廣為人知的“5G 之花”描繪了 eMBB、URLLC 和 mMTC 三大類應用場景，3GPP 第一個 5G 完整標準版本 R15 主要在 eMBB 上比較成熟，隨著基于 R15 版本的 5G 網(wǎng)絡在中國規(guī)模建成和商用，eMBB 也得到了廣泛的應用。而 2020 年 7 月初 R16 版本凍結，在這一標準版本中，除了 eMBB 繼續(xù)得到增強，URLLC 也進一步成熟。
在公眾對 5G 價值預期不太樂觀的情況下，5G 的行業(yè)應用，即將 5G 視為數(shù)字新基建的關鍵和核心內(nèi)容。希望通過 5G 與各行業(yè)的融合創(chuàng)新，使得 5G 的價值得到更好的體現(xiàn)，同時在行業(yè)數(shù)字化的乘數(shù)效應下拉動經(jīng)濟的轉型和發(fā)展，已經(jīng)成為不僅是運營商的強烈期望，同時更得到了各級政策制定者的關注。
作為 5G 網(wǎng)絡服務的提供者，運營商也都將目光聚焦在垂直行業(yè)市場上，紛紛推出 5G 專網(wǎng)服務，并探索 5G 在行業(yè)的解決方案和應用案例。2020 年舉行的第三屆“綻放杯 5G 應用大賽”上我們看到了 5G 在垂直行業(yè)的豐富應用，大多基于 5G 的高帶寬、低時延特性，同時也利用 5G 網(wǎng)絡切片、MEC 技術，提供了安全隔離、云網(wǎng)融合的專網(wǎng)服務。
01、5G eMBB 規(guī)模商用，然商業(yè)模式并未閉環(huán)
2020 年，中國在 5G 的建設上取得了巨大成就，新增建成約 58 萬個 5G 基站，其中建成共享 5G 基站 33 萬個，累計建成 5G 基站 71.8 萬個，已經(jīng)成為了全球最大的 5G 網(wǎng)絡。5G 用戶數(shù)也達到了 2.5 億，發(fā)展速率遠遠超過了行業(yè)的預期，同時也占據(jù)了全球 5G 用戶數(shù)的 80%以上，C 端用戶數(shù)的增長大大拉動了 5G 手機的銷量。
然而 C 端市場并不是運營商關注的重點領域，在移動用戶數(shù)達到 16 億的高位數(shù)后，依靠滲透率提升實現(xiàn)用戶增長已經(jīng)不可持續(xù)。
一方面，既然以 5G 來拉動整體用戶數(shù)增長的模式不再成立，運營商也就沒有了大規(guī)模推動發(fā)展 5G 用戶的動力，尤其是以促銷的方式，更多的也就是推出 5G 套餐，給有需要的用戶簽約新的套餐，同時能夠維持和一定程度上增加 ARPU 值。
而另一方面，在原本 4G 移動互聯(lián)網(wǎng)使用體驗尚可，新的應用并未流行的情況下，用戶也并沒有更換 5G 套餐的強烈動力。這也就出現(xiàn)了一個獨特現(xiàn)象：三大運營商統(tǒng)計的 5G 用戶數(shù)總計約 2.5 億（中國聯(lián)通并未公布，為估計值），但實際國內(nèi) 5G 手機出貨量僅 1.63 億部，這用手機多卡是比較難解釋的，一定程度上說明部分用戶僅用了 5G 套餐，但實際并沒用 5G 網(wǎng)絡。
B 端市場是運營商真正關注的重點領域。為了將 5G 網(wǎng)絡服務應用到行業(yè)，三大運營商均推出了 5G 專網(wǎng)服務。
中國移動推出“優(yōu)享”、“專享”、“尊享”三類專網(wǎng)服務，提出“公網(wǎng)公用”、“公網(wǎng)專用”、“專網(wǎng)專用”的概念，為垂直行業(yè)提供滿足不同 SLA 質量、安全隔離的專網(wǎng)服務。據(jù)統(tǒng)計，在中國移動的 100 個集團級龍頭示范項目中，有超過七成的項目已經(jīng)提出了明確的網(wǎng)絡專用需求，分級的 5G 專網(wǎng)預期能夠成為主要的增量市場。
中國聯(lián)通也推出了“虛擬專網(wǎng)”、“混合專網(wǎng)”、“獨立專網(wǎng)”三類專網(wǎng)服務，分別提供“廣域專網(wǎng)、優(yōu)先保障”、“公專隔離、定制增強”、“物理專網(wǎng)、安全可靠”特點的分級專網(wǎng)服務。
中國電信的專網(wǎng)服務分別命名為“致遠”、“比鄰”和“如翼”，“致遠”基于公網(wǎng)提供廣域接入、云網(wǎng)一體的專網(wǎng)服務；“比鄰”則定位本地，實現(xiàn)業(yè)務的本地處理、云邊協(xié)同；“如翼”則是區(qū)域專屬、安全可信的物理專用網(wǎng)。
