5G URLLC标准及关键技术研究

成熟商用,URLLC业务作为垂直行业的重要切入点也在逐渐完善优化。首先介绍了 URLLC技术标准演进情况，随后

从低时延、高可靠和URLLC与eMBB复用三方面分别分析了实现URLLC的关键技术，最后将URLLC与TSN网络融

合做了阐述。关键词：超可靠低时延通信；短时隙；复用；免授权；时间敏感网络中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.200785中文引用格式：李皛，张志荣，陈建刚，等.5G URLLC标准及关键技术研究［J］.电子技术应用，2020，46(10):14-19.英文引用格式： Li Xiao，Zhang Zhirong，Chen Jiangang，et al. Research on 5G URLLC standard and key technologies］」］. Application

of Electronic Technique，2020，46(10): 14-19.Research on 5G URLLC standard and key technologiesLi Xiao1，Zhang Zhirong1，Chen Jiangang2，Li Peng2，Zhang Hua1，Zhou Yuetian1(1.China Telecom Research Institute，Beijing 102209，China ； 2.China Telecom Group Co.，Ltd.，Beijing 100033，China)Abstract: The ITU (International Telecommunication Union) defines three major 5G application scenarios: eMBB, mMTC and URLLC.

With the maturity and commercialization of 5G, URLLC as an important entry point in the vertical industry is also gradually improving and optimizing. This paper firstly introduces the evolution of URLLC standard, and then analyzes the key technologies to achieve URLLC from three aspects of low latency, high reliability and multiplexing of URLLC and eMBB. Finally, the integration of URLLC and TSN is described.Key words : URLLC ； mini-slot ； multiplexing ； grant free ； time sensitive networking(TSN)0引言ITU和3GPP先后定义了增强移动宽带(eMBB)、海量

1标准进展3GPP R15中，URLLC相关特性仅完成了短时隙 (mini-slot)、自包含帧、上行免授权传输、支持10-5目标 BLER的低码率信道质量指示(Channel Quality Indicator， CQI)/调制解调方案(Modulation and Coding Scheme，MCS)

大连接(mMTC)、低时延高可靠(URLLC)三大应用场景［1］遥 eMBB标准最先在R15版本中制定完成，因此运营商前

期部署主要考虑eMBB业务的承载需求。目前，随着5G 网络持续发展，3GPP标准逐步演进，业务需求和产业链 进一步明确细化，运营商将逐步推进URLLC和mMTC业

表格、上行重复.eMBB和URLLC多路复用(上、下行半 静态复用)、CCE AL 16、CBG-HARQ 和 PDCP duplication

(2个RLC实体)等基础功能叫R16版本侧重对URLLC

务，完善全系列5G应用。URLLC作为5G三大典型应用场景之一，广泛存在 于多种行业中，如实时性VR/AR、自动驾驶、工业控制、 智能电网、远程医疗、智能家居等。这些场景对时延和 可靠性提出了更高的需求。原则上只要对时延保障有可 靠性要求的业务都属于URLLC业务遥URLLC是端到端 的概念，包含了核心网、传输、RAN等多个方面。本文主 要在RAN范围内对URLLC标准情况及其关键技术进 行介绍遥进行全面增强，补充了移动性、eMBB和URLLC多路复

用(上行动态复用)等功能，还增强了下行控制信息 (Downlink Control Information，DCI)、上行控制信息(Uplink

Control Information，UCI)和 HARQ(Hybrid ARQ，混合 ARQ)、 PUSCH mini-slot 重复和 PDCP duplication(4 个 RLC 实体)，

增加了 TRP的频分与时隙时分冗余传输分集能力以及 支持TSN网络等，进一步提高通信的可靠性并降低延

迟，但仍遗留很多优化工作将于R17进行研究［3］遥R17

*基金项目：国家科技重大专项课题(2017ZX03001013-004)对URLLC的主要演进在网络架构、调度和垂直应用上， 以及继续R16没有完成的工作，具有不同优先级业务的14

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com《电子技术应用》2020年 第46卷 第10期5G R16演逬技术 5G R16 Evolution Tech no logyUE内多路复用和优先级划分等

