基于uRLLC 技术在车联网的应用

杨 磊， 李晓坤， 陈虹旭， 郑永亮， 张乐江

（黑龙江恒讯科技有限公司 国家博士后科研工作站， 哈尔滨150090）

0 引 言

2016 年初，3GPP 发起了5G 网络技术标准的制定工作。 计划到2019 年底前完成R16 版本标准（5G网络第二阶段标准），其中包含了5G uRLLC 技术的标准化。 uRLLC 技术在延时以及可靠性方面，相比之前的4G 网络等移动通信技术有了很大程度的提高。uRLLC 技术实现了基站与终端之间的通信，上下行均能达到0.5 ms 级别的延时［1］。 车联网为了保障通信中的低延时与高可靠性，在实现车联网业务时，需要将通信延时控制在10 ms 之内，才能保障车联网业务的稳定运行，而uRLLC 技术可以很好地的解决车联网中毫秒级别的延时保障、网络安全、硬切换以及路况预判断等问题。 因此，uRLLC 技术与车联网结合是未来车联网走向应用成熟的必然趋势［2］。

1 uRLLC 技术概述及现状

1.1 uRLLC 技术的基本概念

在不久的将来，第五代移动通信技术（ 5G，the fifth generation of mobile communications system）将参与到人们生活的方方面面，为未来全球信息化建设提供坚实的基础。 因此，有关5G 的标准化制定以及核心技术的研发成为各方关注的重点。 其中，eMBB 和uRLLC 技术计划在5G 中期建设完成［3］。eMBB 技术是5G 网络的基础业务之一，其特点是：数据载量大、传输速率要求高。 相比而言uRLLC 技术的数据包更小，对网络的延时以及容错率都更严格。 因此，uRLLC 技术更适合应用在车联网这种对网络精度要求更高的场景［4］。

2015 年，国际电信联盟正式规定了5G 网络的三大应用场景，即eMBB（enhance mobile broadband）增强型移动宽带、 mMTC （massive machine type communication）海量物联网通信以及uRLLC（ultra reliable＆low latency communication）低延时高可靠通信。 相对而言，如果网络延时偏高，uRLLC 相关业务的正常运行会受到很大影响，并可能出现不可控的控制误差。 因此，第三代合作伙伴计划（3rd generation partnership project， 3GPP）也对5G 应用的三大场景eMBB、 mMTC、uRLLC 的延时及可靠性标准进行了定义。 其中uRLLC 作为5G 网络的三大核心应用场景之一，在车联网、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）中的应用非常广泛。

1.2 uRRLC 技术现状

uRLLC 及eMBB 是目前5GNR（基于OFDM 的全新空口设计的全球性5G 标准）最急需的应用场景，其中eMBB 为最基本业务需求。 在5G 网络发展的初期（2019—2020 年），多以热点地区和城区网络覆盖eMMB 业务为主，主要为了面对热点高、容量高速度的挑战。 当发展到建设中期（2021—2022年），5G 网络将作为eMMB 技术的主要承载网络，uRLLC 技术能与eMBB 技术共存并保证业务的频谱效率。 当5G 网络发展成熟时（2023—2025 年），5GNR 将会大规模承载uRLLC 业务，并将对新兴的车联网、工业自动化等物联网行业提供解决方案［5］。

3GPP SA1 在新服务和市场使能技术，对延时性低可靠性高的场景进行了重新整合，同时TS26.261－g00 也给出了相关的性能指标要求。 但3GPP SA1 并没有严格要求使用uRLLC（ultra－reliable and low－latency communication），而是沿袭SA1 一直使用low－latency and high reliability。 除此之外，SA1 还认为ITU 划分的三个场景采取的维度不同，uRLLC 对应的只是一系列的低延时应用场景。 因此，SA1 启用新的立项自动化逆域通信研究。 如：在现有规定的延时、抖动、可靠性及速率外进一步加强对网络监控的安全标准，从而更丰富原有SMARTER 中没有的规定，同时写入到TS26.261 规范中。

由图1 中可见，基于IP 网络的应用其可靠性已上升到电信级的99.999%甚至更高，只有少数的几个业务是99.9%的保障。 因此，对当前网络提出极大的挑战，如何保证可靠性是一大难题。 根据TS26.261－g00标准，初步统计uRLLC 业务的时延要求如图2 所示。

