面向URLLC场景的无线网络能力白皮书

1、目录 HYPERLINK l _TOC_250015 行业需求 5 HYPERLINK l _TOC_250014 小包控制类 URLLC 需求 5智能制造行业 5智能电网行业 7 HYPERLINK l _TOC_250013 大上行视频类 URLLC 需求 8智慧港口行业 8智慧医疗行业 9 HYPERLINK l _TOC_250012 面向 URLLC 场景的无线网络能力体系 11 HYPERLINK l _TOC_250011 分级上行能力 11 HYPERLINK l _TOC_250010 分级时延能力 11 HYPERLINK l _TOC_250009 分级可靠性能力 11

2、HYPERLINK l _TOC_250008 面向 URLLC 场景的无线使能技术体系 13 HYPERLINK l _TOC_250007 大上行使能技术 133U1D1S 帧结构 13上行载波聚合 13SUL 14 HYPERLINK l _TOC_250006 极致时延使能技术 14空口时延降低方案 14传输时延降低方案： 16 HYPERLINK l _TOC_250005 超级可靠使能技术 16控制信道增强 16低码率传输 17重复传输（Repetition） 18PDCP 复制（Duplication） 19 HYPERLINK l _TOC_250004 面向 URLLC 场景

3、的无线技术路标 20 HYPERLINK l _TOC_250003 大上行技术路标 20 HYPERLINK l _TOC_250002 极致时延技术路标 20 HYPERLINK l _TOC_250001 超高可靠技术路标 21 HYPERLINK l _TOC_250000 总结和展望 22参考文献 23行业需求 行业中的 URLLC 需求，主要分为两个大类：小包控制类的 URLLC 业务，以及大上行视频类的 URLLC 业务。 小包控制类的 URLLC 业务，典型场景有智能制造业中的机器间协同自动控制/机器人外挂 I/O 无线化、智能电网中的差动保护等。该类业务的主要特点为数据包较小

4、，带宽要求较低，但对时延、可靠性要求较高。 大上行视频类的 URLLC 业务，典型场景有智慧港口中的龙门吊/桥吊远程控制、智慧医疗中的远程手术等。该类业务的主要特点为上行数据包较大，带宽要求高，同时下行控制信令对时延、可靠性要求较高。 小包控制类 URLLC 需求 智能制造行业 表 1-1 智能制造行业对 5G 网络性能的需求（低时延高可靠类） 应用 需求 时延 可靠性 带宽 机器间协同自动控制 10ms99.99910Mbps机器人外挂 I/O 无线化 4ms99.99999.99991Mbps运动控制（数控机床） 0.5ms99.99991Mbps5G 时代的智能工厂将大幅改善劳动条件，减

5、少生产线人工干预，提高生产过程可控性，提高企业的生产效率和产品质量。对于工业领域来说，高可靠低时延的通信系统可以说是至关重要。工业领域的设备投入巨大，无论是机床、生产线，还是机械设备，生产过程中的故障导致的停工，往往会影响整条生产线，甚至整个产品交付周期。 典型应用 1：机器间协同自动控制 5G 的引入，可在自动化机械设备相应部件上加装 5G 通信模块，部件包括 I/O模块、传送带、阀门、机器人等，实现无线接入。终端设备实时回传采集数据或图像，控制端依据收到的状态信息进行分析决策并反馈给终端设备，典型的闭环控制过程周期低至 ms 级别，同时对可靠性也有极高的要求。 时延10ms，可靠性 99.

6、999%：为保障设备精准控制，对时延要求较高，对包的可靠性要求极高，如控制信息发生传输错误，将会导致生产停机。 上行带宽10Mbps：设备通过 5G 网络向控制端发送采集数据或图像，控制端依据收到的状态信息进行分析判断，作出决策，并反馈给受控设备相应的动作指令。 典型应用 2：机器人外挂 I/O 无线化 在以汽车制造为代表的重型离散制造业中，汽车焊装产线是机器人参与最多，自动化程度最高的制造产线。机器人机械臂的末端具备工业以太数据接口，可扩 展连接各种外挂 I/O（如抓手、焊枪等）以完成不同的任务。一方面，机器人机 械臂的末端工业以太数据通信接口在多任务切换场景中由于需要与不同外挂 I/O 间

