5G URLLC端到端关键技术分析

梁辉 韩潇 李福昌

【摘  要】

超可靠低时延通信场景是5G的典型应用场景之一，也是5G标准面向业务应用开展URLLC技术增强的重要驱动力之一。通过分析5G无线网、传输网与核心网在URLLC场景下潜在的低时延与高可靠关键技术，可以为运营商5G的时延与可靠性网络性能提升提供技术参考。面向不同的URLLC业务应用场景，定制不同的URLLC技术组合方案是影响5G URLLC网络应用的重要因素。

【关键词】低时延;高可靠;关键技术

[Abstract]

The ultra-reliable and low latency communication scenario is one of typical 5G application scenarios and an important driver for the 5G standard to implement URLLC technology enhancement for service applications. Through analyzing the potential low-latency and ultra-reliability key technologies of the 5G wireless network， transmission network， and core network in the URLLC scenario， it can provide technical reference for operators to improve the performance of 5G low-latency and reliability network. For different URLLC service application scenarios， customizing different combinations of URLLC technology is an important factor affecting 5G URLLC network applications.

[Key words]low latency; high reliability; key technologies

0   引言

4G时代，移动互联网应用取得了飞速的发展，在社会的数字化转型过程中，无线通信网络的重要性也愈发显著。作为下一代无线通信技术，面向承载AR/VR等新兴应用，工业控制、电力分发以及远程驾驶等行业应用，5G进行了网络低时延与超高可靠性通信保障能力的增强设计。

国际电信联盟（ITU）在5G网络性能指标需求中，对URLLC场景的空口时延与可靠性能力进行了要求，而在5G URLLC商用场景下，面向不同的业务需求，合理的端到端的URLLC保障方案设计将是提升5G网络URLLC性能指标并降低运营商网络建设与运维成本的关键因素。本文对5G无线网、传输网与核心网在URLLC场景下低时延与可靠性的潜在关键技术进行了探讨。

1   无线网URLLC关键技术

URLLC场景是5G的三大典型应用场景之一，ITU在URLLC场景下定义的5G网络性能指标包含：空口时延不大于1 ms，可靠性不小于99.999%。5G無线网影响业务时延的关键因素包括网络制式与子载波间隔：

（1）网络制式：5G支持TDD与FDD两种工作方式，FDD制式不受上下行转换时隙影响，低时延优势相比TDD制式更为明显。

（2）子载波间隔：5G网络在FR1频段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz三种业务信道子载波间隔，在FR2频段支持60 kHz、120 kHz两种业务信道子载波间隔，子载波间隔越大，网络低时延优势越明显。

此外，为了进一步降低URLLC场景下的网络时延，无线侧进行了多种适用于上行链路与下行链路的关键技术方案的设计，典型的关键技术包括：

（1）非时隙调度：支持时域符号级的上下行数据业务调度传输。

（2）下行资源复用：高优先级URLLC业务可以抢占低优先级业务的下行链路空口资源进行业务数据的优先传输。

（3）上行资源复用：高优先级URLLC业务可以抢占低优先级业务的上行链路空口资源进行业务数据的优先传输。

（4）上行免授权调度：针对URLLC业务，网络预配置上行空口资源，上行业务产生后，无需网络进行资源分配，降低信令交互引入的时延。

（5）反馈增强：支持业务数据的反馈消息以子时隙的粒度进行反馈。

在空口的可靠性增强方面，主要以牺牲频谱效率为代价，通过低码率或者冗余传输的方案实现可靠性的提升，业务信道的可靠性增强关键技术主要包括：

（1）调制编码方案增强：支持π/2 BPSK的调制方案以及更低的数据码率。

（2）物理层重复传输：支持业务数据以不同的冗余版本进行物理层重复传输，以获取尽量大的软合并增益，提升业务可靠性。

（3）PDCP包复制：无线侧支持在CA或者DC场景下，在PDCP层进行业务数据复制，通过不同的空口链路传输以提升业务可靠性。

2   传输网URLLC关键技术

传输网时延主要包含光纤传输时延与设备转发时延两部分，其中光纤传输时延5 us/km，接入设备转发时延一般小于15 us，核心设备转发时延一般小于30 us。在城域网接入环40 km，汇聚机房到核心机房距离400 km的情况下，传输网时延分析如图1所示。

