图解通信原理与案例分析-25：5G NR超可靠低时延通信URLLC是通过什么技术降低延时的？

前言：

5G的三大应用场景之一是超可靠低时延通信URLLC，这里有两个关键词：超可靠性和超低延时。

这句话是相对于LTE而言的，5G NR是通过什么技术实现超可靠性和超低延时的呢？本文探讨和拆解这个问题。

第1章 URLLC概述

1.1 概述

1.2 应用场景

1.3 主要采用的技术

第2章时域物理层帧结构的优化

2.1 LTE的10ms帧结构

2.2 NR的帧结构

第3章物理层帧调度的优化

3.1 LTE的调度周期

3.2 NR的调度周期

3.3 NR的Mini-Slot

3.5 快速解码

3.6 快速自动请求重传（HARQ）

3.7 快速动态调度

3.8 测试案例

第4章提高同步系统的精度

第5章降低终端信令的延时

第6章降低Backhual后传的延时

第7章降低业务数据的延时：移动边缘计算MEC

7.1 MEC概述

7.2 MEC在5G网络中的位置

7.3 MEC在工业应用中的部署形态

7.4 MEC的动机

7.5 MEC的特点

7.6 MEC平台的架构

7.7 移动接入网的改进

第8章 5G URLLC在可靠性方面的优化

第1章 URLLC概述

1.1 概述

作为5G三大场景之一，URLLC具有超低时延、超高可靠等特性。

一方面，URLLC技术可以实现基站与终端之间用户面上下行时延均低至0.5 ms；

另一方面，该技术还可以满足可靠性为10-5级别的超高可靠的数据传输需求。、

3GPP R15版本对URLLC空口时延提出的要求为单向0.5 ms，R16版本对URLLC空口时延提出的要求为双向0.5 ms。

1.2 应用场景

URLLC可以广泛应用于工业控制、设备自动化、车联网、远程手术等场景，如下图所示：

纵向：延时要求

横向：可靠性要求，可靠性定义如下，一定时延范围内，由于包传送错误、丢失或者太迟而未成功传送的包的失败率。

远程控制：可靠性要求低（错误率为 $10^{-2}$ ），延时大（100ms）。

工厂自动化：可靠性要求极高（错误率为 $10^{-7}$ ），延时极小（1ms以内）。

1.3 主要采用的技术

为了支持高可靠性，采用了冗余设计。

为达到降低时延的目的，NR在空口进行了多项有针对性设计，主要包括

物理层时域结构：子载波的宽度可以灵活配置
物理层调度方式：更短周期的调度、更加灵活的调度
下行抢占设计
上行取消设计
上行免调度授权传输
灵活的PDCCH配置
URLLC高优先级传输
精确时钟同步：1500ns=》130ns =》 65ns
移动边缘云计算：业务服务的下层
业务平面与数据平面的彻底分离

第2章时域物理层帧结构的优化

2.1 LTE的10ms帧结构

（1）从时域上看

与以物理存储空间为组织帧结构的TCP IP通信不同（一次连续发送就是一个完整的帧结构，不同时间发送的帧结构完全是独立的），LTE的帧的帧结构是按照时间来组织的，一个10ms的帧，是由10个连续的1ms的子帧帧组成，每个1ms的子帧由2个各自持续时间为0.5ms的slot组成。每个slot由6-7个平均持续时间为0.66.67us符号symbol组成，每个符号之间会按插一些CP时间，作为每个15K带宽的子载波之间的间隔，如下图所示：

在实际的LTE系统中，通常实际的调度周期（收发数据的脉动）为1ms，任何实时性要求高的数据，都必须落在这个1ms的脉动中，也就是说，实时性要求再高的数据，延时也要得到1ms，如果调度繁忙的化，可能还没有机会调度，延时是1ms的整数倍。

（2）从频域上看

每一次调度，会同时并行的、在所有的子载波上调制和解调数据，每个子帧间隔为15K, 子载波的个数取决于小区的带宽。

5M带宽情况下，子载波的个数为300

10M带宽情况下，子载波的个数为600

20M带宽情况下，子载波的个数为1200

（3）从用户的角度看来

每次调度，分配给每个用户的时间为：一个时隙周期0.5ms，分配个每个用户的子载波的数量为12，即一个物理资源块PRB.

