第54卷 第1期2021年1月通信技术Communications Technology Vol.54 No.1Jan. 2021·96·
文献引用格式：徐慧俊，陈林，杨波. 垂直行业URLLC 和TSN 关键技术研究[J].通信技术，2021，54（01）：
96-101.XU Huijun, CHEN Lin, YANG Bo. Key Technologies of Vertical Industry URLLC and TSN [J].
Communications Technology,2021,54(01):96-101.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.01.015国际档案日
垂直行业URLLC 和TSN 关键技术研究*
徐慧俊，陈 林，杨 波
（京信网络系统股份有限公司，广东 广州510663）
摘 要：本文通过分析垂直行业的需求特性，结合5G URLLC 和TSN 标准的最新进展，设计了满足垂直行业需求的基于URLLC 和TSN 的组合解决方案。并对URLLC 控制信道和上行业务可靠性指标进行仿真验证，证明本文的设计方案可以满足垂直行业的应用需求。
关键词：URLLC；TSN；工业控制；垂直行业；帧结构；调度；用户面时延
中图分类号：TN911.6 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-01-0096-06
去茶垢最好的办法Key Technologies of Vertical Industry URLLC and TSN
XU Huijun, CHEN Lin, YANG Bo (Comba Network Systems Company Limited, Guangzhou Guangdong 510663，China)Abstract: By analyzing the demand characteristics of vertical industries and combining the latest developments
of 5G URLLC and TSN standards, a combined solution bad on URLLC and TSN that meets the needs of vertical industries is designed. The simulation verification of URLLC control channel and uplink rvice reliability index indicates that the design scheme can meet the application requirements of vertical industries.Keywords: URLLC; TSN; industrial control; vertical industry; frame structure; schedule; ur plane delay
0 引 言URLLC 是3GPP 标准定义的三大应用场景之一[1]，经过R15版本和R16增强版本的讨论，目前已具备真正部署及应用的条件。URLLC 主要应用于
垂直行业的AR/VR、工厂自动化、传输工业/远程驾驶和电力分配等行业[2]。在3GPP TR38.913协议
中对URLLC 提出了如下的性能指标：用户面延迟的目标为上行0.5ms 和下行0.5ms，可靠性需求为在
用户面延迟1ms 的前提下，对32 bytes 的一个包
传输的可靠性达到99.999%[1]。对于URLLC 应用场景中的低时延和高可靠性两个特性，本文通过帧结构和短TTI 的设计来满足低时延的业务需求，而高可靠性则通过重复发送和低码率传输来保证。同时儿童墨镜
分析了URLLC 和TSN 系统融合解决方案的关键技术问题。
1 5G URLLC 帧结构设计
1.1 帧结构设计
1.1.1 帧结构
为了确保URLLC 业务上下行端到端用户面时延小于1ms，采用SU 的帧结构。SU 帧结构具体构成如图1所示。
* 收稿日期：2020-09-10；修回日期：2020-12-10 Received date:2020-09-10;Revid date:2020-12-10
·97·
第54卷第1期
徐慧俊，陈 林，杨 波：垂直行业URLLC 和TSN 关键技术研究在图1中，时隙S 的组成为12D:2G，即由12个下行OFDM 符号和2个灵活OFDM 符号组成。时隙U 全为上行OFDM 符号。帧结构参数基站通过广播消息SIB1中信元TDD-UL-DL-ConfigCommon 下的TDD-UL-DL-Pattern 信元对UE 进行配置[3]：在TDD-UL-DL-Pattern 中，dl-UL-Transmission Periodicity 配置为ms1，nrofDownlinkSlots 配置为0，nrofDownlinkSymbols 配置为12，nrofUplinkSlots 配置为1，nrofUplinkSymbols 配置为0。在带宽100M，子载波间隔30kHz 的情况下，上下行的单向延迟可以满足小于1毫秒。1.1.2 HARQ-ACK 在垂直行业应用领域，如工业自动化等应用场
景，需要传输的信息既有控制信息，又有高清视频信息。控制信息等时延敏感的业务可通过周期性地发送一定大小的数据包实现，而高清视频业务可通过动态调度的方式实现。在NR 系统中，对下行控制信息通过SPS 业务的方式实现，而下行传输的图像则通过DG PDSCH 的方式实现。
为了保证控制信息的可靠性和时延，系统实现中把SPS 业务作为高优先级的URLLC 业务，而高清视频业务作为低优先级的eMBB 业务。在MAC
调度器同时调度两种业务的场景下，eMBB 业务和URLLC 业务进行时分调度，用两个PUCCH 分别进
行HARQ-ACK 反馈，如图2所示。
Slot 0Slot 1Slot 2Slot 3Slot 4Slot 5Slot 6Slot 7Slot 8Slot 9
S U S U S U S U S U
时隙配置：SU, S=12D:2G
D D D D D F F
