無線超可靠低時延通信：關鍵設計分析與挑戰

伏玉筍，楊根科,2

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.上海交通大學寧波人工智能研究院，浙江 寧波 315000）

1 引言

從20 世紀80 年代以來，移動通信技術逐步實現從固定到移動、模擬到數字、電路交換到云網融合、窄帶到寬帶，以及人人互聯到萬物智聯的演進，為社會、經濟的發展不斷注入新的動力，帶動了整個產業生態的發展，同時也提出了更高的生態系統需求。5G 時代的到來，促使5G 與人工智能、云計算、大數據、物聯網/工業互聯網、邊緣計算等融合交織，在各行各業產生“聚變”反應。

3GPP 在5G 考慮了3 種不同的業務類別：增強移動寬帶通信（eMBB,enhanced mobile broadband），如增強現實/虛擬現實（AR/VR,augmented reality/virtual reality）等，增強移動寬帶場景主要是以人為中心的通信；大規模機器類通信（mMTC,massive machine type communication），這是一個純粹的以機器為中心的使用場景，主要特點是終端數量龐大；超可靠低時延通信（URLLC,ultra-reliable and low-latency communication），這是一個涵蓋以人為中心和以機器為中心的通信場景，常被稱為關鍵機器類通信（C-MTC,critical machine type communication）。URLLC 場景應用案例的特點是對時延、可靠性和可用性有嚴格的要求，比如有安全要求的車輛間的通信、工業設備的無線控制、遠程手術及智能電網中的分布式自動化；又如以人為中心的3D游戲和“觸覺互聯網”，其特點是低時延和超高數據速率。

這3 個場景并沒有涵蓋所有可能的應用案例，而是提供了一個對大多數可預見的應用情況的分類，來分析5G 無線接入所需要的關鍵能力，這意味著新的無線接口必須具有高度的靈活性以支持未來可能的新應用?？紤]對垂直業務的有效支撐，能為整個電信行業帶來新的業務，URLLC 在其中扮演著非常重要的角色，因此，無論是學術界還是工業界都已做了大量研究[1-120]，但大都側重某一方面進行研究，或者不夠全面的“綜述”類研究[1-2]。本文基于“系統設計”視角，首先從應用場景和需求著手，全面分析了URLLC 所涉及的關鍵技術及可能的方案，包括從需求到架構和解決方案總體、端到端服務質量（QoS,quality of service）管理，然后重點對物理層檢測性能要求、媒體接入控制（MAC,media access control）層鏈路自適應、無線資源管理（包括小區內無線資源管理和小區間無線資源管理）、端到端分集方案（包括從應用層到核心網、接入網）進行了分析，最后給出了5G 中URLLC 作為橋被時間敏感網絡（TSN,time sensitive network）集成的方案等，以期對URLLC 領域有一個全面、系統、深入的了解和判斷。本文的寫作邏輯和框架如圖1所示。

圖1 本文的寫作邏輯和框架

需要說明的是，本文重點聚焦在5G 標準未確定的關鍵技術，對于5G 標準已確定的關鍵技術，只予以總體性提及，并不展開論述。

2 URLLC 應用場景和需求

通信服務可用性是指端到端通信服務根據約定的QoS 交付的時間量和系統根據特定區域的規范預期交付端到端服務的時間量的百分比。

可靠性通常是指在網絡層數據分組傳輸的上下文中，在目標服務所要求的時間限制內，成功傳送到給定系統實體的已發送網絡層數據分組數量和已發送網絡層數據分組的總數的百分比。與時延相關的可靠性中，時延保證達到可靠性水平?？煽啃杂蓵r延范圍內未成功發送到接收器的分組故障概率ε來判定，這些分組要么是錯誤的、丟失的，要么是到達太晚。圖2 顯示了與時延有關的可靠性定義，以及時延與可靠性的關系[3]，其中，CDF（cumulative distribution function）為累積分布函數。由圖2 可以看出，可靠性的提高是以增加時延為代價的。