符号周期：发送一个完整基带子载波所需要的时间。

15K子载波间隔时，子载波的基波频率为15KHz, 其正弦波的周期为1/15K = 66.67us，子载波的谐波频率为N * 15K，其正弦波的周期为1/（N*15K）= 1/N * 66.67us。

（4）66.67us符号周期的来源

66.67us符号的发送时间是怎么来的呢？

这就涉及到：发送一个符号所需的时间，即符号周期是怎么来的？这个更深层次的原理。

那么在66.67us内，可以发送完整的正弦波的个数与N次谐波是一致的，

在66.67us时间内，可以发送1个完整的基波频率的正弦波信号。

在66.67us时间内，可以发送2个完整的频率=2*15K的正弦波信号。

在66.67us时间内，可以发送3个完整的频率=3*15K的正弦波信号。

在66.67us时间内，可以发送N个完整的频率=N*15K的正弦波信号。

由此，由此可见，符号的发送时间，由子载波的基波频率决定的，也就是说，由子载波的间隔所决定的，这个时间，确保能够发送1到N个完整的子载波正弦波信号。

2.2 NR的帧结构

相对于4G，在无线侧，5G最大的特点是支持灵活的帧结构。

为什么呢？这是因为5G要支持更多的应用场景，其中，超高可靠低时延（URLLC）是未来5G的关键服务，需要比LTE时隙时长更短的帧结构！！！

（1）从时域的角度看

NR在时域上的结构与LTE相似，时域上包括帧、子帧、TTI、时隙slot这四个概念，每个时隙由7个符号组成。

（2）从频域的角度看

NR中，子载波的宽度不再是固定的15K, 在sub 6 GHz频段，NR支持15 kHz、30 kHz和60 kHz的子载波间隔。

（3）从用户调度的角度看

NR中引入灵活的时间参数设计。Numerology这个概念可翻译为参数集，大概意思指一套参数，包括子载波间隔，符号长度，CP长度等等。

所谓可灵活扩展，即NR的子载波间隔设为15*(2^m) kHz，m ∈ {-2, 0, 1, ..., 5}，也就是说子载波间隔可以设为3.75kHz、7.5kHz、15kHz、30kHz、60kHz、120kHz...（如下表）：

因此：

当子载波间隔为15K时，66.67us可以确保在这个时间段内，能够发送一个完整的基本正弦波信号。

当子载波间隔为30K时，33.33us可以确保在这个时间段内，能够发送一个完整的基本正弦波信号。

依次类推。。。。得到一个结论：

子载波间隔越大，发送一个完整的基波正弦波信号所需的时间就越短。

更大的子载波带宽，更短的“符号”发送时间，为更短的调度周期创造了条件。

（4）射频载波频率与基带载波带宽的关系

高频时，采用较大的子载波间隔，不使用15K, 30K载波间隔，降低符号长度有利于降低时延。因为载波宽度较大，对较大的相位噪声的鲁棒性越强。
低频时，支持较小的15K, 30K子载波间隔，可以处理大面积部署时的时间离散(dispersion)。

第3章物理层帧调度的优化

3.1 LTE的调度周期

固定15K的子载波宽度，

一个符号周期为66.66us，

一个slot有7个符号周期：7*66.67=0.5ms，

一个子帧有两个slot，时长为66.66us * 7 * 2 = 1s

调度周期最小为一个slot时间=0.5ms。常见为2个slot，即一个子帧的传送时间=1ms。

3.2 NR的调度周期

以60K的子载波宽度为例：

一个符号周期为16.67us，

一个slot有7个符号周期：7*16.67us=0.125ms，

一个子帧有两个slot，时长为0.125ms * 7 * 2 = 0.25ms

如果按照时隙调度的话：调度周期为0.125ms。

如果按照子帧调度的话：调度周期为0.25ms。

相对于15K的子载波，延时缩短了4倍，响应速度提升了4倍。

当然，通过改变子载波的宽度，可以提升每个符号的发送时间，缩短了每个子帧所需要的发送时间。

但更短的符号周期，对于芯片数字信号处理实时性提出了更高的要求。

3.3 NR的Mini-Slot

5G定义了一种子时隙构架，叫Mini-Slot。主要用于超高可靠低时延（URLLC）应用场景。

每个Mini-Slot仅仅由两个或多个符号组成，第一个符号包含控制信息。对于低时延业务可配置于Mini-Slot上，Mini-Slot也可用于快速灵活的服务调度。