D D D D D D D Sym0Sym1Sym2Sym3Sym4Sym5Sym6Sym7Sym8Sym9Sym10Sym11Sym12Sym13
D F U DL symbol
UL symbol Flexible symbol 图1 SU 帧结构
DG
A/N SPS
A/N SPS1Slot 1 (S)Slot 2 (U)Slot 3 (S)Slot 4 (U)
DG PDSCH
清的近义词
SPS SPS
A/N宠物取名
DG A/N GP GP DG PDSCH SPS1DG
PDSCH Oack0Type 2 Codebook Oack1Oack2Oack3SPS with DCI SPS without DCI （按C-DAI 排序）（按SPS 配置索引排序）Oack0Type 2 Codebook
Oack1Oack2Oack3
DG PDSCH （按C-DAI 排序）
图2 DG PDSCH 和SPS 优先级不同HARQ 反馈示意图
在图2中，给出了SPS 业务和DG PDSCH 业务HARQ-ACK 反馈示意图。具体反馈的码本为动态Type 2 Codebook [4]。利用R16中PUCCH 的新增功能，同时配置2个PUCCH-Config，38.331中配置信令为[6]：PUCCH-ConfigurationList-r16::=SEQUENCE (SIZE (1..2)) OF PUCCH-Config。第一个PUCCH-Config 与优先级索引0相关，第二个PUCCH-Config 与优先级索引1相关，且同时配置2个HARQ-ACK 码本时，38.331中配置信令如下[6]：PDSCH-HARQ-ACK-CodebookList-r16 ::=SEQUE
NCE (SIZE (1..2)) OF ENUMERATED {miStatic, dynamic}，两个码本的取值为动态码本（dynamic）。其中，第一个
打乒乓球的英语
·98·
通信技术 2021年码本为低优先级，第二个码本为高优先级。1.2 下行控制信道设计NR 下行URLLC 调度支持的子时隙TTI 为2 Symbol，4 Symbol 和7 Symbol。这里以7个OFDM 符号为例，PDCCH 支持的格式如图3所示。在图3中，eMBB 业务以时隙级为调度粒度，URLLC 业务以子时隙级为调度粒度。1.3 上行控制信道设计NR R16中URLLC PUCCH 配置支持的子时隙粒度为2 Symbol 和7 Symbol。具体通过PUCCH-Config 中的subslotLengthForPUCCH 信元进行配置。
2 Symbol 和7 Symbol PUCCH 子时隙的结构如图4
所示。
图4中对子时隙长度为2 Symbol,PUCCH 资源长度配置为2 Symbol；对子时隙长度为7 Symbol，
PUCCH 资源长度配置为4 Symbol。
田野英语
PUCCH 资源的具体配置以子时隙边界为索
引。图5中PUCCH 资源 i 相对子时隙的边界为1
symbol，即startingSymbolIndex = 1；PUCCH 资源的
长度nrofSymbols=4，nrofPRBs=1，子时隙0和子时隙1中PUCCH 资源的配置相同。
URLLC PDCCH eMBB PDCCH URLLC PDSCH
eMBB PDSCH sub-slot 2sub-slot 3
slot 0图3 TTI 为7 OFDM 符号PDCCH 和PDSCH 的分布示意图
PUCCH i PUCCH i PUCCH i PUCCH i PUCCH i PUCCH i PUCCH i
sub-slot 0sub-slot 1sub-slot 2sub-slot 3sub-slot 4sub-slot 5sub-slot 6
PUCCH j
PUCCH j sub-slot 0sub-slot 1
（a ） 2-Symbol sub-slot
（b ） 7-Symbol sub-slot
图4 子时隙2-Symbol 和7-Symbol PUCCH 资源示意图
(7, 7)i i
sub-slot 0Sub-slot 1
PUCCH i PUCCH i
1 Symbol 1 Symbol 图5 7 Symbol 子时隙的PUCCH 资源配置示意图
图6 多UE多业务资源调度示意图
5G URLLC可靠性仿真
为了验证设计方案是否满足垂直行业场景可靠性的需求，通过搭建物理层链路平台对PDCCH PUSCH信道进行性能仿真。高可靠性仿真条件如 所示[11]。
点眼2-symbol sub-2-symbol sub-
slot 2-symbol sub-
slot
2-symbol sub-
slot
URLLC
PUCCH
资源分配示意图
高可靠性仿真参数
Value
FR1
图8 PDCCH BLER-SNR仿真曲线
从表2的对比中可以看出，对聚合等级AL1性能比提案的仿真结果有1.5dB的增益，对聚合等级AL16性能与提案的结果相当。对AL2、AL4和AL8，性能有1-3dB的差距。
表2 PDCCH仿真结果对比
聚合等级AL 提案 BLER=10^-3%
性能(dB)[9]
平台BLER=10^-3%
性能(dB)
AL16 3.5
AL2-12
AL4-3-1
AL8-6-5
AL16-9-9
PUSCH信道的仿真结果如图9所示。
从图9中的仿真曲线可推出BLER为10-5时，
PUSCH的解调门限为-7.3dB。仿真结果与提案[10]
图10 5GS和TSN融合方案
参考时间传递原理：5GS作为一个时间感知（time-aware）系统，时间同步的基本原理是[7]，TSN GM对从时钟（slave clocks）发送给它的时间信息（using SYNC messages），沿途的每一个网络元素接收同步消息且对同步消息增加一个修正（同步消息的延迟，即停留时间）。5GS作为单个时间敏感系统，其停留时间通过外部接口间进行计算
与右侧TSN桥连接的translator和与左侧End Station 连接的translator）。
gNB和UE间的消息传递：gNB和UE之
过Uu口消息进行传递，基站在SIB9和DLInformation Transfer中引入信元ReferenceTimeInfo-r16，通知
·100·
