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中国联通5G URLLC 技术白皮书 中国联通 2019年11月 目 录 1 引言 . 1 2 URLLC发展趋势 . 1 2.1 业务发展 . 1 2.2 技术发展 . 2 3 URLLC场景端到端技术保障方案 . 3 3.1 无线网URLLC关键技术 . 3 3.1.1 无线网络的灵活配置 . 3 3.1.2 低时延增强技术 . 4 3.1.3 高可靠增强技术 . 9 3.2 核心网URLLC增强技术 . 10 3.2.1 低时延保证 . 10 3.2.2 高可靠保证 . 13 3.3 传输网URLLC保障技术 . 15 3.3.1 层3 VPN边缘部署 . 16 3.3.2 分组设备低时延转发 . 17 3.3.3 SR隧道选取 . 17 4 URLLC场景网络部署方案 . 17 4.1 端到端网络切片方案 . 17 4.2 边缘云方案 . 18 4.3 核心网功能单元部署方案 . 20 4.4 无线网部署方案 . 21 4.4.1 URLLC软件功能适配方案 . 21 4.4.2 面向用户的5G URLLC无线网络方案 . 22 5 关键问题及挑战 . 25 6 总结与展望 . 26 缩略语. 28 中国联通5G URLLC技术白皮书 1 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 1 引言 随着无线网络用户以及流量红利的消退，运营商在网络演进规划中，单纯提升已有用户的现有业务体验已无法满足未来发展的需求。而在无线网络更新迭代的过程中，与行业应用相结合，利用无线网络提升行业生产力以及服务能力的诉求也愈发强烈。 5G在网络架构及软件功能设计之初，充分考虑了行业应用对于无线网络性能指标的需求，完备的软件功能与飞速提升的硬件能力相结合，使得5G在容量、频谱效率、时延及可靠性等多项关键指标方面都取得了极大的性能提升。因此，在典型的eMBB、mMTC以及URLLC场景下，5G网络将可以充分满足不同特征应用的网络服务需求。 中国联通一直致力于推动5G技术发展以及网络商业化部署，并针对典型的eMBB场景，发布了一系列研究成果以及后续规划。本白皮书面向5G网络URLLC典型应用场景，介绍了端到端URLLC的关键技术以及潜在的网络部署方案，旨在通过5G网络升级支持URLLC技术，提升中国联通5G网络的品牌竞争力，实现在行业领域的突破，完成网络精细化运营的目标。 2 URLLC发展趋势 2.1 业务发展 无线移动通信网络历经由1G模拟通信到2/3/4 G数字通信的发展历程后，网络承载的业务也实现了话音业务为主、话音与流量业务并重以及流量业务为主的发展道路变迁。4G时代，移动互联网业务飞速发展，移动互联网应用百花齐放，运营商的流量收入也正式跃居话音收入之上。 5G时代，秉行“技术驱动业务”的发展理念，结合已有的网络运营经验以及业务特点，ITU提出了eMBB、URLLC以及mMTC三大5G典型应用场景，在无线网络以速率、容量为主的关键指标上，引入了对时延、可靠性以及连接数等不同网络指标的需求。因此，相比传统的移动通信网络，5G网络面向的用户以及可承载的业务将发生颠覆性的改变。 中国联通5G URLLC技术白皮书 2 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 增强移动带宽eMBB海量机器通信mMTC超可靠低时延URLLC高清视频移动办公AR/VR自动驾驶工业控制智能家居智慧城市图 1 5G典型应用场景 URLLC场景主要包含了对网络时延以及可靠性有超常规需求的应用，典型业务主要分布于工厂、电力以及交通等垂直行业领域。而即使对单一的垂直行业分析，每一行业内不同的应用也具有不相同的网络需求。因此，网络对URLLC技术升级的同时，也需要运营商综合考虑运用MEC、网络切片等关键技术，制定多样化的网络部署方案，以适配不同的行业和应用。面向URLLC业务的网络发展也将打破同质化网络的运营商间竞争关系，为通信行业的发展开拓全新的市场空间。 URLLC业务发展的前景是美好的，但前路也将是坎坷的。5G网络提供了突破原有移动通信行业局限性的可能，真正实现无线通信和垂直行业领域的深入融合，需要运营商深入挖掘行业需求，与自身网络建设和运维管理的优势相结合，提供真正匹配行业用户需求的端到端解决方案，充分发掘5G网络的新价值。同时，运营商在开拓URLLC新业务的道路上，也需要行业上下游合作伙伴的共同努力和协作。 2.2 技术发展 5G网络URLLC场景最重要的性能指标为通信时延以及可靠性。