苗守野，李 靜，李福昌

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 100033；2.中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 概述

隨著5G 新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)政策的發(fā)布，我國5G網(wǎng)絡(luò)加速普及，從人與人之間的連接，邁向萬物互聯(lián)的數(shù)字化新時代。5G技術(shù)將應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家居、醫(yī)療、物流、交通等各個領(lǐng)域，助力全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型。其中，uRLLC 場景是5G 三大應(yīng)用場景之一，在未來2～5年將成為5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重要場景之一。

本文第2 章將詳細(xì)分析uRLLC 的典型業(yè)務(wù)和需求，并提出3 級uRLLC 網(wǎng)絡(luò)能力，可以面向個人消費(fèi)、行業(yè)用戶、特定行業(yè)用戶提供不同等級的uRLLC 網(wǎng)絡(luò)性能；第3 章闡述了通過能力提升集構(gòu)建uRLLC 網(wǎng)絡(luò)能力，能力提升集包括構(gòu)建低時延能力、高可靠能力、確定性能力、指標(biāo)檢測能力4 個維度的端到端uRLLC關(guān)鍵技術(shù)；第4 章展示了5G-A uRLLC 創(chuàng)新實踐方案，以期這些成果為低延遲和高可靠性無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供一些演進(jìn)思路。

2 uRLLC業(yè)務(wù)需求

隨著5G網(wǎng)絡(luò)低時延高可靠通信保障能力的完善，普通消費(fèi)者領(lǐng)域與垂直行業(yè)領(lǐng)域的部分業(yè)務(wù)都將是uRLLC 網(wǎng)絡(luò)未來的潛在承載對象［1］。普通消費(fèi)者領(lǐng)域的uRLLC 業(yè)務(wù)發(fā)展相對滯后，“技術(shù)推動業(yè)務(wù)”的發(fā)展特征明顯；垂直行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，前期以通過5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)替代現(xiàn)有業(yè)務(wù)的有線、無線解決方案為目標(biāo)，后期以5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)助推行業(yè)升級發(fā)展為目標(biāo)。因此，運(yùn)營商深度參與業(yè)務(wù)需求與業(yè)務(wù)發(fā)展研究，明確不同場景與不同業(yè)務(wù)對5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)部署的不同需求，是5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)價值面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

3GPP 關(guān)于uRLLC 典型業(yè)務(wù)的關(guān)鍵需求指標(biāo)［2］如表1 所示。對于電網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務(wù)，除了表1內(nèi)所列的需求指標(biāo)外，其對數(shù)據(jù)包確定性、高精度時鐘同步和時延抖動都有非?？量痰囊?。

表1 典型業(yè)務(wù)需求指標(biāo)

a）某些帶寬要求較高的業(yè)務(wù)在時延和可靠性指標(biāo)上沒有嚴(yán)苛要求，可基于5G大網(wǎng)疊加增強(qiáng)技術(shù)來滿足業(yè)務(wù)需求。

b）電網(wǎng)業(yè)務(wù)和部分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的指標(biāo)要求近似，典型的面向行業(yè)的uRLLC 類業(yè)務(wù)時延需求為端到端10～50 ms，可靠性需求為99.9%～99.999%。

c）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的時延和可靠性指標(biāo)要求最為嚴(yán)苛，可靠性需求達(dá)到99.999 9%，端到端時延需求達(dá)到ms級，而對帶寬要求不高。

d）運(yùn)輸行業(yè)業(yè)務(wù)對上行速率要求較高，對帶寬要求較高。

為了匹配不同等級的uRLLC 類業(yè)務(wù)需求，本文提出分級分階段構(gòu)建不同的uRLLC網(wǎng)絡(luò)能力（見圖1）。

如圖1 所示，5G 網(wǎng)絡(luò)能力分級從L0 到L3，其對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域要求逐級遞減，對時延和可靠性的要求逐級遞增，具體定義如下。