无线基站到汇聚机房的时延约0.32 ms，无线基站到核心机房的时延约2.38 ms。传输时延主要由光纤传输引入，占比约92.4%。因此，对于典型URLLC应用场景，降低传输网传输路径的光纤长度，将核心网UPF结合MEC进行下沉部署，这是保障URLLC业务时延的关键。此外，在降低传输设备转发时延方面，存在如下潜在技术方案。

（1）层3 VPN边缘部署

5G网络具备组网超密集的特征，基站密度提升的同时，站间协同是5G URLLC组网的潜在关键技术之一，因此站间的东西向流量带宽需求以及站间交互频率也会增加。通过将传输网层3 VPN下沉部署在接入层，减少流量迂回路径，在减少传输距离的同时也可以降低了设备跳数，从而实现X2/Xn流量就近转发，降低站间交互的时延。

层3 VPN部署到边缘，同时可以降低层2/层3桥接对复杂性和可靠性带来的影响，如ARP同步、层2/层3联动等。除实现东西向流量就近转发降低时延外，层3 VPN部署到边缘后组网业务配置将简单化，故障定位也会更便捷。

（2）分组设备低时延转发

传输网分组设备转发时延是影响传输网业务传输时延性能的重要因素之一，现有的分组设备转发时延已经较低，但URLLC场景下仍有进一步优化的空间。通过在分组设备内部添加专用的时延敏感调度模块，在正常业务流程上叠加超低时延转发流程，协调不同的转发资源，可以实现特定业务的超低时延转发，将业务单跳转发时延下降一个数量级，达到微秒级别，有效降低URLLC业务的传输网转发时延。

3   核心网URLLC关键技术

5G的核心网设计采用了服务化架构，通过与NFV云原生的设计思想相结合，可以以软件化、模块化、服务化的方式构建5G核心网，而不同的核心网网元功能支持独立自治，网元的新增、升级以及改造并不会互相影响。在URLLC场景下，5G核心网在软件功能以及硬件部署方面均存在潜在的低时延与高可靠保障方案。

3.1  低时延保障方案

（1）控制与转发分离

网元功能独立自治的5G核心网，控制面与用户面信令不再互相交叠，在控制和转发分离方案下，核心网报文转发控制协议对数据包检测、数据包转发、用量上报、缓存处理、QoS执行和多接入等功能制定了相应的功能。控制面网元SMF可以根据PCF提供的面向URLLC通信场景的策略和本地配置，可以生成相关规则并发送给UPF，更好地保障端到端通信时延与可靠性。

（2）核心网网元功能下沉

5G无线基站到核心网UPF之间的数据传输时延，主要受到UPF网元部署位置的影响。目前，运营商UPF可选的部署位置覆盖整个通信云，包括各级区域DC与边缘DC。UPF部署位置越高，其服务业务覆盖范围就越广，但基站与UPF之间交互所需的网络时延也会越大。为了提供URLLC场景下的业务低时延保障，5G URLLC网络部署需要尽量地降低基站到UPF之间的设备转发跳数、传输光纤长度以及汇聚网元的数目。因此，通过将UPF下沉部署，可以从物理上降低基站到UPF的传输距离，同时可以保证传输不上承载网，减少拥塞的可能性。

为了满足URLLC场景下控制面信令的实时处理需求，可以在部分极端场景考虑将SMF、AMF等控制面网元与UPF一起下沉部署，部署于边缘云平台，实现UPF、SMF等众多虚拟化网元与MEC业务的共平台部署。控制面网元的下沉可以实现用户面控制面同位置部署，避免控制面信令回传受传输时延和承载网拥塞的影响，保障实时信令交互和处理。

