基于uRLLC 技術在車聯網的應用

楊 磊， 李曉坤， 陳虹旭， 鄭永亮， 張樂江

（黑龍江恒訊科技有限公司 國家博士后科研工作站， 哈爾濱150090）

0 引 言

2016 年初，3GPP 發起了5G 網絡技術標準的制定工作。 計劃到2019 年底前完成R16 版本標準（5G網絡第二階段標準），其中包含了5G uRLLC 技術的標準化。 uRLLC 技術在延時以及可靠性方面，相比之前的4G 網絡等移動通信技術有了很大程度的提高。uRLLC 技術實現了基站與終端之間的通信，上下行均能達到0.5 ms 級別的延時［1］。 車聯網為了保障通信中的低延時與高可靠性，在實現車聯網業務時，需要將通信延時控制在10 ms 之內，才能保障車聯網業務的穩定運行，而uRLLC 技術可以很好地的解決車聯網中毫秒級別的延時保障、網絡安全、硬切換以及路況預判斷等問題。 因此，uRLLC 技術與車聯網結合是未來車聯網走向應用成熟的必然趨勢［2］。

1 uRLLC 技術概述及現狀

1.1 uRLLC 技術的基本概念

在不久的將來，第五代移動通信技術（ 5G，the fifth generation of mobile communications system）將參與到人們生活的方方面面，為未來全球信息化建設提供堅實的基礎。 因此，有關5G 的標準化制定以及核心技術的研發成為各方關注的重點。 其中，eMBB 和uRLLC 技術計劃在5G 中期建設完成［3］。eMBB 技術是5G 網絡的基礎業務之一，其特點是：數據載量大、傳輸速率要求高。 相比而言uRLLC 技術的數據包更小，對網絡的延時以及容錯率都更嚴格。 因此，uRLLC 技術更適合應用在車聯網這種對網絡精度要求更高的場景［4］。

2015 年，國際電信聯盟正式規定了5G 網絡的三大應用場景，即eMBB（enhance mobile broadband）增強型移動寬帶、 mMTC （massive machine type communication）海量物聯網通信以及uRLLC（ultra reliable＆low latency communication）低延時高可靠通信。 相對而言，如果網絡延時偏高，uRLLC 相關業務的正常運行會受到很大影響，并可能出現不可控的控制誤差。 因此，第三代合作伙伴計劃（3rd generation partnership project， 3GPP）也對5G 應用的三大場景eMBB、 mMTC、uRLLC 的延時及可靠性標準進行了定義。 其中uRLLC 作為5G 網絡的三大核心應用場景之一，在車聯網、增強現實（AR）、虛擬現實（VR）中的應用非常廣泛。

1.2 uRRLC 技術現狀

uRLLC 及eMBB 是目前5GNR（基于OFDM 的全新空口設計的全球性5G 標準）最急需的應用場景，其中eMBB 為最基本業務需求。 在5G 網絡發展的初期（2019—2020 年），多以熱點地區和城區網絡覆蓋eMMB 業務為主，主要為了面對熱點高、容量高速度的挑戰。 當發展到建設中期（2021—2022年），5G 網絡將作為eMMB 技術的主要承載網絡，uRLLC 技術能與eMBB 技術共存并保證業務的頻譜效率。 當5G 網絡發展成熟時（2023—2025 年），5GNR 將會大規模承載uRLLC 業務，并將對新興的車聯網、工業自動化等物聯網行業提供解決方案［5］。

3GPP SA1 在新服務和市場使能技術，對延時性低可靠性高的場景進行了重新整合，同時TS26.261－g00 也給出了相關的性能指標要求。 但3GPP SA1 并沒有嚴格要求使用uRLLC（ultra－reliable and low－latency communication），而是沿襲SA1 一直使用low－latency and high reliability。 除此之外，SA1 還認為ITU 劃分的三個場景采取的維度不同，uRLLC 對應的只是一系列的低延時應用場景。 因此，SA1 啟用新的立項自動化逆域通信研究。 如：在現有規定的延時、抖動、可靠性及速率外進一步加強對網絡監控的安全標準，從而更豐富原有SMARTER 中沒有的規定，同時寫入到TS26.261 規范中。