圖1 5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)能力分級

a）L0：5G 廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)。從2019 年開始，國內(nèi)3 家運(yùn)營商開始進(jìn)行5G 規(guī)模試驗和商用部署，建設(shè)5G 廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，面向個人消費(fèi)者提供eMBB 業(yè)務(wù)，中國聯(lián)通和中國電信采用共建共享方式，依托3.5 GHz/2.1 GHz頻段快速推進(jìn)5G部署范圍，打造5G品牌競爭力。

b）L1：uRLLC 入門級網(wǎng)絡(luò)。uRLLC 入門級網(wǎng)絡(luò)是指基于5G 廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)，面向個人消費(fèi)市場滿足對時延、可靠性有進(jìn)一步要求的業(yè)務(wù)需求，例如視頻游戲、AR/VR 等；uRLLC 入門級網(wǎng)絡(luò)可升級部分uRLLC 技術(shù)方案，進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能。潛在的技術(shù)方案包括網(wǎng)絡(luò)切片（軟隔離）、QoS 保障、空口時延增強(qiáng)方案、UPF按需下沉、MEC。L1級也可視為L0增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。uRLLC入門級網(wǎng)絡(luò)對時延要求為：百毫秒量級，對可靠性要求為：99.9%。

c）L2：uRLLC 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。uRLLC 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)主要面向行業(yè)用戶，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍按行業(yè)用戶需求建設(shè)，一般在區(qū)域范圍內(nèi)部署，如電力配電自動化以及差動保護(hù)、港口遠(yuǎn)控等業(yè)務(wù)，后期部署范圍可擴(kuò)展至全國。L2級網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)為典型的uRLLC 業(yè)務(wù)，實現(xiàn)低時延和高可靠的網(wǎng)絡(luò)能力，針對不同的行業(yè)用戶，在網(wǎng)絡(luò)安全性、高精度時間同步授時等方面也有相應(yīng)的增強(qiáng)能力。潛在的技術(shù)方案［3］包括網(wǎng)絡(luò)切片（硬隔離）、針對uRLLC 業(yè)務(wù)的QoS 增強(qiáng)、空口低時延增強(qiáng)方案、空口高可靠方案、冗余傳輸、傳輸網(wǎng)FlexE 方案、專用UPF、MEC。uRLLC 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對時延要求為：幾十毫秒量級，對可靠性要求為：99.9%～99.999%

d）L3：極致uRLLC 網(wǎng)絡(luò)。極致uRLLC 網(wǎng)絡(luò)面向特定行業(yè)用戶，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍一般為園區(qū)或工廠級，例如工業(yè)現(xiàn)場實時控制、運(yùn)動控制等業(yè)務(wù)。L3 級網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)復(fù)雜多樣，對網(wǎng)絡(luò)性能要求很高，在確定性通信、高精度時間同步、安全性、高精度定位等方面都有增強(qiáng)要求。L3 級的目標(biāo)是為特定行業(yè)打造極致體驗的uRLLC 網(wǎng)絡(luò)，潛在的技術(shù)方案［4］包括針對uRLLC業(yè)務(wù)的QoS增強(qiáng)、空口低時延增強(qiáng)方案、空口高可靠方案、5G 和TSN 融合、NPN、冗余傳輸、專用核心網(wǎng)等。極致uRLLC 網(wǎng)絡(luò)對時延要求為：幾毫秒量級，對可靠性要求為：99.999%～99.999 9%

綜上，本文提出3級uRLLC網(wǎng)絡(luò)能力，包括uRLLC入門級網(wǎng)絡(luò)、uRLLC 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和極致uRLLC 網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)，隨著5G/5G-A uRLLC 標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)及終端產(chǎn)品的能力提升，針對不同的業(yè)務(wù)和場景［5-6］構(gòu)建差異化的uRLLC網(wǎng)絡(luò)能力。

3 uRLLC能力構(gòu)建

5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)的典型特征主要體現(xiàn)在低時延和高可靠2個方面，在保障低時延的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步支持TSN 功能，提供低時延抖動的能力是uRLLC 演進(jìn)的重要方向之一。為了構(gòu)建5G 網(wǎng)絡(luò)的uRLLC 能力，綜合考慮5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力與能力提升是重中之重。