NR的Mini-Slot的引入，进一步降低了5G物理层帧的调度周期，但这种调度周期，仅仅适用于URLLC的业务场景。

Mini-Slot角度的周期过于频繁，对终端提出了非常高的要求，只有特定的终端才需要支持Mini-Slot。

3.5 快速解码

物理层编码技术：Turbo码、LDPC和Polar码

Turbo码阵营代表（欧洲）：Orange和爱立信。已使用于3G、4G，以及4.5G。

LDPC阵营代表（美国）：高通、NOKIA、Intel和三星，已经应用于WiFi产品。

Polar码阵营代表（中国）：华为。Polar码似乎有点孤单，目前还没有大规模应用采纳。

看起来，这是一场美、欧、中三方角力的通信标准之争。

LDPC阵营认为，Turbo码译码时延大，不适用于5G高速率、低时延应用场景。

Turbo码阵营反驳，在3/4G应用中不断改进的Turbo码是能够满足5G极端场景的。

3.6 快速自动请求重传（HARQ）

3.7 快速动态调度

3.8 测试案例

根据前面分析，子载波间隔越大，时隙越短，时延越低。

厂家1：TTI调度时长为0.125ms，子载波间隔60K, 延时最低。

厂家2：TTI调度时长为0.125*2=0.25ms，子载波间隔30K, 延时次之。

厂家3：TTI调度时长为0.125*4=0.5ms，子载波间隔30K，虽然TTI较长，但采用了mini slot，延时较低。

厂家4：与厂家2类似，不同的是编码方式不同。

厂家5：TTI调度时长为0.2ms, 子载波间隔75K,采用了Turbo码编码，延时最大。

第4章提高同步系统的精度

更快的调度周期，更低的延时、更高的稳定性，都需要系统能够提供更加精确的定时时钟作为支撑。

5G URLLC支持基于GPS和 IEEE 1588 v2 的同步技术，通过无线接口实现亚微秒级别的高精度时间同步。

常规同步：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章降低终端信令的延时

（1）URLLC采用一次注册，永远在线，知道下次注册更新，节省断网后的再次接入的时间，实际上是通过预留资源来提升注册入网的时间。

第6章降低Backhual后传的延时

（1）Qos，为URLLC数据流保留较高的QOS等级

第7章降低业务数据的延时：移动边缘计算MEC

7.1 MEC概述

移动边缘计算（Mobile Edge Computing, MEC）可利用无线接入网络就近提供电信用户IT所需服务和云端计算功能，而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境，加速网络中各项内容、服务及应用的快速下载，让消费者享有不间断的高质量网络体验。移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）技术可以很好的解决这类网络业务延时的技术”痛点“，

7.2 MEC在5G网络中的位置

从上图可以看出几点：

（1）逻辑上，MEC是一个独立的网元，部署在5G接入网中的CU与5G的核心网之间。

（2）物理上，MEC可以与CU部署在一起，也可以与CU分开部署。

（3）MEC只处理移动通信网中的数据面UPlane的数据流，不处理C plane的数据流。

（4）从逻辑上讲，MEC并非是传统的移动通信网的网元，它还是属于业务网，只是下沉部署到靠近无线接入一侧而已。

7.3 MEC在工业应用中的部署形态

MEC为企业解决应用本地和部署的问题，而本地化是一个相对的概念，并非所有企业均需要或则有必要把MEC部署于自己的工厂、办公楼内，在不同的条件、不同的需求、不同的规模情况下，应该合理选择MEC能力，因此，MEC可以有两种模式与工业企业的需求进行匹配：

（1）模式1：主要面向特定地点的大中型工厂

其生产制造在固定地点，企业拥有自己的小型数据中心，企业移动办公、生产制造应用在其自有平台部署，其希望企业数据不出工厂，能够通过5G无线网络就近访问其应用，并且能够保证较低时延。