圖2 可靠性定義及與時延的關系

表1 給出了典型低時延高可靠場景的性能需求[4-5]。

表1 典型低時延高可靠場景性能需求

3 URLLC 協議框架、關鍵技術和解決方案

時延是端到端的時延，可靠性是端到端的可靠性，因此架構很重要。為支持差異化的應用場景和云化部署方式，5G 采用全新的基于服務化的架構（SBA,service based architecture），如圖3 所示[11]，具體介紹如下。

1) 借鑒信息技術（IT,information technology）系統服務化/微服務化架構的成功經驗，通過模塊化實現網絡功能間的解耦和整合，各解耦后的網絡功能獨立擴容、獨立演進、按需部署。

2) 控制面所有網絡功能（NF,network function）之間的交互采用服務化接口，同一種服務可以被多種NF 調用，降低NF 之間接口定義的耦合度，最終實現整網功能的按需定制，靈活支持不同的業務場景和需求。

圖3 中的AUSF、AMF、SMF、NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM、AF、UPF、(R)AN、DN、UE等是模塊化的網絡功能，Nausf、Namf、Nsmf、Nnssf、Nnef、Nnrf、Npcf、Nudm、Naf 等是對應模塊基于服務化的接口。以NSSF 為例，網絡切片本質上是將物理網絡劃分為多個虛擬專網，每個虛擬專網根據不同的服務需求靈活地支撐不同網絡應用場景，實現公網專用。5G 提供網絡切片的功能，基于同客戶簽訂的服務級協議（SLA，service level agreement），為不同垂直行業、不同客戶、不同業務提供相互隔離、功能可定制的網絡服務。比如eMBB、mMTC、URLLC 就可屬于3 個不同切片。

QoS 機制主要負責從網絡的角度進行業務管理和提供業務的差異性，網絡實體根據不同的質量需求來處理不同業務。5G 網絡的QoS 模型如圖4 所示[12]，其主要特點如下。

1) 控制粒度為適配多樣化的業務需求，基于QoS 流（QoS flow）執行QoS 控制。

2) 同一PDU（power distribution unit）會話（session）的服務流采用同一隧道（tunnel），減少隧道管理開銷。

3) 5G QoS 包括保證比特速率（GBR,guaranteed bit rate）QoS 流和非保證比特速率（Non-GBR）QoS 流。

4) 5G QoS 流與數據無線承載（DRB,data radio bearer）支持多對一映射。

5) QoS 建立機制，支持信令控制QoS 機制和反射QoS（reflective QoS）機制（僅用Non-GBR QoS流），后者可減少信令開銷。

圖3 基于服務化的5G 網絡架構

圖4 5G 網絡的QoS 模型

涉及QoS 的主要參數有資源類型（GBR、delay critical GBR 和Non-GBR）、優先級、分組時延、分組錯誤率、平滑窗大小、最大數據量等。和URLLC密切相關的是參數時延臨界GBR（delay critical GBR）等。

URLLC 解決方案是端到端的、全系統的，可以分為低時延、高可靠，以及系統效率這三部分約束下，如何最大化系統效率。所涉及的關鍵技術主要是新型幀結構、物理層信道性能增強、靈活架構、資源管理、端到端的多路徑分集等，具體如圖5所示。

圖5 URLLC 解決方案

4 URLLC 物理層檢測性能需求分析

以下行空口傳輸過程為例，通常一個空口發送，再反饋重傳的過程如圖6 所示。設pc表示下行控制信道的成功檢測概率，PDTX=P{DTX或NACK|DTX}表示UE 發送DTX 被檢測為DTX 或NACK 的概率，PN=P{DTX或 NACK|NACK}表示UE 發送NACK 但被檢測為DTX 或NACK 的概率，Pd1、Pd2分別表示數據信道第一次和第二次成功檢查的概率。那么兩次傳輸后的成功概率為