由圖1 中可見，基于IP 網絡的應用其可靠性已上升到電信級的99.999%甚至更高，只有少數的幾個業務是99.9%的保障。 因此，對當前網絡提出極大的挑戰，如何保證可靠性是一大難題。 根據TS26.261－g00標準，初步統計uRLLC 業務的時延要求如圖2 所示。

在TS 23.501－100 標準中［6］，3GPP SA2 將國際電聯分區的三種應用場景定義為切片／服務類型，并將uRLLC 定義為兩種類型。

圖1 基于IP 網絡的應用可靠性Fig.1 Application reliability based on IP network

3GPP RAN1 將uRLLC 標準分為兩部分：低延遲和高可靠性。 低延遲技術主要涉及物理層的時隙／幀結構、調度和HARQ 過程。

1.3 uRRLC 技術的基本特點

在移動通信中，為了減少延遲，主要方法有：提高網絡傳輸效率、提高流媒體編解碼時間、優化互聯網絡傳輸協議、減少網絡通信節點的數量、優化5G網絡架構［7］。

4G／LTE 系統的幀結構是固定的，副載波間隔固定在15 kHz，對應于0.5 ms 的固定時隙長度。 兩個時隙構成基本傳輸單元子幀，即1 ms。 5GNR 的幀結構、副載波間隔都是可變的。 時隙長度隨著子載波間距的增加而減小，60 kHz 的副載波間隔對應于0.125 ms 的時隙長度。 時域從1 ms ～0.125 ms，顯著縮短了傳輸時間。 對于下行業務，基于調度4G／LTE，不同的業務資源不能重疊。 發送數據接收確認至少需要4 ms。 基于調度5GNR 下的uRLLC服務資源，可與其它服務（eMBB 服務）重疊［8］，通過搶占指令提高用戶設備解碼成功率，并引入自含時隙結構。 數據發送和接收確認可以在一個時隙內完成，即數據發送可以在0.125 ms（60 kHz 帶寬）內完成。 對于上行業務，基于調度4G／LTE 的不同業務資源不能重疊。 從啟動數據調度到數據接收確認至少需要10 ms（如果采用半靜態調度，可以減少到4 ms）；而5GNR 不基于調度，為uRLLC 服務預留資源，數據傳輸可以在0.25 ms 內完成［9］。

由于uRLLC 需要超高的可靠性保證，若分配給uRLLC 服務的頻譜帶寬較窄，小區邊緣化會嚴重影響uRLLC 用戶的性能，鏈路預算問題將成為吞吐量下降的主要因素。 總之，從頻域角度分析，系統需為uRLLC 用戶分配足夠的調度帶寬；從時域角度分析，uRLLC 更適合于小時隙調度模式。 低延遲限制了系統在不同參數集配置下可設置的HARQ 進程最大值。 URLLC 需實現無HARQ 傳輸。 例如，一個TTI 以60 千赫的副載波間隔包含7 個符號，為了在1 ms 的用戶平面延遲內滿足超可靠傳輸的性能，最多使用8 個TTIs 來傳輸一個uRLLC。 數據分組包括初始傳輸、HARQ ACK－NACK 反饋和重傳。 如果HARQ RTT 太長，系統可能沒有時間等待確認NACK 反饋或重傳。 uRLLC 服務的重傳模式也可以指eMBB 重傳模式。 使用基于CBG 的HARQ 重傳模式時，eMBB 被分成幾個CBG。 此外，還可以采用一些特殊的設計。 例如，接收方提前反饋幾個CBG的確認，以確認發送方的接收，從而進一步減少整個HARQ RTT 時間［10］。 在嚴格的低延遲限制下，一些物理層技術可以有效地提高uRLLC 的可靠性。99.999%的可靠性要求uRLLC PDCCH 解調的成功率不應低于該值。 因此，uRLLC 用戶可以采用緊湊型DCI 設計。 在物理層，如果使用循環冗余校驗的DCI，開銷可減少一半，相應的聚合可以增加一個級別。 較高的AL （16，32）選擇可以降低PDCCH 編碼率和解調誤碼率。 同時，用戶可以選擇固定的人工智能進行PDCCH 檢測，進一步減少了盲信噪比PDCCH 檢測的次數。 開銷較小的緊湊DCI 可以通過以下方法來設計：指示僅配置低調制級別和編碼速率MCS 表；指示RB 組中的低精度頻域資源分配；較少的HARQ 進程；具有較少多輸入、多輸出相關性的天線端口模式等［11］。