圖2 為5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)能力體系構(gòu)建視圖。5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，適配差異化的部署場景。根據(jù)不同類型的業(yè)務(wù)，uRLLC 網(wǎng)絡(luò)將提供定制化的時延和可靠性能力。因此，uRLLC 網(wǎng)絡(luò)將基于5G 技術(shù)，在空口頻段、雙工方式、幀結(jié)構(gòu)、參數(shù)集等通用物理層技術(shù)上支持靈活配置，為uRLLC 網(wǎng)絡(luò)的差異化能力奠定了基礎(chǔ)。再結(jié)合uRLLC 專有的低時延、高可靠技術(shù)方案，打造出定制化的uRLLC網(wǎng)絡(luò)［7］。

圖2 5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)能力體系構(gòu)建視圖

3.1 低時延能力

對于低時延能力的構(gòu)建，5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)在無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)分別進(jìn)行了技術(shù)設(shè)計［8］。

從無線接入網(wǎng)的角度，uRLLC 空口時延包括信號傳輸時延、處理時延和信令交互時延。5G新空口設(shè)計了基于OFDM 符號的mini-slot 調(diào)度粒度，基于高優(yōu)先級業(yè)務(wù)“搶占”低優(yōu)先級業(yè)務(wù)資源的資源復(fù)用技術(shù)和基于預(yù)授權(quán)、免調(diào)度的傳輸機(jī)制，為uRLLC 業(yè)務(wù)“隨到隨傳”創(chuàng)造了多種傳輸條件。同時將HARQ 機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)，形成了以子時隙為粒度的雙碼本HRAQ 反饋機(jī)制，以實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)物理層對uRLLC 業(yè)務(wù)傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)，進(jìn)而縮短uRLLC業(yè)務(wù)的空口時延。

在核心網(wǎng)的部署策略上，uRLLC 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了用戶面/控制面網(wǎng)元下沉的方案，將UPF、SMF 和AMF 等網(wǎng)元下沉部署在盡量靠近基站的位置，降低基站到核心網(wǎng)之間的傳輸時延。同時，3GPP 定義了新的5QI 映射，加強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS 監(jiān)控方案以更好地輔助支持uRLLC業(yè)務(wù)的低時延傳輸。

從傳輸網(wǎng)的角度，基于SRv6+FlexE 的技術(shù)，一方面建立uRLLC 業(yè)務(wù)最優(yōu)路徑，另一方面將不同切片帶寬絕對獨享，嚴(yán)格保證時延、抖動，可以避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

3.2 高可靠能力

對于網(wǎng)絡(luò)的可靠性支持，uRLLC 無線接入網(wǎng)絡(luò)主要通過采用更低的碼率和重復(fù)傳輸?shù)姆桨?，而核心網(wǎng)采用冗余傳輸方案。這些方案均以降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率為代價，提升uRLLC網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

從無線接入網(wǎng)的角度，控制信道低碼率傳輸通過更高聚合等級實現(xiàn)；數(shù)據(jù)信道低碼率通過專用的低碼率的MCS 表格提升數(shù)據(jù)信道初傳的可靠性；物理信道通過重復(fù)傳輸可使接收端獲得額外的分集與數(shù)據(jù)合并增益；PDCP 層數(shù)據(jù)包復(fù)制，通過不同的空口資源來傳輸以獲得分集增益［9］。

從核心網(wǎng)的角度，有3種冗余傳輸方案。

a）PDU 會話冗余。建立2 個端到端的PDU 會話備份傳輸，相應(yīng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)也實現(xiàn)了冗余備份。

圖5所示為系統(tǒng)的逆鍵合圖，根據(jù)其可推導(dǎo)出開環(huán)電流控制的方法。圖中，兩個電流傳感器通過雙因果鍵進(jìn)行因果逆轉(zhuǎn)，同時得到兩條不相交的雙向因果路徑，這兩條路徑分別指向控制信號（m1和m2）對應(yīng)的所需逆向模型的輸出，由此可以證明該模型為可逆模型[7]。

b）N3 隧道冗余。將2 個獨立的N3 隧道部署在錨點UPF 與RAN 之間，2 個隧道分布在基站和UPF 間不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)上。

c）RAN 和UPF 之間的傳輸路徑冗余。該方案不需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)建立2個會話或隧道［10］。