圖6 下行空口傳輸過程

設pURLLC=99.999%，為達成這一最終目標，由式(1)可以看出，控制信道和反饋信道的可靠性與數據信道的可靠性之間存在相互制約的關系，任何一方的可靠性降低，都影響著最終結果。假設只有一次數據發送，則成功的概率pURLLC=pcpd1。當pc=pd1時，則pc=pd1=99.999 5%，那么下行數據信道的誤塊率BLERd1=1 ?pd1=5 ×10?6。這表明無論是對控制信道還是數據信道的檢測性能要求都是非常高的。對于數據信道，可以通過混合自動重復請求（HARQ,hybrid automatic repeat request）機制進一步提升可靠性，而對于控制信道，只能通過“重復”提高，當情況最差時，無線鏈路控制（RLC,radio link control）層的自動重傳請求（ARQ,automatic repeat request）也是對數據信道和控制信道都受益的糾錯機制，只不過時延進一步拉長。當然，信道編碼和接收機的性能也無疑是非常關鍵的。

綜上可知，可以從最大傳輸次數為2 的情況推廣到最大傳輸次數為N的情況[12]，如式(2)所示。

5 URLLC 的鏈路自適應分析

鏈路自適應指系統根據無線環境和鏈路狀態等信息對調制方式、傳輸塊（TBS,transport block size）大小及碼率進行動態選擇的過程。在5G 系統中，上下行方向的鏈路自適應都是由基站來進行控制的?；靖鶕E 上報的CQI 來選擇當前信道狀況下最合適的MCS，以滿足特定比特錯誤率和分組誤塊率（BLER,block error rate）的頻譜效率，確保數據速率最大化。例如，當無線條件較好時，則在物理層上使用較高的MCS 和碼率，以增加系統吞吐量；當無線環境較差時，則需要使用較低的MCS 和碼率，以增加傳輸可靠性。

5.1 URLLC 的MCS 工作點

傳統CQI 表對應的誤塊率目標值為10%，因此無法達到URLLC 的可靠性要求。HARQ 雖然可以提高可靠性，但是會增加時延。在CQI 表增加較低碼率雖然可以滿足可靠性和時延要求，但是會增加UE 上報CQI 表所需要的比特數。因此考慮URLLC采用獨立的CQI 表[13-14]，并使用不同的BLER 目標值。另外，由于URLLC 對峰值速率的要求不高[15]，因此沒有必要采用較高的調制階數。圖7 以6 bit的CQI 表[13]、基于QPSK/16QAM/ 64QAM 為例來顯示不同業務在不同工作點所對應的頻譜效率，其中，CQI 越大，意味著信干比或信噪比越高。由圖7 可以看出，提升可靠性的代價是犧牲了頻譜效率，即頻譜效率越高，意味著單位時間和帶寬內傳輸的比特數越多。

圖7 URLLC 和MBB 業務不同工作點對應的頻譜效率

5.2 HARQ 的影響分析及其最優設計

HARQ 是一種時間分集，對提升數據在無線信道下的可靠性有著非常重要的意義。然而，只有當超可靠業務的時延要求為HARQ（或ARQ）重傳留下足夠的時間時，才能使用HARQ。從表1 可以看出，不同應用場景對時延的要求不同。對于有適度時延要求的超可靠業務（明顯超過HARQ 重傳時間），HARQ 是提供足夠可靠性的選項之一。對于HARQ 而言，也需要考慮HARQ 反饋信息的可靠性來進行總體可靠性評估，前面對此已經分析，故本節不再贅述。當不考慮HARQ 時，可以通過捆綁多個子幀重復發送的方式來增加傳輸的可靠性。因此，基于HARQ 的傳輸和基于非HARQ 的傳輸應該根據時延、可靠性和頻譜效率之間的權衡來考慮。

下面首先對時延進行分析。需要說明的是，本文忽略固定時延，只考慮由HARQ/ARQ 引起的相對時延。

沒有HARQ，只考慮ARQ，由BLER 導致的時延可以表示為

其中，TTI 表示傳輸間隔，DUE-RAN(ARQ)表示UE 和RAN 之間存在的ARQ 時延，DARQ表示ARQ 機制導致的時延，M表示最大傳輸次數。當M趨向于無窮時，有

