圖解通訊原理與案例分析-25：5G NR超可靠低時延通訊URLLC是通過什麼技術降低延時的？

文火冰糖的矽基工坊發表於2020-12-26
圖解

前言：

 5G的三大應用場景之一是超可靠低時延通訊URLLC，這裡有兩個關鍵詞：超可靠性和超低延時。

這句話是相對於LTE而言的，5G NR是通過什麼技術實現超可靠性和超低延時的呢？本文探討和拆解這個問題。

目錄

第1章 URLLC概述

第2章 時域物理層幀結構與排程的優化

2.1 LTE的10ms幀結構

2.2 NR的幀結構

第3章 物理層幀排程的優化

3.1 LTE的排程

3.2 NR的排程

3.3 NR的Mini-Slot

第4章 同步系統

第5章 移動邊緣計算MEC

5.1 MEC概述

5.2 MEC在5G網路中的位置

5.3 MEC在工業應用中的部署形態

5.4 MEC的動機

5.5 MEC的特點

5.6 MEC平臺的架構

5.7 移動接入網的改進

第6章 5G URLLC在可靠性方面的優化

6.1 採用更魯棒的多天線發射分集機制

6.2 採用魯棒性強的編碼和調製階數（MCS 選擇），以降低誤位元速率

6.3 採用超級魯棒性通道狀態估計

 

第1章 URLLC概述

1.1 概述

作為5G三大場景之一，URLLC具有超低時延、超高可靠等特性。

一方面，URLLC技術可以實現基站與終端之間使用者面上下行時延均低至0.5 ms；

另一方面，該技術還可以滿足可靠性為10-5級別的超高可靠的資料傳輸需求。、

3GPP R15版本對URLLC空口時延提出的要求為單向0.5 ms，R16版本對URLLC空口時延提出的要求為雙向0.5 ms。

1.2 應用場景

URLLC可以廣泛應用於工業控制、裝置自動化、車聯網、遠端手術等場景，如下圖所示：

縱向：延時要求

橫向：可靠性要求，可靠性定義如下，一定時延範圍內，由於包傳送錯誤、丟失或者太遲而未成功傳送的包的失敗率。

遠端控制：可靠性要求低（錯誤率為10^{-2}），延時大（100ms）。

工廠自動化：可靠性要求極高（錯誤率為10^{-7}），延時極小（1ms以內）。

 

1.3 主要採用的技術

為了支援高可靠性，採用了冗餘設計。

為達到降低時延的目的，NR在空口進行了多項有針對性設計，主要包括

  • 物理層時域結構：子載波的寬度可以靈活配置
  • 物理層排程方式：更短週期的排程、更加靈活的排程
  • 下行搶佔設計
  • 上行取消設計
  • 上行免排程授權傳輸
  • 靈活的PDCCH配置
  • URLLC高優先順序傳輸
  • 精確時鐘同步：1500ns=》130ns =》 65ns
  • 移動邊緣雲端計算：業務服務的下層
  • 業務平面與資料平面的徹底分離

第2章 時域物理層幀結構的優化

2.1 LTE的10ms幀結構

 

（1）從時域上看

與以物理儲存空間為組織幀結構的TCP IP通訊不同（一次連續傳送就是一個完整的幀結構，不同時間傳送的幀結構完全是獨立的），LTE的幀的幀結構是按照時間來組織的，一個10ms的幀，是由10個連續的1ms的子幀幀組成，每個1ms的子幀由2個各自持續時間為0.5ms的slot組成。每個slot由6-7個平均持續時間為0.66.67us符號symbol組成，每個符號之間會按插一些CP時間，作為每個15K頻寬的子載波之間的間隔，如下圖所示：

在實際的LTE系統中，通常實際的排程週期（收發資料的脈動）為1ms，任何實時性要求高的資料，都必須落在這個1ms的脈動中，也就是說，實時性要求再高的資料，延時也要得到1ms，如果排程繁忙的化，可能還沒有機會排程，延時是1ms的整數倍。

（2）從頻域上看

每一次排程，會同時並行的、在所有的子載波上調製和解調資料，每個子幀間隔為15K, 子載波的個數取決於小區的頻寬。

5M頻寬情況下，  子載波的個數為300

10M頻寬情況下，子載波的個數為600

20M頻寬情況下，子載波的個數為1200

（3）從使用者的角度看來

每次排程，分配給每個使用者的時間為：一個時隙週期0.5ms，分配個每個使用者的子載波的數量為12，即一個物理資源塊PRB.

