产业与政策丨5G高可靠低时延通信标准现状及产业进展

作者简介

黎卓芳  

中国信息通信研究移动通信创新中心主任工程师，长期从事移动通信和无线接入技术的标准制定、试验验证和产业研究工作。

刘慧敏  

中国信息通信研究泰尔终端实验室助理工程师，从事无线接入技术标准化和测试认证工作。

解博森  

北京邮电大学叶培大实验班学生，跟踪学习移动通信相关技术及标准。

论文引用格式：

黎卓芳, 刘慧敏, 解博森. 5G高可靠低时延通信标准现状及产业进展[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(4):37-42.

5G高可靠低时延通信标准现状及产业进展

黎卓芳¹  刘慧敏²  解博森³

（1. 中国信息通信研究院移动通信创新中心，北京 100191；2. 中国信息通信研究院泰尔终端实验室，北京 100191；3. 北京邮电大学叶培大实验班，北京 100876）

摘要：高可靠低时延通信（URLLC）是5G三大应用场景之一，为推动其产业发展，首先介绍国内外URLLC标准制定现状及未来演进路线，梳理我国不同应用场景对时延、可靠性的业务需求，再从技术实现和产业落地的角度，详述我国URLLC关键技术的研发现状和技术试验规划，最后提出URLLC产业推进策略建议。

关键词：5G；高可靠低时延通信；关键技术；研发试验；产业推进策略

中图分类号：TN929.5        文献标志码：A

引用格式：黎卓芳, 刘慧敏, 解博森. 5G高可靠低时延通信标准现状及产业进展[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(4):37-42.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.04.007

0  引言

ITU定义的5G三大应用场景分别为，增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）满足连续广覆盖和热点高容量场景需求^[1]；超高可靠低时延通信（Ultra Reliable and Low Latency Communication，URLLC）满足工业自动化、远程自动驾驶等低时延高可靠应用需求^[2-3]；海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）满足低功耗大连接的物联网需求^[1]。从5G技术标准演进和商用部署情况看，eMBB场景已率先完成标准化并规模应用，并逐渐向URLLC场景渗透，最后发展mMTC。

不同于eMBB场景可同时服务企业和个人，URLLC场景重点面向垂直行业应用，随着URLLC标准的完善，其关键技术正被逐步实现，产业也开始不断探索URLLC应用模型。通过梳理URLLC标准和需求现状，调研关键技术研发及技术试验进展，提出我国URLLC产业推进建议，将有利于URLLC技术的商用落地，并拓展5G应用场景和业务模式。

1  URLLC国内外标准现状

1.1  国际标准

5G国际标准工作主要在国际电信联盟（ITU）和第三代合作伙伴计划（3GPP）的发起和组织下进行。作为联合国的15个专门机构之一，ITU是5G国际标准制定的需求方，ITU发布的5G标准，是全球实施部署5G网络的基础。ITU在2015年9月发布的ITU-R M.2083-0建议书《IMT愿景——2020年及之后 IMT未来发展的框架和总体目标》中明确指明URLLC是5G三大主要应用场景之一，要求其空口时延达到1 ms^[4]。

3GPP根据ITU提出的5G需求和愿景,开展关键技术研究和技术标准制定，并向ITU提交标准。目前，URLLC标准有3个演进版本，分别为R15、R16和R17，各版本逐步完善URLLC的业务需求、应用场景和性能指标。2018年6月发布的R15版本，支持链路级的基础URLLC能力，设计目标场景单一，主要保障单链路业务性能，如AR/VR等娱乐场景。R15侧重于中低频率的URLLC标准制定，通过引入传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）结构来降低时延并引入多项提升可靠性的方案^[5]，满足空口单向1 ms时延和99.999%的可靠性要求。2020年7月发布的R16版本，完善了中低频和毫米波频段全覆盖的URLLC技术方案，支持多业务场景的URLLC能力。R16标准引入时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）基础协议，为多种业务提供URLLC通信能力，满足99.9999%的高可靠性和空口单向0.5~1 ms时延的业务需求，并提供低至1 μs的抖动和20 ns级别的精准授时同步。为R16新增的工业自动化、智能交通和电网管理等场景提供更高可靠、更低时延的技术解决方案。