在TS 23.501－100 标准中［6］，3GPP SA2 将国际电联分区的三种应用场景定义为切片／服务类型，并将uRLLC 定义为两种类型。

图1 基于IP 网络的应用可靠性Fig.1 Application reliability based on IP network

3GPP RAN1 将uRLLC 标准分为两部分：低延迟和高可靠性。 低延迟技术主要涉及物理层的时隙／帧结构、调度和HARQ 过程。

1.3 uRRLC 技术的基本特点

在移动通信中，为了减少延迟，主要方法有：提高网络传输效率、提高流媒体编解码时间、优化互联网络传输协议、减少网络通信节点的数量、优化5G网络架构［7］。

4G／LTE 系统的帧结构是固定的，副载波间隔固定在15 kHz，对应于0.5 ms 的固定时隙长度。 两个时隙构成基本传输单元子帧，即1 ms。 5GNR 的帧结构、副载波间隔都是可变的。 时隙长度随着子载波间距的增加而减小，60 kHz 的副载波间隔对应于0.125 ms 的时隙长度。 时域从1 ms ～0.125 ms，显著缩短了传输时间。 对于下行业务，基于调度4G／LTE，不同的业务资源不能重叠。 发送数据接收确认至少需要4 ms。 基于调度5GNR 下的uRLLC服务资源，可与其它服务（eMBB 服务）重叠［8］，通过抢占指令提高用户设备解码成功率，并引入自含时隙结构。 数据发送和接收确认可以在一个时隙内完成，即数据发送可以在0.125 ms（60 kHz 带宽）内完成。 对于上行业务，基于调度4G／LTE 的不同业务资源不能重叠。 从启动数据调度到数据接收确认至少需要10 ms（如果采用半静态调度，可以减少到4 ms）；而5GNR 不基于调度，为uRLLC 服务预留资源，数据传输可以在0.25 ms 内完成［9］。

由于uRLLC 需要超高的可靠性保证，若分配给uRLLC 服务的频谱带宽较窄，小区边缘化会严重影响uRLLC 用户的性能，链路预算问题将成为吞吐量下降的主要因素。 总之，从频域角度分析，系统需为uRLLC 用户分配足够的调度带宽；从时域角度分析，uRLLC 更适合于小时隙调度模式。 低延迟限制了系统在不同参数集配置下可设置的HARQ 进程最大值。 URLLC 需实现无HARQ 传输。 例如，一个TTI 以60 千赫的副载波间隔包含7 个符号，为了在1 ms 的用户平面延迟内满足超可靠传输的性能，最多使用8 个TTIs 来传输一个uRLLC。 数据分组包括初始传输、HARQ ACK－NACK 反馈和重传。 如果HARQ RTT 太长，系统可能没有时间等待确认NACK 反馈或重传。 uRLLC 服务的重传模式也可以指eMBB 重传模式。 使用基于CBG 的HARQ 重传模式时，eMBB 被分成几个CBG。 此外，还可以采用一些特殊的设计。 例如，接收方提前反馈几个CBG的确认，以确认发送方的接收，从而进一步减少整个HARQ RTT 时间［10］。 在严格的低延迟限制下，一些物理层技术可以有效地提高uRLLC 的可靠性。99.999%的可靠性要求uRLLC PDCCH 解调的成功率不应低于该值。 因此，uRLLC 用户可以采用紧凑型DCI 设计。 在物理层，如果使用循环冗余校验的DCI，开销可减少一半，相应的聚合可以增加一个级别。 较高的AL （16，32）选择可以降低PDCCH 编码率和解调误码率。 同时，用户可以选择固定的人工智能进行PDCCH 检测，进一步减少了盲信噪比PDCCH 检测的次数。 开销较小的紧凑DCI 可以通过以下方法来设计：指示仅配置低调制级别和编码速率MCS 表；指示RB 组中的低精度频域资源分配；较少的HARQ 进程；具有较少多输入、多输出相关性的天线端口模式等［11］。

5G uRLLC 终端需要快速网络切换（如自动驾驶仪），以确保端到端延迟。 在现有4G 移动通信的安全机制中，基站需要在终端完成网络切换之前计算、发送和接收相关密钥。 在未来5G 移动通信网络中，基站将部署（超）高密度网络（小站将是5G 的主要高频带，初始阶段将是4G／LTE 的混合网络）。因此，不同类型的无线接入系统、不同类型的无线接入网络和不同基站之间的协作将成为普遍现象，这将进一步增加具有超低延迟的移动终端。 为了减少移动网络中5G uRLLC 终端的切换时延，可以采取一些措施，如针对异构多层访问网络的统一认证机制、高效的安全上下文推断和最小化网络节点之间的安全上下文传输。 根据RAN NR 的设计要求，uRLLC 业务的上下游用户延迟应小于0.5 ms，这里定义的用户面延迟是uRLLC 流量组没有给定大小和可靠性指标的平均目标值。 不同的uRLLC 服务对uRLLC 延迟有不同的要求，特别是对于自动驾驶仪和增强现实／虚拟现实技术，均需要超低的用户面延迟支持。