ITU定义的5G网络URLLC场景下的时延与可靠性指标为： 时延：用户终端与基站设备单向的用户面通信需要具备达到极限时延1 ms的能力； 可靠性：城区宏站场景下，32 bytes的层2 SDU数据包在覆盖边缘的信道质量下，1 ms内成功传输的概率为99.999%； 中国联通5G URLLC技术白皮书 3 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 因此，为了满足ITU定义的URLLC场景极限性能指标，5G网络的空口设计进行了充分的考虑：空口时延增强主要考虑了增大子载波间隔、缩小时域最小调度单元的底层设计；针对上行调度授权、上下行传输反馈等多种通信流程面向低时延通信进行了优化；此外，5G空口提供了上下行链路的资源抢占机制，以缩短URLLC业务在缓存区的等待时延。而可靠性增强，除调制编码方案的增强外，主要通过冗余传输实现可靠性的保障，其中包括了协议栈高层数据包的复制备份以及物理层重复传输等多种方案。 除了无线侧的增强技术，中国联通在URLLC场景下，将整体考虑端到端的URLLC业务保障方案，其中包括核心网的QoS保障策略、链路冗余策略、网元下沉策略以及传输网的拥塞控制以及快速转发等技术方案，此外，也将与中国联通的MEC、网络切片等部署方案相结合，打造定制化的通信网络，按需满足URLLC通信需求。 3 URLLC场景端到端技术保障方案 3.1 无线网URLLC关键技术 3.1.1 无线网络的灵活配置 “灵活”是5G网络的重要特征之一，为了支持低频、中频以及毫米波多种频段和不同带宽的通信，在考虑设备实现复杂度的情况下，5G网络定义了灵活可配的多种子载波间隔：低中频支持15 kHz、30 kHz、60 kHz的子载波间隔配置，而毫米波频段可以支持60 kHz、120 kHz的子载波间隔配置。子载波间隔的大小决定了最小的OFDM符号长度，因此，更大的子载波间隔也更有利于单位调度时延的降低，有利于URLLC通信的低时延保障。 “控制+业务”的传输机制是蜂窝通信网络设计的重要原则，5G在无线接入网的上下行控制信道方面，设计了不同能力的配置方案。下行控制信道通过CORESET（C ontrol Resource Set, 控制资源集）承载，而CORESET在时域以及频域均支持灵活起始OFDM符号、灵活子载波的配置，时域的灵活配置可以缩短控制信息与数据信息的时间间隔，有利于时延降低。此外，上行控制信道支持短格式UCI的传输，通过配置短格式UCI，有利于降低URLLC业务数据的反馈时延，优化业务时延的体验特性。 参考信号的合理设计是实现无线通信系统可靠传输的重要保障，5G网络采中国联通5G URLLC技术白皮书 4 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 用DMRS辅助完成信道估计以及信息解调，保障信息传输的可靠性。在DMRS的设计中，控制信道以及数据信道均包含了DMRS，尤其是针对数据信道，支持前置的DMRS配置方案，通过提早接收机开始信道估计的时间，可以有效降低数据解码所需时间。此外，5G网络支持多个DMRS发送时刻的配置，通过增加DMRS时域密度，可以提高数据传输的可靠性。 此外，双工方式、TDD帧结构、BWP等不同的5G网络部署配置方案，会对业务体验带来不同的网络时延以及可靠性影响。通过合理配置5G网络功能和参数，一定程度上也有利于5G网络在URLLC场景中的部署。 3.1.2 低时延增强技术 3.1.2.1 非时隙调度 4G与5G网络均支持在时域采用连续的14个OFDM符号为粒度，进行业务数据传输。以15 kHz的子载波间隔为例，每次调度占用的时长为1 ms，而即使在30 kHz的子载波间隔情况下，14个OFDM符号的占用时长仍需0.5 ms，对于有极低时延需求的URLLC业务，该调度粒度仍然有优化的必要。 实现业务的“随到随传”在部分URLLC场景下是至关重要的，5G网络在业务的调度机制中制定了基于slot以及mini-slot的调度方案，两种调度方案的主要区别在于一次调度中包含的OFDM符号数以及调度的起始位置。基于mini-slot的业务调度可以实现在上下行链路中采用较少的OFDM数这种更小的调度粒度完成业务的传输，而且调度起始位置不需要与时隙起始位置对齐，可以灵活配置调度起始位置，降低业务传输所占用的时间。3GPP定义的基于slot及mini-slot传输的配置如下表所示： 表 1 基于时隙与非时隙调度的配置 调度方案 普通循环前缀 扩展循环前缀 起始符号 调度符号 起始符号 调度符号 下行 slot级调度 0,1,2,3 3,14 0,1,2,3 3,12 mini-slot级调度 0,12 2,4,7 0,10 2,4,6 上行 slot级调度 0 4,14 0 4,12 mini-slot级调度 0,13 1,14 0,12 1,12 中国联通5G URLLC技术白皮书 5 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 3.1.2.2 配置授权调度 基站作为蜂窝无线接入网的控制单元，负责所有上下行业务的数据调度。终端存在上行调度需求时，需要向基站申请调度授权，以获取相关的调度参数以及时频域资源等信息。5G网络支持传统的业务调度机制，该机制下终端与基站的调度请求及授权交互需要跨越多个时隙，在URLLC场景下，该机制将带来较大的数据发送等待时延。 