垂直行業(yè)URLLC 和TSN 關(guān)鍵技術(shù)研究*

徐慧俊，陳 林，楊 波

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

URLLC 是3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義的三大應(yīng)用場景之一[1]，經(jīng)過R15 版本和R16 增強版本的討論，目前已具備真正部署及應(yīng)用的條件。URLLC 主要應(yīng)用于垂直行業(yè)的AR/VR、工廠自動化、傳輸工業(yè)/遠(yuǎn)程駕駛和電力分配等行業(yè)[2]。在3GPP TR38.913 協(xié)議中對URLLC 提出了如下的性能指標(biāo)：用戶面延遲的目標(biāo)為上行0.5ms 和下行0.5ms，可靠性需求為在用戶面延遲1ms 的前提下，對32 bytes 的一個包傳輸?shù)目煽啃赃_(dá)到99.999%[1]。對于URLLC 應(yīng)用場景中的低時延和高可靠性兩個特性，本文通過幀結(jié)構(gòu)和短TTI 的設(shè)計來滿足低時延的業(yè)務(wù)需求，而高可靠性則通過重復(fù)發(fā)送和低碼率傳輸來保證。同時分析了URLLC 和TSN 系統(tǒng)融合解決方案的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 5G URLLC 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1.1 幀結(jié)構(gòu)

為了確保URLLC 業(yè)務(wù)上下行端到端用戶面時延小于1ms，采用SU 的幀結(jié)構(gòu)。SU 幀結(jié)構(gòu)具體構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 SU 幀結(jié)構(gòu)

在圖1 中，時隙S 的組成為12D:2G，即由12個下行OFDM 符號和2 個靈活OFDM 符號組成。時隙U 全為上行OFDM 符號。幀結(jié)構(gòu)參數(shù)基站通過廣播消息SIB1 中信元TDD-UL-DL-ConfigCommon下的TDD-UL-DL-Pattern 信元對UE 進(jìn)行配置[3]：在TDD-UL-DL-Pattern 中，dl-UL-Transmission Periodicity 配置為ms1，nrofDownlinkSlots 配置為0，nrofDownlinkSymbols 配置為12，nrofUplinkSlots 配置為1，nrofUplinkSymbols 配置為0。

在帶寬100M，子載波間隔30kHz 的情況下，上下行的單向延遲可以滿足小于1 毫秒。

1.1.2 HARQ-ACK

在垂直行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)自動化等應(yīng)用場景，需要傳輸?shù)男畔⒓扔锌刂菩畔ⅲ钟懈咔逡曨l信息。控制信息等時延敏感的業(yè)務(wù)可通過周期性地發(fā)送一定大小的數(shù)據(jù)包實現(xiàn)，而高清視頻業(yè)務(wù)可通過動態(tài)調(diào)度的方式實現(xiàn)。在NR 系統(tǒng)中，對下行控制信息通過SPS 業(yè)務(wù)的方式實現(xiàn)，而下行傳輸?shù)膱D像則通過DG PDSCH 的方式實現(xiàn)。

為了保證控制信息的可靠性和時延，系統(tǒng)實現(xiàn)中把SPS 業(yè)務(wù)作為高優(yōu)先級的URLLC 業(yè)務(wù)，而高清視頻業(yè)務(wù)作為低優(yōu)先級的eMBB 業(yè)務(wù)。在MAC調(diào)度器同時調(diào)度兩種業(yè)務(wù)的場景下，eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)進(jìn)行時分調(diào)度，用兩個PUCCH 分別進(jìn)行HARQ-ACK 反饋，如圖2 所示。