2 uRLLC 技术在车联网中的应用

2.1 5G 网络切片

根据5G 网络标准的定义，通用网络体系结构由终端、基站、核心网络和应用／服务应用服务器组成。 除终端和基站属于空口传输之外，其它形式都是光纤汇聚。 总之，通过的节点越多，业务流的延迟就越大，返回链路将引入6 ～16 ms。 毫秒级的传输延迟不包括由服务部署位置（例如电信网络、互联网等的差异引入的延迟）。 为满足uRLLC 服务端到端1 ms 的延迟（如自动驾驶仪），核心网络和应用服务器必须直接部署在访问端，弃用全部传输链路，将多跳传输简化为一跳传输。 因此，网络切片必然会被引入到网络体系结构中［12］。 网络切片本身是一个复杂的问题，其中包括核心网和接入网切片、覆盖切片架构、切片选择、切片漫游等。 除了3GPP 之外，国际电联、MGMN、ETSI 等组织也展开了网络切片的标准化研究，但这些组织的研究目前主要停留在较高的架构和需求层面。 目前，具体切片的实现主要由3GPP 制定。 实际上，以车载网络为例的uRLLC 切片无线网络与eMBB 和mMTC 并不完全相同。 随着业务应用和需求的多样化，5G 基站提出了两种部署模式：CU／DU （CentralRAN 单元／分布式RAN 单元）分离和CU／DU 共址［13］。 显然，对于uRLLC，CU／DU 必须位于同一位置，而对于eMBB，可以根据需要而定。 在核心网上，uRLLC 核心网的用户端也必须下沉，而eMBB 不是必需的。

2.2 V2X 技术

V2x 技术类似于行业中常用的B2B 和B2C，即车辆移动终端与周围环境之间的网络信息交换。 通过集成全球定位系统（GPS）导航技术、车对车通信技术、无线通信和遥感技术等，车联网为车辆技术奠定了新的发展方向，实现了手动驾驶和自动驾驶的兼容性。 V2x（车辆到x）是未来智能交通系统的关键技术。 它使车辆与车辆之间、车辆与基站之间、基站与基站之间能够进行通信。 可以获得诸如实时道路状况、道路信息和行人信息等一系列交通信息，从而提高驾驶安全性，减少了拥堵，提高了交通效率并提供了车辆娱乐信息。 综上所述，通过系统模型，在自动驾驶模式下，通过实时交通信息分析，自动选择最佳驾驶路线，大大缓解了交通拥堵。 此外，通过使用车载传感器和摄像头系统，还可以感知周围环境并进行快速调整，以实现“零交通事故”。

2.3 D2D 技术

设备到设备，称为D2D。 它是移动通信行业的一项新技术，允许终端在系统控制下通过重用小区资源来直接彼此通信，在一定程度上解决了无线通信系统频谱资源不足的问题。 在3GPP 提出的LTE－A 的研究项目中，有必要提供基于LTE 的新技术，以满足先进IMT 的要求，提供更高的数据速率和系统容量。Imt－a 系统可以支持蜂窝网络中的D2D 通信，以提高频谱利用率。 此外，它还可减轻蜂窝网络的负担、减少移动终端的电池功耗、提高比特率、提高网络基础设施故障的鲁棒性，以及支持新的小型点对点数据服务。

3 实验结果分析

3.1 移动终端与路边单元

如图3 所示：探测器探测到道路上车辆异常情况后，通过路边单元向所在区域的移动终端发送应急广播。 假如各移动终端都安装了独立天线，路边单元安装了Nt 根天线。 上行通信信道h0∈ℂNt为探测器到路边单元，下行通信信道hk∈ℂN为从路边单元到各移动终端t，静态衰落信道k ∈K ≜｛1，…，K｝，信道分别对应为h＾0∈ℂNt及h＾k∈ℂNt，信道所对应的误差为：ek＝hk－h＾k，k ＝0，1，…，K，设定满足有界误差，即ek ≤δk，k ＝0，1，…，K，从探测器到路边单元的上行链路发送的数据包为N0比特，将其打包成长度为mu 大小的数据。 可用y0［n］ ＝p0h0x0［n］ ＋z0［n］，n ＝1，…，mu 表示路边单元所接收到的信号，其中x0［n］ ～CN（0，1） 表示发送的数据，并服从基于零均值和单位方差的高斯分布，SN的发送功率p0（p0≤P0），z0［n］ ～CN（0，2INt）为路边单元端的加性高斯白噪声［14］。 路边单元根据信道状态结果，对y0［n］ 接收波束打包，如果接收波束向量为W0，则x0［n］ 被路边单元所解码后，不理想状态下的信噪比P0可以表示为：

