李靜，董秋麗，廖敏

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術研究院，北京 100048）

0 引言

ITU 在eMBB、mMTC、URLLC[1]這三大應用場景上做出了一定規(guī)劃，5G 技術的三大場景應用性和前幾代無線通信技術相比有巨大提升，它必將帶來一些目前無法想象出的應用。5G 作為改變社會，改變生活的技術，它與上一代網(wǎng)絡的區(qū)別不僅是速率的差異大小，而是低時延，5G 網(wǎng)絡可以將4G 網(wǎng)絡下的時延提升至人類感知不到的范圍，所以到5G 應用的成熟階段，行業(yè)應用將從大帶寬的特點向低時延、高可靠的方面拓展，對應于智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能制造和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等高價值應用預計將于2022 年廣泛進入市場，助力運營商通過開放網(wǎng)絡能力，打造差異化的網(wǎng)絡優(yōu)勢，推動移動通信行業(yè)與其它垂直行業(yè)合作探索新領域。

本文聚焦超可靠低時延通信URLLC 的應用場景，這一應用場景涵蓋以人為中心的通信和以機器為中心的通信，使用案例的特點是對時延、可靠性和高可用性有嚴格的要求。URLLC 的應用場景變化范圍非常大，端到端時延從幾毫秒到幾百毫秒，可靠性從兩個九到六個九，吞吐率從幾千到幾百兆字節(jié)每秒[2]等，需要平衡和兼顧如此大的需求范圍是個很大的挑戰(zhàn)。為了更好地了解URLLC 所能帶來的商業(yè)機會和挑戰(zhàn)，本文提煉三大URLLC 典型應用場景進行分析，希望借此幫助行業(yè)了解URLLC 的場景需求、關鍵問題和解決方案。

1 汽車應用場景

隨著R16 URLLC 低時延高可靠階段的到來,智能車網(wǎng)聯(lián)化應用逐步具備落地的條件，它可在一定成本范圍內，大幅提高車輛感知距離和感知信息范圍，且不受惡劣天氣影響，提升車輛智能駕駛的速度和安全性，從而提高主動安全駕駛，將有效緩解城市道路擁堵現(xiàn)象，提升交通資源調配效率，提高出行率，實現(xiàn)城市智慧交通[8]。

1.1 典型應用分析

URLLC 可以用于在道路交通基礎設施的自動化控制，低時延和高可靠的5G 連接用來連接道路兩旁的基礎設施，如路桿、交通燈、指示牌等，如圖1 所示。

車路協(xié)同應用的技術指標要求如表1 所示：

圖1 車路協(xié)同示意圖

表1 車路協(xié)同應用的技術指標要求

1.2 典型應用挑戰(zhàn)

在汽車應用URLLC 的初期，電信運營商、通信系統(tǒng)設備商、應用服務商、交通管理部門、行業(yè)業(yè)主和車企等多家企業(yè)聯(lián)合起來，通過合作共贏、優(yōu)勢互補[4]的方式，快速推出面向市場成熟可用的車聯(lián)網(wǎng)解決方案，共同打造車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈。汽車應用URLLC 的需求包括傳統(tǒng)的覆蓋、容量、時延、可靠性、速率、移動性、安全、成本、功耗等，由于URLLC 繼承了蜂窩產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈和先進的芯片，安全、成本、移動性、功耗和容量都不是太大的問題，覆蓋、速率、時延、可靠性將是未來URLLC 在汽車應用方面主要面臨的挑戰(zhàn)。

2 工業(yè)制造應用場景

智能工廠是一個典型的5G URLLC 應用場景。這是由于工業(yè)制造應用場景的技術要求非常嚴格，時延要求一般在幾毫秒[5]之內，并且需要極高的可靠性。

2.1 典型應用分析

工廠自動化[6]是工業(yè)制造應用場景下的一個典型應用，通過5G 的低時延和高可靠性的特性，把生產(chǎn)線的設備無線連接至邊緣云平臺，可以集中數(shù)據(jù)收集，實時分析和管理，協(xié)作和操控機器人等等，最終把生產(chǎn)線數(shù)碼化和自動化，而整體的生產(chǎn)力和運作成本也可以優(yōu)化。工廠自動化中包含各種機別的移動機器人控制，主要用于工廠室內或室外環(huán)境，覆蓋面積要求在1 km2左右，終端數(shù)目在100 以下。具體的技術指標如表2 所示。

表2 工廠自動化應用的技術指標要求

2.2 典型應用挑戰(zhàn)

5G URLLC 場景致力于擴展更多可支持的業(yè)務模型，但距離真正的工業(yè)自動化依然有很長的一段路要走。為滿足URLLC 低時延高可靠的需求，應用最好部署在授權頻段上，可以使用地方政府授權的頻段，或者轉租運營商現(xiàn)有的頻段。這就要求運營商在做頻譜規(guī)劃的時候考慮這一因素。