该类企业需求，可以借助5G灵活的网络架构，

把业务数据UPF下沉至工业企业后，实现就近流量转发，
而网络信令仍然可以在集中的核心网进行安全认证和控制，在实现传输时延降低的同时，可以保障企业数据在园区内。

组网如下图所示：

这种部署方式，无线接入网直接与企业网相连，对业务数据进行旁路，业务数据还存放在企业网中，业务数据不经过核心网。

（2）模式2：使用运营商公共网络模式

主要面向生产制造地点相对固定，对成本敏感的中小型企业，其通过运营商公共网络（运营商的边缘云），使用低成本的网络切片或VPDN等技术，实现数据安全传输。

应用部署于运营商边缘机房，并可以根据需要配置边缘计算节点的备份，在实现相对就近的业务访问同时，保障数据的备份和安全。

组网如下图所示：

这种部署方式，无线接入网直接与运营商的边缘云计算MEC相连，MEC对业务数据进行旁路，业务数据存放在MEC服务器中，业务数据不经过核心网。

7.4 MEC的动机

（1）URLLC超低延时的技术需要

终端业务的延时，不仅仅包含基站与终端的空口之间的延时，还包含基站与业务服务器之间数据传输的延时。

移动边缘计算MEC技术，就是在无线接入网RAN中架构业务服务器用来降低基站与业务服务器之间延时的系统架构层的技术。

MEC将网络功能和业务处理功能“下沉”到靠近接入网的边缘，以减少中间层级。

移动边缘计算MEC本质上打破了传统的传输与业务分离的架构，把业务“下沉”到了靠近客户的移动接入网中，为移动运营商提供定制化的企业业务提供了技术条件！

（2）运营商防止沿袭LTE被管道化的商业需要

为避免移动承载网络被管道化，电信标准组织和运营商正在研究在未来5G网络中，如何与移动互联网及物联网业务深度融合，进而提升移动网络带宽的价值。

欧洲电信标准协会ETSI提出的移动边缘计算（MobileEdgeComputing，MEC）是基于5G演进的架构，并将移动接入网与互联网业务服务深度融合的一种技术。

MEC一方面可以改善用户体验，节省带宽资源，

另一方面通过将计算能力下沉到移动边缘节点，提供第三方应用集成，为移动边缘入口的服务创新提供了无限可能。

移动网络和移动应用的无缝结合，将为应对各种OTT（OverTheTop）应用提供了有力的武器。

7.5 MEC的特点

网络开放：MEC可提供平台开放能力，在服务平台上集成第三方应用或在云端部署第三方应用。
能力开放：通过公开API的方式为运行在MEC平台主机上的第三方MEC应用提供包括无线网络信息、位置信息等多种服务。能力开放子系统从功能角度可以分为能力开放信息、API和接口。API支持的网络能力开放主要包括网络及用户信息开放、业务及资源控制功能开放。
资源开放：资源开放系统主要包括IT基础资源的管理（如CPU、GPU、计算能力、存储及网络等），能力开放控制以及路由策略控制。
管理开放：平台管理系统通过对路由控制模块进行路由策略设置，可针对不同用户、设备或者第三方应用需求，实现对移动网络数据平面的控制。
本地转发：MEC可以对需要本地处理的数据流进行本地转发和路由。
计费和安全。
移动性：终端在基站之间移动，在小区之间移动，跨MEC平台的移动。

7.6 MEC平台的架构

（1）MEC平台架构

移动边缘计算MEC把无线网络和互联网两者技术有效融合在一起，并在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，构建了开放式平台以植入一个业务的应用。

并通过无线API开放无线网络与业务服务器之间的信息交互，对无线网络与业务进行融合，可以获取用户业务流和无线网络状态信息，将传统的无线基站升级为对业务敏感的智能化基站。

MEC服务平台主要包含MEC托管基础设施层，MEC应用平台层以及MEC应用层。

MEC托管基础设施层

基于通用服务器，采用网络功能虚拟化的方式，为MEC应用平台提供底层硬件的计算，存储等物理资源。

托管基础设施层具体又可分为硬件资源和虚拟化层，至于其连接方式和接口，需要在具体的移动网络标准中定义。

MEC应用平台层

由MEC的虚拟化管理和应用平台功能组件组成，其中，MEC虚拟管理采用以基础设施作为服务的思想，为应用层提供一个灵活高效，多个应用独立运行的平台环境。MEC应用平台的功能组件主要包括数据分流，无限网络信息管理，网络自组织管理，用户/网络大数据分析，网络加速以及业务注册等功能，并通过开放的API向上层应用开放。

MEC应用层

基于网络功能虚拟化VM应用架构，将MEC应用平台的功能组件进一步组合封装成虚拟的应用（本地分流，无线缓存，增强现实，业务优化，定位等应用），并通过标准的接口开放给第三方业务应用或软件开发商，实现无限网络能力的开放与调用。

面向业务层面（物联网、视频、医疗、零售等），移动边缘计算可向行业提供定制化、差异化服务，进而提升网络利用效率和增值价值。

同时移动边缘计算的部署策略（尤其是地理位置）可以实现低延迟、高带宽的优势。

MEC也可以实时获取无线网络信息和更精准的位置信息来提供更加精准的服务。

7.7 移动接入网的改进

数据面与控制面的彻底分离

控制面连接到5G的核心网，

数据面，可以通过5G的核心网，提供移动服务，比如在移动通信网中进行语音呼叫或其他业务，也可以不需要通过核心网，业务数据直接由MEC进行旁路，与MEC业务服务器直接通信。

可以定制化的业务连接UPF（用户平面功能）实例

数据面与控制面的彻底分离以及灵活的UPF实例，为移动边缘技术MEC在无线接入中RAN中的实施提供了可能。

第8章 5G URLLC在可靠性方面的优化

7.1 采用更鲁棒的多天线发射分集机制

7.2 采用鲁棒性强的编码和调制阶数（MCS 选择），以降低误码率

7.3 采用超级鲁棒性信道状态估计

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