“低时延高可靠”是5G的三大应用场景之一，也是5G区别于2G/3G/4G的典型场景。作为移动通信行业切入垂直行业的突破口，URLLC对其在自动驾驶、工业制造、车联网、智能电网等领域的广泛应用至关重要，在3GPPR16阶段得到了全面增强。
全世界智慧城市的发展正在进入一个新的阶段。5G作为智慧城市发展的新引擎，推动城市进入新的文明价格区间。随着无线移动通信系统带宽和容量的增加，面向个人和行业的移动应用正在快速发展，移动通信相关行业的生态将逐渐发生变化。5G不仅是速度更快、带宽更宽、能力更强的空端口技术，更是智慧城市的智能网络。
目前5G包括三种典型场景:增强型移动宽带eMBB、低时延高可靠URLLC、大规模机器通信mMTC。三个典型场景可以帮助大量的应用技术，包括:高清视频、物联网、无人机、AR/VR等。带宽的增加大大提高了数据传输速率，很可能给数据处理相关行业带来一场革命。随着5G网络的发展，城市的所有垂直行业都将被改变。目前工业制造、车联网、智能电网等领域对5G的需求非常迫切，URLLC技术场景非常适合上述领域。因此，3GPP在5G研究前期提出了一些低时延技术讨论，并在R16阶段重点研究了URLLC场景的技术方案。
一、5G网络架构
以满足不同应用场景和应用需求。5G网络设计基于灵活性、敏捷性和灵活重用的设计理念。5G引入SDN/NFV技术，进一步虚拟化和分离软件和硬件平台。底层使用统一的NFVI基础设施，使用SDN控制器实现内部资源的灵活调度。传统的网络元件被分成更细粒度的功能模块，这些功能模块被称为网络功能(NF)。轻量级API接口用于网络功能间的通信，使系统高效、灵活、开放。
5G网络分为三层:接入网、传输网和核心网。在接入网方面，5G网络采用新架构、新设计、新频段、新天线技术。新架构意味着全新的网络架构将以用户为中心，围绕用户构建网络。同时，传统的BBU分为CU和DU两个网元设备。同时，RRU、馈线和天线组成一个新的AAU。顾名思义，CU是集中控制的设备，主要处理SDAP、RRC和PDCP层，即主要处理QoS流处理、无线资源控制、上层数据的压缩、对齐和加密等。，位于wireless 空端口的第3层。DU是一个分散控制单元，主要处理RLC、MAC和高层物理层协议，即主要执行无线链路质量控制、逻辑信道和物理信道映射以及基带功能。在空端口的2级位置。AAU是一个有源天线单元。将传统的RRU与天馈结合起来主要是为了处理射频信号。同时参数和帧的结构更加灵活，可以根据实际需要调整上下行比例。5G网络的频段更高。目前主要使用sub6G频段，之后扩展到26Ghz的毫米波频段。更高频段拥有相对更丰富的频谱资源，带来更大的带宽。同时采用了全新的3DMIMO天线，一般为64T64R甚至128T128R天线阵列，相比之前的4T4R天线大大提高了传输效率。
5G传输网络覆盖的范围很广，包括从AAU到DU的传输，从DUCU到CU的传输，以及从CU到核心网的传输。5G流量的激增给传输网带来了巨大的挑战，因此中国移动提出了切片分组网SPN的承载网技术[1]。
SPN采用ITU-T分层模型，可以综合承载以太网、IP和CBR业务。
SPN分为切片传输层、切片通道层和切片分组层，还包括时钟同步和管理模块。
传输层是基于802.3以太网技术和OIF Flex E的物理层技术，在物理层提供带宽。在切片层，以太网接口，光纤资源等。采用SE技术开槽，基于TDM原理对管道进行硬切割，这是L1级的硬隔离。切片层对业务进行分发、封装和传输，可以提供L2\L3VPN等转发能力；提供业务识别、分组和QoS保证处理，提供基于SR-TP技术的面向连接的业务承载通道。
5G核心网基于SDN和NFV技术，硬件和软件成功解耦。网元之间基于TCP/IP进行通信，接口通过https协议实现[2]。与之前的4G核心网相比，5G核心网架构具有以下主要特点:
控制平面与用户平面分离。
网元的功能虚拟化。NFV技术应用于核心网，将硬件和软件解耦，网元成为软件功能模块。