7、频繁插拔切换易造成通信接口磨损导致通信失败；另一方面，机器人在重 复性大角度旋转作业场景中对工业以太数据线频繁进行拉伸、旋转加速线缆老化 导致潜在断线风险。经汽车行业专家估计，更换一条标准波纹软管平均需要 5 个 小时，汽车制造商需要付出 300 万美元的成本1。因此，机器人 PLC 与其外挂 I/O 的传统工业以太数据线使用 5G 无线化替代有着清晰的客户价值，会为客户节省 由于工业以太线损维护的巨额成本。 时延4ms，可靠性 99.99999.9999%：为保障机器人 PLC 与外挂 I/O 的控制命令，对时延要求较高，对包的可靠性要求极高，如控制信息发生传输错误，将会导致机器人停机。 带

8、宽100202机床 20500.5包装设备 50401智能电网行业 表 1-3 智能电网行业对 5G 网络性能的需求（低时延高可靠类） 应用 需求 时延 可靠性 带宽 差动保护 15ms99.9992Mbps随着 5G 技术的成熟应用和物联网的快速发展，能源行业将能够构建起数百亿电力设备和终端互联互通、数据毫秒级实时传输的能源物联网，对分布式电网发展将起到极大推动。 典型应用：差动保护 当前的配网保护多采用简单的过流、过压逻辑，不依赖通信，但不能实现分段隔离，停电影响范围扩大，故障后供电恢复时间长。无线通信具有快速部署、成本低、易升级和扩容等特点，5G 通信技术为配网差动保护提供了一种更优的解

9、决方案。智能分布式配电自动化能够快速实现故障判断和准确定位，并隔离故障区段或故障设备，可以有效缩短故障持续时间，提高供电可靠性。 时延15ms(D2D 单向时延)，可靠性 99.999%：电流差动保护系统具有非常严格的同步和时延需求。 带宽2Mbps：控制类数据多为指令性数据，对带宽要求较低。 大上行视频类URLLC 需求 智慧港口行业 表 1-4 智慧港口行业对 5G 网络性能的需求（大上行+低时延高可靠类） 应用 需求 时延 可靠性 带宽 龙门吊远程操作场景（视频部分） 48ms99.930-200Mbps桥吊远程操作场景（视频部分） 48ms99.930-200Mbps典型应用 1：龙门

10、吊远程控制 集装箱码头中，轨道吊、轮胎吊是使用最为广泛的两种龙门吊。轨道吊在堆场内轨道上移动；轮胎吊装有轮胎，机动灵活能够转场作业。目前存量码头多使用轮胎吊，新建码头多使用轨道吊，轮胎吊在存量码头中占比高。龙门吊高度约 30 米，司机室在龙门吊顶部。 目前港口对龙门吊远程控制改造需求迫切。传统龙门吊司机是特殊工种，在30 米高的司机室操作，作业条件艰苦，现场操作容易疲劳有安全隐患。港口为保证 24 小时作业，每台龙门吊配备三名司机轮换，一个码头通常需要上百名龙门吊司机，对司机人力需求高。远程控制改造后，龙门吊上安装摄像头和 PLC，司机改在中控室观看多路实时视频进行操作，完成龙门吊所有动作如吊

11、车吊具精准移动、抓举集装箱等。龙门吊实现远程控制，可大幅度降低人力成本，1 名远程控制人员可操控 36 台龙门吊，同时可改善工作环境，降低对司机的要求，提升作业安全性。 单台龙门吊远程控制一般需要回传 516 路监控视频，1080P 分辨率下对带宽需求约 30Mbps，同时中控室与龙门吊的 PLC 通信对网络时延要求在 48 毫秒以内。当前试点的龙门吊远程操控通信方式以光纤、Wi-Fi 为主，基建成本高。同时光纤转场需插拔且易损耗，Wi-Fi 带宽和性能受限。 5G 的大带宽低时延可实现龙门吊远程控制场景中监控视频回传，PLC 可靠通信，大幅度降低龙门吊远程控制改造成本和改造门槛。 典型应用