5G uRLLC 終端需要快速網絡切換（如自動駕駛儀），以確保端到端延遲。 在現有4G 移動通信的安全機制中，基站需要在終端完成網絡切換之前計算、發送和接收相關密鑰。 在未來5G 移動通信網絡中，基站將部署（超）高密度網絡（小站將是5G 的主要高頻帶，初始階段將是4G／LTE 的混合網絡）。因此，不同類型的無線接入系統、不同類型的無線接入網絡和不同基站之間的協作將成為普遍現象，這將進一步增加具有超低延遲的移動終端。 為了減少移動網絡中5G uRLLC 終端的切換時延，可以采取一些措施，如針對異構多層訪問網絡的統一認證機制、高效的安全上下文推斷和最小化網絡節點之間的安全上下文傳輸。 根據RAN NR 的設計要求，uRLLC 業務的上下游用戶延遲應小于0.5 ms，這里定義的用戶面延遲是uRLLC 流量組沒有給定大小和可靠性指標的平均目標值。 不同的uRLLC 服務對uRLLC 延遲有不同的要求，特別是對于自動駕駛儀和增強現實／虛擬現實技術，均需要超低的用戶面延遲支持。

2 uRLLC 技術在車聯網中的應用

2.1 5G 網絡切片

根據5G 網絡標準的定義，通用網絡體系結構由終端、基站、核心網絡和應用／服務應用服務器組成。 除終端和基站屬于空口傳輸之外，其它形式都是光纖匯聚。 總之，通過的節點越多，業務流的延遲就越大，返回鏈路將引入6 ～16 ms。 毫秒級的傳輸延遲不包括由服務部署位置（例如電信網絡、互聯網等的差異引入的延遲）。 為滿足uRLLC 服務端到端1 ms 的延遲（如自動駕駛儀），核心網絡和應用服務器必須直接部署在訪問端，棄用全部傳輸鏈路，將多跳傳輸簡化為一跳傳輸。 因此，網絡切片必然會被引入到網絡體系結構中［12］。 網絡切片本身是一個復雜的問題，其中包括核心網和接入網切片、覆蓋切片架構、切片選擇、切片漫游等。 除了3GPP 之外，國際電聯、MGMN、ETSI 等組織也展開了網絡切片的標準化研究，但這些組織的研究目前主要停留在較高的架構和需求層面。 目前，具體切片的實現主要由3GPP 制定。 實際上，以車載網絡為例的uRLLC 切片無線網絡與eMBB 和mMTC 并不完全相同。 隨著業務應用和需求的多樣化，5G 基站提出了兩種部署模式：CU／DU （CentralRAN 單元／分布式RAN 單元）分離和CU／DU 共址［13］。 顯然，對于uRLLC，CU／DU 必須位于同一位置，而對于eMBB，可以根據需要而定。 在核心網上，uRLLC 核心網的用戶端也必須下沉，而eMBB 不是必需的。

