5G uRLLC技术及其与TSN的融合
主要参考文献：
[1]刘珊,黄蓉,王友祥.5G URLLC技术应用[J].移动通信,2022,v.46;No.498(02):55-60.
3GPP R16版本在2020年6月冻结并发布，现阶段基于R16版本的网络设备和终端模组正在研发中。
一、uRLLC低时延、高可靠两个方面的标准化技术特性
1、低时延类技术
主要从降低时延的角度保障uRLLC场景超低时延需求，包括非时隙调度（Non-slot）、上行免授权，下行SPS配置等。
1）非时隙调度
R16版本提升可调度OFDM符号配置的灵活度（传统的基于时隙调度的，每个时隙时长0.5ms，包含14个OFDM符号），上下行都支持多种符号长度的调度。
利用Non-slot调度使uRLLC业务数据即时发送，一定程度上减少等待及调度时延。
2）上行免授权调度
图1 上行授权/免授权调度流程图
| 原理 | 缺点 | 优势 | |
| 基于授权的上行调度 | UE在发送上行数据时，会频繁与基站进行信令交互，获得上行数据发送需要的资源信息 | 上行数据的空口传输时延较长，尤其是上行突发的小包业务 | |
| 免授权调度Type1 | 类似LTE半持续调度技术，上行业务数据教育RRC配置传输 | 减少信令交互时延，减少对调度控制信息的需求，间接降低控制信息可靠性对uRLLC业务可靠性的影响。 | |
| 免授权调度Type2 | 在RRC高层配置部分传输参数后，还需PDCCH发送DCI数据激活具体资源，然后UE才可发送免授权上行数据 | 比Type1更快修改所用资源，保障不同uRLLC业务根据特性（包到达率、共享资源用户数、包大小等）灵活配置需求 |
3）上行控制信道增强
R16版本标准支持1个时隙内多次反馈HARQ，及时进行低时延物理下行数据的重传，间接降低时延。
2、高可靠类技术
主要从提高可靠性角度保证uRLLC场景超高可靠性需求，包括新的调制编码方案、下行控制信道增强、slot聚合及各类冗余传输方案。
1）新的调制编码方案
面向uRLLC业务99.999%的可靠性要求，设计更低码率方案。uRLLC的总体调制阶数较低，最高到64QAM。
ps:更低的调制阶数能减少星座图上的星座点，增强调制解调的容错性，提高数据传输的可靠性。较低的码率也提高uRLLC的抗干扰能力。
2）下行控制信道增强
uRLLC对可靠性要求较高，引入CCE聚合等级16（LTE下行控制信道CCE聚合等级为8），提高控制信道传输的可靠性。
3）slot聚合
类似重传效果。在多个连续的slot上传输同一个数据块；多个绑定的slot作为同一个资源进行处理，不同的slot传输同一个数据块的不同HARQ冗余版本。
4）各类冗余/重复传输
- PDCP重复传输：适用于双4/5G连接和载波聚合架构，R16版本最多支持4条链路的PDCP重复传输；
- 用户面冗余传输：1个业务建立2个冗余PDU会话，通过不同RAN设备进行承载，传输路径也尽可能独立。
- N3/N9冗余传输：N3（UPF和RAN之间的接口）接口的可可靠性可通过部署2个独立的N3隧道进行冗余传输。
二、5G uRLLC与TSN的融合
1、5G+TSN业务需求
1）远程控制业务
在工业互联网的应用系统中，典型的闭环控制过程周期可能低至毫秒级别，同时对业务的传输有十分严格的可靠性和确定性要求。
TSN技术在现有的以太网QoS功能基础上增加了包括时间片调度、抢占、流控及过滤等一系列流量调度特性，并根据业务流量的特点配合使用相关特性，从而确保流量的高质量确定 性传输。将TSN技术原理与5G网络的传输过程进行融合，可以更为有效地保证5G网络的端到端高可靠低时延传输要求。
2）异构系统协同类业务
智能工厂中，生产设备、移动机器人、AGV小车等智能系统内部存在异构的网络连接，且各个系统可能通过不同的方式接入到5G网络中。因此，为了需要实现这些设备系统之间的密切协同及无碰撞作业，就需要业务系统彼此之间能够做到互联互通。
TSN+OPC UA的组合被认为是解决异构系统互联互通问题的最佳组合，可以同时达成网络的互联和数据层面的互通。TSN技术基于标准以太网协议解决数据报文在数据链路层中确定性传输问题；OPC UA则提供一套通用的数据解析机制，应用于业务系统端设备，解决数据交换及系统互操作的复杂性问题。
3）采集与运维类业务
智能工厂中存在大量设备维护、原材料及产品数据，信息系统与生产设备之间的数据交互量将以指数级增长速度；且上述业务涉及音/视频、控制信号、IoT等数据类型，不同数据流传输具有不同的传输机制和QoS要求。尤其是在部署了云平台和边缘计算节点的情况下，工业网络还将承担算力网络的流量冲击（算力网络：基于对计算资源的感知、控制和管理，实现计算与网络的融合），对网络负载有较高要求。这就要求新一代工业网络可以实现高负载和确定性的高质量传送。
2、5G+TSN融合技术方向
在2020年12月工业互联网产业联盟发布的《5G+TSN融合部署场景与技术发展白皮书（V1.0版）》中，5G+TSN的研究范畴主要是指5G系统和TSN网络系统在技术上的融合创新以及在方案上的协同部署。目前主要包含TSN Over 5G uRLLC、5G承载网 over TSN以及5G作为TSN系统网桥三种技术方向。
1）TSN over 5G uRLLC
将原有已具备时间敏感特性的业务系统（如工业控制网络、车载网络等）与5G系统进行网络对接，利用5G uRLLC实现TSN系统的拉远。
图2 TSN over 5G uRLLC
5G uRLLC与TSN配合实现对工业确定性类型业务的保障。具体的，整个业务系统被看做一个UE，TSN中的流量分类与5G网络系统的业务类型建立映射关系，同时保留TSN对流量配置的相关标记，经过5G网络系统远程传输后，剥离5G封装进入协同业务系统中后，仍按TSN流量调度类型进行确定性传输。
2）5G作为TSN系统网桥
图3 5G系统作为TSN网桥
整个5G系统可看做一个透明的逻辑网桥，不会感知具体的TSN业务，仅仅在端侧通过终端TSN转换器（DS-TT）、网络TSN转换器（NW-TT）支持TSN系列协议，并实现5G业务与TSN业务的协议转换。涉及的关键技术包括：
- TSN技术与空口传输的融合：在uRLLC通信服务基础上，将TSN技术思路应用于无线空口，增加时间同步、时延、时延抖动有界性定义。
- DS-TT（device-side TSN translator）：部署设备侧TSN网关DS-TT，对相关端口、协议数据单元以及QoS机制进行UE和业务系统间的映射，支持TSN相关流量调度特性。
- TSN-AF：支持在同一UPF下的UE与UE间，实现确定性通信的能力开放。
3）5G承载网 over TSN
5G网络系统中承载网络通常采用有线网络进行流量承载，在DU和CU尚未分离部署的情况下，通常分为前传和回传两部分。
图4 5G承载网分段 over TSN
当CU和DU分离部署后，前传的传输距离可能缩短，DU与CU之间的中传网络采用包传输方式的可能性较大，因此TSN与5G中传网络的结合将是融合部署的一个关键。