特约主编 朱雪田5 rni；I 1 jIjiIj 1

技术专栏在 3GPP RAN TR 38.913 中定义了 URLLC的指标：时 延方面要求10 ms控制面时

5 H1RSR厂1)D延，上、下行0.5 ms用户面时 延，小于1ms空口环回时延， 0 ms切换中断时间；可靠性方

SR+9DD

■51JSKJUDDSSR4ftuDD5USBL面要求用户面时延1ms内， 32 B包可靠度达99.999%叫 但 在实际应用中不同业务对低 时延和高可靠性的要求不尽

Sfi+7SR4-fiSK4-12SR+5SR+J0SR+9SR压su4-12SR4-7SKSE+6SR+9SKSR+7SR+5SR410SR+9SR輛SR+6一次贡傅SHSI?4-15+ 14+ 13SH“I+ 14413MlSR+ 15+ L3SRSRSR触-12411+ 14+13+ 1.2+1.1图2上行数传时延相同，很多应用的要求低于协议的定义，TS22.261协议

中给出了实际的服务需求，如表1所示叫的时间，上行数传空口单次传输时延平均约7.5个slot，

表1 R15/R16 URLLC业务高可靠性和低时延需求方案离散自动化-运动控制可靠性/%用率验数据E2E时延/ ms一次重传平均约12.5个slot遥下行数传空口传输时延及上下行单次回环时延如 图3所示。单次传输时延平均约1.4个slot，一次重传平 均约6.6个slot，上下行单次回环约9.5个slot，无法满 足空口环回时延小于1 ms的要求遥110505099.999999.991~10离散自动化过程自动化-远程控制101~10099.9999过程自动化-监控配电-中压配电-高压99.999.999.999999.99991IHJaiaJl-WQ255100.5101010较低智能运输系统-基础设施回程hn触觉交互远程控制99.99999.999510单按传输2低时延关键技术决定URLLC时延的因素有：基站设备、空口关键技 术、网络部署、运行环境和业务模型等。其中空口时延占 比高、抖动大，因此采用空口关键技术是URLLC降时延 的关键举措。这里重点讨论空口相关的低时延关键技术。在4G/5G(eMBB)网络中，上下行数传过程如图1所示。l卜PDCCI-LTDSL：!!•次敢传睢武歼回SR*图 3 下行数传时延隔

可见网络延迟主要由UL grant-based授权过 程、传输时间间隔、UL/DL HARQ及重传时间等因素影响，因此为了满足URLLC低时延需求，

将对上述影响因素从物理层、MAC层分别进行 优化。UL. chinrncciiiTnscuACk

_狎 2.1灵活的NR帧结构Hi IK敷拥

i»L HAKI,i时延5G采用与4G相同的10 ms无线帧(frame)和1 ms子帧(subframe)，但协议定义NR可采用不同

的子载波间隔(Sub -Carrier Spacing，SCS)，不同的

SCS决定了时隙(slot )的长度遥4G的调度单元是subframe ； 对NR而言，eMBB业务的基本调度单元是slot，而 URLLC业务的最小调度单兀是符号级mini-slot遥时/频

图1传统网络上下行数传过程示意图为倒数关系，SCS越大，传输时间间隔(Transmission Time

Interval，TTI)越小，即slot越短，slot调度下时延越短遥如

以3.5 GHz的NR系统为例，在2.5 ms双周期帧结 构中，上行数传空口传输时延如图2所示。从有数据上 传需求到一次数据传输完成，不考虑等待调度请求子帧表2所示，NR频段越高，slot长度越短，且后续版本允 许在不同SCS间灵活分配时频资源以适配不同业务 需求遥《电子技术应用》2020年第46卷第10期5G R16演逬技术 5G R16 Evolution Tech no logy表 2 3GPP 38.211NR帧结构对应关系［6］频段特约主编 朱雪田技术专栏子载波 每时隙符号数每帧 时隙数每子帧 时隙数宽度/kHzSub 3G FDD15301414141414101C — Band毫米波20402486012024080160165G常用的帧结构为2.5 ms双周期,如图4所示。但

针对URLLC业务则可调整为1 ms或0.5 ms单周期［7］。 如图5所示，对于1 ms单周期而言,每毫秒包含一个全

下行时隙和一个由保护间隔(Guard Period , GP)及上行符 号构成的特殊时隙。URLLC 引入了 mini-slot(Non-Slot)。NR无线时域资源分配包括Type A和Type B两种

方式,不同的资源分配类型对应的无线资源起始位置(S)

