黎卓芳 劉慧敏 解博森

(1.中國(guó)信息通信研究院移動(dòng)通信創(chuàng)新中心，北京 100191；2.中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3.北京郵電大學(xué)葉培大實(shí)驗(yàn)班，北京 100876)

0 引言

ITU定義的5G三大應(yīng)用場(chǎng)景分別為，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)滿足連續(xù)廣覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景需求[1]；超高可靠低時(shí)延通信，(Ultra Reliable and Low Latency Communication，URLLC)滿足工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程自動(dòng)駕駛等低時(shí)延高可靠應(yīng)用需求[2-3]；海量機(jī)器類通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)滿足低功耗大連接的物聯(lián)網(wǎng)需求[1]。從5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和商用部署情況看，eMBB場(chǎng)景已率先完成標(biāo)準(zhǔn)化并規(guī)模應(yīng)用，并逐漸向URLLC場(chǎng)景滲透，最后發(fā)展mMTC。

不同于eMBB場(chǎng)景可同時(shí)服務(wù)企業(yè)和個(gè)人，URLLC場(chǎng)景重點(diǎn)面向垂直行業(yè)應(yīng)用，隨著URLLC標(biāo)準(zhǔn)的完善，其關(guān)鍵技術(shù)正被逐步實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)也開(kāi)始不斷探索URLLC應(yīng)用模型。通過(guò)梳理URLLC標(biāo)準(zhǔn)和需求現(xiàn)狀，調(diào)研關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及技術(shù)試驗(yàn)進(jìn)展，提出我國(guó)URLLC產(chǎn)業(yè)推進(jìn)建議，將有利于URLLC技術(shù)的商用落地，并拓展5G應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)模式。

1 URLLC國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作主要在國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)和第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)的發(fā)起和組織下進(jìn)行。

作為聯(lián)合國(guó)的15個(gè)專門機(jī)構(gòu)之一，ITU是5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的需求方，ITU發(fā)布的5G標(biāo)準(zhǔn)，是全球?qū)嵤┎渴?G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。ITU在2015年9月發(fā)布的ITU-R M.2083-0建議書(shū)《IMT愿景——2020年及之后 IMT未來(lái)發(fā)展的框架和總體目標(biāo)》中明確指明URLLC是5G三大主要應(yīng)用場(chǎng)景之一，要求其空口時(shí)延達(dá)到1 ms[4]。

3GPP根據(jù)ITU提出的5G需求和愿景，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，并向ITU提交標(biāo)準(zhǔn)。目前，URLLC標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)演進(jìn)版本，分別為R15、R16和R17，各版本逐步完善URLLC的業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用場(chǎng)景和性能指標(biāo)。

2018年6月發(fā)布的R15版本，支持鏈路級(jí)的基礎(chǔ)URLLC能力，設(shè)計(jì)目標(biāo)場(chǎng)景單一，主要保障單鏈路業(yè)務(wù)性能，如AR/VR等娛樂(lè)場(chǎng)景。R15側(cè)重于中低頻率的URLLC標(biāo)準(zhǔn)制定，通過(guò)引入傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval，TTI)結(jié)構(gòu)來(lái)降低時(shí)延并引入多項(xiàng)提升可靠性的方案[5]，滿足空口單向1 ms時(shí)延和99.999%的可靠性要求。

2020年7月發(fā)布的R16版本，完善了中低頻和毫米波頻段全覆蓋的URLLC技術(shù)方案，支持多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的URLLC能力。R16標(biāo)準(zhǔn)引入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking，TSN)基礎(chǔ)協(xié)議，為多種業(yè)務(wù)提供URLLC通信能力，滿足99.9999%的高可靠性和空口單向0.5～1 ms時(shí)延的業(yè)務(wù)需求，并提供低至1 μs的抖動(dòng)和20 ns級(jí)別的精準(zhǔn)授時(shí)同步。為R16新增的工業(yè)自動(dòng)化、智能交通和電網(wǎng)管理等場(chǎng)景提供更高可靠、更低時(shí)延的技術(shù)解決方案。