圖2 DG PDSCH 和SPS 優(yōu)先級不同HARQ 反饋示意圖

在圖2 中，給出了SPS 業(yè)務(wù)和DG PDSCH 業(yè)務(wù)HARQ-ACK 反饋示意圖。具體反饋的碼本為動態(tài)Type 2 Codebook[4]。利用R16 中PUCCH 的新增功能，同時配置2 個PUCCH-Config，38.331 中配置信令為[6]：PUCCH-ConfigurationList-r16::=SEQUENCE(SIZE (1..2)) OF PUCCH-Config。第一個PUCCHConfig 與優(yōu)先級索引0 相關(guān)，第二個PUCCH-Config與優(yōu)先級索引1 相關(guān)，且同時配置2 個HARQACK 碼本時，38.331 中配置信令如下[6]：PDSCHHARQ-ACK-CodebookList-r16 ::=SEQUENCE (SIZE(1..2)) OF ENUMERATED {semiStatic,dynamic}，兩個碼本的取值為動態(tài)碼本（dynamic）。其中，第一個碼本為低優(yōu)先級，第二個碼本為高優(yōu)先級。

1.2 下行控制信道設(shè)計

NR 下行URLLC 調(diào)度支持的子時隙TTI 為2 Symbol，4 Symbol 和7 Symbol。這里以7 個OFDM符號為例，PDCCH 支持的格式如圖3 所示。

在圖3 中，eMBB 業(yè)務(wù)以時隙級為調(diào)度粒度，URLLC 業(yè)務(wù)以子時隙級為調(diào)度粒度。

1.3 上行控制信道設(shè)計

NR R16 中URLLC PUCCH 配置支持的子時隙粒度為2 Symbol 和7 Symbol。具體通過PUCCHConfig 中的subslotLengthForPUCCH 信元進(jìn)行配置。2 Symbol 和7 Symbol PUCCH 子時隙的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中對子時隙長度為2 Symbol,PUCCH 資源長度配置為2 Symbol；對子時隙長度為7 Symbol，PUCCH 資源長度配置為4 Symbol。

PUCCH 資源的具體配置以子時隙邊界為索引。圖5 中PUCCH 資源 i 相對子時隙的邊界為1 symbol，即startingSymbolIndex=1；PUCCH 資源的長度nrofSymbols=4，nrofPRBs=1，子時隙0 和子時隙1 中PUCCH 資源的配置相同。

圖3 TTI 為7 OFDM 符號PDCCH 和PDSCH 的分布示意圖

圖4 子時隙2-Symbol 和7-Symbol PUCCH 資源示意圖

圖5 7 Symbol 子時隙的PUCCH 資源配置示意圖

2 5G URLLC 動態(tài)調(diào)度

考慮同時調(diào)度eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)的場景，由于同一個UE 的eMBB 業(yè)務(wù)和URLLC 業(yè)務(wù)之間不能頻分調(diào)度的限制，同一個UE 的不同業(yè)務(wù)在一個時隙中采用時分調(diào)度的方式。考慮到垂直行業(yè)同時調(diào)度的用戶數(shù)較少，為了避免調(diào)度器設(shè)計的復(fù)雜性，調(diào)度采用的總體原則為：不同UE 之間的業(yè)務(wù)采用頻分調(diào)度，同一個UE 內(nèi)的不同業(yè)務(wù)之間采用時分調(diào)度。調(diào)度策略如圖6 所示。

對上行PUSCH 資源分配，為了提高業(yè)務(wù)的可靠性，對PUSCH 信道采用重復(fù)發(fā)送的方式，圖7中為分配的資源占4 個OFDM 符號的長度，重復(fù)發(fā)送2 次。對PUCCH 信道，資源分配的符號長度不能大于子時隙的長度，即對2 個符號的子時隙，PUCCH 資源長度要小于或等于2；對7 個符號的子時隙，PUCCH 資源長度要小于或等于7[5]。

圖6 多UE 多業(yè)務(wù)資源調(diào)度示意圖

3 5G URLLC 可靠性仿真

為了驗證設(shè)計方案是否滿足垂直行業(yè)場景可靠性的需求，通過搭建物理層鏈路平臺對PDCCH 和PUSCH 信道進(jìn)行性能仿真。高可靠性仿真條件如表1 所示[11]。

圖7 上行PUCCH 和PUSCH 資源分配示意圖

表1 高可靠性仿真參數(shù)

PDCCH 信道的仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 PDCCH BLER-SNR 仿真曲線