符號週期：傳送一個完整基帶子載波所需要的時間。

15K子載波間隔時，子載波的基波頻率為15KHz, 其正弦波的週期為1/15K = 66.67us，子載波的諧波頻率為N * 15K，其正弦波的週期為1/（N*15K）=  1/N * 66.67us。 

（4）66.67us符號週期的來源

66.67us符號的傳送時間是怎麼來的呢？

這就涉及到：傳送一個符號所需的時間，即符號週期是怎麼來的？這個更深層次的原理。

那麼在66.67us內，可以傳送完整的正弦波的個數與N次諧波是一致的，

在66.67us時間內，可以傳送1個完整的基波頻率的正弦波訊號。

在66.67us時間內，可以傳送2個完整的頻率=2*15K的正弦波訊號。

在66.67us時間內，可以傳送3個完整的頻率=3*15K的正弦波訊號。

在66.67us時間內，可以傳送N個完整的頻率=N*15K的正弦波訊號。

由此，由此可見，符號的傳送時間，由子載波的基波頻率決定的，也就是說，由子載波的間隔所決定的，這個時間，確保能夠傳送1到N個完整的子載波正弦波訊號。

2.2 NR的幀結構

相對於4G，在無線側，5G最大的特點是支援靈活的幀結構。

為什麼呢？這是因為5G要支援更多的應用場景，其中，超高可靠低時延（URLLC）是未來5G的關鍵服務，需要比LTE時隙時長更短的幀結構！！！

（1）從時域的角度看

NR在時域上的結構與LTE相似，時域上包括幀、子幀、TTI、時隙slot這四個概念，每個時隙由7個符號組成。

（2）從頻域的角度看

NR中，子載波的寬度不再是固定的15K, 在sub 6 GHz頻段，NR支援15 kHz、30 kHz和60 kHz的子載波間隔。

（3）從使用者排程的角度看

NR中引入靈活的時間引數設計。Numerology這個概念可翻譯為引數集，大概意思指一套引數，包括子載波間隔，符號長度，CP長度等等。

所謂可靈活擴充套件，即NR的子載波間隔設為15*(2^m) kHz，m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}，也就是說子載波間隔可以設為3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...（如下表）：

因此：

當子載波間隔為15K時，66.67us可以確保在這個時間段內，能夠傳送一個完整的基本正弦波訊號。

當子載波間隔為30K時，33.33us可以確保在這個時間段內，能夠傳送一個完整的基本正弦波訊號。

依次類推。。。。得到一個結論：

子載波間隔越大，傳送一個完整的基波正弦波訊號所需的時間就越短。

更大的子載波頻寬，更短的“符號”傳送時間，為更短的排程週期創造了條件。

（4）射頻載波頻率與基帶載波頻寬的關係

  • 高頻時，採用較大的子載波間隔，不使用15K, 30K載波間隔，降低符號長度有利於降低時延。因為載波寬度較大，對較大的相位噪聲的魯棒性越強。

  • 低頻時，支援較小的15K, 30K子載波間隔，可以處理大面積部署時的時間離散(dispersion)。

 

第3章 物理層幀排程的優化

3.1 LTE的排程週期

固定15K的子載波寬度，

一個符號週期為66.66us，

一個slot有7個符號週期：7*66.67=0.5ms，

一個子幀有兩個slot，時長為66.66us * 7 * 2 = 1s

排程週期最小為一個slot時間=0.5ms。常見為2個slot，即一個子幀的傳送時間=1ms。

 