12、2：桥吊远程控制 装卸作业区中主要业务单元是桥吊，桥吊高度 60-70 米，电气房高度 50 米， 需要无线网络实现作业区域网络覆盖。桥吊的通信需求分为远程控制和监控两类，远程控制场景下单个桥吊同时回传摄像头数量及以此产生的上行带宽需求是龙 门吊的数倍。同时桥吊的部署相对密集，通常 1 公里长的港口海岸线会部署 812 台桥吊。此外，桥吊由于垂直、水平移动速度都高于轮胎吊，远程控制对时延要 求也更高。 集装箱码头通常采用顺岸式，泊位除足够的水深和岸线长度外，还设系缆桩和碰垫。无线网络设备除了要满足桥吊、TOS 终端的生产和监控需求外，有些情况下可能还需要对停泊船只进行网络覆盖。 智慧医疗行业

13、表 1-5 智慧医疗行业对 5G 网络性能的需求（大上行+低时延高可靠类） 应用 需求 时延 可靠性 上行带宽 远程超声 20ms99.991020Mbps远程手术 5ms99.99920Mbps传统的医疗行业通常采用有线连接方式进行数据传输，建设和维护成本高、移动性差。5G 网络具备十倍于 4G 的超高带宽和毫秒级的传输时延，使图像、音频的传输再也不用担心卡顿的问题，可有效满足医疗救治过程中对安全可靠性和快速实行的要求。 典型应用 1：远程超声 超声检查需要医生手工操作完成，非常依赖医生的检查经验，基层医院难以独立完成复杂的超声检查工作。远程超声由远端专家操控机械臂对基层医院的患者开展超声检

14、查，能够提升基层医疗服务能力。 时延20ms，可靠性 99.99%：医生根据患者端的视频和反馈信息，操纵机械臂实时展开远程超声检查，时延会严重影响诊断结果，对网络侧时延和可靠性较要求较高。 上行带宽 1020Mbps：远程超声需要实时回传患者端、探头等影像，因此需要大带宽以流畅传输视频流。 典型应用 2：远程手术 远程机器人手术是依托机器人、定位和传感技术，实现自动化或半自动化的手术操作，延迟或错误的操作将造成严重的后果，甚至危及生命。 时延5ms，可靠性 99.999%：未来远程手术为机-机交互，远程专家根据患者端的视频和反馈信息，直接操纵机械臂进行手术，需要尽可能地保证两端同时操作，延迟或

15、错误的操作将造成严重的后果，甚至危及生命，对时延和可靠性要求极高。 上行带宽 20Mbps：远程手术需要实时回传患者端、探头等影像，因此需要大带宽以流畅传输视频流。 面向URLLC 场景的无线网络能力体系 不同行业不同类型业务对网络能力的要求存在较大差异，主要体现在速率、时延、可靠性三个维度。因此，通过提供分级上行、分级时延、分级可靠性等方面的网络能力，满足行业对“大上行、极致时延、超高可靠”的需求。 分级上行能力 为满足行业对上行速率 20200Mbps 的要求，网络可通过引入 3U1D 帧结构、上行 CA、SUL 等一系列的增强技术，同时根据业务需求，分场景分频段灵活组合使用，向行业提供分

16、级的大上行能力，举例来说，网络上行能力可以分为下述四档： 表 2-1 上行网络能力分档示意 第一档 第二档 第三档 第四档 300Mbps 300500Mbps 500700Mbps 700Mbps 分级时延能力 5G 网络端到端时延主要包括两部分，一部分是空口时延，一部分是传输时延，可分别引入增强技术来提升。 为满足行业对时延30ms5ms 的要求，5G 网络可将灵活帧结构等多种空口 时延降低方案和基站分流等传输时延降低方案结合使用，可提供分级的时延能力，满足工业控制等行业应用的极低时延要求。结合网络能力和多样化的业务需求，可将网络往返时延分为以下四档： 表 2-2 时延能力分档示意 第一档

17、 第二档 第三档 第四档 25ms 1525ms 515ms 5ms 分级可靠性能力 为满足行业对可靠性 99.9%99.9999%的要求，5G 网络可通过结合使用重复传输、PDCP 复制等冗余传输技术和小负荷 DCI 格式、低 CQI/MCS 表格等降低编码效率技术，向行业客户提供分级的可靠性能力。结合网络能力和多样化的业务需求，可将网络可靠性分为以下四档： 表 2-3 可靠性能力分档示意 第一档 第二档 第三档 第四档 90% 90%99% 99%99.999% 99.9999%及以上 面向URLLC 场景的无线使能技术体系 大上行使能技术 为满足行业客户对上行峰值速率、上行容量、上行边缘