和长度(L)不同。其中Type B是基于非时隙调度，即支

持在1个时隙内任意符号为起始位置,由2/4/7个符号 进行调度。下行PDSCH时域资源具体分配方式如表3 所示叫表3下行PDSCH时域资源分配PDSCH映射方式普通循环前缀扩展循环前缀S{0,1,L{3 …14}S + L{3 …14}S{0 1L{3 …12}S + L{3 …12}Type A图4 2.5 ms双周期帧结构2,3}{0 ,…2 3}{0 …{2 47}{2 …14}{2 46}{2 …12}Type B12}10}对eMBB业务而言，为了充分利用资源单兀(Resource

Element , RE),业务信道使用Type A的资源映射方式尽

量占满整个时隙的RE资源，即slot是最小调度单元。为了缩短时延，URLLC业务最小的调度单元是

mini-slot。mini-slot业务信道使用Type B的资源映射方

式。Type B的物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel , PDSCH) /物理上行共享信道(Physical Downlink

Shared Channel , PUSCH)起始符号位置可以更加灵活配

图5 1 ms单周期帧结构置,分配符号数量可以更少,时延短,最快在2个符号完 成数据的发送。30 kHz SCS normal-slot TTI 长度为 0.5 ms ,

mini-slot TTI 长度低至约 70 滋s。2个符号的mini-slot帧结构如图7所示。mini-slot发送数据若采用Grant Free ,则无需考虑授hIdCijiJmiIb在1 ms单周期帧结构中，终端可通过Fast HARQ在 某一子帧内接收解调下行信息，根据其类型在同一子帧 的上行符号时反馈ACK或发送上行数据。该方式对终 端处理能力要求较高 数传过程如图 6 所示。相比于2.5 ms双周期中下行与下 一个上行符号间隔1 ms以上而言,1 ms 单周期方式减小了上行反馈时间，缩短 用户面时延。2.2 mini-slot(Non-Slot)I 14 ----------------------------------►DCIrn-inii—rilnl 2为了进一步增加调度机会以及减少 数据发送等待时延和数据传输时延HvmlaJ-l-----------------

图7 2符号mini -slot示意图16

欢迎网上投稿www・ChinaAET・com《电子技术应用》2020年 第46卷 第10期5G R16演逬技术5G R16 Evolution Tech no logy特约主编 朱雪田技术专栏权周期。上行采用资源预留，使用mini-slot发送PUSCH ；

下行采用资源抢占方式，使用mini-slot通过PDCCH调 度PDSCH，随即在mini-slot上进行数据发送。以TDD

2.5 ms双周期为例，2符号mini -slot空口传输时延如图82.3增强HARQ反馈在R15版本中，支持了最小环回为N+1的Fast HARQ， 即一个时隙内支持一个用于HARQ - ACK传输的

PUCCH[9]遥 上、下行 HARQ K2/K1 最小为 1 slot，如图 9、

图10所示，其中K1指PDSCH与在PUCCH上的反馈时 隙，K2指调度PUSCH的UL DCI与PUSCH之间的时隙 偏移。图 10 下行 Fast HARQ在一个时隙中使用一个以上的PUCCH用于HARQ-ACK传输可以进一步加快HARQ-ACK反馈，减

《电子技术应用》2020年第46卷 第10期 少延迟。因此在R16中，NR支持基于子时隙的HARQ反 馈，一个上行时隙被划分为多个子时隙，每个子时隙中 都可以传输承载HARQ-ACK的PUCCH，即在同一个时

隙就能反馈。目前支持一个时隙被划分为2个子时隙或

者7个子时隙。当配置基于子时隙的反馈时，用于

HARQ-ACK 传输的 PUCCH 资源是对每个子时隙独立配

置，且不能跨子时隙边界。2.4 UL Grant Free在4G网络中，上行接入是一个Grant-Based过程， 如图1所示遥上行数传前UE需要先向基站发送SR

(Scheduling Request)请求调度资源，等待基站回复SG

(Scheduling Grant)，即得到基站许可后才能开始数传，其

中SR请求和Grant授权需要约11 ms，远超URLLC指标遥在R14阶段，普遍使用预调度方式压缩授权时间， 在每个下行控制信道都为UE下发UL Grant，并在下一

个上行共享信道进行数据上传。提前为UE下发UL Grant，可以动态改变MCS、RB和数据量，缩短上行业务 时延，但是由于需要提前分配上行资源，存在额外的控 制信道开销和上行干扰，会导致资源浪费。调度过程如