3.2 NR的排程週期

以60K的子載波寬度為例：

一個符號週期為16.67us，

一個slot有7個符號週期：7*16.67us=0.125ms，

一個子幀有兩個slot，時長為0.125ms * 7 * 2 = 0.25ms

如果按照時隙排程的話：排程週期為0.125ms。

如果按照子幀排程的話：排程週期為0.25ms。

相對於15K的子載波，延時縮短了4倍，響應速度提升了4倍。

當然，通過改變子載波的寬度，可以提升每個符號的傳送時間，縮短了每個子幀所需要的傳送時間。

但更短的符號週期，對於晶片數字訊號處理實時性提出了更高的要求。

 

3.3 NR的Mini-Slot

5G定義了一種子時隙構架，叫Mini-Slot。主要用於超高可靠低時延（URLLC）應用場景。

每個Mini-Slot僅僅由兩個或多個符號組成，第一個符號包含控制資訊。對於低時延業務可配置於Mini-Slot上，Mini-Slot也可用於快速靈活的服務排程。

NR的Mini-Slot的引入，進一步降低了5G物理層幀的排程週期，但這種排程週期，僅僅適用於URLLC的業務場景。

Mini-Slot角度的週期過於頻繁，對終端提出了非常高的要求，只有特定的終端才需要支援Mini-Slot。

 

3.5 快速解碼

物理層編碼技術：Turbo碼、LDPC和Polar碼

Turbo碼陣營代表（歐洲）：Orange和愛立信。已使用於3G、4G，以及4.5G。

LDPC陣營代表（美國）：高通、NOKIA、Intel和三星，已經應用於WiFi產品。

Polar碼陣營代表（中國）：華為。Polar碼似乎有點孤單，目前還沒有大規模應用採納。

看起來，這是一場美、歐、中三方角力的通訊標準之爭。

LDPC陣營認為，Turbo碼譯碼時延大，不適用於5G高速率、低時延應用場景。

Turbo碼陣營反駁，在3/4G應用中不斷改進的Turbo碼是能夠滿足5G極端場景的。

 

3.6 快速自動請求重傳（HARQ）

 

3.7  快速動態排程

 

3.8 測試案例

根據前面分析，子載波間隔越大，時隙越短，時延越低。

廠家1：TTI排程時長為0.125ms，子載波間隔60K, 延時最低。

廠家2：TTI排程時長為0.125*2=0.25ms，子載波間隔30K, 延時次之。

廠家3：TTI排程時長為0.125*4=0.5ms，子載波間隔30K，雖然TTI較長，但採用了mini slot，延時較低。

廠家4：與廠家2類似，不同的是編碼方式不同。

廠家5：TTI排程時長為0.2ms, 子載波間隔75K,採用了Turbo碼編碼，延時最大。

 

第4章 提高同步系統的精度

更快的排程週期，更低的延時、更高的穩定性，都需要系統能夠提供更加精確的定時時鐘作為支撐。

5G URLLC支援基於GPS和 IEEE 1588 v2 的同步技術，通過無線介面實現亞微秒級別的高精度時間同步。

  • 常規同步：相位同步精度1500ns
  • URLLC：相位同步精度130ns
  • Massive MIMO: 相位同步精度65ns

 

第5章 降低終端信令的延時

（1）URLLC採用一次註冊，永遠線上，知道下次註冊更新，節省斷網後的再次接入的時間，實際上是通過預留資源來提升註冊入網的時間。

 

第6章 降低Backhual後傳的延時

（1）Qos，為URLLC資料流保留較高的QOS等級

第7章 降低業務資料的延時：移動邊緣計算MEC

7.1 MEC概述

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing, MEC）可利用無線接入網路就近提供電信使用者IT所需服務和雲端計算功能，而創造出一個具備高效能、低延遲與高頻寬的電信級服務環境，加速網路中各項內容、服務及應用的快速下載，讓消費者享有不間斷的高質量網路體驗。移動邊緣計算（MEC，Mobile Edge Computing）技術可以很好的解決這類網路業務延時的技術”痛點“，

