URLLC低时延的技术研究及业务应用

董帝烺 许国平 林斌

【摘  要】

分析了URLLC技术指标要求和工业互联网应用的要求，介绍了4G用户面时延情况和减少4G时延的技术演进，研究和分析了5G实现URLLC低时延的灵活的帧结构、动态HARQ、MEC，mini slot、自包含帧、免授权调度等技术，实现了URLLC低时延在工业控制和远程手术的业务应用。

【关键词】超可靠低时延;用户面时延;帧结构;时隙;调度;业务应用

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.017      中圖分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0078-07

引用格式：董帝烺，许国平，林斌. URLLC低时延的技术研究及业务应用[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 78-84.

Low-Latency Technology Research and Service Application of URLLC

DONG Dilang， XU Guoping， LIN Bin

（China Unicom Fujian Branch， Quanzhou 362000， China）

[Abstract]

This paper analyzes the requirements of URLLC technical indicators and industrial Internet applications， and introduces the 4G user plane delay situation and the technological evolution to reduce 4G delay. Furthermore， the 5G technologies to achieve the URLLC low latency are investigated， such as the flexible frame structure， dynamic HARQ， MEC， mini slot， self-contained frame， grant-free schedule， and thus realize the service applications of URLLC low latency in industrial control and remote surgery.

[Key words] URLLC; user plane delay; frame structure; slot; schedule; service application

0   引言

3GPP对于5G的应用主要分为：增强移动宽带（eMBB）、超可靠低时延（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）三大应用场景。eMBB技术成熟较早已经在现有R15版本可以真正部署及应用，URLLC及mMTC要在R16及R17版本才会完整推出。业务应用上eMBB主要应用于AR/VR、超高清视频等用于人通信的业务体验，URLLC和mMTC主要应用在无人驾驶、远程控制、物联网等工业互联网领域。工信部部长苗圩曾指出，“5G真正的应用场景，80%是用在工业互联网，工业互联网是5G最期待的领域”。

3GPP TR38.913协议对URLLC的低时延要求用户面端到端时延不超过1 ms，对可靠性要求在用户面1 ms的时延内，传输32 Byte的BLER不超过99.999%[1]。对于URLLC低时延和高可靠性两个方面，本文重点放在低时延方面进行研究。在URLLC的应用场景中，大部分的工业互联网的时延要求一般要小于10 ms，只有少数如无人驾驶才要求时延要小于1 ms同时要求可靠性极高。现有的4G网络进一步演进也能满足时延10 ms以内的要求，要达到1ms以内的时延，只有R16版本的5G网络才能实现。

1    4G网络低时延的分析和演进

1.1  LTE网络时延的分析

在4G网络中，以一个完整的ping包流程来分析空口的时延，图1是用高通QCAT软件来分析底层信令的过程。

从图1的流程图可以看到，一个典型的ping时延为20 ms，其中SR请求和授权grant就需要消耗11 ms。4G网络这个时延已经能够满足4G时代人人通信或人机通信的要求，但对于工业互联网要求的10 ms时延，需要进一步缩短4G时延。

1.2  LTE网络在低时延的演进

3GPP在R14和R15版本对4G网络进行时延缩短的演进。从图1上行业务的流程来看，4G网络空口的用户面网络延迟主要由SR调度请求和Grant上行授权、传输时间间隔、终端和基站数据及信令的处理时间、HARQ及重传的时间这几个部分组成。终端和基站数据及信令的处理时间这块时延很难大幅改善，因此缩短时延的研究主要就在SR调度请求和Grant上行授权、传输时间间隔、HARQ及重传这几部分。

在SR调度请求和Grant上行授权方面，普遍采用预调度的方式，就是让eNodeB提前分配上行资源，UE在需要发送上行数据时就能在预先分配好的上行资源发送，不再需要通过SR调度请求获得上行资源，从而缩短时延。但这种方法由于上行资源不管UE是否需要就已经预先分配好，这样会导致无线资源白白浪费。在这种预调度的基础上，3GPP在R14版本中，对上行资源引入了半静态调度，提前分配好相应的上行无线资源，半静态调度周期可以低至1 ms，并且当用户不发送上行数据时，即使分配了无线资源，也可以不发送padding填充数据[2]。