R17版本計(jì)劃于2022年6月發(fā)布，將支持更高的定時(shí)精度和更靈活的頻譜方案，擴(kuò)展支持免許可頻段的URLLC能力，并進(jìn)一步將5G與TSN結(jié)合，目標(biāo)是利用5G無(wú)線技術(shù)替代有線連接，解決傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)布線雜亂、維護(hù)難度大、設(shè)備移動(dòng)性低等問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)是3GPP在中國(guó)的唯一合作伙伴，是我國(guó)5G通信標(biāo)準(zhǔn)的制定機(jī)構(gòu)，組織我國(guó)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，緊跟5G技術(shù)發(fā)展，制定5G通信標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)5G標(biāo)準(zhǔn)制定的總體原則是，基于3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)需求和實(shí)際頻率規(guī)劃，依托5G產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，確定標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、功能要求和性能指標(biāo)等，形成符合我國(guó)應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)能力的5G標(biāo)準(zhǔn)，支撐我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)部署。

目前，我國(guó)基于3GPP R15/R16協(xié)議的5G URLLC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)工作已完成。工業(yè)和信息化部已下達(dá)“5G數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 面向低時(shí)延高可靠(URLLC)的終端設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)試方法(第一階段)”和“5G數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 面向低時(shí)延高可靠(URLLC)的基站設(shè)備技術(shù)要求和測(cè)試方法(第一階段)”兩項(xiàng)行標(biāo)的立項(xiàng)計(jì)劃。

IMT-2020(5G)推進(jìn)組由我國(guó)工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)及科技部聯(lián)合推動(dòng)成立，主要開(kāi)展5G關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)研發(fā)試驗(yàn)和推動(dòng)我國(guó)在ITU、3GPP等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的相關(guān)工作。推進(jìn)組于2021年8月完成兩本URLLC規(guī)范的制定，分別為《5G增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)試驗(yàn) URLLC關(guān)鍵技術(shù)要求》和《5G增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)試驗(yàn) URLLC關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試方法》。規(guī)范整體編制原則是，基于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，技術(shù)要求適當(dāng)引領(lǐng)，測(cè)試規(guī)范匹配產(chǎn)業(yè)能力。目前，URLLC系統(tǒng)和芯片研發(fā)能力主要處于R15階段，因此技術(shù)要求面向3GPP R15和R16兩個(gè)版本的低時(shí)延和高可靠關(guān)鍵技術(shù)特性，測(cè)試方法主要面向R15版本的重點(diǎn)技術(shù)和基礎(chǔ)性能。

2 我國(guó)URLLC業(yè)務(wù)需求及產(chǎn)業(yè)能力分析

2.1 業(yè)務(wù)需求

不同于eMBB同時(shí)適用于企業(yè)用戶和個(gè)人用戶場(chǎng)景，URLLC將主要面向行業(yè)應(yīng)用，低時(shí)延主要用于數(shù)據(jù)及控制命令的無(wú)線快速傳輸和回傳，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的及時(shí)性、提升協(xié)同的準(zhǔn)確性；高可靠主要提高無(wú)線信息傳輸?shù)恼_率，以提升應(yīng)用命令傳遞的有效性、保證操作的安全性。

不同行業(yè)不同應(yīng)用場(chǎng)景的不同業(yè)務(wù)，對(duì)時(shí)延和可靠性的要求也不相同，表1舉例的典型業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的需求在1～20 ms，可靠性在“4個(gè)9”到“6個(gè)9”之間。