2.2 V2X 技術

V2x 技術類似于行業中常用的B2B 和B2C，即車輛移動終端與周圍環境之間的網絡信息交換。 通過集成全球定位系統（GPS）導航技術、車對車通信技術、無線通信和遙感技術等，車聯網為車輛技術奠定了新的發展方向，實現了手動駕駛和自動駕駛的兼容性。 V2x（車輛到x）是未來智能交通系統的關鍵技術。 它使車輛與車輛之間、車輛與基站之間、基站與基站之間能夠進行通信。 可以獲得諸如實時道路狀況、道路信息和行人信息等一系列交通信息，從而提高駕駛安全性，減少了擁堵，提高了交通效率并提供了車輛娛樂信息。 綜上所述，通過系統模型，在自動駕駛模式下，通過實時交通信息分析，自動選擇最佳駕駛路線，大大緩解了交通擁堵。 此外，通過使用車載傳感器和攝像頭系統，還可以感知周圍環境并進行快速調整，以實現“零交通事故”。

2.3 D2D 技術

設備到設備，稱為D2D。 它是移動通信行業的一項新技術，允許終端在系統控制下通過重用小區資源來直接彼此通信，在一定程度上解決了無線通信系統頻譜資源不足的問題。 在3GPP 提出的LTE－A 的研究項目中，有必要提供基于LTE 的新技術，以滿足先進IMT 的要求，提供更高的數據速率和系統容量。Imt－a 系統可以支持蜂窩網絡中的D2D 通信，以提高頻譜利用率。 此外，它還可減輕蜂窩網絡的負擔、減少移動終端的電池功耗、提高比特率、提高網絡基礎設施故障的魯棒性，以及支持新的小型點對點數據服務。

3 實驗結果分析

3.1 移動終端與路邊單元

如圖3 所示：探測器探測到道路上車輛異常情況后，通過路邊單元向所在區域的移動終端發送應急廣播。 假如各移動終端都安裝了獨立天線，路邊單元安裝了Nt 根天線。 上行通信信道h0∈?Nt為探測器到路邊單元，下行通信信道hk∈?N為從路邊單元到各移動終端t，靜態衰落信道k ∈K ?｛1，…，K｝，信道分別對應為h＾0∈?Nt及h＾k∈?Nt，信道所對應的誤差為：ek＝hk－h＾k，k ＝0，1，…，K，設定滿足有界誤差，即ek ≤δk，k ＝0，1，…，K，從探測器到路邊單元的上行鏈路發送的數據包為N0比特，將其打包成長度為mu 大小的數據。 可用y0［n］ ＝p0h0x0［n］ ＋z0［n］，n ＝1，…，mu 表示路邊單元所接收到的信號，其中x0［n］ ～CN（0，1） 表示發送的數據，并服從基于零均值和單位方差的高斯分布，SN的發送功率p0（p0≤P0），z0［n］ ～CN（0，2INt）為路邊單元端的加性高斯白噪聲［14］。 路邊單元根據信道狀態結果，對y0［n］ 接收波束打包，如果接收波束向量為W0，則x0［n］ 被路邊單元所解碼后，不理想狀態下的信噪比P0可以表示為：

根據有限碼長編碼理論，N0，mu，ρ0以及錯誤率ε0?0.5 近似服從：

圖3 移動終端與路邊單元Fig.3 Mobile terminal and roadside unit

其中，高斯函數Q 的反函數，可表示為Q－1，路邊單元的錯誤率表示為ε0。 從y0［n］中獲取探測器發送來的信息，并進行解碼后產生K 個數據，并將這些數據發送給K 個終端。 假設第k 個移動終端所接收到的數據包為Nk比特，用Sk［n］，n ＝ 1，…，md 表示這Nk比特的數據包編碼長度為md 個符號單位功率的數據，則路邊單元發射的下行信號可表示為