在缩短传输间隔方面，每次LTE调度中传输间隔时长固定为1个无线子帧，也就是1 ms，3GPP对LTE时频结构进行了优化，将传输时间间隔从子帧级别降低至符号级别，最小的调度间隔根据情况可以选择2、3、7个符号，对应2/14 ms、3/14 ms、7/14 ms。

在R15版本中，3GPP进一步对HARQ进行优化，把HARQ反馈从以前的4 ms降低到3 ms。

通过以上的一些技术演进，4G网络的空口时延进一步缩短到6 ms，可以达到工业互联网对于自动控制小于10 ms的要求。

2   5G URLLC低时延的技术研究

5G是在4G网络的基础上进行演进，在协议上有较多的内容是从4G继承及发展的。从时间角度上，5G的最小时间单位Tc=0.509 ns，是4G最小时间单位Ts=32.552 ns的1/64，5G的时间粒度比4G小很多，更容易实现低时延。为了达到URLLC端到端1 ms的时延和10-5的高可靠性要求，5G NR在系统设计中从物理层、MAC层和RLC层分别进行了相关的设计。

在5G的物理层，针对URLLC的数据包在一个时隙内参考信号、控制信息和数据依次在时域上排列，使得信道估计、控制信道解码、业务数据解码可以串行进行，减少了处理时间。采用灵活可变的帧结构，可以设置更宽的子载波间隔，缩短传输TTI时间。采用LDPC和Polar码来提升数据和控制信道的编解码效率，也有助于降低时延。使用自包含帧或者mini slot进行调度，基于符号进行业务调度[3]。

在MAC（媒体接入）层，采用异步动态调度的HARQ，可以实现在同一个时隙就能反馈。未来还可以通过对上行免授权调度，减少上行资源请求及授权的过程，缩短上行时延。在调度中，URLLC业务可以优先调度，甚至可以抢占eMBB的资源[4]。

在RLC（无线链路控制）层，5G把数据的按顺序传递的功能向上移到PDCP层，使得数据包需要重传时，后面的数据包不需要等到前面的包重传完毕就可以直接向上层传递[5]。

5G NR通过这些关键技术，使得5G的用户面端到端时延可以缩短到1 ms。针对这些关键技术，介绍以下几个方面。

2.1  现有R15版本中5G低时延的技术研究

（1）灵活的帧结构

5G和4G网络一样，一个无线帧为10 ms，分为10个子帧，每个子帧为1 ms。不同的是，4G采用固定15 kHz的子载波间隔，5G定义了灵活的时频结构，根据图2和表1，时隙和符号长度根据子载波间隔进行灵活变化，不同的Numerology（参数集）时隙的时间长度是不同的。

在4G网络中，无线资源的调度是以子帧1 ms来调度的，而在5G网络是以时隙为时间单位来調度的，5G时隙的时间长度为毫秒[6]。时隙这种灵活的帧结构，使得5G网络可以灵活适配不同的业务需求，通过使用子载波间隔较大的Numerology（参数集），可以减少系统调度时间，支持低时延的业务。

（2）时隙配置（如图3）

时隙配置主流为2.5 ms双周期，这种配置对于URLLC业务就需要进行调整，可以配置为1 ms单周期甚至0.5 ms单周期的时隙结构。以1 ms单周期为例，它在1 ms内包含一个全下行时隙和一个特殊时隙，在特殊时隙中只包含保护间隔GP和上行符号。在这种结构中，下行时隙接收、解调下行数据后，可以很快地在特殊时隙中的上行符号发送反馈，达到降低时延的目的[7]。

（3）动态HARQ

在4G和5G通信中，上行或下行的数据都是要以收到对应的HARQ反馈才形成闭环，5G为了支持更快的HARQ反馈，在数据接收同时也进行数据解码，在上下行链路切换的时隙或保护间隔（Guard Period）就准备进行HARQ反馈，一旦上下行链路切换也就是在1个TTI就立刻发送HAQR。同时5G NR对于HARQ采用了动态调度，取消4G网络上下行timing的关系，使得上下行的HARQ反馈更加灵活，更适合URLLC业务低时延要求[8]。