图11所示遥在R15引入了 Grant Free Access，即无需基站授权

的传输方式。在Grant Free的网络中授权握手过程被简

化了，SR/SG步骤的信令都被省略，减少授权周期的等 待时间，从而缩短了上行的信令时延。基站只在需要调 整指定的上行传输资源时配置一次UE上行授权信息， 否则将持续使用上一次的配置资源进行上行数传，避免

控制信道开销，降低上行干扰，如图12所示遥上行免授权调度分为Type 1和Type 2两种方式。 无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)配置信令 ConfiguredGrantConfig 同样适用于 Type 1 和 Type 2 遥对于Type 1上行免授权调度的传输，由gNB先进行 RRC配置袁在有数据需要传输时直接进行传输袁这样可以降配置，确定PUSCH传输使用的资源参数，UE按照

低上行数据的时延。Type 1方式适用于周期和资源等不175G R16演逬技术 5G R16 Evolution Tech no logy特约主编 朱雪田技术专栏频繁改变的相对稳定业务遥对于Type 2上行免授权调度的传输，由gNB先进行

RRC配置,然后由gNB通过DCI激活信令激活上行传

输；UE按照配置，在收到激活信令后，在有数据需要传

输时进行传输,这样既省去发送SR以及接收上行grant 的时间 降低了上行数据的时延 并且部分解决了资源 预留带来的使用率较低的问题。Type 2相对于Type 1

是一种更为灵活的授权配置方式，操作方便,更适用于 突发性业务。上行免授权调度传输支持重复传输和跳频 传输等性能增强方案。在R16版本中，进一步进行增强，支持多个配置的 方案。在多配置方案中 按照配置单独进行激活 支持按 照配置单独进行释放 也支持多个配置联合释放以节省

DCI 信令开销。3高可靠关键技术高可靠性定义为在一定时延要求下正确传输数据

包的概率。在RAN侧的高可靠伴随着时延、业务数据量 等场景要求。可靠性主要受误块、分片及切换的影响,提 高可靠性的技术包括重复发射、10-5目标BLER的MCS 表格、空口超低重传等。重复发射指在时域或频域重复进行较低可靠性的

数据传输 通过重传达到的高可靠性 具有效率低、对控 制面要求低的特点。在R15标准化方案中，3GPP主要定义了支持10-5目 标BLER的MCS新表格,使用较低的码率以保证较低的

误码率，即采用频谱效率较低的MCS实现高可靠传输［8］。按要求重传(HARQ-Based)只在需要时进行重传,可 使用较高的码率,有较高效率。如图13所示,MAC层重 传时延较短,RLC层重传需要增加几十毫秒的量级,而 TCP层重传需要增加百毫秒量级，因此可靠性的提升主

要依靠降低 MAC 层之前的误块和重传时延。PUSCH支持两种重发模式：(1)Type A同R15中的

slot aggregation ,重复传输次数可由半静态参数配置,也

可通过DCI动态指示,动态指示的重复传输次数最大可18

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com达16,半静态参数配置的重复传输次数最大可达8；

(2) Type B基于mini - slot进行重传，可跨slot边界和 DL/UL转换传输，重复传输次数通过DCI动态指示，最

大重复传输次数可达16遥R15通过简化DCI流程、多天线单流分集技术、多TRP

空间分集技术以及PDCP复制多通道的频率分集技术 进行可靠性增强。R16进一步提升PDCP复制逻辑通道 数，增加TRP的频分与时隙时分冗余传输分集能力，

提出多用户面和多路由通道的双连接传输方案。R17将 进一步增强物理层反馈机制,设计上行UCI与数据复用 方案。4 URLLC与eMBB复用关键技术4.1下行资源复用在突发URLLC业务需求时,动态共享eMBB和URLLC 资源，mini - slot被迅速插入eMBB的时隙中，降低空口 TTI发送时延、TTI边界等待时延,URLLC无需等待，可 提升系统反应速度。在下行场景的资源预定(Pre-emption)方案中，当原 来全部分配给eMBB的slot中紧急插入mini-slot ,则在 下一个DCI处给终端下发PI(Pre-emption Indication)说明 URLLC占用了资源，以便终端做出相应处理,如图14 所示。图 14 URLLC Pre — emption 方案《电子技术应用》2020年 第46卷 第10期5G R16演逬技术 5G R16 Evolution Tech no logy特约主编 朱雪田技术专栏4.2上行资源复用在调度DCI中引入优先级指示用于区分不同优先 级[10]。UE首先处理相同优先级信道之间的冲突，再处理 不同优先级信道之间的冲突。对于相同优先级的信道冲 突，重用R15机制；对于不同优先级的信道冲突，丢弃低 优先级的上行传输。UE间复用主要包含两种方案：(1) 方案1通过DCI format 2_4承载指示信息通知低 优先级业务的终端需要进行取消的上行数据的资源