R17版本计划于2022年6月发布，将支持更高的定时精度和更灵活的频谱方案，扩展支持免许可频段的URLLC能力，并进一步将5G与TSN结合，目标是利用5G无线技术替代有线连接，解决传统工业网络布线杂乱、维护难度大、设备移动性低等问题。

1.2  国内标准

中国通信标准化协会（CCSA）是3GPP在中国的唯一合作伙伴，是我国5G通信标准的制定机构，组织我国企业和研究机构，紧跟5G技术发展，制定5G通信标准。

我国5G标准制定的总体原则是，基于3GPP国际标准，根据国内运营市场需求和实际频率规划，依托5G产业进展，确定标准关键技术参数、功能要求和性能指标等，形成符合我国应用需求和产业能力的5G标准，支撑我国5G网络部署。目前，我国基于3GPP R15/R16协议的5G URLLC行业标准立项工作已完成。工业和信息化部已下达“5G数字蜂窝移动通信网 面向低时延高可靠（URLLC）的终端设备技术要求和测试方法（第一阶段）”和“5G数字蜂窝移动通信网 面向低时延高可靠（URLLC）的基站设备技术要求和测试方法（第一阶段）”两项行标的立项计划。

IMT-2020（5G）推进组由我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会及科技部联合推动成立，主要开展5G关键技术研究、产业研发试验和推动我国在ITU、3GPP等国际标准化组织的相关工作。推进组于2021年8月完成两本URLLC规范的制定，分别为《5G增强技术研发试验URLLC关键技术要求》和《5G增强技术研发试验URLLC关键技术测试方法》。规范整体编制原则是，基于当前产业现状，技术要求适当引领，测试规范匹配产业能力。目前，URLLC系统和芯片研发能力主要处于R15阶段，因此技术要求面向3GPP R15和R16两个版本的低时延和高可靠关键技术特性，测试方法主要面向R15版本的重点技术和基础性能。

2  我国URLLC业务需求及产业能力分析

2.1  业务需求

不同于eMBB同时适用于企业用户和个人用户场景，URLLC将主要面向行业应用，低时延主要用于数据及控制命令的无线快速传输和回传，以实现信息传递的及时性、提升协同的准确性；高可靠主要提高无线信息传输的正确率，以提升应用命令传递的有效性、保证操作的安全性。不同行业不同应用场景的不同业务，对时延和可靠性的要求也不相同，表1举例的典型业务对时延的需求在1~20 ms，可靠性在“4个9”到“6个9”之间。

表1  3GPP定义的URLLC典型应用场景的业务需求举例

我国运营商5G专网龙头项目统计显示，目前不同业务对时延和可靠性需求的分布情况如图1所示，对端到端时延要求小于20 ms的业务占比49%，可靠性要求在5个9及以上的业务占比33.3%。未来随着5G部署进入工业核心控制产业，嵌入生产流程，对时延和可靠性能力的要求将进一步提升，URLLC业务的比重也将进一步加大。

图1  不同业务对于时延和可靠性的需求占比

2.2  产业能力当前，商用实现能达到的极致空口时延能力为5 ms，一般低时延商用网络只能达到10 ms量级，可满足AR/VR娱乐类业务和港口远程控制等时延需求10 ms量级，可靠性99.99%级别的业务需求，已落地应用的URLLC典型案例主要包括港口远程控制和工厂AGV等。
3  URLLC关键技术研发进展
3GPP的URLLC标准分别从空口和核心网两方面开展关键技术研究^[6-7]，R15阶段重点支持URLLC基本功能，在空口灵活配置的基础上做进一步增强；R16阶段具备完整的URLLC能力，引入确定性关键技术，支持工业IoT、时延敏感通信等新业务，提供业务差异化的网络质量保障能力；R17阶段支持更准确的定时精度，研究非授权频段的实现方案。URLLC的空口关键技术较多，产业比较关注的特性参见表2。目前，系统、芯片企业主要实现了部分R15关键技术，大部分芯片和系统厂家会在2022年逐步引入R15及R16的更多特性，产业重点推进的技术研发进展如下。表2  URLLC空口重点关键技术列表

