Ultra-reliable low latency communication (URLLC)

Patrick Zandl · 7. červenec 2024 Opravit 📃

Pojďme se zastavit u jedné z technologií, které umožňují sítím 5G dosahovat velmi nízké latence a vysoké spolehlivosti. Jmenuje se Ultra-reliable low latency communication (URLLC) - česky bychom řekli Ultra spolehlivá komunikace s nízkou latencí. Na rozdíl od LTE/4G, které byly primárně navrženy pro zvýšení datových rychlostí a kapacity, 5G s URLLC cílí na zcela novou úroveň výkonu v oblasti latence a spolehlivosti.

Na co je URLLC zamýšlené?

Na obrázku je vidět, k čemu je URLLC zamýšlené a jak si stojí oproti ostatním technikám v 5G sítí, jako je eMB, tedy enhanced mobile broadband a mMTC, massive machine type communication.

URLLC v 5G dosahuje latence v řádu milisekund (řekněme 1-4 ms) s extrémně vysokou spolehlivostí (99,9999%), což je výrazné zlepšení oproti LTE/4G, kde typická latence byla kolem 20-30 ms. Tohoto výsledku je dosaženo kombinací několika technologií a architektonických změn. 5G využívá kratší intervaly přenosu (TTI), flexibilní numerologii (tedy číslování přenašečů) a nové schéma plánování, které umožňuje rychlejší zpracování a přenos dat. Dále, 5G zavádí koncept network slicingu, který umožňuje vytvořit dedikovaný “slice” čili plátek sítě optimalizovaný pro URLLC provoz.

Na fyzické vrstvě 5G implementuje robustnější kódování a modulaci, které zvyšují odolnost proti chybám. URLLC také těží z edge computingu v 5G, který přibližuje zpracování dat blíže k uživateli, čímž dále snižuje latenci. Navíc, 5G podporuje dual connectivity, což umožňuje zařízením současně komunikovat s více základnovými stanicemi, zvyšujíc tak spolehlivost připojení.

Tyto vylepšení umožňují 5G podporovat uživatelské případy, které byly v LTE/4G nemyslitelné, jako je dálkové ovládání robotů, autonomní vozidla, průmyslovou automatizaci v reálném čase nebo telemedicínu. URLLC tak otevírá dveře novým aplikacím a službám, které mohou transformovat průmysl a společnost.

Teď už si to rozebereme v bodech podrobněji:

  1. Fyzická vrstva (PHY):
    • Kratší časové sloty: 5G NR používá subnosné rozestupy až 120 kHz, což umožňuje kratší symboly a time-slots (0.125 ms).
    • Flexibilní numerologie: Umožňuje dynamickou změnu délky OFDM symbolů a cyklického prefixu. Mini-sloty: Umožňují začít přenos uprostřed slotu, snižujíc čekací dobu.
    • Robustní kódování: Použití pokročilých LDPC (Low-Density Parity Check) kódů pro kontrolu chyb.
  2. MAC vrstva:
    • Preemptivní plánování: Umožňuje přerušit probíhající přenos pro URLLC data.
    • Grant-free uplink: UE může vysílat bez čekání na explicitní povolení od základnové stanice.
    • Častější HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) cykly: Rychlejší opravy chyb.
  3. RRC (Radio Resource Control):
    • Configured grants: Předkonfigurované přidělení zdrojů pro rychlý uplink přenos.
    • Dual connectivity: Simultánní připojení k více základnovým stanicím pro zvýšení spolehlivosti.
  4. Síťová architektura:
    • MEC (Multi-access Edge Computing): Zpracování dat blíže k uživateli.
    • Network slicing: Dedikované síťové zdroje pro URLLC provoz.
    • Optimalizovaná core network: Kratší cesty paketu a efektivnější směrování.
  5. QoS mechanismy:
    • 5QI (5G QoS Identifier): Specifické identifikátory pro URLLC provoz zajišťující prioritizaci.
    • Reflective QoS: Dynamická aplikace QoS pravidel bez signalizace.
  6. Pokročilé anténní techniky:
    • Massive MIMO: Zlepšuje spolehlivost signálu a snižuje interference.
    • Beamforming: Cílené směrování signálu pro zvýšení SNR.
  7. Redundance a diverzita:
    • Packet duplication: Stejný paket je odeslán přes více cest pro zvýšení spolehlivosti.
    • Interface diversity: Využití různých rozhraní (např. sub-6 GHz a mmWave) pro redundanci.
  8. Prediktivní techniky:
    • Proactive packet scheduling: Plánování na základě predikce síťových podmínek.
    • ML-based resource allocation: Využití strojového učení pro optimální alokaci zdrojů.
  9. Cross-layer optimalizace:
    • Těsná integrace mezi PHY, MAC a vyššími vrstvami pro minimalizaci overhead.
    • End-to-end QoS management: Zajištění URLLC požadavků napříč celou síťovou cestou.

URLLC má své velké zastánce v průmyslu, především v segmentu automotive a Industry 4.0. V obojím se hodí jako spolehlivý přenašeč potřebných informací. Aliance 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) je velkým zastáncem URLLC pro průmyslové využití. V každém případě je URLLC teprve na počátku cesty a jak to s jeho adaptací dopadne, teprve uvidíme. Navíc více či méně se překrývá s jinými technologiemi, které mohou být komplementární nebo zcela substitutivní. Jen namátkou:

  • TSN (Time-Sensitive Networking): IEEE standard pro deterministické přenosy v Ethernetových sítích.
  • DECT-2020 NR: Nový standard pro průmyslový IoT s nízkým zpožděním.
  • Wi-Fi 6 (802.11ax) a budoucí Wi-Fi 7: Zaměřují se na snížení latence v bezdrátových sítích.
  • Privátní LTE sítě: Dedikované LTE sítě pro průmyslové použití.
  • LoRaWAN a NB-IoT: Pro IoT aplikace, které nepotřebují extrémně nízkou latenci, ale vyžadují nízkou spotřebu energie.

Je důležité poznamenat, že zatímco tyto technologie mohou konkurovat URLLC v určitých aplikacích, URLLC má unikátní kombinaci nízké latence, vysoké spolehlivosti a mobility, kterou jiné technologie zatím nemohou plně napodobit.

URLLC je stále ve fázi rozvoje a jeho plný potenciál se teprve začíná realizovat. S postupným nasazováním 5G sítí a vývojem use cases se očekává, že využití URLLC bude významně růst v nadcházejících letech.

🗼 Pokračujte dále na Seriál Mobilní sítě

Chcete tyto články emailem?

Twitter, Facebook