URLLC技术研究及其在智能网联行业的应用探讨

宋蒙，刘琪，许幸荣，王题

（中国联合网络通信有限公司智能城市研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6 月，工信部发放了5G 牌照，标志着中国正式进入5G 商用元年。5G 网络定义了3 个主要的应用场景，即eMBB（增强型移动宽带）、URLLC（高可靠和低延迟通信）、mMTC（大规模机器类型通信）。其中URLLC 主要就是面向工业控制、智慧交通等低时延高可靠场景，也是目前标准研究主要聚焦的课题。

智能网联汽车产业旨在构建“人-车-路-云”协同的智慧交通体系，是汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业形态[1-2]。车辆的网联化、智能化对大量数据的传输和对业务时延都提出了很高的要求。将5G 大带宽、高可靠、低时延的特性应用于其中，能够显著提升通信网络性能、拓展应用范围。本文将介绍URLLC 技术研究进展，并进一步分析URLLC 技术在智能网联领域的应用并给出建议。

1 URLLC 标准研究概况

在LTE 网络中，口空的双向时延一般为20 ms[3]（36.881），而3GPP 很早就针对缩短LTE 的网络时延开展了研究，通过引入半静态调度优化无线资源调度[4]以及降低传输时间间隔（TTI,Transmission Time Interval）[5]，大大降低了LTE 的空口时延，到了R15 阶段LTE 的时延理论上已经能够优化到小于3 ms[6]。但是面对5G 时代提出的1 ms 时延的需求，LTE 显然已经无法满足，需要通过5G URLLC 技术实现。

3GPP 在2016 年初启动了5G 技术的标准制定工作，但URLLC 并不是5G 第一阶段的研究重点。eMBB 场景是5G 网络最基本的业务场景需求，在第一个版本中主要完成了eMBB 场景的标准化工作。对于URLLC 技术，3GPP R15 主要定义了低时延和高可靠性两个方面。低时延是指用户面上行时延目标是0.5 ms,下行也是0.5 ms，而可靠性要求用户面时延1 ms 内，传送32 字节包的误码率低于10-5[7]。因此为了实现可靠性和低时延，在具体设计信道结构时定义了多项物理层技术方案，包括新的帧结构、子载波间隔、调度周期等。此外，3GPP 还针对URLLC业务，在尽量保证eMBB业务频谱效率的情况下，对URLLC 与eMBB 业务共存进行了研究探索[8]。

R15 包含基本URLLC 功能，为了进一步实现工业互联网应用能力。R16 版本将侧重对URLLC 进行全面增强，进一步提高通信的可靠性，降低延迟。在2019 年3 月召开的3GPP RAN#83 次会议上通过了Release16 URLLC 的WI 立项，基于SI 阶段形成的评估结果和指导方案，继续从各技术方面展开URLLC 的增强研究。预计从2019 年4 月的RAN1 会议开始执行，到2019 年底结束。

2 URLLC 关键技术

2.1 空口技术

（1）子载波间隔

LTE 系统只能支持固定子载波间隔和固定的子帧长度，即15 kHz 子载波间隔，对应在时域是一个slot，两个slot 组成一个基本传输单位子帧。5G 系统工作在更宽广的频段，尤其是在高频段需要更大的子载波间隔来抵御噪声，映射在时域上就是更小的传输时隙。6 GHz 以下频段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz 等可变子载波间隔配置[9]，在60 kHz 的间隔下，最小的传输时隙只有0.25 ms。所以可以简单理解为：子载波间隔在LTE 15 kHz 基础上增加了多少倍，那么时域上的传输间隔就减少相应的倍数。

（2）调度方式

除了更小的传输时隙，5G 还引入了更灵活的微时隙调度机制，将最小的传输时间间隔由子帧缩小到了符号上。在某些URLLC 场景下可以选择最小的调度间隔，根据情况可以选择2 个符号或者4 个符号作为一个调度TTI，如图1 所示[10]：

图1 微时隙调度机制

基站经过4 个符号的处理后，在下行数据信道上通过2 个符号的微时隙调度将数据传输给用户，以此来大幅减低空口传输时延和基站的处理时间。

而对于上行业务，LTE 系统引入了半静态调度来增强无线资源的调度能力，半静态调度的资源一般是给每个用户单独分配的，当用户数量较多时就需要分配大量的资源，而且分配的资源还有可能不被使用。而5G URLLC 场景则是更进了一步，终端不需要向基站发送资源调度请求，而是在给URLLC 业务预先配置或激活的资源自主进行上行数据传输，省去了调度请求和数据调度的时延。3GPP 标准制定了两种上行免调度机制[11]：

（1）Type 1——通过RRC 配置信息，可以确定周期性的PUSCH 传输机会，当终端上行有新数据到达时，就在最近的传输机会直接进行上行数据传输。

（2）Type 2——通过RRC 和PDCCH 共同配置PUSCH传输参数，PDCCH 激活信令激活Type 2 方式并同时指示调度信息。收到激活信令之后，终端才能使用对应的PUSCH 资源进行上行免调度传输。而释放Type 2 上行资源，可以通过PDCCH 去激活信令来实现。

