5G高可靠低時延通信標準現狀及產業進展

黎卓芳 劉慧敏 解博森

(1.中國信息通信研究院移動通信創新中心，北京 100191；2.中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191；3.北京郵電大學葉培大實驗班，北京 100876)

0 引言

ITU定義的5G三大應用場景分別為，增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)滿足連續廣覆蓋和熱點高容量場景需求[1]；超高可靠低時延通信，(Ultra Reliable and Low Latency Communication，URLLC)滿足工業自動化、遠程自動駕駛等低時延高可靠應用需求[2-3]；海量機器類通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)滿足低功耗大連接的物聯網需求[1]。從5G技術標準演進和商用部署情況看，eMBB場景已率先完成標準化并規模應用，并逐漸向URLLC場景滲透，最后發展mMTC。

不同于eMBB場景可同時服務企業和個人，URLLC場景重點面向垂直行業應用，隨著URLLC標準的完善，其關鍵技術正被逐步實現，產業也開始不斷探索URLLC應用模型。通過梳理URLLC標準和需求現狀，調研關鍵技術研發及技術試驗進展，提出我國URLLC產業推進建議，將有利于URLLC技術的商用落地，并拓展5G應用場景和業務模式。

1 URLLC國內外標準現狀

1.1 國際標準

5G國際標準工作主要在國際電信聯盟(ITU)和第三代合作伙伴計劃(3GPP)的發起和組織下進行。

作為聯合國的15個專門機構之一，ITU是5G國際標準制定的需求方，ITU發布的5G標準，是全球實施部署5G網絡的基礎。ITU在2015年9月發布的ITU-R M.2083-0建議書《IMT愿景——2020年及之后 IMT未來發展的框架和總體目標》中明確指明URLLC是5G三大主要應用場景之一，要求其空口時延達到1 ms[4]。

3GPP根據ITU提出的5G需求和愿景，開展關鍵技術研究和技術標準制定，并向ITU提交標準。目前，URLLC標準有3個演進版本，分別為R15、R16和R17，各版本逐步完善URLLC的業務需求、應用場景和性能指標。

2018年6月發布的R15版本，支持鏈路級的基礎URLLC能力，設計目標場景單一，主要保障單鏈路業務性能，如AR/VR等娛樂場景。R15側重于中低頻率的URLLC標準制定，通過引入傳輸時間間隔(Transmission Time Interval，TTI)結構來降低時延并引入多項提升可靠性的方案[5]，滿足空口單向1 ms時延和99.999%的可靠性要求。

2020年7月發布的R16版本，完善了中低頻和毫米波頻段全覆蓋的URLLC技術方案，支持多業務場景的URLLC能力。R16標準引入時間敏感網絡(Time Sensitive Networking，TSN)基礎協議，為多種業務提供URLLC通信能力，滿足99.9999%的高可靠性和空口單向0.5～1 ms時延的業務需求，并提供低至1 μs的抖動和20 ns級別的精準授時同步。為R16新增的工業自動化、智能交通和電網管理等場景提供更高可靠、更低時延的技術解決方案。

R17版本計劃于2022年6月發布，將支持更高的定時精度和更靈活的頻譜方案，擴展支持免許可頻段的URLLC能力，并進一步將5G與TSN結合，目標是利用5G無線技術替代有線連接，解決傳統工業網絡布線雜亂、維護難度大、設備移動性低等問題。

1.2 國內標準

中國通信標準化協會(CCSA)是3GPP在中國的唯一合作伙伴，是我國5G通信標準的制定機構，組織我國企業和研究機構，緊跟5G技術發展，制定5G通信標準。

我國5G標準制定的總體原則是，基于3GPP國際標準，根據國內運營市場需求和實際頻率規劃，依托5G產業進展，確定標準關鍵技術參數、功能要求和性能指標等，形成符合我國應用需求和產業能力的5G標準，支撐我國5G網絡部署。

目前，我國基于3GPP R15/R16協議的5G URLLC行業標準立項工作已完成。工業和信息化部已下達“5G數字蜂窩移動通信網 面向低時延高可靠(URLLC)的終端設備技術要求和測試方法(第一階段)”和“5G數字蜂窩移動通信網 面向低時延高可靠(URLLC)的基站設備技術要求和測試方法(第一階段)”兩項行標的立項計劃。