表1 3GPP定義的URLLC典型應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求舉例

我國(guó)運(yùn)營(yíng)商5G專網(wǎng)龍頭項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)顯示，目前不同業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性需求的分布情況如圖1所示，對(duì)端到端時(shí)延要求小于20 ms的業(yè)務(wù)占比49%，可靠性要求在5個(gè)9及以上的業(yè)務(wù)占比33.3%。未來(lái)隨著5G部署進(jìn)入工業(yè)核心控制產(chǎn)業(yè)，嵌入生產(chǎn)流程，對(duì)時(shí)延和可靠性能力的要求將進(jìn)一步提升，URLLC業(yè)務(wù)的比重也將進(jìn)一步加大。

2.2 產(chǎn)業(yè)能力

當(dāng)前，商用實(shí)現(xiàn)能達(dá)到的極致空口時(shí)延能力為5 ms，一般低時(shí)延商用網(wǎng)絡(luò)只能達(dá)到10 ms量級(jí)，可滿足AR/VR娛樂(lè)類業(yè)務(wù)和港口遠(yuǎn)程控制等時(shí)延需求10 ms量級(jí)，可靠性99.99%級(jí)別的業(yè)務(wù)需求，已落地應(yīng)用的URLLC典型案例主要包括港口遠(yuǎn)程控制和工廠AGV等。

3 URLLC關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

3GPP的URLLC標(biāo)準(zhǔn)分別從空口和核心網(wǎng)兩方面開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究[6-7]，R15階段重點(diǎn)支持URLLC基本功能，在空口靈活配置的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步增強(qiáng)；R16階段具備完整的URLLC能力，引入確定性關(guān)鍵技術(shù)，支持工業(yè)IoT、時(shí)延敏感通信等新業(yè)務(wù)，提供業(yè)務(wù)差異化的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障能力；R17階段支持更準(zhǔn)確的定時(shí)精度，研究非授權(quán)頻段的實(shí)現(xiàn)方案。URLLC的空口關(guān)鍵技術(shù)較多，產(chǎn)業(yè)比較關(guān)注的特性參見(jiàn)表2。

目前，系統(tǒng)、芯片企業(yè)主要實(shí)現(xiàn)了部分R15關(guān)鍵技術(shù)，大部分芯片和系統(tǒng)廠家會(huì)在2022年逐步引入R15及R16的更多特性，產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)推進(jìn)的技術(shù)研發(fā)進(jìn)展如下。

3.1 低時(shí)延

(1)非時(shí)隙調(diào)度(Non-slot)：引入mini-slot將最小調(diào)度顆粒從時(shí)隙級(jí)(14符號(hào))縮短至符號(hào)級(jí)(2/4/7符號(hào))，縮短空口數(shù)傳長(zhǎng)度，降低時(shí)延，適用于超短時(shí)延小包業(yè)務(wù)場(chǎng)景。以3U1D幀結(jié)構(gòu)為例，mini-slot的引入會(huì)降低約13%的時(shí)延。Non-slot調(diào)度機(jī)制比較成熟，已有運(yùn)營(yíng)商支持，截止到2021年年底，所有運(yùn)營(yíng)商及大部分系統(tǒng)廠家都將支持。

(2)上行免授權(quán)調(diào)度配置：基站預(yù)先為部分終端分配上行傳輸資源，終端可根據(jù)業(yè)務(wù)需求在預(yù)分配的資源上直接發(fā)起上行傳輸，減少調(diào)度時(shí)延和開(kāi)銷。目前，所有運(yùn)營(yíng)商及大部分系統(tǒng)廠家已支持。

(3)靈活幀結(jié)構(gòu)：使用1D1S幀結(jié)構(gòu)，可有效降低TDD上下行切換周期，在開(kāi)預(yù)調(diào)度情況下，1D1S比1D3U1S幀結(jié)構(gòu)時(shí)延性能提升10%～20%，部分運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始試點(diǎn)使用。

(4)業(yè)務(wù)搶占：終端可基于調(diào)度指示傳輸高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，降低高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)延。例如，終端間及終端內(nèi)部的URLLC業(yè)務(wù)可搶占eMBB業(yè)務(wù)資源。大部分系統(tǒng)企業(yè)計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)商均計(jì)劃2022年之后實(shí)現(xiàn)該特性。