3.3 確定性能力

確定性通信是指最大時延有界，即保障業(yè)務(wù)包在給定時延內(nèi)正確送達(dá)。在保障業(yè)務(wù)低時延與高可靠傳輸?shù)耐瑫r，支持TSN 功能，滿足業(yè)務(wù)的確定性是5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)在部分工業(yè)場景下需要提供的重要能力。

網(wǎng)絡(luò)同步是5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)支持TSN 功能的基礎(chǔ)，高精度授時與傳播時延補(bǔ)償方案可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)同步能力。高精度授時支持基站通過系統(tǒng)消息提供粒度為10 ns的精準(zhǔn)參考授時，而傳播時延補(bǔ)償則支持利用5G網(wǎng)絡(luò)的下行同步和上行同步機(jī)制，在終端同步過程中，根據(jù)定時提前量獲取傳播時延，實現(xiàn)對時鐘的校準(zhǔn)。

此外，考慮工業(yè)場景下部分工業(yè)應(yīng)用以小數(shù)據(jù)包的工業(yè)控制消息傳遞為主，有效負(fù)載在數(shù)據(jù)幀中的占比較低。5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)通過支持以太網(wǎng)頭壓縮方案，在舍棄以太幀前導(dǎo)碼、幀開始符以及幀校驗碼的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步壓縮以太幀的源/目的地址、Q-TAG 域的開銷，可以降低以太幀傳輸所用資源，減小網(wǎng)絡(luò)開銷。

通過對5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力［11］、低時延能力、高可靠能力以及TSN 能力的整體構(gòu)建，5G 網(wǎng)絡(luò)將具備保障uRLLC 業(yè)務(wù)多樣化通信需求［12］的能力，而對網(wǎng) 絡(luò)uRLLC能力的管理將是提升網(wǎng)絡(luò)商用價值重要因素。

3.4 指標(biāo)監(jiān)測能力

為了滿足業(yè)務(wù)的傳輸需求，保障業(yè)務(wù)體驗的穩(wěn)定性和5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，需要對網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)鍵指標(biāo)的保障能力進(jìn)行監(jiān)測。相比eMBB 網(wǎng)絡(luò)，5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)需要額外關(guān)注時延、可靠性、時延抖動等網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測能力。

a）時延。在不同應(yīng)用場景下，具備小區(qū)級以及業(yè)務(wù)級分段的網(wǎng)絡(luò)時延監(jiān)測能力，支持毫秒級以下的時延監(jiān)測精度。

b）可靠性。在不同應(yīng)用場景下，具備小區(qū)級以及業(yè)務(wù)級分段的網(wǎng)絡(luò)可靠性監(jiān)測能力，支持模擬業(yè)務(wù)狀態(tài)的可靠性監(jiān)測方案，可以確定誤塊、丟包等因素對業(yè)務(wù)可靠性的影響。

c）抖動。在不同應(yīng)用場景下，具備小區(qū)級以及業(yè)務(wù)級分段的網(wǎng)絡(luò)時延抖動監(jiān)測能力，支持微秒級的抖動監(jiān)測精度。

5G 網(wǎng)絡(luò)由無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)3 個部分組成，uRLLC 網(wǎng)絡(luò)性能關(guān)鍵指標(biāo)需要支持端到端監(jiān)測能力以及分段式的指標(biāo)分析與問題定位方案。在多用戶的應(yīng)用場景下，5G uRLLC網(wǎng)絡(luò)可以支持基于不同精度與不同粒度的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)監(jiān)測。

通過設(shè)計不同的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)監(jiān)測的觸發(fā)方式以及監(jiān)測流程，5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)可以支持基于GTP-U路徑的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測方案與基于UE 級QoS 流的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測方案。其中，基于GTP-U 路徑的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測方案在混合業(yè)務(wù)的場景下，可以快速地完成uRLLC網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)性能指標(biāo)監(jiān)測，基于UE級QoS流的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測方案可以對指定的業(yè)務(wù)進(jìn)行性能指標(biāo)的監(jiān)測。