18、速率的高要求，5G 行业网可引入 3U1D 帧结构、上行载波聚合、补充上行（SUL，Supplementary Uplink）技术等三种增强技术。 3U1D1S 帧结构 5G 网络采用灵活帧结构设计，行业网可按需采用上行时隙配比多的帧结构。以中国移动为例，行业网如采用 3U1D1S 帧结构，上行资源较公网典型配置增加 3 倍，可显著提升网络的上行速率和上行容量，现网实测单载波上行峰值可达 747Mbps。 图 3-1 2.5ms 3U1D1S 帧结构 上行载波聚合 2.6GHz(100M)2.6GHz(60M)载波聚合（CA，Carrier Aggregation）是 4/5G 增强技术之一，

19、通过将多个载波聚合起来同时传输，大幅提升上下行性能。CA 包括频带内和频带间，R16 协议进一步增强，支持非同步的载波间聚合和终端 1T 到 2T 间的天线轮发。以中国移动为例，2.6GHz 频段共有 160MHz 带宽，两载波聚合上行理论峰值速率可达 400Mbps，2.6G+4.9G 跨频段载波聚合上行理论峰值速率可达 500Mbps，通过更多频段的载波聚合还可进一步提升性能。 图 3-2 频段内 CA 方案示意图 SUL 5G 网络基础覆盖采用中高频段，可能出现上行覆盖和速率受限的问题，通过 SUL 技术可以实现上下行频率解耦，充分利用存量低频率频谱资源，有效提升上行边缘速率，通过引入新

20、的全上行频段，还可大幅提升上行峰值和小区容量。 图 3-3 SUL 方案示意图 极致时延使能技术 空口时延降低方案 针对 URLLC 场景，协议引入了 mini-slot、免调度、增强的设备能力、URLLC业务抢占等一系列增强技术。此外还可针对业务需求，进行帧结构、SR 周期等算法参数和功能开关的联动配置，通过多种技术的灵活组合，形成分级的空口时延能力。 Mini-slot 将调度最小颗粒度从 slot 级（14 个符号）缩短至符号级（2.4.7 等），缩短调度/反馈时延； SlotMini-slot2 symbols4 symbols7 symbols14 symbols免调度 图 3-4

21、mini-slot 方案示意图 当用户有上行数据包到达时，不经过 SR-UL grant 的过程，直接在基站预先分配好的资源上进行传输。需要 RRC 信令或者 RRC+DCI 参与，类似于 SPS。 增强的设备能力 图 3-5 免调度方案示意图 NR 中定义了增强的终端能力（capability2）。能力 2 的终端支持更短的 PDSCH 处理时延与 PUSCH 准备时延（以 30k 子载波为例，PDSCH 解码时延从 10符号降为 4.5 符号；PUSCH 编码时延从 12 符号降到 5.5 符号），进一步缩短用户面时延。 URLLC 抢占 URLLC 的业务来包后需要根据对应的时延要求马上

22、进行调度，且调度的单位为 Minislot。如果此时 URLLC 需要的频域资源和已经传输的另一个 UE 的 eMBB业务资源冲突，为了保证 URLLC 的高可靠需要占用这些资源。占用的资源会通过位图的方式指示给 eMBB 终端，用于 eMBB UE 的正常的译码和 HARQ 流程处理。 1D1S 帧结构 图 3-6 URLLC 抢占示意图 为降低因 TDD 上下行切换周期较长带来的时延，4.9GHz 可支持 1ms 帧结构（1D1S，其中 S 符号级 GGUUUUUUUUUUUU）； 图 3-7 1D1S 帧结构示意图 传输时延降低方案： 通过引入边缘计算，可以实现数据的本地疏导和处理，有效