虚拟网络元件通过接口相互通信。不同网元之间采用轻量级Restful/Http协议。
SBA的网络体系结构。虚拟网元之间耦合度低，其他业务可以通过接口快速访问虚拟网元，整个网络架构可以根据实际业务需求进行调整。
接入网与核心网连接薄弱。5G核心网和接入网之间没有强连接。UE可以通过各种网络接入5G核心网，即使不是3GPP网络，也可以通过N3IWF网元接入5G核心网。
虚拟网络元件呈现无状态。即存储资源与计算资源解耦，控制面工作主要交给AMF和SMF，存储数据主要放在UDR和UDSF，实现了计算与存储的解耦。
下图是5G核心网的架构。
5G核心网的主要网元如下:
AMF:负责用户接入和移动性管理；
SMF:负责用户的会话管理；
UPF:负责用户界面处理；
AUSF:负责认证用户的3GPP和非3GPP接入；
PCF:负责用户策略控制，包括会话策略和移动性策略；
UDM:负责用户订阅数据的管理；
NSSF:负责选择用户业务采用的网络切片；
NRF:负责网络功能的注册、发现和选择；
NEF:负责向外部系统开放5G网络的能力；
AF:与核心网互通，为用户提供服务的第三方应用。
二、URLLC关键技术
在3GPP标准化过程中，URLLC包括三个方面:低时延技术、高可靠性技术以及URLLC和eMBB的复用。在R15研究之初，设立了一个工作项目，研究子载波间隔、灵活的帧结构和短时隙调度等延迟减少技术。到R16，3GPP已经完成了URLLC用例的性能评估，物理层信道的增强，以及URLLC和eMBB上行复用等技术的研究和标准化。不过R17还有很多优化工作要保留。
为了满足uRLLC场景的低延迟要求，3GPP在R15阶段提出了以下解决方案:
支持灵活的框架结构。5G NR支持LTE系统中15KHz的载波间隔，还支持包括30KHz、60KHz、120KHz、240KHz在内的更多间隔方案。载波间隔越大，延迟性能越低。同时，5GNR支持调整帧结构。与LTE系统相比，一个固定的子帧包含两个时隙，NR可以在1、2、4个时隙灵活切换，灵活配置上下行比例，大大降低了时延。
支持较小的调度周期-迷你时隙。时隙是调度周期的最小单位。LTE系统包括由14个符号组成的时隙，但是NR支持迷你时隙，迷你时隙可以支持2个符号、3个符号和4个符号。较短的时隙可以减少反馈延迟。
(3)灵活的PDCCH配置。Search 空由一组候选人PDCCH组成。Search 空可以配置搜索类型、周期、时隙偏移、时隙号、核心集、DCI格式等参数。通过在一个时隙内配置PDCCH的合理监测周期和偏移值以及PDCCH的监测模式，可以实现更密集的PDCCH监测机会。一个时隙有多个PDCCH监测时刻，可以应对突发URLLC需求的业务场景，满足低时延的要求。【5】
高优先级传输。URLLC低时延场景的数据特点主要是突发性但数据量小，所以NR支持URLLC通过抢占来占用信道资源。当基站将物理资源分配给eMBB服务时，eMBB服务的资源也被分配给URLLC服务。当URLLC占用物理资源时，NR通知UE抢占结果，以确保URLLC的低延迟要求。
采用边缘计算技术。5G网络可以将UPF的用户界面功能下沉到用户端，边缘计算服务器和UPF共同部署。当UPF识别出业务流的目的地址在本地时，会分流到本地的边缘计算服务器进行业务处理，从而减少业务的冗余传输路径，降低时延。
在R16阶段，3GPP进一步提出了URLLC低时延增强解决方案:
免授权配置:基站提前配置周期性资源，UE无需向基站申请。UE提前向基站申请PUSCH使用的资源，并配置相应的参数。当有上行资源时，直接使用这些资源进行传输，节省了向基站发送调度请求、申请资源和接收基站反馈的时间，保证了URLLC的低时延要求。
HARQ反馈增强:在R15阶段，UE在一个时隙中只能在PUCCH上发送一次HARQ-ACK。当UE需要在相同时隙的PUCCH上再次发送HARQ-ACK以减少延迟时，这是不允许的。在R16阶段，允许在一个时隙内在多个PUCCH信道上反馈HARQ-ACK。为了支持这种设计，R16终端要求UE支持至少两种HARQ编码方法，并且物理层能够识别它们。