3.2 高可靠

(1)低碼率MCS/CQI表格：新增MCS表格和CQI表格各一張，支持更低碼率，實(shí)現(xiàn)更高可靠性。該特性產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)難度小，增益明顯，初始可靠性達(dá)到99.999%級(jí)別，目前部分運(yùn)營(yíng)商已支持，截止到2021年年底所有運(yùn)營(yíng)商及系統(tǒng)企業(yè)均支持。

圖1 不同業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延和可靠性的需求占比

表2 URLLC空口重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)列表

(2)PDCP重復(fù)：在CA/DC模式下，通過(guò)空口冗余傳輸提升可靠性，R15支持兩條冗余鏈路，R16支持最多4條鏈路冗余傳輸。理論評(píng)估可靠性能從單鏈路的99%提升至99.99%，適用于小包高可靠業(yè)務(wù)。部分運(yùn)營(yíng)商已支持，系統(tǒng)廠家均計(jì)劃2022年支持。

(3)PDCCH 高聚合等級(jí)：基站根據(jù)信道狀態(tài)的調(diào)整聚合等級(jí)，實(shí)現(xiàn)鏈路自適應(yīng)傳輸，運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)廠家均已支持。

(4)PDCCH增強(qiáng)(壓縮DCI)：新引入2個(gè)新的DCI格式，降低控制信道開(kāi)銷，可提升控制信道的可靠性，運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)廠家均計(jì)劃2022年或之后支持。

3.3 確定性技術(shù)

目前，最受關(guān)注的確定性技術(shù)是SIB9高精度授時(shí)，通過(guò)基站系統(tǒng)消息SIB9的定時(shí)信息為終端授時(shí)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)3 μs，站間6 μs的授時(shí)精度，滿足差動(dòng)保護(hù)等時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求。目前，已有部分運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)企業(yè)支持該方案，大部分運(yùn)營(yíng)商與系統(tǒng)企業(yè)還沒(méi)有明確計(jì)劃。

4 我國(guó)URLLC技術(shù)試驗(yàn)規(guī)劃

4.1 工作機(jī)制

IMT2020(5G)推進(jìn)組不僅根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求制定技術(shù)規(guī)范，還負(fù)責(zé)統(tǒng)籌和組織我國(guó)5G技術(shù)試驗(yàn)，推動(dòng)形成產(chǎn)業(yè)共識(shí)。IMT2020(5G)推進(jìn)組將在URLLC技術(shù)試驗(yàn)過(guò)程中，逐步完善我國(guó)URLLC技術(shù)體系，探討URLLC典型場(chǎng)景需求，逐步明確產(chǎn)業(yè)對(duì)系統(tǒng)、終端設(shè)備的要求，推動(dòng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容及規(guī)劃

基于制定的測(cè)試規(guī)范，IMT2020(5G)推進(jìn)組于2021年9月啟動(dòng)我國(guó)URLLC技術(shù)試驗(yàn)。技術(shù)試驗(yàn)計(jì)劃持續(xù)兩年，2021年面向系統(tǒng)和終端廠商開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，2022年基于2021年試驗(yàn)成果，開(kāi)展URLLC端到端完整的功能測(cè)試，對(duì)面向典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的整體方案與系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

由于URLLC的多項(xiàng)特性在SA(獨(dú)立組網(wǎng))模式下才能體現(xiàn)，因此技術(shù)試驗(yàn)均基于SA架構(gòu)展開(kāi)，測(cè)試內(nèi)容包括關(guān)鍵技術(shù)的功能驗(yàn)證和系統(tǒng)在不同信噪比條件下的吞吐量、時(shí)延和可靠性等性能指標(biāo)測(cè)試。