23、降低传输时延。 5G 内生支持边缘计算，核心网数据面网关（UPF）可灵活下沉部署。作为 UPF 下沉方案的有益补充，基站分流方案通过在基站中集成分流模块，多种方式识别本地流量并直接转发，分流策略可通过无线网管配置。无需核心网和传输网改造，仅需基站开启功能即可快速实现本地业务分流，实现授权行业终端低时延访问本地服务器，成本低、易部署，尤其适用于 N4 接口不解耦、UPF 下沉困难或成本极敏感等场景。经在工厂实测，基站分流方案可基本消除回传链路时延，端到端时延降低至 20ms 内。 图 3-8 传输时延降低方案 超级可靠使能技术 为了提高可靠性，5G 空口进行了一系列增强设计，以冗余资源换取高可靠

24、性。物理层通过引入控制信道增强、低 CQI/MCS 表格、重复传输等技术提高了调制解调的容错性和数据传输的可靠性，PDCP 层通过引入 PDCP 复制等技术提高数据的冗余，从而提高数据传输的可靠性。 控制信道增强 为了提高控制信道的可靠性，PDCCH 可采用更大的聚合等级，如支持聚合等级 16、PUCCH 可支持长格式，如支持 format 1 等，通过用更多的资源传输控制信息，降低其码率，从而提高可靠性。 低码率传输 为了实现 URLLC 高可靠性，数据信道适合使用更低阶的 MCS 进行传输，因此定义针对 URLLC 的低码率 MCS/CQI 表。 图 3-9 低码率 MCS 表 CQI i

25、ndexmodulationcode rate x 1024efficiency0out of range1QPSK300.05862QPSK500.09773QPSK780.15234QPSK1200.23445QPSK1930.37706QPSK3080.60167QPSK4490.87708QPSK6021.1758916QAM3781.47661016QAM4901.91411116QAM6162.40631264QAM4662.73051364QAM5673.32231464QAM6663.90231564QAM7724.5234图 3-10 低码率 CQI 表 重复传输（Repet

26、ition） NR 定义了多时隙 PDSCH 传输，根据 RRC 信令配置，一个 TB 可以在连续的多个时隙上使用相同的时域资源分配方案进行重复传输； PUSCH 支持重复传输，RRC 信令可以配置传输的 TB 重复次数K 和重复的 RV。 NR 支持无需等待A/N，UE 直接重复传输K 次1,2,4,8，可以使用RV 版本0,2,3,1 0,3,0,3 0,0,0,0。 NR PUCCH 格式 1/3/4 支持在 N 个时隙上重复传输 UCI，N 可以从 1、2、4、 8 中配置，每个时隙内的 PUCCH 的起始符号位置和时域。 图 3-11 重复传输示意图 PDCP 复制（Duplicat

27、ion） 在 CA 或 DC 模式下，NR 支持通过 PDCP duplication 的方式进行数据传输可靠性增强；通过建立 2 条冗余传输路径，该两条路径分别与不同的小区组或者子载波绑定的方式实现； D8D7D6D5D4D3D2D1Oct 1图 3-12 PDCP duplication 示意图 面向URLLC 场景的无线技术路标 为满足行业对于 URLLC 场景的迫切需求，产业各方应积极行动，加快大上行、极致时延、超低可靠相关技术和产品的研发，力争早日商用。 大上行技术路标 为满足行业对大上行的需求，网络将分阶段引入 3U1D、载波聚合、SUL 等上行增强技术，技术路标如下图： 图 4-

28、1 大上行技术路标 极致时延技术路标 为满足行业对极致时延的需求，网络将分阶段引入 mini-slot/增强的设备能力/智简分流、免调度/DS 帧结构/URLLC 抢占等低时延增强技术，技术路标如下图： 图 4-2 极致时延技术路标 超高可靠技术路标 为满足行业对超级可靠的需求，网络将分阶段引入控制信道增强/低码率MCS/重复传输、PDCP 复制等高可靠增强技术，技术路标如下图： 图 4-3 超级可靠技术路标 总结和展望 本白皮书从 URLLC 的行业需求、面向 URLLC 场景的无线网络能力体系、面向 URLLC 场景的无线使能技术体系、面向 URLLC 场景的无线技术路标等方面阐述了中国移动对 URLLC 技术的发展规划与技术判断，旨在呼吁产业界共同努力，促进 URLLC 的技术成熟与落地，并促进 5G 全面赋能各行业，推动行业向数字化、自动化、智能化转型。 当前，面向行业