 

7.2 MEC在5G網路中的位置

從上圖可以看出幾點：

（1）邏輯上，MEC是一個獨立的網元，部署在5G接入網中的CU與5G的核心網之間。

（2）物理上，MEC可以與CU部署在一起，也可以與CU分開部署。

（3）MEC只處理行動通訊網中的資料面UPlane的資料流，不處理C plane的資料流。

（4）從邏輯上講，MEC並非是傳統的行動通訊網的網元，它還是屬於業務網，只是下沉部署到靠近無線接入一側而已。

 

7.3 MEC在工業應用中的部署形態

MEC為企業解決應用本地和部署的問題，而本地化是一個相對的概念，並非所有企業均需要或則有必要把MEC部署於自己的工廠、辦公樓內，在不同的條件、不同的需求、不同的規模情況下，應該合理選擇MEC能力，因此，MEC可以有兩種模式與工業企業的需求進行匹配：

（1）模式1：主要面向特定地點的大中型工廠

其生產製造在固定地點，企業擁有自己的小型資料中心，企業移動辦公、生產製造應用在其自有平臺部署，其希望企業資料不出工廠，能夠通過5G無線網路就近訪問其應用，並且能夠保證較低時延。

該類企業需求，可以藉助5G靈活的網路架構，

  • 把業務資料UPF下沉至工業企業後，實現就近流量轉發，
  • 而網路信令仍然可以在集中的核心網進行安全認證和控制，在實現傳輸時延降低的同時，可以保障企業資料在園區內。

組網如下圖所示：

這種部署方式，無線接入網直接與企業網相連，對業務資料進行旁路，業務資料還存放在企業網中，業務資料不經過核心網。

 

（2）模式2：使用運營商公共網路模式

主要面向生產製造地點相對固定，對成本敏感的中小型企業，其通過運營商公共網路（運營商的邊緣雲），使用低成本的網路切片或VPDN等技術，實現資料安全傳輸。

應用部署於運營商邊緣機房，並可以根據需要配置邊緣計算節點的備份，在實現相對就近的業務訪問同時，保障資料的備份和安全。

組網如下圖所示：

這種部署方式，無線接入網直接與運營商的邊緣雲端計算MEC相連，MEC對業務資料進行旁路，業務資料存放在MEC伺服器中，業務資料不經過核心網。

 

7.4 MEC的動機

（1）URLLC超低延時的技術需要

終端業務的延時，不僅僅包含基站與終端的空口之間的延時，還包含基站與業務伺服器之間資料傳輸的延時。

移動邊緣計算MEC技術，就是在無線接入網RAN中架構業務伺服器用來降低基站與業務伺服器之間延時的系統架構層的技術。

MEC將網路功能和業務處理功能“下沉”到靠近接入網的邊緣，以減少中間層級。

移動邊緣計算MEC本質上打破了傳統的傳輸與業務分離的架構，把業務“下沉”到了靠近客戶的移動接入網中，為移動運營商提供定製化的企業業務提供了技術條件！

 

（2）運營商防止沿襲LTE被管道化的商業需要

為避免移動承載網路被管道化，電信標準組織和運營商正在研究在未來5G網路中，如何與移動網際網路及物聯網業務深度融合，進而提升行動網路頻寬的價值。

歐洲電信標準協會ETSI提出的移動邊緣計算 （MobileEdgeComputing，MEC）是基於5G演進的架構，並將移動接入網與網際網路業務服務深度融合的一種技術。