然而，和 C 端 5G 用戶數(shù)快速形成規(guī)模不同，B 端的 5G 專網(wǎng)服務還處在探索期，實際形成商用銷售的專網(wǎng)服務并不多，不管是技術還是商業(yè)模式都并未成熟。
以《5G 應用創(chuàng)新發(fā)展白皮書（2020）》對第三屆“綻放杯 5G 應用大賽”的洞察來看，2018 年第一屆“綻放杯”大賽有 67%的參賽項目處于創(chuàng)意、調研、功能設計的初級階段，這一比例在 2020 年第三屆“綻放杯”大賽的參賽項目中下降到 16%，更有 31%的項目已經(jīng)實現(xiàn)落地商用。不過已經(jīng)商用落地的項目仍屬于“樣板間”，定制化程度高，尚不具備大規(guī)模商用和復制推廣的條件，很多商用落地項目僅能收回成本，尚未形成盈利。
可見，5G 不管是在 C 端還是 B 端市場的商業(yè)模式都并未進入良性狀態(tài)。
02、5G 行業(yè)應用成熟，URLLC 仍是關鍵
同樣以“綻放杯”5G 應用大賽作為觀察點，第三屆大賽共有來自全國 30 個省、自治區(qū)、直轄市的 2388 家企業(yè)、科研院所、行業(yè)協(xié)會、政府機構等單位參與申報，申報項目達 4289 個。參賽項目繼續(xù)圍繞產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智慧化生活、數(shù)字化治理三大方向創(chuàng)新發(fā)展，三大方向分別占比 63%、31%、6%。與 2019 年相比，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化項目比例獲得 17%的增長，5G 技術加速與垂直行業(yè)深度融合。
5G 應用的行業(yè)方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、智慧交通、園區(qū)（政務、商業(yè)等）、城市管理領域的項目數(shù)量位居前列，這五個領域項目數(shù)量占全部項目數(shù)量的 65%。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目占比連續(xù)三年增長，占據(jù)全部項目的 28%，成為最具熱度的 5G 融合應用領域。
隨著 5G SA 網(wǎng)絡部署的加速和切片技術的發(fā)展成熟，三大運營商在 2020 年都啟動了 SA 的商用，第三屆“綻放杯”大賽參賽項目中有 19%使用了 5G 專網(wǎng)技術，主要應用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、智慧交通、智能電網(wǎng) / 能源等對時延、可靠性等技術指標敏感度較高的行業(yè)。
具體到重點應用領域，5G 智慧工廠中，基于 5G 的高清視頻監(jiān)控、無人巡檢、云化 AGV 等已經(jīng)成為傳統(tǒng)基于有線網(wǎng)絡和 WiFi 網(wǎng)絡的有益補充，尤其 5G+機器視覺，在實現(xiàn)產(chǎn)品質量檢測、預測性維護等方面效果明顯，成為關注的重點。然而工廠場景大多是確定性的場景，對關鍵業(yè)務的連續(xù)性和穩(wěn)定性要求很高、部分基于機器視覺的產(chǎn)品質量檢測、實時控制等對時延的要求也很高。
5G 智慧礦山通過構建井下“一張網(wǎng)”，解決煤礦 6 大作業(yè)系統(tǒng)（煤系統(tǒng)、掘進系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、機電系統(tǒng)）獨立建設光纖網(wǎng)絡造成的重復投資、維護成本高、不能滿足移動場景需求的痛點問題。以焦煤集團 5G 無人礦山項目的經(jīng)驗，通過 5G 網(wǎng)絡開展運輸車無人駕駛、器械遠程無人操作等應用，人員減少 50%，人員傷亡降低為 0，直接受益 4800 萬 / 年。但同時煤礦安全生產(chǎn)要求核心網(wǎng)故障時（由于礦山環(huán)境的特殊性，這種情況并不罕見），業(yè)務不中斷，對可靠性要求很高。
5G 智慧港口通過用 5G 無線網(wǎng)絡的遠程控制替代傳統(tǒng)有線控制，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的無人化操作，提升了操作靈活性和可靠性，人工成本大幅降低，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，港口作業(yè)效率顯著提高。