考慮HARQ，但沒有軟合并，在HARQ 之后再ARQ，可得式(6)和式(7)所示結果。

其中，DUE-RAN(HARQ)表示UE 和RAN 之間存在HARQ 的時延，DHARQ表示HARQ 導致的時延，N表示最大傳輸次數，DUE-RAN(HARQ&ARQ)表示UE 和RAN 間存在HARQ 和ARQ 的時延。

考慮HARQ，但有軟合并，在HARQ 之后再ARQ，有式(8)和式(9)所示結果。

本文對上述幾種機制的平均傳輸時延進行實驗仿真，實驗參數與式(14)及式(15)對應文獻的鏈路級參數如表2 所示，實驗結果如表3 所示。

表2 實驗參數設置

表3 平均傳輸時延結果

由表3 可以看出，當BLER 比較小時，對時延的影響比較??；隨著BLER 的增大，時延也增加。有了時延和BLER 的對應結果，再根據BLER 和SINR 的解調曲線，就很容易基于時延和錯誤率的約束來選擇基于吞吐量最大化的MCS。

6 URLLC 的無線資源管理

資源管理首先要滿足用戶QoS 的要求，在此基礎上，要最大化系統的效率。5G 系統的QoS特征如表4 所示[10]。需要說明的是，由于表格太大，本文省略了GBR 和Non-GBR 的部分描述，對應URLLC 的主要是delay critical GBR 所對應的行。

必須強調的是，QoS 是端到端的QoS，因此需要端到端、端到全系統的每個節點/環節及功能模塊聯合起來共同努力。表5 說明了用戶面處理和表4的QoS 功能和參數是如何分配給網絡中不同節點與功能模塊的。

表4 5G 系統的QoS 特征

表5 用戶面QoS 功能總體

本節重點討論與無線資源管理的上下行調度密切相關的部分。調度涉及的資源分配總體框架如圖8 所示。其中，HARQ 重傳與鏈路自適應部分在前面已涉及，功率控制與分配與下文的干擾管理有關。

6.1 優先級計算

不同的業務有不同的QoS 要求，時延不敏感業務和時延敏感業務常用的優先級計算方法[45-46]如表6 所示?？梢杂帽? 中類似方法或者其他方法來推廣URLLC 業務，但要在有關變量的統計上，采用適合URLLC 業務的方案。具體說明如下。

圖8 MAC 層資源分配總體框架

表6 常用的調度優先級計算方法

設分組i的大小為si，剩余時間為di(di≥ 1)個TTI。如果分組i在，那么該分組將被丟棄，因為剩余時間結束。因為一個分組可以被分段在不同TTI 的不同的RB 上發送，所以設是TTIt結束時發送的總的數據量的大小，那么如果（表示數據分組i的剩余時間還未結束），則這個數據分組成功發送給了UE。反之，如果（表示數據分組i沒有全部發送）且（表示剩余時間結束），則這個數據分組沒有被成功發送，將被丟棄。Ri(t)可按如式(24)進行更新。

可以看出，URLLC 業務的方案不僅考慮了當前TTI 時刻t，而且考慮到了，也就是說，直到完成最后一個分組的傳輸，整個分組才能傳輸成功，Ri(t)才變化，這和表6 中的表述不同。

如果采用式(26)或式(27)所示效用函數，那么基于動態規劃求最優解也是候選方案[47]。

除了上面所述動態調度，對于URLLC 業務，也可以采用持續調度（persistent scheduling）或者半持續調度（semi-persistent scheduling），類似于基于IP 語音（VoIP,voice over IP）傳輸業務的調度處理方式[46]。所謂持續調度就是通過高層信令預先分配好資源和調制編碼方式，用戶在分配有效期內不再監聽物理層控制信道而是直接發送和接收數據。這種方法的好處是節省信令開銷、簡單，同時可降低對控制信道可靠性的要求；不足之處是可能浪費數據信道資源。

