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详解 URLLC 宿世此生,你 Get 了吗?
2019-10-08 22:06:16

作者 | 白告天

责编 | 伍杏玲

2019 年 1 月,福州。

由北京 301 医院肝胆胰肿瘤外科主任刘荣主刀的一场手术正在进行中。但奇怪的是,手术对象却在 50 公里以外。

原来,这是一场利用 5G 网络远程操控机械臂进行的手术,刘荣医生远程对一只小猪进行了切除肝小叶手术。手术持续了将近一个小时,并取得了成功。

据了解,本次远程手术由华为、中国联通福建分公司、北京 301 医院等共同展开,是全球全球第一例 5G 远程手术。由于 5G 网络的提速以及稳定性,很大程度的降低了手术的风险。据悉,此次手术的远程操作,几乎完成同步,延时只有 0.1 秒左右。

那么这个 5G 的超低延迟到底是什么来路呢?

超低延迟是 5G 三大主要应用场景之一。2015 年 6 月,国际电信联盟无线通信部门(ITU-R)5G 工作组第 22 次会议正式将 5G 命名为 IMT-2020,并发布了 IMT-2020 愿景以及时间表,同时将 5G 分为 3 个主要的应用场景:

  • eMBB(Enhanced Mobile Broadband,增强型移动宽带)

  • URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications,高可靠和低延迟通信)

  • mMTC(Massive Machine Type Communication,大规模机器类型通信)

eMBB(Enhanced Mobile Broadband,增强型移动宽带)

URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications,高可靠和低延迟通信)

mMTC(Massive Machine Type Communication,大规模机器类型通信)

URLLC 就是上方远程手术的主要功臣,那么 URLLC 是什么?URLLC 顾名思义是高可靠低延迟通信,特点是高可靠、超低时延、极高的可用性。

介绍 URLLC 之前,要先说一下 5G NR(新空口),没有 5G NR 的开发和实施,URLLC 就不可能实现。

5G NR 是什么?

先举个例子:

老婆:我想买一盒眼影。

我:买!多少钱?我给你转账!

当老婆和你商量一件事的时候,是通过对话的形式来的。在这个过程中,你老婆表达了「想买眼影」这个意思,你表达了「支持」的态度,你们表达的意思,可以认为是「信息」。

那么这个对话是如何成立的呢?首先你们俩说的都是中文(编码),其次你俩都遵循了合理的语法结构(调制),再者你俩都用声带振动发声、用耳朵等听觉感官接收(波形、天线)。

因此,所谓「空口」,就是说如何通过电磁波来承载所需要发送的信息的一系列规范。而所谓「新空口」,就是比较新的空口,其新旧是相对于 4 G LTE 而言的。新空口或 5G (New Radio) 可能不是最原始的表述,不过,3GPP 第 15 版引入了 5G 新空口(NR)移动通信标准的正式定义。所以,之于 5G,NR 等同于移动通信行业使用 LTE 来描述 4G 技术或 UMTS 来描述 3G 技术。

早在 2016 年 4 月,3GPP 就正式启动 5G 新空口的标准化工作,目标是实现 5G 新空详解 URLLC 宿世此生,你 Get 了吗?口在 2020 年的商用部署。

与此前制定 3G 和 4G 国际标准不同的是,3GPP 对于 5G 国际标准的制定所采取的是分阶段的方式:

  • 第一阶段,于 2018 年 6 月冻结 3GPP Release 15,其中仅对部分 5G 新空口的功能进行标准化;

  • 第二阶段,于 2019 年冻结 3GPP Release 16,其中的 5G 新空口功能将可全部满足 ITU-R 所提出的 IMT-2020(5G)需求。

第一阶段,于 2018 年 6 月冻结 3GPP Release 15,其中仅对部分 5G 新空口的功能进行标准化;

第二阶段,于 2019 年冻结 3GPP Release 1详解 URLLC 宿世此生,你 Get 了吗?6,其中的 5G 新空口功能将可全部满足 ITU-R 所提出的 IMT-2020(5G)需求。

此外,3GPP 的 5G 技术标准可能还将在 2020 年之后作进一步的后续演进,在 3GPP Release 17/18 等之中增加 5G 系统新的特性及功能。

3GPP RAN1 将 URLLC 标准划分为低时延和高可靠两部分。

  • 对于低时延技术标准,3GPP 并无单独的专题讨论,低时延技术在物理层主要涉及到 slot/帧结构、调度和 HARQ 过程等几部分,这些专题的讨论涵盖了 URLLC 标准的低时延部分。

  • 对于高可靠技术标准,在 RAN76 次全会之后开始启动实现高可靠技术的讨论,在 RAN78 次全会之后将对讨论的高可靠技术进行选择和总结,开始标准的制定,并将在 RAN80 次全会时完成高可靠的标准制定,完成时间为 2018 年 6 月。