其中，sk[n ] 的發送波束向量為wk∈?Nt。 第k 個移動終端接收到的信號為：

其中，zk[n ] ～CN 0，σ2( ) 為加性高斯白噪聲。最小信噪比可以用下行鏈路的第k 個移動終端的信噪比在信道誤差來表示［14］。

其中，k ∈K 類似，給定PEPεk∈（0，0.5） ，第k 個移動終端的下行速率最大值為：

3.2 實驗系統模型

為了便于系統設計我們假設下行鏈路的K 個數據包被編碼成碼長為md 的符號，則探測器到路邊單元再到第k 個移動終端的傳輸鏈路為k ，那么鏈路端點到端點的空中接口傳輸穩定性可表示為（1 －ε0）（1 － εk） ，本文將這一問題建模為

可以看到ε0和｛ρk，wk，λk｝都是相對獨立的，所以它可以迭代更新ε0與｛ρk，wk，λk｝ ，使得空中系統的傳輸時延最小。

在確定ε0前我們要先更新｛ρk，wk，λk｝，對于任意的ε － 0 ∈（0，εmax） ， 都可以簡化表示為

在本文計算出最優結果時， 所有用戶采用的md 全部相同，因此通過二分法計算就可以計算出最匹配結果t ＝md（εˉk，ρk） 。 對于給定的 數值t ，根據md 相對于pk 的單調性，我們可以通過二分法計算出對應于t 的pk，其中，對于t 的則要在每次迭代過程中判斷下述問題的最小值是否滿足路邊單元發射功率的最大值［14］：

所以如果上面計算結果的最小值不大于pmax，則可以進一步降低t，反之增大t。 通過半正定松弛方法可以將該公式近似為一個半正定規劃問題，則相應的問題為

3.3 實驗結果與分析

參考5G 相關的仿真結果［15］，系統空中接口部分的平均無線傳輸速率設置為30 兆比特／秒。 考慮到uRLLC 和eMBB 服務的特性，uRLLC 服務的數據包長度定為32 兆比特，概率延遲約束為（1 ms，10－5），eMBB 服務的數據包長度為0.5 兆比特，數據包到達速率為2 兆比特每秒。 uRLLC 服務的概率延遲分布如圖4 所示。 由圖中可見，固定uRLLC 業務數據包到達速率為100 pkt／s 時，隨著資源預留率的增加，uRLLC 業務的概率延遲保證越好。 當資源預留率達到3.8%時，獲得uRLLC 服務數據，包延遲超過1 ms 的概率不超過10－5，滿足了概率延遲約束。 在這種配置下，系統資源的預留比例應不低于3.8%。

圖4 系統資源的預留比例Fig.4 Reservation proportion of system resources

上述條件下不同資源預留率對eMBB 服務的概率延遲分布的影響如圖5 所示。 從圖中可見，eMBB服務的延遲隨著資源預留率的增加而增加。 由于eMBB 業務的數據包規模較大，當資源預留率相對較小時，eMBB 業務的時延惡化并不明顯。 當uRLLC 服務到達率增加時，最小資源預留率也應增加。

隨著uRLLC 服務預留的資源的增加，eMBB 服務的可用資源減少，當為uRLLC 服務預留的資源量減少時，延遲性能顯著下降。 表1 顯示了uRLLC 服務在不同到達率配置下的資源預留率。 表1 中預留資源比例對應的eMBB 業務概率延遲分布表明： 當ηmin值較小時，延遲惡化不明顯；當ηmin從3.3%增加到4.9%和5.6%時，概率延遲分布曲線明顯向右移動。

圖5 不同資源預留率對eMBB 服務的概率延遲分布的影響Fig.5 The influence of different resource reservation rates on the probability delay distribution of eMBB services

表1 資源預留下界Tab.1 Lower bound of resource reservation

4 結束語

從行業應用的角度來看，uRLLC 的“超可靠低延遲”對于車輛聯網和其他高度延遲敏感服務的廣泛應用至關重要。 然而，3GPP 5G 希望創造一個垂直行業的全面應用，不僅局限于3GP SA1 已經提出的業務需求，還涉及到整個相關行業。 uRLLC 是移動通信行業無縫進入垂直行業的重大進步。 uRLLC 與車聯網的結合將是人類生活全面信息化的重要體現［16］。