（4）MEC

在5G网络中，为了进一步提升网络的下载速率和缩短用户面时延，引入了移动边缘计算MEC（Mobile Edge Computing），MEC又称为多接入边缘计算，不仅用于移动网络接入，还可以用于其他接入方式。MEC使得无线接入网具有IT和云计算的能力，从而实现业务本地化，降低数据从基站到核心网的传输时延[9]。

（5）5G网络用户面时延

目前5G网络上行和下行业务的流程和4G网络一样，上行需要先通过SR申请上行资源，才能在分配的上行资源发送数据。以2.5 ms双周期和1 ms周期来分析5G网络空口用户面时延，考虑到基站和UE终端数据包从SDAP层到MAC层逐步封装组成，这部分处理能力时延相对较小，先不进行计算。从图4中可以简单计算在2.5 ms双周期，上下行环路的空口用户面时延为5.5 ms，在1ms周期空口用户面时延为3.5 ms。在5G网络可以开启上行预调度，减少SR请求及资源授权的过程，时延缩短到2.5 ms。

2.2  后续R16版本低时延的演进

（1）mini slot

在5G NR中，为了更好地适应URLLC业务，提出了一种mini slot的时隙结构，如图5所示。在一个时隙中的mini slot有2/4/7三种情况，为了更好地获得参考信号的解调增益，mini slot紧跟在用于资源调度的第一个符号之后。对应于NR的上下行PDSCH和PUSCH信道，mini slot也分为上行和下行，上下行的配置方式是一样的。5G系统对于无线资源的分配支持TypeA和TypeB两种类型，不同的资源分配类型对应的无线资源起始位置和长度是不同的，其中只有TypeB是非时隙调度，能支持在1个时隙内任意符号起始位置、长度为2/4/7个符号，也就是说只有TypeB类型的无线资源分配能支持mini slot这种结构[10]。

毫米波的带宽可以达到400 MHz，数据量只要几个OFDM符号就可以完成传送。在毫米波使用模拟波束赋形时，传输到多个UE的不同波束较难在频域上实现复用，能在时域上进行复用，因此mini slot也比较适合与模拟式波束赋形一起使用。

（2）自包含帧

5G支持FDD和TDD制式，由于UE在下行时隙接收解调下行数据后必须要等到上行时隙才能进行反馈，TDD的时延相比FDD系统会较长。为了满足快速反馈的需求，5G在系统设计时提出了自包含帧的概念。这种自包含帧就是在同一个子帧里同时包含DL、UL和GP三部分，在同一个子帧内UE可以在接收到第一个DL符号就开始进行解调，在UL符号到来时开始进行下行数据的HARQ反馈，或者在同一个子帧内UE收到上行授权的调度信息后很快地在UL符号时刻进行上行数据发送。如图6所示，在（a）中的自包含帧，可以在同一个子帧内进行上行授权及上行数据发送，或者下行数据接收解调后进行HARQ反馈。由于这种自包含帧对于UE的处理能力要求很高，因此也有（b）中这种给与调度及HARQ反馈有更多时间余量的方案。

（3）免授权调度

针对上行的资源请求和分配，目前讨论的免授权调度，可以有效地减少上行的时延。在上行免授权调度中，gNB通过激活一次上行授权给UE，在UE未收到去激活的情况下，将会一直使用第一次上行授权所指定资源进行上行传输。上行免授权调度有两种传输类型，分别是配置授权TypeⅠ和TypeⅡ。配置授权TypeⅠ是由高层参数配置PUSCH 传输使用的时频资源等参数，根据该配置信息，UE可以在有上行数据传输的时候立即使用这些资源传输，免去了发送SR以及接收上行grant的时间。第二类配置授权TypeⅡ采用两步式资源配置过程，首先由高层参数配置PUSCH传输使用的时域资源参数，然后由使用CS-RNTI加扰的DCI激活配置授权TypeⅡ的PUSCH传输，并同时在DCI中配置时域资源、频域资源、DMRS、MCS等在内的其他传输资源和传输参数，UE可以在收到激活配置授权TypeⅡ的PUSCH传输资源之后，使用这些配置授权的PUSCH 资源传输上行数据，免去了发送SR以及接收上行grant的时间[11]。

3   5G URLLC的业务应用

3.1  工业控制

泉州联通、福建（泉州）哈工大工程技术研究院和中兴通讯三方就5G通信助力工业应用领域进行深入合作，共同打造5G智能制造应用创新实验室（如图7），探索5G技术和机械控制、智能制造、AGV的结合。