3.1  低时延（1）非时隙调度（Non-slot）：引入mini-slot将最小调度颗粒从时隙级（14符号）缩短至符号级（2/4/7符号），缩短空口数传长度，降低时延，适用于超短时延小包业务场景。以3U1D帧结构为例，mini-slot的引入会降低约13%的时延。Non-slot调度机制比较成熟，已有运营商支持，截止到2021年年底，所有运营商及大部分系统厂家都将支持。
（2）上行免授权调度配置：基站预先为部分终端分配上行传输资源，终端可根据业务需求在预分配的资源上直接发起上行传输，减少调度时延和开销。目前，所有运营商及大部分系统厂家已支持。
（3）灵活帧结构：使用1D1S帧结构，可有效降低TDD上下行切换周期，在开预调度情况下，1D1S比1D3U1S帧结构时延性能提升10%~20%，部分运营商已开始试点使用。
（4）业务抢占：终端可基于调度指示传输高优先级数据，降低高优先级数据的时延。例如，终端间及终端内部的URLLC业务可抢占eMBB业务资源。大部分系统企业计划2022年实现，运营商均计划2022年之后实现该特性。
3.2  高可靠（1）低码率MCS/CQI表格：新增MCS表格和CQI表格各一张,支持更低码率，实现更高可靠性。该特性产业实现难度小，增益明显，初始可靠性达到99.999%级别，目前部分运营商已支持，截止到2021年年底所有运营商及系统企业均支持。
（2）PDCP重复：在CA/DC模式下，通过空口冗余传输提升可靠性，R15支持两条冗余链路，R16支持最多4条链路冗余传输。理论评估可靠性能从单链路的99%提升至99.99%，适用于小包高可靠业务。部分运营商已支持，系统厂家均计划2022年支持。
（3）PDCCH 高聚合等级：基站根据信道状态的调整聚合等级，实现链路自适应传输，运营商和系统厂家均已支持。
（4）PDCCH增强（压缩DCI）：新引入2个新的DCI格式，降低控制信道开销，可提升控制信道的可靠性，运营商和系统厂家均计划2022年或之后支持。
3.3  确定性技术目前，最受关注的确定性技术是SIB9高精度授时，通过基站系统消息SIB9的定时信息为终端授时，实现站内3 μs，站间6 μs的授时精度，满足差动保护等时间敏感型网络的业务需求。目前，已有部分运营商和系统企业支持该方案，大部分运营商与系统企业还没有明确计划。
4  我国URLLC技术试验规划
4.1  工作机制IMT2020（5G）推进组不仅根据产业需求制定技术规范，还负责统筹和组织我国5G技术试验，推动形成产业共识。IMT2020（5G）推进组将在URLLC技术试验过程中，逐步完善我国URLLC技术体系，探讨URLLC典型场景需求，逐步明确产业对系统、终端设备的要求，推动产品实现。
4.2  试验内容及规划基于制定的测试规范，IMT2020（5G）推进组于2021年9月启动我国URLLC技术试验。技术试验计划持续两年，2021年面向系统和终端厂商开展关键技术验证，2022年基于2021年试验成果，开展URLLC端到端完整的功能测试，对面向典型业务场景的整体方案与系统进行测试。
由于URLLC的多项特性在SA（独立组网）模式下才能体现，因此技术试验均基于SA架构展开，测试内容包括关键技术的功能验证和系统在不同信噪比条件下的吞吐量、时延和可靠性等性能指标测试。鉴于不同厂商对URLLC的技术规划不同，技术试验并未对工作频段进行限值，厂家可选择中低频段（TDD或FDD）或26 GHz毫米波频段进行测试，系统参数也可基于5G商用网络或针对URLLC单独设计。目前，系统企业已启动高可靠低时延通信技术的实验室测试。验证了上下行平衡的帧结构、上行免调度、高可靠的低码率CQI/MCS表格等多项关键技术^[8]。大部分厂商选择中低频段，部分厂商采用毫米波设备进行试验。
5  URLLC产业推进策略
目前，所有5G系统厂商和少数终端企业已于2021年下半年启动URLLC关键技术和设备的研发工作，并计划在2022年引入更多基于R15和R16标准的URLLC特性。芯片方面，主要芯片厂家目前已在硬件平台上实现了URLLC功能，其软件部分还需根据市场和产业需求逐步增加和完善。
通过对应用需求、技术难度和产业能力等多方面综合评估，产业界形成了比较一致的URLLC推进策略：在技术实现上从关键到补充；在场景覆盖上从部分到全面；在功能实现和产业研发上，从降低时延和提升可靠性两个维度分步骤开展工作。时延方面，将多种技术灵活组合，分别面向广域和大部分局域业务提供基础时延能力和服务，面向局域高需求业务提供增强时延服务；可靠性方面，为大部分业务提供99.999%的可靠性，为工业现场级类高要求业务提供99.9999%的可靠性，形成分级分档的空口时延和可靠性能力和服务。针对具体技术特性，总体引入策略建议结合需求迫切度和产业支持情况，分高、中、低3个优先级分步实现，具体如下。
