中移雄研洞察:5G URLLC关键技术研究

2020-08-06 23:26:33 44

URLLC「低时延高可靠性」是5G三大应用场景之一,也是 5G 区别于 2G/3G/4G 的一个典型场景。作为移动通信行业切入垂直行业的一个突破口,URLLC对于自动驾驶、工业制造、车联网和智能电网等领域的广泛应用非常关键,并在3GPP R16阶段得到全面增强。


全球的智慧城市发展都在进入新的阶段,5G作为智慧城市发展的新引擎,推动城市进入新的文明价段,随着无线移动通信系统带宽和能力的增加,面向个人和行业的移动应用快速发展,移动通信相关产业生态将逐渐变化,5G不仅是更高速率,更大带宽、更强能力的空口技术,更是面向智慧城市的智能网络。


5G目前包括三大典型场景:增强型移动宽带eMBB、低延迟高可靠性URLLC、大规模机器通信mMTC。三个典型的场景能够助力了大量的应用技术包括:高清视频、物联网、无人机、AR/VR等。带宽增加极大的提升了数据传输速率,极有可能对数据处理相关行业带来一次革命。在5G网络的推进建设下,城市内的各个垂直行业领域都将被改变。当前工业制造、车联网和智能电网对5G的需求十分迫切,而URLLC技术场景则非常适合应用于以上领域,也因此3GPP在5G研究早期即提出一些低延迟的技术探讨,在R16阶段重点研究了URLLC场景的技术方案。


一、5G网络架构


为了满足对不同应用场景和应用需求。5G的网络设计是基于弹性敏捷、灵活复用的设计理念,5G引入SDN/NFV技术,将软硬件平台进一步虚拟化和解耦,底层使用统一的NFVI基础设施,利用SDN控制器实现内部资源灵活调度。传统网元被划分为更细粒度的功能模块,称之为网络功能(NF,Network Function),网络功能之间采用轻量API接口通信,实现系统的高效化、灵活化、开放化。


5G网络分为接入网、传输网和核心网三层。在接入网,5G网络采用了新的架构、新的设计、新的频段和新的天线技术。新的架构是指全新的网络架构将以用户为中心,围绕用户进行网络的建设,同时将传统的BBU(Building Base band Unite)分为CU(Centralized Unit)和DU(Distributed Unit)两个网元设备,同时RRU(Remote Radio Unit)和馈线、天线组成了新的AAU(Active Antenna Unit)。顾名思义CU是集中控制的设备,主要处理SDAP、RRC和PDCP层,即主要进行QoS流处理、无线资源控制和上层数据的压缩、对齐加密等功能,处于无线空口的层3的位置。DU是分散控制单元,主要处理RLC、MAC和高层物理层协议,即主要进行无线链路质量控制、逻辑信道和物理信道映射以及基带功能。处于空口的层2位置。AAU是有源天线单元,将传统的RRU和天线馈线合并主要是处理射频信号。同时参数和帧的结构更加灵活,上下行配比可以根据实际需求调整。5G网络有着更高的频段,当前主要使用了sub6G频段,之后更拓宽至26Ghz的毫米波频段,更高的频段有着相对更加丰富的频谱资源带来了更大的带宽。同时采用了新的3D MIMO天线,一般为64T64R甚至128T128R的天线阵列,相比较之前4T4R的天线大幅提升了传输效率。


5G传输网涵盖的范畴比较广泛,从AAU到DU的前传,DUCU之间的中传到CU传输到核心网的后传部分都属于传输承载网。5G流量激增对传输网带来了巨大的挑战,对此中国移动提出了切片分组网络SPN(Slicing Packet Network)的承载网技术【1】。


SPN采用ITU-T的分层模型,能够对以太网、IP、CBR业务综合承载。

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SPN分为切片传送层、切片通道层和切片分组层,此外还包括时钟同步和管理模块。


切片传送层是基于802.3以太网技术和OIF Flex E的物理层技术,提供了物理层面上的带宽。切片通道层曾则是通过SE技术对以太网接口、光纤资源等进行时隙化切分处理,基于TDM原理进行管道硬切分,切分是在L1层面上的硬隔离。切片分组层则是在业务上进行分发、封装和传输,可以提供L2\L3VPN等转发能力;提供业务识别、分组、QoS保障处理,基于SR-TP技术提供面向连接的业务承载通道。


5G核心网基于SDN和NFV技术,成功实现了软硬件解耦,各网元之间基于TCP/IP通信,接口通过https协议实现【2】。5G的核心网架构相比较于之前的4G核心网有着以下的主要特征:


(1)控制面与用户面分离。

(2)网元功能虚拟化。NFV技术应用于核心网,让软硬件解耦,网元成为了一个个软件功能模块。

(3)虚拟网元之间通过接口通信。不同网元之间采用轻量级的Restful/Http协议。

(4)SBA(Software Based on Architecture)的网络架构。各个虚拟网元之间耦合度低,其他业务可以通过接口快速访问虚拟网元,可以根据实际业务需求调整整个网络架构。

(5)接入网和核心网弱关联性。5G核心网与接入网没有强关联,UE可以通过各种网络接入5G核心网,即便非3GPP网络,也可以通过N3IWF网元接入到5G核心网。

(6)虚拟网元呈现无状态。即存储资源与计算资源解耦,控制面功主要交由AMF和SMF,而存储的数据主要放在UDR和UDSF,实现计算与存储解耦。


下图为5G核心网架构示意图。

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5G核心网的主要网元如下:


(1)AMF(接入和移动性管理功能):负责用户的接入和移动性管理;

(2)SMF(会话管理功能):负责用户的会话管理;

(3)UPF(用户面功能):负责用户面处理;

(4)AUSF(认证服务器功能):负责对用户的 3GPP和非3GPP接入进行认证;

(5)PCF(策略控制控制):负责用户的策略控制,包括会话的策略、移动性策略;

(6)UDM(统一数据管理):负责用户的签约数据管理;

(7)NSSF(网络切片选择功能):负责选择用户业务采用的网络切片;

(8)NRF(网络功能注册功能):负责网络功能的注册、发现和选择;

(9)NEF(网络能力开放功能):负责将5G网络的能力开放给外部系统;

(10)AF(应用功能):与核心网互通来为用户提供业务第三方应用。


二、URLLC关键技术


URLLC在3GPP标准化进程中包括低时延技术、高可靠技术以及URLLC与eMBB复用三个方面的研究。R15研究之初即成立工作项目,来研究子载波间隔、灵活帧结构以及短时隙调度等时延降低技术。截至R16,3GPP先后完成了URLLC用例的性能评估工作、物理层各信道的增强以及URLLC与eMBB上行复用等技术的研究及标准化,但仍然有很多优化工作预计留至R17来研究。

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为了实现uRLLC场景的低时延需求,3GPP在R15阶段提出以下解决方案:


(1)支持灵活的帧结构。5G的NR(New Radio)支持LTE系统15KHz的载波间隔,还支持更多的间隔方案包括30KHz、60KHz、120KHz、240KHz,越高的载波间隔带来越低延迟性能;同时5GNR支持调整帧的结构,相较于LTE系统固定的一个子帧包括2个时隙,NR可以灵活的在1、2、4个时隙中切换以及可以灵活配置上下行配比,使得延迟大幅降低。

(2)支持更小的调度周期—迷你时隙。时隙是最小的调度周期单位,LTE系统中包括时隙有14个符号组成,但是在NR中支持迷你时隙,迷你时隙可以支持2符号、3符号和4符号长度,更短的时隙可以降低反馈时延。

  (3) 灵活的PDCCH配置。搜索空间由一组候选PDCCH(Physical Downlink Control Channel)组成,搜索空间可以配置搜索类型、周期、时隙偏移、时隙数量、CORESET、DCI格式等参数。通过配置合理的PDCCH的监听周期和偏移值以及PDCCH在 一个时隙内的监听图样,可以实现较为密集的PDCCH 监听机会,一个时隙内具有多个PDCCH监测时刻,可以应对URLLC需求突发的业务场景,满足低时延的要求。【5】

(4)URLLC高优先级传输。 URLLC低延迟场景的数据特点主要是突发性强但是数据量不大,所以NR支持URLLC采用抢占方式占据信道资源。在基站分配物理资源给eMBB业务时,就已经将eMBB业务的资源也同时分配给了URLLC业务,当URLLC抢占物理资源时,NR将抢占结果通知给UE,用以保证URLLC的低延迟要求。

(5)采用边缘计算技术。5G网络可以将UPF用户面功能下沉到用户侧,边缘计算服务器与UPF共站部署,UPF识别到业务流的目的地址是本地,就分流到本地的边缘计算服务器进行业务处理,减少了业务的冗余传输路径,降低时延。


在R16阶段,3GPP又进一步提出URLLC低时延增强解决方案:


(1)免授权配置:基站预先配置周期性资源,UE不需向基站申请。UE预先向基站申请PUSCH(Physical Uplink Share Channel物理上行共享信道)使用的资源并配置好相应的参数。当有上行资源时,直接使用这些资源进行传输,省去了向基站发送调度请求、申请资源以及接收基站反馈的时间,保证了URLLC的低延迟要求。

