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的冗余傳輸路徑，將兩個獨立的N3隧道部署在錨點UPF與接入網(wǎng)基站之間，并關(guān)聯(lián)到同一個單獨的PDU會話，可以提高N3隧道數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。為了確保兩個N3隧道通過不相交的傳輸層路徑傳輸，SMF或PSA UPF需要在隧道信息中提供不同的路由信息，并且將這些路由信息根據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署配置映射到不相交的傳輸層路徑。
在URLLC場景下QoS流建立過程中，若SMF配置冗余傳輸基于授權(quán)的5QI、NG-RAN節(jié)點能力，則SMF需要通知PSA UPF與NG-RAN執(zhí)行冗余傳輸指令：
1）對錨點UPF從數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接收到對應(yīng)該QoS流的每個下行數(shù)據(jù)包，錨點UPF需要進(jìn)行數(shù)據(jù)包復(fù)制，并分配相同的用于冗余傳輸?shù)腉TP-U序號。
2）對于無線基站從終端接收的對應(yīng)于該QoS流的每個上行數(shù)據(jù)包，NG-RAN進(jìn)行數(shù)據(jù)包復(fù)制，并分配用于冗余傳輸?shù)南嗤珿TP-U序號，錨點UPF基于GTP-U序號減少復(fù)制的數(shù)據(jù)包。
4 結(jié)束語
URLLC是5G網(wǎng)絡(luò)獨特的性能體現(xiàn)，也象征著無線網(wǎng)絡(luò)在追求容量、連接數(shù)增加的發(fā)展歷程中，正式面向時延、可靠性等新的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)提升展開了研究。隨著3GPP R16版本協(xié)議的凍結(jié)，5G URLLC網(wǎng)絡(luò)將逐步開始商用，受限于光纖傳輸帶來的時延影響，URLLC應(yīng)用初期將以區(qū)域性的點狀分布的場景為主，本文從端到端的角度，分析了URLLC潛在的關(guān)鍵技術(shù)，希望后續(xù)有更多關(guān)于端到端URLLC網(wǎng)絡(luò)部署方案的研究。
★原文發(fā)表于《移動通信》2020年第8期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.08.003
中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1006-1010(2020)08-0012-05
引用格式：梁輝,韓瀟,李福昌. 5G URLLC端到端關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 移動通信, 2020,44(8): 12-16.
作者簡介
梁輝（orcid.org/0000-0001-8905-6294）：工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事無線移動通信前沿技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定以及試驗驗證相關(guān)的工作。
韓瀟：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，主要從事無線移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)驗證相關(guān)的工作。
李福昌：教授級高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，國家知識產(chǎn)權(quán)局中國專利審查技術(shù)專家，主要從事移動通信及固網(wǎng)移動融合等專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定、測試驗證、課題研究等工作。