对于低时延技术标准,3GPP 并无单独的专题讨论,低时延技术在物理层主要涉及到 slot/帧结构、调度和 HARQ 过程等几部分,这些专题的讨论涵盖了 URLLC 标准的低时延部分。

对于高可靠技术标准,在 RAN76 次全会之后开始启动实现高可靠技术的讨论,在 RAN78 次全会之后将对讨论的高可靠技术进行选择和总结,开始标准详解 URLLC 宿世此生,你 Get 了吗?的制定,并将在 RAN80 次全会时完成高可靠的标准制定,完成时间为 2018 年 6 月。

Ps: 北京时间 2018 年 6 月 14 日,3GPP 全会(TSG#80)批准了第五代移动通信技术标准(5G NR)独立组网功能冻结。加之 2017 年 12 月完成的非独立组网 NR 标准,5G 已经完成第一阶段全功能标准化工作,进入了产业全面冲刺新阶段。

此次 SA 功能冻结,不仅使 5G NR 具备了独立部署的能力,也带来全新的端到端新架构,赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,开启一个全连接的新时代。

URLLC 应用场景

说回 URLLC。

URLLC 它主要包括以下几类场景及应用:工业应用和控制、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等。URLLC 在无人驾驶业务方面拥有很大潜力。此外,URLLC 对于安防行业也十分重要。工业自动化控制需要时延大约为 10ms,这一要求在 4G 时代难以实现。而在无人驾驶方面,对时延的要求则更高,传输时延需要低至 1ms,而且对安全可靠的要求极高。

对于 URLLC 型应用场景来说,它可以应用到自动驾驶技术之中。在自动驾驶技术中,通信技术的及时性可以明显的体现出来,同时通信技术的可靠性也可以明显的体现出来。尽管 5G 技术能够应用的场景非常多,但 uRLLC 型应用场景是所有应用场景之中优点最多的。

我国 5G 技术最大的优势体现在两方面,一方面是通信技术的高传输性,一方面是通信技术的可靠性。与 4G 相比较,5G 的下载速度是 4G 的几十倍,在下载过程中它的连续性也比较好,在数据传输过程中,5G 能够实现「三个特性」,其中一个特性是即时性,一个特性是可靠性,还有一个特性是高效性,这在一定程度上促进 5G 场景的实现。说完应用场景说一下 URLLC 的技术特点。

URLLC 技术特点

5G URLLC 的主要技术特点如下:

  • 在时延和可靠性方面,相比之前的蜂窝移动通信技术,5G URLLC 有了极大程度的提升。

  • 5G URLLC 技术,实现了基站与终端间,上下行均为 0.5 毫秒的用户面时延。

在时延和可靠性方面,相比之前的蜂窝移动通信技术,5G URLLC 有了极大程度的提升。

5G URLLC 技术,实现了基站与终端间,上下行均为 0.5 毫秒的用户面时延。

该时延是指:成功传送应用层 IP 数据包/消息所花费的时间,具体是从发送方 5G 无线协议层入口点,经由 5G 无线传输,到接收方 5G 无线协议层出口详解 URLLC 宿世此生,你 Get 了吗?点的时间。

其中,时延来自于上行链路和下行链路两个方向,5G URLLC 实现低时延的主要技术包括:

① 引入更小的时间资源单位,如 mini-slot;

② 上行接入采用免调度许可的机制,终端可直接接入信道;

③ 支持异步过程,以节省上行时间同步开销;

④ 采用快速自动请求重传(HARQ)和快速动态调度等。

目前,5G URLLC 的可靠性指标为:用户面时延 1ms 内,一次传送 32 字节包的可靠性为 99.999%。

此外,如果时延允许,5G URLLC 还可以采用重传机制,进一步提高成功率。

在提升系统的可靠性能方面,5G URLLC 采用的技术包括:

① 采用更鲁棒的多天线发射分集机制;

② 采用鲁棒性强的编码和调制阶数(MCS 选择),以降低误码率;

③ 采用超级鲁棒性信道状态估计。

此外,5G URLLC 还支持基于 IEEE 1588 v2 的同步技术。在「运动控制场」景下,5G URLLC 可以在由 50 个到 100 个设备所组成的通信组中,通过无线接口实现亚微秒级别的高精度时间同步。

URLLC 是移动通信行业切入垂直行业的一个突破口,是 5G 区别于 2G/3 G/4G 的一个典型场景,URLLC「高可靠低时延」对于自动驾驶、工业应用和控制 、远程制造、远程培训、远程手术以及其他高度延迟敏感型业务的广泛应用非常关键。

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