6.2 干擾管理

在無線通信網絡中，當多對通信鏈路共享相同資源域時，所產生的相互干擾將導致網絡資源浪費并使網絡性能惡化，因此干擾管理是改善網絡性能的重要手段。圖9 給出了干擾管理的各種技術及潛在的增益空間和實現代價（圖中符號說明：S表示信號；I表示干擾；N0表示噪聲；分母上的i表示部分干擾，分子上的i表示干擾轉換為信號的部分）。需要說明的是，這里的代價不僅僅指接收機的處理能力，更多的是指為了實現小區間的聯合設計，不同的技術所需要滿足的條件，包括基站間是否需要同步、基站間回傳的時延和帶寬需求等。此外，涉及物理層的特有干擾抑制技術，包括干擾抑制合并（IRC,interference rejection combining）。即當存在個別主要干擾時，可以選擇加權系數在干擾的方向形成大的衰落，抑制特定的干擾，以及非線性接收機最大似然檢測（MLD,maximum likelihood detector）等，本節不涉及，故不贅述。

圖9 干擾管理

1) 干擾隨機化（IR,interference randomization）的目標是在接收端得到接近白噪聲的干擾信號，即隨機化的干擾信號，從而獲得抑制干擾的處理增益。跳頻、交織、偽隨機信號都有干擾隨機化的功能，但交織和偽隨機信號由協議物理層標準確定，跳頻通?？勺鳛橘Y源管理的范疇。

2) 干擾消除（IC,interference cancellation）的主要思想是對干擾信號進行譯碼，然后重構干擾信號，并從接收信號中刪除。按照譯碼干擾信號方式的不同，可分為串行干擾消除（SIC,successive interference cancellation）和并行干擾消除（PIC,parallel interference cancellation）[48]。這些是物理層技術，也會涉及和MAC 層的跨層優化設計。此外，為了更好地發揮干擾消除的作用，在下行網絡中輔助的干擾消除（NAIC,network-assisted interference cancellation and suppression）也是候選的技術手段[49]。

3) 干擾協調（IC,interference coordination）的主要思想是通過小區間進行時間域、功率域、頻率域、波束域的相互協作降低干擾，如時域/功率域/頻率域eICIC（enhanced inter-cell interference coordination）與DPB（dynamic point blanking）、CS/CB（coordinated scheduling/coordinated beamforming）、DPS/DCS（dynamic point selection/dynamic cell selection）、小區間功率控制等都屬于此類[50-54]。

4) 干擾利用（IU,interference utilization），本文指小區間聯合發送（JT,joint transmission）或者聯合接收（JR,joint reception）[52,56-57]。

5) 干擾對齊（IA,interference alignment）的基本思想是將來自不同干擾源的干擾信號在接收端對齊壓縮至較小的信號維度，從而減小干擾信號所占用的維度[48]。不過實現上挑戰太大，實際網絡中難以兌現。

總之，不同的方法需要從應用場景、效果、效率和實現代價等方面，綜合考慮選擇什么樣的具體方案。對于URLLC 來說，可靠性是最重要的，因此，對空口來說，則最大程度改善信干比是首選，干擾利用中的聯合發送和接收、干擾協調通常是最好的手段[56,58]。

6.3 URLLC 和eMBB 混合

當URLLC 業務和eMBB 業務混合時，URLLC業務的QoS 是必須要保證的，也就是說，URLLC優先級更高，因此命題就轉化為在保證URLLC 業務質量的前提下，使eMBB 容量最大化。目前在這方面已做了大量研究[59-64]，類似的思想可用式(28)～式(30)來表示[61]。