上行配置授权调度机制采用了基于非动态授权的业务传输方案，基站发送RRC消息对上行传输的周期、时频域资源、MCS等参数进行配置，通过激活相关授权，在业务数据到达后，终端即可以进行多次上行传输。5G网络支持Type 1及Type 2两种配置授权激活方案，其中，Type 1方式下，终端在接收到RRC消息后，根据时域偏置进行授权配置的激活；Type 2方式下，终端通过接收DCI消息激活配置授权。 调度申请调度授权业务传输调度授权.RRC配置授权业务传输.业务传输业务传输RRC配置授权DCI配置授权激活业务传输.业务传输业务传输传统业务调度流程配置授权业务调度流程Type 1 Type 2配置授权激活图 2 配置授权调度 3.1.2.3 传输反馈增强 3.1.2.3.1 基于CBG的HARQ-ACK 5G网络的业务数据支持以TB（Trans mission Block，传输块）为粒度进行调度传输，一个TB可能包含非常多比特，LDPC编码下，TB中的一个CB（Code Block，编码块）最大可以有3840或8448比特，而一个TB可以包含数十个以上的CB。在TB传输发生错误的情况下，存在一个TB内部可能只有少数CB产生误传的情况，以基于TB的HARQ机制进行完整传输块的重传，会造成物理层资源的浪费。 中国联通5G URLLC技术白皮书 6 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 通过将CB分组形成CBG（Code Block Group，编码块组），以CBG为粒度，设计基于CBG的 HARQ机制进行重传，可以仅重传包含错误CB的CBG。因此，基于CBG的反馈可以降低重传的资源消耗，间接提升网络的频谱效率。此外，在资源复用的场景下，基于CBG的反馈可以在保障URLLC业务低时延的同时，降低eMBB业务的受影响程度。 一个TB中可配置的CBG数量包括： 表 2 CBG配置 单码字 多码字 可配置最大CBG数量 2,4,6,8 2,4 3.1.2.3.2 无序HARQ-ACK 在URLLC类业务与常规eMBB业务并发的场景下，若配置URLLC类业务具有更高的处理与反馈优先级，存在URLLC类业务后到但需要优先处理与反馈的需求。5G网络支持相应场景下无序的HARQ-ACK反馈过程。 业务数据1业务数据2业务数据2反馈业务数据1反馈图 3 无序HARQ-ACK流程示意图 在无序的HARQ-ACK反馈进程中，考虑用户终端处理能力受限的情况，终端在处理后到的业务数据2并完成反馈的过程中，先到的业务数据1可能会存在不能完成处理的情况。目前，终端存在4种潜在的行为约束方案，相关的技术细节正在完善过程中，未来存在方案收敛的需求。 方案一：终端以处理业务数据2为常态，业务数据1可以丢掉，也可以保留； 方案二：终端需要无条件的满足处理业务数据1和业务数据2的能力； 中国联通5G URLLC技术白皮书 7 版权所有 中国联通网络技术研究院，2019 方案三：在一定条件下，终端需要同时处理业务数据1和业务数据2，例如：采用载波聚合能力。该条件需要以终端能力上报为准，如果条件不满足，终端的行为不定义； 方案四：终端丢弃/终止业务数据1： 选项一：终端总是丢弃业务数据1； 选项二：需要定义相关调度条件，如果不满足，终端丢弃业务数据1； 对于多种业务混合调度的场景，根据业务的时延敏感程度，综合考虑业务调度的顺序，而非单一的根据业务调度信令的先后顺序进行业务调度与反馈，实现调度与反馈的增强，可以从策略上提供了对于时延需求敏感的URLLC业务的优先传输机制，增加了URLLC业务在混合业务传输场景下传输的性能保障。 3.1.2.3.3 时隙内多HARQ反馈 面向URLLC业务，在单次传输失误的情况下，降低数据传输反馈的时延，在业务时延允许范围内完成重传是提升用户业务体验的重要方案之一。 随着5G网络对非时隙调度的支持，在终端业务并发的场景下，可以在一个时隙内完成多次基于mini-slot的数据传输，因此，在一个时隙内完成对多次基于mini-slot传输数据的反馈是优化反馈时延的重要方向之一。提升可携带HARQ的PUCCH数量以及每个PUCCH中可携带的HARQ码本数量可以实现时隙内多HARQ的反馈，方案具体细节的制定工作目前仍处于研究讨论过程中。 时隙内多HARQ反馈机制的增强设计，意味着5G网络对URLLC业务低时延特性支持度更加成熟，也可以提升5G URLLC网络应对不同URLLC应用场景的灵活性与普适性。 3.1.2.4 下行资源复用 5G网络下，低优先级业务与高优先级业务存在并发的场景，低优先级业务的时延容忍度较高，可以采用基于slot的调度方式，当高优先级业务触发后，为满足其业务的时延需求，网络可以将已分配用于低优先级业务调度的空口资源复用于高优先级业务，保障高优先级业务的随到随传。在资源复用的场景下，低优先级类业务将受到影响，因此，需要网络发送相关的PI（P reemption Indication，抢占指示）信息，向低优先级业务的终端指示业务潜在的受损风险。