在岸橋區(qū)和堆場區(qū)，通過 5G 方案，相比人工碼頭，目前單臺設備可節(jié)省 75%的人力，預計未來整個港區(qū)的人力會因此大幅降低，同時，生產(chǎn)效率整體提高約 50%。但是，為滿足 5G 無人港口的要求，目前 5G 網(wǎng)絡的端到端穩(wěn)定性需要進一步提升?，F(xiàn)階段，5G 網(wǎng)絡還不能完全支持某些場景的商用要求，特別是在穩(wěn)定性這方面，還需要從設備層面進行進一步的增強。
基于以上典型重點應用領域的分析，對于 5G 的低時延、高可靠性都提出了明確的要求，而定義這方面技術的 URLLC 標準在 2020 年 7 月剛剛凍結，產(chǎn)品實現(xiàn)相對于標準還有一定滯后，接下來介紹 URLLC 的標準和實現(xiàn)情況。
03、URLLC 典型業(yè)務需求
下表是 3GPP TS 22.261 標準規(guī)定的一些典型 URLLC 場景及其時延、可靠性要求：
R16 定義的典型 URLLC 業(yè)務需求和流量模型
04、URLLC 實現(xiàn)超低時延的關鍵技術
在「5G 行業(yè)應用」公眾號之前的文章“5G 網(wǎng)絡切片的七種武器（二）”中介紹了 5G 實現(xiàn)超低時延的途徑。這里我們從標準的層面介紹下 R15、R16 中的實現(xiàn)情況。
R15 中定義了以下幾種減少時延的關鍵技術：上行免授權：指 5G 基站 gNB 通過激活一次上行授權給 UE，在 UE 不收到去激活的情況下，將會一直使用第一次上行授權所指定資源進行上行傳輸，其有兩種傳輸類型：type 1——由半靜態(tài)無線資源控制 RRC 通過高層信令進行配置和 type2——由態(tài)下行控制信息 DCI 進行指示上行免授權的激活和去激活。上行免授權調度通過一次授權，可以多次使用資源，減少了信令交互的時延。Mini-slot（微時隙）：5G NR 可以通過增大子載波間隔（SCS）可減小時隙長度，縮短調度周期，但這種方式系統(tǒng)調度周期仍然需要與時隙周期耦合。因此定義了 Mini-slot 進一步縮小調度周期，Mini-Slot 的起始位置是可變的，且持續(xù)時間比典型的 14 個符號的時隙更短，原則上可以最小一個 OFDM 符號，實際在 R15 中定義下行的支持 2/4/7 個持續(xù)符號的配置。上行支持 1/……/13 個持續(xù)符號配置。URLLC 搶占 eMBB：在資源調度中，規(guī)定 URLLC 業(yè)務可以搶占 eMBB 的資源，也可以使得低時延業(yè)務可以更快的傳輸，降低時延。R15 規(guī)定了下行的搶占。R16 中，進一步對 URLLC 進行了增強，主要包括：DCI Format for URLLC：重新對于調度 URLLC 的 DCI Format 進行設計，DCI Format 的最小長度相對于 R15 中的 fallback DCI 將縮短 10~16 bit，而最大長度將于 R15 中的 fallback DCI。
PUCCH 增強：主要關注進一步優(yōu)化時延。在 R15 中，在 1 個 slot 中只有 1 個用于 HARQ-ACK 的 PUCCH 可以進行傳輸。而在 R16 中考慮 1 個 slot 中可有多個 PUCCH 可用于 HARQ-ACK 反饋。此外在 R16 中考慮對 1 個 UE 可以同時構建 2 個或 2 個以上的 HARQ-ACK 碼本，以支持不同的業(yè)務傳輸。PUSCH 增強：為了增強無線傳輸?shù)目煽啃裕琑15 定義了 slot 級別的重復傳輸，但這不利于降低時延，R16 中增強支持 Mini-slot 級別的重復，同時支持多套免授權配置。彌補 R15 的不足，R15 支持了上行的 URLLC 搶占。
TSN：R16 引入了時延敏感網(wǎng)絡 TSN，通過將 5G 系統(tǒng)作為一個網(wǎng)橋，透明集成在 TSN 網(wǎng)絡中，實現(xiàn) 5G 系統(tǒng)的時延確定性，具體實現(xiàn)可以參考[5G 行業(yè)應用]公眾號之前的文章“凍結在即，提前揭秘 5G Rel-16 標準重要組網(wǎng)技術 --5G Rel-16 支持垂直行業(yè)組網(wǎng)的新特性”。
05、URLLC 實現(xiàn)超高可靠性的關鍵技術