其中，BeMBB,i和BURLLC,j分別表示eMBB 業務和URLLC 業務所占用的帶寬；peMBB,i和pURLLC,j分別表示eMBB 業務和URLLC 業務所分配的功率；β表示對香農公式的矯正；N0表示噪聲；heMBB,i和hURLLC,j分別表示eMBB 業務和URLLC 業務的信道增益；∈表示可靠性要求。假設D服從Pareto 分布，則該分布為

需要說明的是，目前這類方法最大的挑戰是符合實際網絡的精準建模困難、具體求解困難。

對于URLLC 和eMBB 混合場景，最簡單的方法就是搶占或者受限性搶占[65]，其思想是將傳輸隊列分組為幾個優先級類，在具有更高優先級的所有隊列都為空之前，其他類的隊列不能被服務，如圖10 所示。當然，在URLLC 或者eMBB 內部，也可以采用前面如表6 所述方法，但在URLLC 和eMBB間采用嚴格的搶占。

圖10 搶占示例

下面分析說明一下和eMBB 與URLLC 混合時，HARQ 重傳的處理機制，即碼塊分組。

如果傳輸塊（TB,transport block）太大，一個TB 進行一次（比如1 bit）ACK/NACK 反饋，一旦該TB 譯碼出錯，會造成整個TB 重傳。由于該TB比較大，重傳整個TB 將使資源利用率比較低。

由于一個TB 中包含多個編碼塊（CB,code block），譯碼時可以知道每個CB 是否正確，但若針對每個CB 均進行ACK/NACK 反饋，如果某個TB 譯碼失敗，只需要對傳輸錯誤的那個CB進行重傳即可，沒有必要重傳整個TB，從而提高了資源利用率，但是需要反饋很多的上行ACK/NACK，這會導致上行信令非常大，同樣也會造成資源浪費。

為此，本文采用一種基于TB 反饋和CB 反饋的折中方案，即將TB 中的多個CB 分組，分組后的CB 組稱之為編碼塊組（CBG,code block group），然后針對每個CBG 反饋對應的ACK/NACK，并且基于CBG 進行重傳[66-68]，如圖11 所示。

圖11 碼塊分組

傳輸塊TB 由多個（比如N個）CB 組成，設每個傳輸塊的目標誤塊率BLER 為BLERTB，則每個CB 的目標BLER 為BLERCB應該滿足式(32)所示條件。

其中，n表示TB 中包含的CB 個數。

通過對式(32)進行泰勒級數展開，可得

遇到差的信道或者和URLLC 沖突的情況時，基于CBG 的重發如圖12 所示。eMBB 業務基于碼塊分組的重傳機制，也可以提高eMBB 和URLLC混合時系統的傳輸效率。

圖12 基于CBG 的重發

上述資源分配還是基于正交多址的機制，但在5G 中，非正交多址作為物理層的關鍵基礎技術[69-71]，彌補了正交多址的不足，更加有效地支持5G 豐富的部署場景：eMBB、URLLC、mMTC。在有助于URLLC 業務低時延的同時，增加下行調度系統的頻譜效率，還能大大提升上行免調度場景下的用戶連接數和系統吞吐量[72-75]，不過挑戰在于接收機的復雜度、信道估計的非理想等導致的性能損失等[76]。

7 URLLC 端到端分集解決方案

對于無線連接來說，最大的挑戰是無線衰落信道。為了在無線衰落信道上實現超可靠傳輸，必須有大的信噪比余量。在多個獨立信道上不同分集階數與衰落余量的關系[109]如圖13 所示，這充分說明了分集對于URLLC 的重要性。

圖13 不同分集階數與衰落余量的關系

為了應對用戶面單路徑對支持高可靠的挑戰，5G 系統支持冗余的傳輸，即在網絡和UE 間建立多條路徑的傳輸[10,110-115]。從式(36)～式(38)可以看出多路徑的價值。