位置[10]。DCI format 2_4只用于PUSCH和探测参考信号

(Sounding Reference Signal，SRS)的取消传输，对于 PUSCH，

从被指示的起点位置开始，取消剩余的数据传输；对于

SRS，只取消被指示的符号位置上的数据传输，对于后

续没有被指示的符号资源，则可以继续传输SRS遥(2) 方案2是UE间的上行传输数据叠加传输，通过 开环功率控制高优先级业务的终端进行功率提升。引入 了新的RRC参数P0-PUSCH-Set用于指示功率控制，每 一个 SRS 资源指示(SRS Resource Indicator，SRI)都对应 一个额外的P0-PUSCH-Set参数遥在DCI format 0_1和 0_2中引入了开环功率控制域，根据该指示信息终端可

以确定用于开环功控制的P0参数是沿用R15的参数还 是从用于功率提升的P0-PUSCH-Set参数选取遥其中 DCI format 0_1用于在一个小区中调度一个或多个 PUSCH，或为配置的Grant PUSCH指示下行反馈信息； DCI format 0_2用于在一个小区中调度PUSCH遥5与TSN网络融合为了降低URLLC业务的传输时延，可考虑将5G网 络和时间敏感网络(Time Sensitive Networking，TSN)进行 深度融合。一般来说，TSN业务具有周期性、确定性和数 据大小固定的特点，TSN网络根据该业务特点，可以实 现TSN业务的确定性传输。部分uRLLC业务也具有周 期性、确定性和固定长度的特点，因此，可以考虑5G网 络支持TSN网络的相关功能以满足业务对低时延和高 可靠性的要求。为了适应TSN网络的高精度的时间同步需求，标准 上在NR引入了高精度的参考时间发送机制，可以有广 播消息(SIB9)或者专用的 RRC 消息(DLInformationTransfer 消息)发送，时间粒度从10 ms增强到了 10 ns，从而实现 时间敏感传输，保证时钟同步。因为TSN技术是基础以 太网传输技术发展的，所以TSN需要封装以太网帧头， 但这样会降低传输效率，所以还需要压缩以太网帧头以 提高数据传输效率，降低时延。为了给TSN业务提供确定性传输，标准上引入了 TSN 的辅助信息的定义，使得TSN网络可以从核心网获取该 业务的周期、数据大小等信息，基于这些信息，基站可以 针对TSN业务预先进行半静态配置并为TSN业务分配 更加匹配的通信资源，当TSN过调度请求从网络侧获取资源袁从而降低了等待资源的数据包到达时，不需要通 时间。表4为TSC辅助时间信息遥《电子技术应用》2020年第46卷第10期表4 TSC辅助时间信息辅助信息描述流方向TCS业务流的方向(UL/DL)周期两个到达包之间的时间间隔包到达时间一个到达包到达RAN的入口时间(下行包)或离开UE的时间(上行包)6结束语本文首先介绍了 URLLC在R15、R16和R17标准中 进展情况，然后分别对低时延、高可靠和RULLC与eMBB 复用关键技术以及与TSN网络融合进行了详细介绍。 URLLC现已历经了 R15、R16两个版本，R17在规划中， URLLC技术方面已取得了很大的突破，未来将渗透至低 时延、高可靠的垂直行业之中。同时，R16仍遗留了一些 问题有待进一步优化，将在R17版本中继续研究，不断 完善提升网络性能。参考文献[1] 刘毅,刘红梅，张阳，等.深入浅岀5G移动通信(第一版)[M].北京：机械工业岀版社，2019.[2] 张轶，夏亮，徐晓东，等.3GPP中URLLC标准研究进展[J].

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4G/5G移动通信无线网络创新与研发。张志荣(1973-)，男，高级工程师，主要研究方向：4G/5G

移动通信技术、网络AI、网络节能、物联网技术等。陈建刚(1963-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向： 移动网络技术及运营商网络部署方案。19