在提高可靠性方面，5G 采用了以下關鍵技術：
URLLC 高可靠映射表：5G 支持根據(jù)不同的可靠性目標，配置不同的 CQI 和 MCS 映射表格，以下是 99%可靠性的 MCS 映射表。
CQI 和 MCS 映射表格原理是根據(jù)傳輸業(yè)務的 BLER 設定調制階數(shù)，通過降低調制階數(shù)來獲得空口傳輸?shù)目煽啃?，但其代價是降低了頻譜效率。數(shù)據(jù)重復傳輸：在上下行信道上進行 slot 的重復傳輸，可以放寬時延要求的條件下提升傳輸?shù)目煽啃浴15 僅能進行 slot 的重復，R16 增強為 Mini-slot 的重復傳輸，降低了對時延的影響。UE 間的上行復用：UE 可以基于 UL Cancelation 指示取消對應的上行傳輸。URLLC 的 UE 還可以通過動態(tài) Power Boosting 的方式提升功率，提高上行傳輸?shù)目煽啃?。PDCP 復制：前面介紹的都是在單鏈路上提高可靠性的技術。為了提升可靠性，還可以采用多個載波的方式提高可靠性。這種情況下通過 PDCP 在不同載波的復制，能夠提高可靠性，并保持低時延。R15 支持 1 個 PDCP 到 2 個 RLC 的復制，R16 增加到 4 個。
無線網(wǎng)絡的超高可靠設計，5G 網(wǎng)絡在應用中還面臨其它的可靠性風險，比如 gNB 與核心網(wǎng)的傳輸鏈路中斷，這在某些環(huán)境下是常常發(fā)生的，比如礦山、港口等，而這些行業(yè)的應用對于可靠性又有異乎尋常的要求，尤其是在承載的是生產(chǎn)業(yè)務的情況下，業(yè)務終端將會導致比較大的損失。因此 URLLC 還提供了以下冗余手段實現(xiàn)可靠性，以及在出現(xiàn)故障時保持業(yè)務的可用性：端到端用戶面冗余：即在 UE 和用戶網(wǎng)絡之間建立兩條獨立的 PDU 會話，用于 URLLC 業(yè)務的傳輸。這適用于無線環(huán)境可能無法滿足傳輸要求的場景。N3/N9 接口冗余：即為 PDU 會話建立兩條獨立的 N3 隧道，適合無線滿足要求，但是回傳網(wǎng)絡可能容易出現(xiàn)故障的場景。單業(yè)務雙終端冗余：在一個業(yè)務中通過兩個終端兩個 PDU 會話實現(xiàn)冗余傳輸，適合到無線和回傳網(wǎng)絡都可能無法滿足要求的場景。N4 鏈路中斷會話保持：對于下沉 UPF 的場景，由于傳輸鏈路導致 N4 接口斷鏈，可在 UPF 中實現(xiàn)會話保持功能，保持業(yè)務的持續(xù)，這時原本建立會話的業(yè)務不會中斷，但是新的業(yè)務無法建立。N4 斷鏈新用戶可接入：對于部署了下沉 5GC 的場景，因為用戶簽約數(shù)據(jù)在大網(wǎng) 5GC 上，通過 UDM 數(shù)據(jù)在兩套 5GC 之間保持同步，當與大網(wǎng) 5GC 的鏈路中斷時，可以在備用 5GC 上實現(xiàn)新業(yè)務的接入，提高網(wǎng)絡整體可靠性。
06、寫在最后
URLLC 作為 5G 賦能行業(yè)的關鍵應用場景，其實現(xiàn)超低時延和超高可靠性的技術集經(jīng)過 R15、R16 兩個標準版本的演進，已經(jīng)基本具備，但是仍然需要看到，不管是系統(tǒng)廠家在功能的支持上，還是終端的支持程度都還存在較大的差距。而由于垂直行業(yè)的應用，尤其是生產(chǎn)相關類的應用，對于可靠性的要求又非常高，因此只有 5G URLLC 實現(xiàn)比較成熟商用的時候，才能更好的為垂直行業(yè)提供統(tǒng)一的基礎網(wǎng)絡服務。
而我們也看到，5G 原定場景也是處在發(fā)展過程中，在僅商用一年的時候，5.5G 的概念已經(jīng)提出，在原有三大應用場景外，提出了 UCBC、RTBC、HCS 三種應用場景。UCBC 上行超寬帶，實質上是針對垂直行業(yè)需求的 eMBB 應用。RTBC 寬帶實時交互，是在低時延基礎上，帶寬提升 10 倍，以打造人與虛擬世界交互時的沉浸式體驗，支持比如 XR Pro 和全息等應用。HCS 融合感知通信則針對車聯(lián)網(wǎng)和無人機兩大場景，在提供通信能力的同時，通過將蜂窩網(wǎng)絡 MassiveMIMO 的波束掃描技術應用于感知領域，實現(xiàn)無人機和車輛的感知；如果延展到室內(nèi)場景，還可提供定位服務。可以預期，隨著 5G 和行業(yè)融合的深入，還會有更多的典型場景出現(xiàn)。