其中，pLLUR,i表示第i條鏈路的成功概率，L表示冗余鏈路條數，pLLUR表示滿足低時延高可靠要求的概率，BLER 表示誤塊率，BLERtarget表示目標誤塊率，τ表示時延，τtarget表示目標時延?？梢钥闯?，n越大，則pLLUR越大，意味著越可靠，當然，也意味著系統越復雜，成本越高。顯然，基于每條鏈路的可靠性和時延能力以及總目標的要求，可以反推出需要幾條冗余鏈路。

分集包括時間集、頻率分集和空間分集。當超可靠業務需要非常低的時延時，就無法利用時域上的多樣性，因此，只能使用頻率域的分集和空間域的分集。信道編碼需要擴散編碼的比特到不同的分集信道上，以便利用更高的分集水平。

事實上，從應用層到核心網，再到接入網，有不同的多路徑分集技術可以利用，比如TCP 層的MP-TCP[116-117]、UPF 的復制、雙鏈接、載波聚合、MIMO和協調多點（CoMP,coordinated multi-point），如圖14 和圖15 中標識為“5G 低時延高可靠性系統”部分所示。就5G 系統側而言，主要問題如下。

1) 針對某一QoS 流，如何決策是否冗余傳輸。

2) 如何在UE/RAN/UPE 復制數據。

3) 如何建立、修改和釋放隔離的隧道。

4) 如何支持切換過程。

具體方案依賴于部署場景。比如為了利用發射端和接收端的空間分集，需要利用多個天線。但應該注意的是，具有URLLC 能力的UE 可能嵌入各種類型的設備中，例如工業傳感器和執行器，不過這種設備的形狀因素可能會限制設備上可用天線的數量。因此，在提供URLLC 解決方案時，要考慮UE 天線配置的限制。

本文以最小化占用資源為目標，給出如何選擇鏈路路徑的例子。具體如式(39)～式(42)所示目標函數和約束條件[110]。

其中，αi∈ {0,1}表示該鏈路是否被激活；PBRi表示在鏈路i上分配的物理資源塊（PRB,physical resource block）；B i表示鏈路i上最大可用的PRB；MCSi是鏈路i上選擇的調制編碼格式；TBSLLUR表示低時延高可靠業務對應的傳輸塊的大小。

通過這個最優化的求解，就可獲得滿足低時延高可靠業務傳輸的鏈路及其所對應的調制編碼格式。

8 URLLC 與TSN 的集成

許多網絡應用（例如工業互聯網中的數據上傳和控制指令下發、遠程機器人手術、無人駕駛、VR 游戲等）需要將端到端時延控制在1～10 ms，將時延抖動控制在微秒級，但傳統的網絡只能將端到端的時延減少到幾十毫秒。面對時延敏感性業務的迫切需求，如何從“盡力而為”到“準時、準確”地控制端到端的時延對IP 網絡提出了新的挑戰。及時、安全地傳輸數據是工業通信技術的關鍵要求之一。時間敏感網絡是滿足該要求的、有發展前景的一項技術。TSN 的主要目標是通過IEEE 802（以太網）有線網絡提供確定性服務，這意味著低時延、小抖動、低分組丟失率、有保證的數據分組傳輸。TSN 的關鍵點總結為如下幾個方面[118-120]。

1) 時間同步。定時機制和同步機制是關鍵。

2) 超可靠。幀復制和幀消除、路徑控制、流過濾策略、時間同步可靠性是關鍵。

3) 有界低時延。幀搶占、流量整形與調度是關鍵。

4) 資源管理。資源預留、TSN 配置是關鍵。

圖14 多路徑分集

5G 系統可以降低與布線基礎設施相關的成本，支持自動推車或移動無人搬用車（AGV,automated guided vehicle）等移動設備，并提高工業應用的靈活性。為了將工業設備（工業傳感器/執行器）以無線方式連接到TSN，5G 系統是非常合適的解決方案。5G 系統提供了更好的可靠性和傳輸時延，而且，其架構允許被靈活地部署。因此，5G 可以實現不受電纜限制的TSN。由于5G 系統和TSN 都有自己的網絡管理機制，為了在5G 系統上支持TSN服務，需要進一步增強無線接入網和核心網，主要挑戰是實現TSN 和5G 網絡的互通。