3 電力應用場景

電力應用場景[7]下，通信的節(jié)點位于非常細的末梢樹枝上，甚至到了葉子節(jié)點，對于通信網(wǎng)絡的覆蓋和終端成本提出了很高的要求，光纖由于建設成本高難以支撐這類應用，無線網(wǎng)絡是最經(jīng)濟的選擇。由于電力入網(wǎng)需要對齊相位，因而需要調整發(fā)電機組的相位以便與網(wǎng)絡整體銜接，高精度的測量、低時延的反饋和控制更加有利于實現(xiàn)相位對齊。從長遠來看，電力應用場景對URLLC的需求會逐漸增加，并且處于高速的發(fā)展軌道上。

3.1 典型應用分析

本節(jié)將重點介紹輸配電自動化場景中的典型應用——分布式FA。分布式FA 主要應用于配電領域，其主要目的是避免發(fā)生電力事故時導致大面積停電，從而提高供電的可靠性，降低因突發(fā)停電造成的事故和經(jīng)濟損失，提升人民群眾的生活滿意度。URLLC 可以使得各個層級電閘同時上報數(shù)據(jù)，因而整個供電系統(tǒng)只需要一個級差，這可以大大降低對供電設備的要求，相當于配電網(wǎng)絡發(fā)生了一次革命。分布式FA 應用的技術指標要求如表3 所示：

表3 分布式FA應用的技術指標要求

3.2 典型應用挑戰(zhàn)

為滿足電力應用場景，要求電網(wǎng)保護智能終端通信穩(wěn)定可靠，相關聯(lián)的智能保護終端需要在時間誤差范圍內收到相鄰節(jié)點的電流信息，從而保障故障判斷的有效性和準確定。運營商可以幫助電力企業(yè)部署和運維5G網(wǎng)絡，或者采用以租代建的方式；運營商可以通過部署URLLC 網(wǎng)絡切片[9]等技術來滿足業(yè)務的低時延需求，針對終端設備可連接數(shù)收費，也可以按照軟硬件流量整體打包的方式收取功能服務費，也可按照將功能服務費捆綁網(wǎng)絡使用費，對企業(yè)統(tǒng)一收取整體解決方案服務費。

4 網(wǎng)絡切片助力URLLC 業(yè)務

現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構很難滿足5G 時代如此復雜的網(wǎng)絡需求，因此網(wǎng)絡切片的概念應運而生。具體的網(wǎng)絡切片方法有很多種，最基本的是按照三大業(yè)務場景進行切片，即分成eMBB 切片、mMTC 切片和URLLC 切片三大類。由于這三大類的實現(xiàn)技術（尤其是無線側的技術）不一樣，所以這三大場景內部可以根據(jù)服務等級、網(wǎng)絡制式或者企業(yè)不同進行進一步的細分。下面將從部署和策略兩個方面進URLLC 切片方案的設計，靈活的URLLC 切片方案將助力垂直行業(yè)典型應用在5G 網(wǎng)絡中的發(fā)展。

4.1 部署方案

針對URLLC 業(yè)務，考慮成本與組網(wǎng)復雜度，優(yōu)選在SA 架構下支持URLLC 部署?？苫诓煌瑢嶓w設備實現(xiàn)核心網(wǎng)切片，URLLC 可采用UPF 下沉的方式，采用更接近前端部署的UPF。同時，傳輸網(wǎng)絡也可采用差異化的策略來實現(xiàn)傳輸切片，如eMBB 可采用softVPN，而URLLC 可采用FlexE 技術，部署方案示例如圖2 所示：

圖2 URLLC切片部署方案示例

表4 給出了URLLC 使用不同頻段和技術時的技術指標，綜合對比下，現(xiàn)主要推薦使用FDD 頻段支持URLLC 業(yè)務。

表4 URLLC頻率需求情況對比

4.2 策略方案

針對URLLC 切片與eMBB 切片對于可靠度、低時延等方面的要求差異，整體策略上的差異可體現(xiàn)為：

（1）低時延保障

URLLC 切片業(yè)務基于mini-slot 進行調度，而eMBB切片基于slot 進行調度。具有URLLC 切片業(yè)務的UE，上行可配置上行免授權方式進行上行傳輸，減小SR 與信令調度方面的時延開銷。針對URLLC 的切片業(yè)務，相較于eMBB 切片業(yè)務，降低其期望的目標BLER，而后根據(jù)降低后的期望BLER 進行外環(huán)調整，以相對保守的調度策略減少重傳，達到降低時延的目的。URLLC 的切片業(yè)務，使用LowSE（低頻譜效率）的MCS 與CQI 映射表格（99.999%可靠度），保證傳輸可靠度，而相對保守的調度策略可幫助減少重傳，達到降低時延的目的，而eMBB的切片業(yè)務使用常規(guī)的MCS 與CQI 映射表格（90%可靠度）。相較于eMBB 切片業(yè)務，由于URLLC 切片業(yè)務的低時延要求，可采用更為嚴格的接納算法配置，進行URLLC 切片對應的用戶數(shù)與承載數(shù)限制。