机械臂是工业装配常见的机械化装置，当前的机械臂由主控计算机通过有线线缆对其进行控制和操作，生产新产品需要调整生产线上的机械臂位置和控制程序，以前需要一臺一台机械臂进行配置，这样不仅需要大量人力物力且无法做到快速部署上线。采用5G网络可以实现机械臂云端集中化控制，不仅可以更加灵活部署，而且还可以更方便与AGV、人工协调工作和柔性机械臂的广泛应用。表2为5G智慧工厂网络速率及时延的实测数据：

基于5G和边缘计算的AGV和机械臂可以广泛应用于制造工厂、物料分拣、智慧园区等场景里。

3.2  远程手术

2019年1月10日，福建联通联合北京301医院、福建医科大学孟超肝胆医院，成功实施了全球首例基于5G网络的动物远程机器人手术（如图8）。这次远程机器人手术是依托通信、机器人和传感等技术，为实现手术微创性，采用电子机械手开展手术的一种医疗形式。医生与患者分别处于不同的地理位置，远端医生借助3D视频和触觉感应获得现场感，并利用操纵杆控制患者端的机器人开展手术。

在远程机器人手术中，对于通信网络的要求是极为苛刻的，一方面要求超低延迟通信，远程手术医生操作后，力反馈以及视频信息反馈需要超低时延传输到医生端，以保障手术的流程安全，另一方面要求手术过程中传输的现场实时的高清3D视频和虚拟现实的触觉感应，这需要稳定可靠的高速率通信传输。在这次机器人远程手术中对无线网络提出上行150 Mb/s的高速率需求，网络时延10 ms的低时延需求，用5G网络可以满足。表3   为实测5G远程机器人手术的网络速率时延：

4   结束语

5G的应用主要在工业互联网，现阶段5G网络还没广泛部署的情况下，现有的4G网络进一步演进也能支持时延要求不苛刻的工业互联网应用，而利用5G网络能更加完美地满足工业互联网低时延和高可靠的要求。伴随着5G在URLLC技术研究和版本冻结，URLLC将是移动通信行业切入到各类垂直行业的突破口，这将会催生更多更成熟的商用应用，赋能及改变社会。后续将结合新版本URLLC的部署，进行无人驾驶应用的研究。

参考文献：

[1]   3GPP. 3GPP TS 38.913： Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies V15.0.0[S]. 2018.

[2]     3GPP. 3GPP TS 36.321 V15.1.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2018.

[3]    3GPP. 3GPP TR 38.214 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Physical layer procedures for data[R]. 2018.

[4]     3GPP. 3GPP TR 38.321 V15.1.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Medium Access Control （MAC） protocol specification[R]. 2018.

[5]     3GPP. 3GPP TR 38.322 V15.1.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Radio Link Control （RLC） Specification[R]. 2018.

[6]    3GPP. 3GPP TS 38.211 V15.1.0： NR Physical channels and modulation （Release 15）[S]. 2018.

[7]     許森，信金灿. 面向低时延高可靠的5G uRLLC增强技术研究[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 62-67.

[8]    3GPP. 3GPP TR 38.213 V15.3.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Physical layer procedures for control[R]. 2018.

[9]   黄强，李宁. 5G边缘计算演进[J]. 邮电设计技术， 2018（11）： 68-73.

[10]     高雪娟. uRLLC关键技术及标准演进[J]. 移动通信，    2019，43（10）： 68-73.

[11]   闫志宇，郝煜. 新空口超可靠、低时延演进系统研究[J]. 信息通信技术与政策， 2019（11）： 18-26.★

作者简介

董帝烺（orcid.org/0000-0003-3831-0584）：高级工程师，毕业于厦门大学通信工程专业，中国联通集团网优专家，现任中国联通福建省分公司泉州片区优化中心主任，主要从事WCDMA、LTE、NR的规划和优化相关工作。

许国平：高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，中国联通集团网优专家，现任职于中国联通集团网络运营部，主要从事WCDMA、LTE、NR的规划和优化相关工作。

林斌：毕业于福州大学，中国联通集团网优专家，现任职于中国联通福建省分公司网络运营部，主要从事WCDMA、LTE、NR的规划和优化相关工作。