根据有限码长编码理论，N0，mu，ρ0以及错误率ε0≪0.5 近似服从：

图3 移动终端与路边单元Fig.3 Mobile terminal and roadside unit

其中，高斯函数Q 的反函数，可表示为Q－1，路边单元的错误率表示为ε0。 从y0［n］中获取探测器发送来的信息，并进行解码后产生K 个数据，并将这些数据发送给K 个终端。 假设第k 个移动终端所接收到的数据包为Nk比特，用Sk［n］，n ＝ 1，…，md 表示这Nk比特的数据包编码长度为md 个符号单位功率的数据，则路边单元发射的下行信号可表示为

其中，sk[n ] 的发送波束向量为wk∈ℂNt。 第k 个移动终端接收到的信号为：

其中，zk[n ] ～CN 0，σ2( ) 为加性高斯白噪声。最小信噪比可以用下行链路的第k 个移动终端的信噪比在信道误差来表示［14］。

其中，k ∈K 类似，给定PEPεk∈（0，0.5） ，第k 个移动终端的下行速率最大值为：

3.2 实验系统模型

为了便于系统设计我们假设下行链路的K 个数据包被编码成码长为md 的符号，则探测器到路边单元再到第k 个移动终端的传输链路为k ，那么链路端点到端点的空中接口传输稳定性可表示为（1 －ε0）（1 － εk） ，本文将这一问题建模为

可以看到ε0和｛ρk，wk，λk｝都是相对独立的，所以它可以迭代更新ε0与｛ρk，wk，λk｝ ，使得空中系统的传输时延最小。

在确定ε0前我们要先更新｛ρk，wk，λk｝，对于任意的ε － 0 ∈（0，εmax） ， 都可以简化表示为

在本文计算出最优结果时， 所有用户采用的md 全部相同，因此通过二分法计算就可以计算出最匹配结果t ＝md（ε¯k，ρk） 。 对于给定的 数值t ，根据md 相对于pk 的单调性，我们可以通过二分法计算出对应于t 的pk，其中，对于t 的则要在每次迭代过程中判断下述问题的最小值是否满足路边单元发射功率的最大值［14］：

所以如果上面计算结果的最小值不大于pmax，则可以进一步降低t，反之增大t。 通过半正定松弛方法可以将该公式近似为一个半正定规划问题，则相应的问题为

3.3 实验结果与分析

参考5G 相关的仿真结果［15］，系统空中接口部分的平均无线传输速率设置为30 兆比特／秒。 考虑到uRLLC 和eMBB 服务的特性，uRLLC 服务的数据包长度定为32 兆比特，概率延迟约束为（1 ms，10－5），eMBB 服务的数据包长度为0.5 兆比特，数据包到达速率为2 兆比特每秒。 uRLLC 服务的概率延迟分布如图4 所示。 由图中可见，固定uRLLC 业务数据包到达速率为100 pkt／s 时，随着资源预留率的增加，uRLLC 业务的概率延迟保证越好。 当资源预留率达到3.8%时，获得uRLLC 服务数据，包延迟超过1 ms 的概率不超过10－5，满足了概率延迟约束。 在这种配置下，系统资源的预留比例应不低于3.8%。

图4 系统资源的预留比例Fig.4 Reservation proportion of system resources

上述条件下不同资源预留率对eMBB 服务的概率延迟分布的影响如图5 所示。 从图中可见，eMBB服务的延迟随着资源预留率的增加而增加。 由于eMBB 业务的数据包规模较大，当资源预留率相对较小时，eMBB 业务的时延恶化并不明显。 当uRLLC 服务到达率增加时，最小资源预留率也应增加。

随着uRLLC 服务预留的资源的增加，eMBB 服务的可用资源减少，当为uRLLC 服务预留的资源量减少时，延迟性能显著下降。 表1 显示了uRLLC 服务在不同到达率配置下的资源预留率。 表1 中预留资源比例对应的eMBB 业务概率延迟分布表明： 当ηmin值较小时，延迟恶化不明显；当ηmin从3.3%增加到4.9%和5.6%时，概率延迟分布曲线明显向右移动。

图5 不同资源预留率对eMBB 服务的概率延迟分布的影响Fig.5 The influence of different resource reservation rates on the probability delay distribution of eMBB services

表1 资源预留下界Tab.1 Lower bound of resource reservation

4 结束语

从行业应用的角度来看，uRLLC 的“超可靠低延迟”对于车辆联网和其他高度延迟敏感服务的广泛应用至关重要。 然而，3GPP 5G 希望创造一个垂直行业的全面应用，不仅局限于3GP SA1 已经提出的业务需求，还涉及到整个相关行业。 uRLLC 是移动通信行业无缝进入垂直行业的重大进步。 uRLLC 与车联网的结合将是人类生活全面信息化的重要体现［16］。