從表2 的對比中可以看出，對聚合等級AL1性能比提案的仿真結(jié)果有1.5dB 的增益，對聚合等級AL16 性能與提案的結(jié)果相當(dāng)。對AL2、AL4 和AL8，性能有1-3dB 的差距。

表2 PDCCH 仿真結(jié)果對比

PUSCH 信道的仿真結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 中的仿真曲線可推出BLER 為10-5時，PUSCH 的解調(diào)門限為-7.3dB。仿真結(jié)果與提案[10]相當(dāng)，可以滿足垂直行業(yè)可靠性的需求。

圖9 PUSCH BLER-SNR 仿真曲線

4 URLLC 和TSN 融合解決方案

圖10 中把5G 系統(tǒng)作為一個黑盒的實現(xiàn)方式。在這樣一個實現(xiàn)方式中，整個5G 系統(tǒng)可以保持獨立，這樣對5G 系統(tǒng)的影響最小。Translator/adaptor的功能位于5G 系統(tǒng)的邊緣，可以支持關(guān)注所有802.1AS 相關(guān)的功能。如：（g）PTP 支持，時間戳可以在這個translator 中實現(xiàn)。

整個URLLC 和TSN 系統(tǒng)接入網(wǎng)相關(guān)的主要功能包括：準(zhǔn)確參考時間規(guī)定（Provision）,QoS 和調(diào)度器,以太網(wǎng)頭壓縮[8]。

4.1 準(zhǔn)確參考時間規(guī)定（Provision）

URLLC 結(jié)合TSN 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景如圖10 所示[7]。

圖10 5GS 和TSN 融合方案

參考時間傳遞原理：5GS 作為一個時間感知（time-aware）系統(tǒng)，時間同步的基本原理是[7]，TSN GM 對從時鐘（slave clocks）發(fā)送給它的時間信息（using SYNC messages），沿途的每一個網(wǎng)絡(luò)元素接收同步消息且對同步消息增加一個修正（同步消息的延遲，即停留時間）。5GS 作為單個時間敏感系統(tǒng)，其停留時間通過外部接口間進(jìn)行計算（即與右側(cè)TSN 橋連接的translator 和與左側(cè)End Station連接的translator）。

gNB 和UE 間的消息傳遞：gNB 和UE 之間通過Uu 口消息進(jìn)行傳遞，基站在SIB9 和DLInformation Transfer 中引入信元ReferenceTimeInfo-r16，通知UE時間戳。

4.2 QoS 和調(diào)度器增強

使用TSC 業(yè)務(wù)模式gNB 需滿足無線Ethernet QoS的需求，需支持TSC 消息周期為NR 支持的CG/SPS周期非整數(shù)倍的場景。gNB 需要滿足多SPSs-CGs 配置、QoS 保證、支持TSC 業(yè)務(wù)模式的SPS CG、SPS短周期配置、LCP 和LCH 限制和測量GAP 功能。

4.3 以太網(wǎng)頭壓縮

Ethernet 的頭壓縮放在PDCP 層進(jìn)行。PDCP Ethernet 頭壓縮使用Rel-15 PDCP 結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在的頭壓縮/解壓功能結(jié)構(gòu)。Ethernet 頭壓縮后作為PDCP 層的數(shù)據(jù)部分。

5 結(jié)語

本文對URLLC 關(guān)鍵技術(shù)在垂直行業(yè)的應(yīng)用基于標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展進(jìn)行了研究，提出了URLLC 滿足高可靠低時延特性的幀結(jié)構(gòu)、上下行控制信道和上下行業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計方案。基于仿真平臺驗證了設(shè)計方案可以滿足URLLC 業(yè)務(wù)的高可靠性，并結(jié)合TSN 系統(tǒng)介紹了5GS 在整個TSN 系統(tǒng)中的相應(yīng)功能，特別是對gNB 需要增強的功能進(jìn)行了初步分析。URLLC 將在未來智能網(wǎng)聯(lián)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，發(fā)揮重要的作用。