鑒于不同廠商對(duì)URLLC的技術(shù)規(guī)劃不同，技術(shù)試驗(yàn)并未對(duì)工作頻段進(jìn)行限值，廠家可選擇中低頻段(TDD或FDD)或26 GHz毫米波頻段進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)參數(shù)也可基于5G商用網(wǎng)絡(luò)或針對(duì)URLLC單獨(dú)設(shè)計(jì)。

目前，系統(tǒng)企業(yè)已啟動(dòng)高可靠低時(shí)延通信技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。驗(yàn)證了上下行平衡的幀結(jié)構(gòu)、上行免調(diào)度、高可靠的低碼率CQI/MCS表格等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[8]。大部分廠商選擇中低頻段，部分廠商采用毫米波設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

5 URLLC產(chǎn)業(yè)推進(jìn)策略

目前，所有5G系統(tǒng)廠商和少數(shù)終端企業(yè)已于2021年下半年啟動(dòng)URLLC關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)工作，并計(jì)劃在2022年引入更多基于R15和R16標(biāo)準(zhǔn)的URLLC特性。芯片方面，主要芯片廠家目前已在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了URLLC功能，其軟件部分還需根據(jù)市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)需求逐步增加和完善。

通過(guò)對(duì)應(yīng)用需求、技術(shù)難度和產(chǎn)業(yè)能力等多方面綜合評(píng)估，產(chǎn)業(yè)界形成了比較一致的URLLC推進(jìn)策略：在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上從關(guān)鍵到補(bǔ)充；在場(chǎng)景覆蓋上從部分到全面；在功能實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)研發(fā)上，從降低時(shí)延和提升可靠性兩個(gè)維度分步驟開(kāi)展工作。

時(shí)延方面，將多種技術(shù)靈活組合，分別面向廣域和大部分局域業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)時(shí)延能力和服務(wù)，面向局域高需求業(yè)務(wù)提供增強(qiáng)時(shí)延服務(wù)；可靠性方面，為大部分業(yè)務(wù)提供99.999%的可靠性，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)類高要求業(yè)務(wù)提供99.9999%的可靠性，形成分級(jí)分檔的空口時(shí)延和可靠性能力和服務(wù)。

針對(duì)具體技術(shù)特性，總體引入策略建議結(jié)合需求迫切度和產(chǎn)業(yè)支持情況，分高、中、低3個(gè)優(yōu)先級(jí)分步實(shí)現(xiàn)，具體如下。

(1)高優(yōu)先級(jí)：2021年實(shí)現(xiàn)URLLC基礎(chǔ)功能。運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)廠商和部分終端企業(yè)啟動(dòng)URLLC關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)部署研究工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)URLLC性能影響較大的功能和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力。

(2)中優(yōu)先級(jí)：2022年實(shí)現(xiàn)URLLC擴(kuò)展功能。產(chǎn)業(yè)鏈主要廠商均啟動(dòng)URLLC相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，進(jìn)一步提升URLLC網(wǎng)絡(luò)性能和效率。

(3)低優(yōu)先級(jí)：2023年及之后實(shí)現(xiàn)URLLC增強(qiáng)功能。產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期重點(diǎn)關(guān)注URLLC應(yīng)用及引導(dǎo)性技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，3GPP的URLLC標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)演進(jìn)至R17版本，傳統(tǒng)通信企業(yè)的總體研發(fā)進(jìn)度卻還在R15的部分特性研發(fā)階段，比標(biāo)準(zhǔn)落后兩個(gè)版本，不能完全滿足運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展新技術(shù)試驗(yàn)及試點(diǎn)進(jìn)度的需求。亟需上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)一起，推動(dòng)芯片、模組、終端到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能和測(cè)試方法的成熟。要充分發(fā)揮行業(yè)主觀能動(dòng)性，深入挖掘各行業(yè)對(duì)高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)的痛點(diǎn)需求，探索與URLLC匹配的應(yīng)用場(chǎng)景，真正體現(xiàn)URLLC的應(yīng)用價(jià)值，助力URLLC的落地商用。