核心網网元功能下沉也会导致网元的覆盖范围受限，且需要对低层级机房按需改造，一定程度会加大5G网络的建设成本。

（3）边缘计算

随着边缘计算概念的提出与发展，5G核心网在设计之初即考虑对边缘计算功能的支持，并定义了多种机制，包括通过上行分类器或者分流点进行上行数据分流机制、应用触发数据分流机制、用户面变化上报、本地接入数据网络等。因此5G核心网可以比4G核心网更好地支持边缘计算。目前，5G对于边缘计算的支持仅限于连续性保证和本地分流等功能，URLLC场景下需要边缘侧具有较强的路由快速转发、本地低时延高效处理、用户面增强等功能，相关技术研究与验证需要进一步完善。

（4）QoS增强

为了辅助支持业务的低时延与高可靠业务保障需求，3GPP针对垂直行业的应用，定义了新的以时延为主的GBR类型，设计了新的5QI与业务服务质量的映射方式。如表1所示，针对不同垂直行业应用，定义了82、83、84和85等新的标准的5QI，不同5QI映射的数据包时延、误包率、默认最大数据量并不相同，同时对应不同的默认优先级。在建立PDU会话的过程中，基站可以根据新的5QI进行资源调度，以保障业务低时延高可靠通信需求。

业务调度过程中，可以在终端和PSA UPF之间进行数据包时延的QoS监控，监控内容可以包括无线空口以及无线基站与PSA UPF之间的上行与下行数据包时延。其中，无线空口的时延可以由NG-RAN提供，而无线基站与PSA UPF之间的时延可在QoS流级别或GTP-U路径级别进行。在业务时延的监控和测量的基础上，可以结合监测结果，对URLLC业务进行低时延的保障策略的灵活调整。

3.2  高可靠保障方案

（1）双PDU会话备份传输（如图2）

为了保障业务高可靠性要求，终端可以在5G网络中建立两个冗余的PDU会话，两个PDU会话通过不同的基站、不同的UPF建立，可以保障用户面路径不相交。基站通过双连接或者CU/DU分离等技术，实现两个PDU会话通过不同基站传输，应用层完成数据包复制和冗余数据包的检测。

（2）双核心网隧道备份传输（如图3）

基于双核心网隧道的备份传输通过建立业务数据的冗余传输路径，将两个独立的N3隧道部署在锚点UPF与接入网基站之间，并关联到同一个单独的PDU会话，可以提高N3隧道数据传输的可靠性。为了确保两个N3隧道通过不相交的传输层路径传输，SMF或PSA UPF需要在隧道信息中提供不同的路由信息，并且将这些路由信息根据网络部署配置映射到不相交的传输层路径。

在URLLC场景下QoS流建立过程中，若SMF配置冗余传输基于授权的5QI、NG-RAN节点能力，则SMF需要通知PSA UPF与NG-RAN执行冗余传输指令：

1）对锚点UPF从数据网络接收到对应该QoS流的每个下行数据包，锚点UPF需要进行数据包复制，并分配相同的用于冗余传输的GTP-U序号。

2）对于无线基站从终端接收的对应于该QoS流的每个上行数据包，NG-RAN进行数据包复制，并分配用于冗余传输的相同GTP-U序号，锚点UPF基于GTP-U序号减少复制的数据包。

4   結束语

URLLC是5G网络独特的性能体现，也象征着无线网络在追求容量、连接数增加的发展历程中，正式面向时延、可靠性等新的网络指标提升展开了研究。随着3GPP R16版本协议的冻结，5G URLLC网络将逐步开始商用，受限于光纤传输带来的时延影响，URLLC应用初期将以区域性的点状分布的场景为主，本文从端到端的角度，分析了URLLC潜在的关键技术，希望后续有更多关于端到端URLLC网络部署方案的研究。

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