IMT-2020(5G)推進組由我國工業和信息化部、國家發展和改革委員會及科技部聯合推動成立，主要開展5G關鍵技術研究、產業研發試驗和推動我國在ITU、3GPP等國際標準化組織的相關工作。推進組于2021年8月完成兩本URLLC規范的制定，分別為《5G增強技術研發試驗 URLLC關鍵技術要求》和《5G增強技術研發試驗 URLLC關鍵技術測試方法》。規范整體編制原則是，基于當前產業現狀，技術要求適當引領，測試規范匹配產業能力。目前，URLLC系統和芯片研發能力主要處于R15階段，因此技術要求面向3GPP R15和R16兩個版本的低時延和高可靠關鍵技術特性，測試方法主要面向R15版本的重點技術和基礎性能。

2 我國URLLC業務需求及產業能力分析

2.1 業務需求

不同于eMBB同時適用于企業用戶和個人用戶場景，URLLC將主要面向行業應用，低時延主要用于數據及控制命令的無線快速傳輸和回傳，以實現信息傳遞的及時性、提升協同的準確性；高可靠主要提高無線信息傳輸的正確率，以提升應用命令傳遞的有效性、保證操作的安全性。

不同行業不同應用場景的不同業務，對時延和可靠性的要求也不相同，表1舉例的典型業務對時延的需求在1～20 ms，可靠性在“4個9”到“6個9”之間。

表1 3GPP定義的URLLC典型應用場景的業務需求舉例

我國運營商5G專網龍頭項目統計顯示，目前不同業務對時延和可靠性需求的分布情況如圖1所示，對端到端時延要求小于20 ms的業務占比49%，可靠性要求在5個9及以上的業務占比33.3%。未來隨著5G部署進入工業核心控制產業，嵌入生產流程，對時延和可靠性能力的要求將進一步提升，URLLC業務的比重也將進一步加大。

2.2 產業能力

當前，商用實現能達到的極致空口時延能力為5 ms，一般低時延商用網絡只能達到10 ms量級，可滿足AR/VR娛樂類業務和港口遠程控制等時延需求10 ms量級，可靠性99.99%級別的業務需求，已落地應用的URLLC典型案例主要包括港口遠程控制和工廠AGV等。

3 URLLC關鍵技術研發進展

3GPP的URLLC標準分別從空口和核心網兩方面開展關鍵技術研究[6-7]，R15階段重點支持URLLC基本功能，在空口靈活配置的基礎上做進一步增強；R16階段具備完整的URLLC能力，引入確定性關鍵技術，支持工業IoT、時延敏感通信等新業務，提供業務差異化的網絡質量保障能力；R17階段支持更準確的定時精度，研究非授權頻段的實現方案。URLLC的空口關鍵技術較多，產業比較關注的特性參見表2。

目前，系統、芯片企業主要實現了部分R15關鍵技術，大部分芯片和系統廠家會在2022年逐步引入R15及R16的更多特性，產業重點推進的技術研發進展如下。

3.1 低時延

(1)非時隙調度(Non-slot)：引入mini-slot將最小調度顆粒從時隙級(14符號)縮短至符號級(2/4/7符號)，縮短空口數傳長度，降低時延，適用于超短時延小包業務場景。以3U1D幀結構為例，mini-slot的引入會降低約13%的時延。Non-slot調度機制比較成熟，已有運營商支持，截止到2021年年底，所有運營商及大部分系統廠家都將支持。

(2)上行免授權調度配置：基站預先為部分終端分配上行傳輸資源，終端可根據業務需求在預分配的資源上直接發起上行傳輸，減少調度時延和開銷。目前，所有運營商及大部分系統廠家已支持。

(3)靈活幀結構：使用1D1S幀結構，可有效降低TDD上下行切換周期，在開預調度情況下，1D1S比1D3U1S幀結構時延性能提升10%～20%，部分運營商已開始試點使用。

(4)業務搶占：終端可基于調度指示傳輸高優先級數據，降低高優先級數據的時延。例如，終端間及終端內部的URLLC業務可搶占eMBB業務資源。大部分系統企業計劃2022年實現，運營商均計劃2022年之后實現該特性。

3.2 高可靠

(1)低碼率MCS/CQI表格：新增MCS表格和CQI表格各一張，支持更低碼率，實現更高可靠性。該特性產業實現難度小，增益明顯，初始可靠性達到99.999%級別，目前部分運營商已支持，截止到2021年年底所有運營商及系統企業均支持。

圖1 不同業務對于時延和可靠性的需求占比

表2 URLLC空口重點關鍵技術列表

(2)PDCP重復：在CA/DC模式下，通過空口冗余傳輸提升可靠性，R15支持兩條冗余鏈路，R16支持最多4條鏈路冗余傳輸。理論評估可靠性能從單鏈路的99%提升至99.99%，適用于小包高可靠業務。部分運營商已支持，系統廠家均計劃2022年支持。