（2）高可靠傳輸保障

相較于eMBB 切片業(yè)務，URLLC 部分高可靠傳輸保障的策略與低時延保障中的相同，其中包括降低期望的目標BLER、使用LowSE 的MCS 與CQI 映射表格等。從資源利用率的角度考慮，URLLC 切片業(yè)務可考慮重復發(fā)送，并且由于URLLC 業(yè)務的時延敏感特性，采用基于上行免授權的重復發(fā)送較為適合。

（3）資源保障

上行/下行URLLC 的切片業(yè)務均可與eMBB 的切片業(yè)務進行半靜態(tài)頻分配置（采用不同調度器），調度器預留一定比例資源以保障URLLC 的切片業(yè)務。下行支持不同UE 間的URLLC 的切片業(yè)務與eMBB 的切片業(yè)務進行打孔搶占，保證URLLC 切片業(yè)務的傳輸資源。

5 面臨的挑戰(zhàn)

前面列舉分析的應用場景僅是5G URLLC 相對典型的一部分，更多的應用相信未來會隨著技術和產(chǎn)業(yè)鏈的成熟如雨后春筍般出現(xiàn)。但是5G URLLC 的應用在標準、頻譜及網(wǎng)絡部署、終端和商業(yè)模式等方面都面臨巨大的挑戰(zhàn)。

（1）標準

當前的3GPP R15 標準主要定義了eMBB 的技術規(guī)范，而真正作為5G 革命性技術的URLLC 和網(wǎng)絡切片技術要在3GPP R16 才能得以完善。URLLC 的各種功能當前還在R16 技術規(guī)范討論中。其他功能如mMTC 更要到R17 才會定義。3GPP R16 標準預計在2020 年確定，而商業(yè)部署和產(chǎn)業(yè)鏈成熟也需要標準確定后的若干年才能實現(xiàn)規(guī)模商用。

（2）頻譜及網(wǎng)絡

當前國內的5G 頻譜主要應用于eMBB 業(yè)務，例如3.5 GHz 和2.6 GHz 頻段。如前面所提到的，eMBB 和URLLC 業(yè)務，尤其是極高要求（Critical/Ultra-Cricital）的URLLC 業(yè)務，可能難以在同一張物理網(wǎng)絡上同時應用。而即使采用了網(wǎng)絡切片方式的虛擬專網(wǎng)也可能因為應用場景的巨大差異而使得網(wǎng)絡運維變得復雜，所以運營商或許需要考慮使用專用的頻段和物理網(wǎng)絡來部署URLLC，比如FDD 頻譜重耕等。而又因為URLLC 應用于各種垂直行業(yè)，各行各業(yè)的應用場景不盡相同，如覆蓋大小、移動性、時延、吞吐率、可靠性等指標要求不一致，使得URLLC的頻譜策略和網(wǎng)絡部署變得復雜和難以平衡。

不同于eMBB 業(yè)務的終端，URLLC 業(yè)務終端將更多應用于垂直行業(yè)。有的終端追求性能，有的追求功耗和成本，各種行業(yè)應用要求不盡相同，因此終端的產(chǎn)品形態(tài)將呈現(xiàn)多樣化和定制化趨勢，這對于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟周期也提出了新的要求。

（3）商業(yè)模式

由于URLLC 業(yè)務將更多應用于垂直行業(yè)，而各行各業(yè)的應用場景和需求不盡相同。這要求服務提供商能根據(jù)行業(yè)特點進行精細化定制和設定靈活的策略及接口。雖然5G 引入網(wǎng)絡切片的架構技術使得垂直行業(yè)應用和定制變得更加標準化，但是商業(yè)模式和運維上仍然充滿了新的和不可預知的挑戰(zhàn)。無論是電信運營商、互聯(lián)網(wǎng)公司，還是系統(tǒng)設備商、終端制造商，均需要產(chǎn)業(yè)圈各方通力合作，進行5G URLLC 全方位生態(tài)建設，打造5G URLLC 業(yè)務落地的示范效應，推動5G URLLC 生態(tài)圈不斷壯大[10]。

6 結束語

為了更好地了解URLLC 所能帶來的商業(yè)機會，本文選取了三大最有前景的應用場景進行分析，希望借此幫助行業(yè)了解URLLC 技術應用的進展和挑戰(zhàn)。雖然目前URLLC 技術的成熟落地還有一段窗口期，但是其低時延高可靠的無線屬性勢必將會成為未來智慧交通、工業(yè)制造、智慧能源等垂直行業(yè)轉型升級不可或缺的支撐技術，其毫秒級的時延、六個九的高可靠性和百兆以上的傳輸速率，保證其能夠與特定垂直行業(yè)的各環(huán)節(jié)融合。5G 的三大服務場景URLLC、eMBB 和mMTC 其天然的差異性將引領未來關鍵的基礎設施和重要應用逐步架構在5G 網(wǎng)絡切片的技術發(fā)展上，所以本文深入探討了URLLC 切片的解決方案，結合部署和無線策略的合理設計，可針對性地滿足不同應用場景的需求，有助于URLLC 賦能垂直行業(yè)的良性發(fā)展。