(2)HARQ反馈增强:在R15阶段,UE在一个时隙中在PUCCH上只能传输一次HARQ-ACK(Hybrid Automatic Repeat Request)。当UE为了降低时延需要在同一个时隙的PUCCH再次上发HARQ-ACK时,是不允许的。在R16阶段,允许在一个时隙内部的多个PUCCH信道上反馈HARQ-ACK,为了支持这种设计,R16终端要求UE至少支持两种HARQ编码方式且物理层可以识别。

(3)支持时间敏感网络TSN和5G网络融合:实现时间敏感传输,保证时钟同步保。在PBCH中广播或在RRC层中发送高精度的参考时间,保障主时钟和终端时钟的精确时间同步,实现时间敏感传输。因为TSN技术是基础以太网传输技术发展的,所以TSN需要封装以太网帧头,但这样会降低传输效率,所以还需要压缩以太网帧头以提高数据传输效率,降低时延。


为了实现高可靠性的要求,3GPP在R15阶段提出以下解决方案:


(1)物理层面上,优化了MCS\CQI表格。LTE系统的MCS\CQI是不能满足NR对于系统可靠性以及传输速率的要求,于是NR在CQI(channel quality indication)表格中增加了两个更低的码率,相对应的基站增加了两个MCS(Modulation and Coding Scheme)低频选项, UE和基站之间可以选择更低的码率保障可靠性。

(2)数据包重复传输:LTE系统提出了在MAC和RLC层的HARQ重传机制,但是这种可靠性都是以牺牲时延为代价的,NR提出在PDCP层复制数据,在不同的PDCP信道上传输同样的数据提升可靠性。

(3)高聚合等级的PDCCH:CCE是PDCCH的基本单位,LTE的PDCCH最多包含8个CCE,在N15阶段,NR最多可以包含16个CCE,更多的资源可以降低传输的编码速率,保障传输可靠性。


在R16阶段,3GPP又进一步提出URLLC高可靠性增强解决方案:


(1)冗余传输方案,UE之间建立冗余的PDU会话和N3接口的冗余传输基于N3接口的冗余传输。首先, NG-RAN复制上行数据包,然后通过两条冗余的链路(N3接口)通道发送给UPF,其中每条N3通道与一个PDU会话关联,建立两条独立的N3通道传输数据,基站、SMF和UPF将会为两条链路提供不同的路由。

(2)在迷你时隙层面上重复传输。R15版本的重传机制都是在时隙的调度基础上,R16阶段进一步支持了迷你时隙级别别的重传,重传次数最大可达到16次。

(3)目前仍在PUCCH、PUSCH、HARQ增强方面继续研究


综合R15和R16,当前URLLC场景主要应用在于工业自动化、车联网、智能电网以及AR/VR。虽然3GPP在R15阶段和R16极端了很多URLLC关键技术方案,但是仍有技术增强问题以及车联网和工业场景下的应用,遗留在R17及以后的版本中继续解决。


三、URLLC主要应用场景


5GURLLC场景最大的特点是低时延、高可靠性,URLLC场景的使用范围很大,在不同的场景对时延、可靠性和带宽的要求是不同的。具体来说包括电力自动化“三遥”场景、车联网场景和工业制造场景。【6】


1 电力自动化场景

差动保护是电力网络的自我保护手段,将输电线两端的电气量进行比较以判断故障范围,实现故障的精准隔离,避免停电影响范围扩大。电网通信以光纤为主,但35kv以下配网未实现光纤覆盖,且部署场景复杂多样,需要无线网络作为通信载体。5G的URLLC场景非常适用于在电力自动化场景部署。


2 工业制造场景

工业制造的对技术性能要求很高,而高端制造业对车间设备的延迟和稳定性有着非常高的需求。5GURLLC的低时延和高可靠性非常适合在工作制造场场景应用,制造设备通过5G接入企业云或者现场控制系统,采集现场环境数据和生产数据,实时分析生产状况。实现整条生产线的无人化和无线化。


3 车联网场景


车联网由于特殊性,对于系统的安全可靠和超低延迟有着非常高的要求,5G的URLLC场景非常适合在车联网场景部署。车联网当前阶段主要车路协同技术,即在道路旁的基础施部署智能采集设备包括智能灯杆、智能交通灯,通过5G网络与车载电脑交互信息,大幅增加车辆对周围事务的感知能力,提高驾驶安全性,有效解决城市拥堵问题。


移动labs  杜鹏

参考文献

【1】切片分组网络关键技术研究. 程伟强,王敏学,袁程磊

【2】5G核心网关键技术研究. 聂衡,赵慧玲,毛聪杰

【3】3GPP中URLLC标准研究进展张轶. 夏亮,徐晓东,胡臻平

【4】URLLC关键技术及标准演进. 高雪娟

【5】新空口超可靠、低时延演进系统研究. 闫志宇,郝煜

【6】URLLC应用场景及未来发展研究. 李静,董秋丽,廖敏


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