5G 系統可以看作“時間感知系統”“具有絕對時限的時間感知調度”[10]，其提供了和外部業務/網絡的多個接口，可以用于TSN 的集成。5G 系統在外部網絡中顯示為TSN 橋。這種“邏輯”TSN 橋包括自適應功能（AF,adaptation function），用于將5G系統協議和信息對象轉換為TSN 協議和信息對象，反之亦然。核心網和RAN 中的5G 系統特定過程、無線通信鏈路等對TSN 保持隱藏。為了實現對TSN的這種透明性并顯示為任何其他TSN 橋，5G 系統網橋通過UE 側的TSN 轉換器（TT,TSN translator）設備和核心網側的DN 的“TSN 轉換器”（包括控制面和用戶面）提供TSN 入口和出口端口。5G 系統網橋需要支持不同的TSN 配置模型，這要求在控制面和用戶面上，向TSN 終端站、TSN 橋、集中網絡配置（CNC,centralized network configuration）和集中用戶配置（CUC,centralized user configuration）提供多個符合TSN 協議的接口。TSN 網橋自我管理（對于全分布式模型）和與CNC 交互所需的功能位于轉換器處。圖15 給出了URLLC 分集方案與TSN的集成表示。

具體來說，圖15 中的RAN11和RAN12、UPE11和UPE12是對應UE1的用戶面多路徑分集，RAN2和UPE2是對應UE2的用戶面路徑分集。必須說明的是，這是一個一般化的表示，具體如何選擇多路徑分集的方案，由第7 節中的描述決定，比如類似式(39)～式(42)所示最優化思想。但是，無論圖15中的“5G 低時延高可靠性系統”部分如何設計，對TSN 來說，都是黑盒子，僅僅是TSN 中的一個TSN 橋，通過AF 接口對接。

從TSN 的觀點來看，將5G 系統視為一個黑盒子更便利，因為它采用5G 系統的指定QoS 框架，并且不需要任何網絡節點來支持作為外部TSN 系統一部分的TSN 協議和過程。5G 系統作為TSN 橋出現，5G 系統使用完善的5G QoS 框架接收與TSN相關的預訂請求。然后，5G 系統使用5G 內部信令來滿足TSN 預約請求，比如5G 系統使用QoS 流類型（GBR、時延關鍵GBR）、5QI、ARP 等5G 框架來滿足請求QoS 屬性，如圖16 所示。

圖15 URLLC 分集方案和TSN 的集成方案

圖16 TSN 識別QoS 配置文件生成過程

TSN 轉換器作為5G 和TSN 的互聯接口，除了映射TSN 配置到5G QoS 管理架構，還提供以太網功能（如環路檢測）、頭壓縮，以及支持調度和去抖動緩沖區等功能。

具體來說，圖16 中TSN 的CNC 把時延敏感業務特征和其QoS 要求發送給TSN 和5G 系統的接口模塊，即TSN 自適應功能模塊AF，然后該模塊生成QoS 配置文件給5G 系統的PCF 模塊，如果5G 系統能滿足其QoS 要求，則回復確認信息。

9 結束語

URLLC在未來5G垂直行業的應用中扮演著非常重要的角色，已得到學術界和產業界的充分重視。本文以全景式視角，從應用場景和需求開始，分析介紹了URLLC 有關的系統架構、關鍵技術和解決方案總體，然后分別對物理層檢測性能需求、鏈路自適應、無線資源管理、端到端分集解決方案及如何與TSN 集成進行了深入的分析和可能的候選方案的探討，從廣度到深度對URLLC 的理論研究到如何應用，有一個透徹全面的介紹分析，對其挑戰有一個清晰的認識，從而為相關研究和工程技術人員提供關借鑒和參考。必須說明的是，這是一個龐大的領域，限于篇幅，無法一一深入細節且面面俱到，未來需要庖丁解牛式地展開進一步研究工作。