(3)PDCCH 高聚合等級：基站根據信道狀態的調整聚合等級，實現鏈路自適應傳輸，運營商和系統廠家均已支持。

(4)PDCCH增強(壓縮DCI)：新引入2個新的DCI格式，降低控制信道開銷，可提升控制信道的可靠性，運營商和系統廠家均計劃2022年或之后支持。

3.3 確定性技術

目前，最受關注的確定性技術是SIB9高精度授時，通過基站系統消息SIB9的定時信息為終端授時，實現站內3 μs，站間6 μs的授時精度，滿足差動保護等時間敏感型網絡的業務需求。目前，已有部分運營商和系統企業支持該方案，大部分運營商與系統企業還沒有明確計劃。

4 我國URLLC技術試驗規劃

4.1 工作機制

IMT2020(5G)推進組不僅根據產業需求制定技術規范，還負責統籌和組織我國5G技術試驗，推動形成產業共識。IMT2020(5G)推進組將在URLLC技術試驗過程中，逐步完善我國URLLC技術體系，探討URLLC典型場景需求，逐步明確產業對系統、終端設備的要求，推動產品實現。

4.2 試驗內容及規劃

基于制定的測試規范，IMT2020(5G)推進組于2021年9月啟動我國URLLC技術試驗。技術試驗計劃持續兩年，2021年面向系統和終端廠商開展關鍵技術驗證，2022年基于2021年試驗成果，開展URLLC端到端完整的功能測試，對面向典型業務場景的整體方案與系統進行測試。

由于URLLC的多項特性在SA(獨立組網)模式下才能體現，因此技術試驗均基于SA架構展開，測試內容包括關鍵技術的功能驗證和系統在不同信噪比條件下的吞吐量、時延和可靠性等性能指標測試。

鑒于不同廠商對URLLC的技術規劃不同，技術試驗并未對工作頻段進行限值，廠家可選擇中低頻段(TDD或FDD)或26 GHz毫米波頻段進行測試，系統參數也可基于5G商用網絡或針對URLLC單獨設計。

目前，系統企業已啟動高可靠低時延通信技術的實驗室測試。驗證了上下行平衡的幀結構、上行免調度、高可靠的低碼率CQI/MCS表格等多項關鍵技術[8]。大部分廠商選擇中低頻段，部分廠商采用毫米波設備進行試驗。

5 URLLC產業推進策略

目前，所有5G系統廠商和少數終端企業已于2021年下半年啟動URLLC關鍵技術和設備的研發工作，并計劃在2022年引入更多基于R15和R16標準的URLLC特性。芯片方面，主要芯片廠家目前已在硬件平臺上實現了URLLC功能，其軟件部分還需根據市場和產業需求逐步增加和完善。

通過對應用需求、技術難度和產業能力等多方面綜合評估，產業界形成了比較一致的URLLC推進策略：在技術實現上從關鍵到補充；在場景覆蓋上從部分到全面；在功能實現和產業研發上，從降低時延和提升可靠性兩個維度分步驟開展工作。

時延方面，將多種技術靈活組合，分別面向廣域和大部分局域業務提供基礎時延能力和服務，面向局域高需求業務提供增強時延服務；可靠性方面，為大部分業務提供99.999%的可靠性，為工業現場級類高要求業務提供99.9999%的可靠性，形成分級分檔的空口時延和可靠性能力和服務。

針對具體技術特性，總體引入策略建議結合需求迫切度和產業支持情況，分高、中、低3個優先級分步實現，具體如下。

(1)高優先級：2021年實現URLLC基礎功能。運營商、系統廠商和部分終端企業啟動URLLC關鍵技術實現和網絡部署研究工作，實現對URLLC性能影響較大的功能和基礎網絡能力。

(2)中優先級：2022年實現URLLC擴展功能。產業鏈主要廠商均啟動URLLC相關技術研發工作，進一步提升URLLC網絡性能和效率。

(3)低優先級：2023年及之后實現URLLC增強功能。產業長期重點關注URLLC應用及引導性技術的研究和實現。

6 結束語

目前，3GPP的URLLC標準已經演進至R17版本，傳統通信企業的總體研發進度卻還在R15的部分特性研發階段，比標準落后兩個版本，不能完全滿足運營商開展新技術試驗及試點進度的需求。亟需上下游產業鏈企業一起，推動芯片、模組、終端到網絡設備功能和測試方法的成熟。要充分發揮行業主觀能動性，深入挖掘各行業對高可靠低時延業務的痛點需求，探索與URLLC匹配的應用場景，真正體現URLLC的應用價值，助力URLLC的落地商用。