在可靠性方面，3GPP 引入了小负载DCI(Compact DCI) 的定义，通过提高AL（Aggregation Level，聚合等级）提升UE 一个时隙内的检测能力，能够实现较为密集的下行控制信道监听来达到更为高效可靠的传输[12]。还可以通过分布式的大规模天线或者多TRP 传输技术，将数据分散到地理位置上分离的多个传输点上传输，获得分集增益，可以进一步提升传输的可靠性。

2.2 网络结构

一个通信网络是由终端、基站、核心网以及业务服务器等构成的。除了空口之外，网络架构也要进一步优化才能够满足URLLC 场景要求的极低的业务时延。围绕超低时延的目标，网络架构方面主要以缩短传输路径以及预留专用资源为主。为了缩短业务传输路径，需要将用户面下沉到靠近用户的边缘节点，即移动边缘计算技术（MEC,Mobile Edge Computing）。而在URLLC 场景下，网络配置应该向低时延、高可靠方向倾斜，这就需要网络切片来实现。

（1）边缘计算

边缘计算技术就是将用户面下沉到无线侧，缩短终端到用户面的传输距离，实现包括业务数据传法、解析、管理等功能的本地化分流。将原本多跳的通信流程压缩到一跳之内完成，极大缩短基站后端的网络回传以及核心网处理带来的时延。同时，MEC 部署到靠近无线侧也可以更加快速地了解网络负荷、无线资源利用率等信息，保证用户的业务体验。

（2）网络切片

网络切片是指将网络资源灵活分配，按业务需求组网。在协议栈功能上，可以根据业务需求的不同对无线网侧协议栈功能进行定制切分。在5G 网络无线侧基站分为CU 和DU 两个单元，URLLC 业务要求尽可能简化网络的复杂度以降低时延，所以必须要采用CU 和DU 合设。在频谱资源方面，可以独立预留出一些资源给URLLC 的业务使用，然后网络切片的调度管理服务根据切片业务请求的实时到达情况按需分配时频资源。5G 核心网通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，硬件由统一的服务器部署，软件由不同的网络功能承担。网络切片可以按需调用不同的软件模块，实现网络功能的灵活定制。

3 基于URLLC 的智能网联业务应用

智能网联业务是通过车辆和道路环境的智能化实现车与云平台、车与车、车与路、车与人全方位网络连接。而未来高级别的智能网联业务，例如自动驾驶、远程驾驶、车辆编队等，都对通信时延和可靠性提出了非常高的要求。而URLLC 的特点刚好可以满足上述要求，因此URLLC 在无人驾驶业务方面拥有很大潜力。

3.1 总体网络架构

综合文章关于URLLC 技术的分析，可以初步描绘出基于URLLC 技术的自动驾驶业务的总体架构如图2所示。

（1）子载波、调度机制等关键技术可以降低空口时延、采取CU/DU 合设降低复杂度，降低时延。

（2）5G 基站通过非独立组网（NSA）/独立组网（SA）连接4G/5G 核心网。

（3）自动驾驶车辆部署5G 终端以及感知设备，感知获得的周边路况环境数据以及基于数据分析的驾驶决策建议通过5G 网络进行交互（路侧基础设施信息可以通过路侧单元（RSU,Road Side Unit）回传，也可以直连MEC）。

（4）将自动驾驶相关的数据融合分析等用户面下沉到MEC 服务器，降低核心网业务处理时延。

在该网络架构下，通过无线侧空口的优化以及核心网侧缩短传输路径减少处理时延，达到满足自动驾驶业务需求的能力。

3.2 发展部署建议

图2 基于URLLC的自动驾驶业务架构

URLLC 与其说是一种技术，更可以理解成一张按需部署的网络。目前URLLC 技术研究起步比较晚，相对应用也比较少，主要是一些工厂园区和试点有这样的需求，用户数量也不大。在这些园区内部署自动驾驶、车辆编队等业务可以考虑按需求建设专网，在园区内部署5G基站和配套的MEC 服务器，并将用户面以及业务相关的APP 部署在其中，按业务需求将智能网联业务数据本地分流处理。至于核心网AMF、SMF 等网元可以在城市中集中部署。另外，在MEC 上部署应用时还必须考虑数据信息安全策略，以便于隔绝安全风险，便于运营商进行业务监管。

随着URLLC 技术进一步成熟，包括时延敏感网络（TSN,Time Sensitive Networks）、网络切片技术等，以及工业园、示范区、码头、矿山等有高级驾驶需求的场景越来越多，为了能够满足不同园区甚至园区内不同业务的多样化需求，此时部署URLLC 网络需要引入这些新技术。以网络切片为例，可以为各个不同的园区建设一个切片，也可以为某个具体应用建设端到端的切片，这就需要运营商与园区业主进行协调，从业务指标、网络灵活性、建设复杂度和成本方面综合考虑来推广部署。

4 结束语

目前URLLC 技术还处在标准化进程中，规模化的商用产品更是要滞后一段时间，但是URLLC 技术从在物理层面的新机制到网络层面新的架构分布，构建了完整的端到端低时延高可靠的解决方法。这样的技术特点决定了URLLC 将在未来智能网联、工业互联网4.0 等领域提供高质量网络，发挥重要的核心作用。运营商针对URLLC做好深入的技术储备并执行由点到面的推广部署思路，这将会给运营商带来更加广泛的产业合作和效益。