（1）高优先级：2021年实现URLLC基础功能。运营商、系统厂商和部分终端企业启动URLLC关键技术实现和网络部署研究工作，实现对URLLC性能影响较大的功能和基础网络能力。
（2）中优先级：2022年实现URLLC扩展功能。产业链主要厂商均启动URLLC相关技术研发工作，进一步提升URLLC网络性能和效率。
（3）低优先级：2023年及之后实现URLLC增强功能。产业长期重点关注URLLC应用及引导性技术的研究和实现。
6  结束语
目前，3GPP的URLLC标准已经演进至R17版本，传统通信企业的总体研发进度却还在R15的部分特性研发阶段，比标准落后两个版本，不能完全满足运营商开展新技术试验及试点进度的需求。亟需上下游产业链企业一起，推动芯片、模组、终端到网络设备功能和测试方法的成熟。要充分发挥行业主观能动性，深入挖掘各行业对高可靠低时延业务的痛点需求，探索与URLLC匹配的应用场景，真正体现URLLC的应用价值，助力URLLC的落地商用。
参考文献
[1] 吴上, 邓浩江, 盛益强. 基于门控循环神经网络的网络时延预测模型[J]. 网络新媒体技术, 2021,10(6):29-37.[2] 吴佳騄, 刘恒. 云网融合场景下的传输网络架构探讨[J]. 通信技术, 2022,55(1):70-76.[3] 谢琳琳, 陈昊文. 5G切片技术及应用场景的探讨[J].广西通信技术, 2020(1):32-35.[4] 刘晓峰. 5G无线系统设计与国际标准[M]. 北京:人民邮电出版社, 2019.[5] 3GPP. Study on physical layer enhancements for NR ultrareliable and low latency communication(URLLC)[R], 2018.[6] 沈嘉. 5G核心技术与增强:从5G R15到R16[M]. 北京:清华大学出版社, 2021.[7] 3GPP. Study on physical layer enhancements for NR ultrareliable and low latency case(URLLC)(R16)[R], 2020.[8] 许森, 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.
Standardization and industry progress of 5G Ultra Reliable and Low Latency Communications
LI Zhuofang¹, LIU Huimin², XIE Bosen³
(1. Mobile Communication Innovation Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 2. CTTL Terminal Labs, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China; 3. Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
Abstract: URLLC is one of the three major scenarios of 5G. To promote the development of 5G industry, first briefly introduce the current status and future evolution of URLLC standards, and sort out the business requirements for latency and reliability in different scenarios in China. Then introduces the research and development status of URLLC key technologies. Finally, gives suggestions on industry development strategy of China.Keywords: 5G; URLLC; key technology; test; industry development strategy

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第4期

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