MEC一方面可以改善使用者體驗，節省頻寬資源，

另一方面通過將計算能力下沉到移動邊緣節點，提供第三方應用整合，為移動邊緣入口的服務創新提供了無限可能。

行動網路和移動應用的無縫結合，將為應對各種OTT（OverTheTop）應用提供了有力的武器。

7.5 MEC的特點

  • 網路開放：MEC可提供平臺開放能力，在服務平臺上整合第三方應用或在雲端部署第三方應用。 
  • 能力開放：通過公開API的方式為執行在MEC平臺主機上的第三方MEC應用提供包括無線網路資訊、位置資訊等多種服務。能力開放子系統從功能角度可以分為能力開放資訊、API和介面。API支援的網路能力開放主要包括網路及使用者資訊開放、業務及資源控制功能開放。 
  • 資源開放：資源開放系統主要包括IT基礎資源的管理（如CPU、GPU、計算能力、儲存及網路等），能力開放控制以及路由策略控制。 
  • 管理開放：平臺管理系統通過對路由控制模組進行路由策略設定，可針對不同使用者、裝置或者第三方應用需求，實現對行動網路資料平面的控制。 
  • 本地轉發：MEC可以對需要本地處理的資料流進行本地轉發和路由。 
  • 計費和安全。 
  • 移動性：終端在基站之間移動，在小區之間移動，跨MEC平臺的移動。 

 

7.6 MEC平臺的架構

（1）MEC平臺架構

移動邊緣計算MEC把無線網路和網際網路兩者技術有效融合在一起，並在無線網路側增加計算、儲存、處理等功能，構建了開放式平臺以植入一個業務的應用。

並通過無線API開放無線網路與業務伺服器之間的資訊互動，對無線網路與業務進行融合，可以獲取使用者業務流和無線網路狀態資訊，將傳統的無線基站升級為對業務敏感的智慧化基站。

MEC服務平臺主要包含MEC託管基礎設施層，MEC應用平臺層以及MEC應用層。

  • MEC託管基礎設施層

基於通用伺服器，採用網路功能虛擬化的方式，為MEC應用平臺提供底層硬體的計算，儲存等物理資源。

託管基礎設施層具體又可分為硬體資源和虛擬化層，至於其連線方式和介面，需要在具體的行動網路標準中定義。

  • MEC應用平臺層

由MEC的虛擬化管理和應用平臺功能元件組成，其中，MEC虛擬管理採用以基礎設施作為服務的思想，為應用層提供一個靈活高效，多個應用獨立執行的平臺環境。MEC應用平臺的功能元件主要包括資料分流，無限網路資訊管理，網路自組織管理，使用者/網路大資料分析，網路加速以及業務註冊等功能，並通過開放的API向上層應用開放。

  • MEC應用層

基於網路功能虛擬化VM應用架構，將MEC應用平臺的功能元件進一步組合封裝成虛擬的應用（本地分流，無線快取，擴增實境，業務優化，定位等應用），並通過標準的介面開放給第三方業務應用或軟體開發商，實現無限網路能力的開放與呼叫。

面向業務層面（物聯網、視訊、醫療、零售等），移動邊緣計算可向行業提供定製化、差異化服務，進而提升網路利用效率和增值價值。

同時移動邊緣計算的部署策略（尤其是地理位置）可以實現低延遲、高頻寬的優勢。

MEC也可以實時獲取無線網路資訊和更精準的位置資訊來提供更加精準的服務。

 

7.7 移動接入網的改進

  • 資料面與控制面的徹底分離

控制面連線到5G的核心網，

資料面，可以通過5G的核心網，提供移動服務，比如在行動通訊網中進行語音呼叫或其他業務，也可以不需要通過核心網，業務資料直接由MEC進行旁路，與MEC業務伺服器直接通訊。

  • 可以定製化的業務連線UPF（使用者平面功能）例項

資料面與控制面的徹底分離以及靈活的UPF例項，為移動邊緣技術MEC在無線接入中RAN中的實施提供了可能。

 

第8章 5G URLLC在可靠性方面的優化

7.1 採用更魯棒的多天線發射分集機制

7.2 採用魯棒性強的編碼和調製階數（MCS 選擇），以降低誤位元速率

7.3 採用超級魯棒性通道狀態估計

 

 

 

 

 

 

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