支持时间敏感网络TSN和5G网络融合:实现时间敏感传输，保证时钟同步。在PBCH广播高精度参考时间或在RRC层发送，保证主时钟和终端时钟的准确时间同步，实现时间敏感传输。因为TSN技术是基础以太网传输技术的发展，TSN需要封装以太网头，但这样会降低传输效率，所以也需要压缩以太网头，提高数据传输效率，减少时延。
为了满足高可靠性的要求，3GPP在R15阶段提出了以下解决方案:
物理上，MCS\CQI表得到了优化。LTE系统的MCS\CQI不能满足NR对系统可靠性和传输速率的要求，所以NR在CQI表中增加了两个较低的码率，对应的基站增加了两个MCS低频选项。UE和基站可以选择较低的码率来保证可靠性。
分组重复传输:LTE系统在MAC层和RLC层提出了HARQ重传机制，但这种可靠性是以时延为代价的。NR建议在PDCP层复制数据，并在不同的PDCP信道上传输相同的数据以提高可靠性。
PDCCH高层:CCE是PDCCH的基本单位。LTE的PDCCH包含多达8个CCE，而NR在N15阶段可以包含多达16个CCE。更多的资源可以降低传输的编码率，保证传输的可靠性。
在R16阶段，3GPP进一步提出了URLLC高可靠性增强解决方案:
冗余传输方案:UE之间建立冗余PDU会话，N3接口的冗余传输基于N3接口的冗余传输。首先，NG-RAN复制上行数据包，然后通过两个冗余链路信道发送到UPF，其中每个N3信道与一个PDU会话相关联，并建立两个独立的N3信道来传输数据。基站、SMF和UPF将为两条链路提供不同的路由。
迷你时隙级重复传输。R15版本的重传机制基于时隙的调度，R16 stage进一步支持微时隙级别的重传，最大重传次数达到16次。
目前，关于PUCCH、PUSCH和HARQ增强的研究仍在继续。
结合R15和R16，目前的URLLC场景主要应用于工业自动化、车联网、智能电网和AR/VR。虽然3GPP在R15和R16中对URLLC的很多关键技术解决方案走了极端，但在车联网和工业场景中仍有技术增强问题和应用，留待R17及以后版本解决。
三。URLLC的主要应用场景
5GURLLC场景的特点是低时延、高可靠，而URLLC场景应用广泛，不同场景对时延、可靠性、带宽的要求都不一样。具体包括电力自动化“三遥”场景、车联网场景和工业制造场景。【6】
1电力自动化场景
差动保护是电网的自我保护手段。通过比较输电线路两端的电气量来判断故障范围，从而实现故障的精确隔离，避免停电影响范围的扩大。电网中的通信主要是光纤，而35kv以下的配电网没有光纤覆盖，部署场景复杂多样，需要无线网络作为通信载体。5G URLLC场景非常适合在电力自动化场景中部署。
2工业制造场景
制造业对技术性能的要求很高，而高端制造业对车间设备的延时和稳定性要求非常高。5GURLLC的低延时和高可靠性非常适合应用在制造业领域的场景中。制造设备通过5G连接企业云或现场控制系统，采集现场环境数据和生产数据，实时分析生产情况。实现整条生产线的无人化、无线化操作。
3车联网场景
由于车联网的特殊性，对系统的安全性、可靠性和超低时延有着非常高的要求。5G URLLC场景非常适合部署在车联网场景中。在现阶段的车联网中，主要的车路协同技术是在路侧基础上部署包括智能灯杆、智能红绿灯在内的智能采集设备，通过5G网络与车载电脑进行信息交换，大大增加了车辆对周围事务的感知，提高了行车安全性，有效解决了城市拥堵问题。
参考
[1]切片分组网络关键技术研究。、袁、等
[2]5G核心网关键技术研究。聂衡，志华玲，毛丛杰
[3]3GPP中URLLC标准的研究进展张毅，，，胡振平
[4]URLLC的关键技术和标准的演进。高雪娟
[5]新型空端口超可靠低时延演进系统研究。颜之瑜，郝宇
【6】urlc的应用场景及未来发展研究。李静、董、
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