通過在GTP-U 的服務(wù)數(shù)據(jù)包的報頭中添加時間戳的方式，在NG-RAN 與PSA UPF 時間同步的場景下，支持測量上行業(yè)務(wù)或下行業(yè)務(wù)單向的關(guān)鍵性能指標(biāo)，在NG-RAN 與PSA UPF 時間不同步的場景下，支持通過上下行業(yè)務(wù)環(huán)回的關(guān)鍵性能指標(biāo)監(jiān)測方法，統(tǒng)計獲取單向的業(yè)務(wù)時延與時延抖動性能。

5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)的監(jiān)測可以為網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)能力驗證、網(wǎng)絡(luò)能力定制以及網(wǎng)絡(luò)問題定位與恢復(fù)方面提供保障，未來通過采集多維的業(yè)務(wù)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)性能分析方案，也可以助力網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)化運(yùn)營。

4 5G-A uRLLC技術(shù)演進(jìn)與創(chuàng)新實踐

當(dāng)前以汽車制造為代表的工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型過程中，遇到2個挑戰(zhàn)。

a）現(xiàn)有的OT 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)［13］以有線為主，無法滿足智能升級過程中柔性要求；且IT 和OT 2 張網(wǎng)，OT 內(nèi)實時控制業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)割裂。

b）OT 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)包括PLC 以及南向控制的I/O、閥島等設(shè)備，大部分節(jié)點要求1～4 ms 通信周期，單節(jié)點可靠性要求至少99.999%～99.999 9%。

面對挑戰(zhàn)，可從以下4 個層面推動5G-A uRLLC技術(shù)創(chuàng)新（見圖3）。

圖3 5G-A uRLLC網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實踐示意圖

a）低時延高可靠能力打造，實現(xiàn)E2E 4 ms的時延和5～6 個9 的可靠性目標(biāo)。通過互補(bǔ)TDD 方案減少子幀等待，實現(xiàn)4 ms 時延［14］；通過1 次HARQ，可靠性提升2～3 個9；通過靈活幀配比，兼顧大上行/定位等綜合能力提升。

b）10 倍容量提升，實現(xiàn)1 000 個/5 000 m2目標(biāo)。通過5G+工業(yè)協(xié)議跨層協(xié)同，平滑I/O 并發(fā)峰值，實現(xiàn)uRLLC 容量提升2 倍以上；通過HARQ 和MU MIMO，提升頻譜效率，實現(xiàn)uRLLC容量提升5倍以上。

c）產(chǎn)業(yè)適配能力打造，通過UPF 對接PLC 的業(yè)務(wù)感知能力打造，實現(xiàn)5G 和工業(yè)協(xié)議跨層適配的目標(biāo)；通過time offset實現(xiàn)UE和I/O之間的業(yè)務(wù)編排。

d）終端模組研發(fā)，推動UE CAP2能力，提升UE處理能力；打造open CPU 開放能力，加載工業(yè)協(xié)議；支持實時/非實時并發(fā)，支持uRLLC和非實時業(yè)務(wù)流1～10M的目標(biāo)。

通過本次創(chuàng)新方案，初步驗證了5G-A uRLLC 對汽車制造產(chǎn)線柔性提升的價值。

5 總結(jié)

5G 及5G-A 的超可靠、低延遲通信（uRLLC）已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)逐步走向現(xiàn)實，產(chǎn)業(yè)及行業(yè)伙伴都給予了極大的關(guān)注。未來應(yīng)根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)成熟度［15］，逐步完善uRLLC 網(wǎng)絡(luò)能力分級體系，明確潛在的能力細(xì)分方案，搭建能力分級和能力構(gòu)建集之間的映射關(guān)系，設(shè)計面向?qū)嶋H部署和運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)能力管理體系，從而推動形成一個綜合考慮延遲、可靠性、數(shù)據(jù)包大小、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓?fù)洌ń尤?、邊緣和核心）以及不確定性的可擴(kuò)展的框架。