1.3GPP协议要求

R16的URRLC技术应用包括电力系统控制、运输行业、R-15功能增强（AR/VR功能）和工厂自动化（38.824协议，5.2章节），这里仅简要介绍工业自动化一个场景。工业自动化目前被细化为21个不同case（22.804协议，5.3章节），这里选取最典型的实时闭环控制系统(Motion control)进行介绍。

实时闭环控制系统在工业自动化中属于十分具有挑战性的一个场景，对于时延和可靠度都有相当高的要求。实时闭环控制系统，主要通过运动控制器、执行机构和传感器组成。运动控制器发布命令给执行机构，执行机构执行后传感器收集数据，最后传感器再传递给运动控制器，完成闭环。

 图 1-1 实时闭环控制系统场景

其具体技术指标参考如下表格

表1-1 实时闭环控制系统技术要求

索引	技术指标
1	支持50UE、40byte的1ms循环通信/20 U  E、50byte的0.5ms循环通信/100UE、20byte的2ms循环通信
2	50~100UE的低于1us的时钟同步
3	在满足极低时延、极高可靠度前提下，确保数据完整性
4	保证至少99.9999%可靠度，最好达到99.999999%可靠度
5	支持热插拔的功能
6	在满足极低时延、极高可靠度前提下，支持运动机构20m/s的运动速度
7	满足SIL3（IEC标准）
8	保证不会出现连续2个错包

1.1SIL 安全标准说明

SIL-3来源于IEC 61784-3，属于安全标准。SIL实际是定义的一个安全指标，对应两个概率统计值PFH和PFDAVG。

PFDAVG表示需求发生时平均危险发生概率，适用于低频需求，需求的发生频率一年小于1次，例如汽车安全气囊弹出。

PFH，表示平均危险失效频率，单位（1/h），适用于高频需求，需求的发生频率一年大于1次，例如汽车刹车制动。

具体标准参考如下表格：

图1.1-1 SIL安全标准说

2伺服控制

伺服控制即是上述自动化的一种典型场景，完整的伺服控制流程如下图所示：

 图 2-1 伺服控制流程图

1. 普通感应式电机：可以控制速度，将电压信号转化为转矩和转速的动力源
2. 伺服传感器（电流传感器、速度检测、位置脉冲检测）：无论何种伺服传感器，其基本原理是电机每经过某一个位置，便会产生一个脉冲信号。所以脉冲信号发送频率表示电机运转速度，脉冲信号发送个数表示电机所到达的位置。
3. 三环控制系统（电流调节器、速度调节器、位置调节器）：伺服系统支持三种控制模式，包括转矩控制、速度控制、位置控制。速度控制和位置控制很容易理解，转矩控制通常在对速度和位置没有很高要求时候使用，例如给物品刷漆，转矩控制也是运算量最小，响应最迅速的控制，而位置控制则相反
   1. 转矩控制：通过电流调节器进行控制，维持电机恒定转矩输出。转矩与功率有关，可以理解为功率恒定一种控制，所以直接赋予某个电流值即可。
   2. 速度控制：通过速度调节器进行控制。输入系统输入一些列脉冲信号，控制器通过比较输入脉冲信号频率和反馈脉冲信号频率来确定伺服电机是否达到要求速度
   3. 位置控制：通过PLC进行控制。PLC根据反馈脉冲信号个数确定电机是否达到要求位置，并生成新的脉冲序列。

2.1 位置控制

位置控制是伺服控制中最常见的一种伺服控制系统，上位机会发送脉冲序列，每一个脉冲代表电机转动一定角度，同时传感器也会根据电机位置返回一串脉冲序列表征当前实际运动位置，控制器通过比较反馈脉冲序列和脉冲序列指令，来控制伺服电机的运动。

图2.1-1 位置控制示例

1. PLC根据运动位置，确定脉冲序列
2. PLC根据反馈脉冲序列，计算序列偏差值
3. 判断偏差值是否为0
   1. 如果是0，表示电机运动到指定位置，进入步骤6
   2. 如果非0，表示电机未运动到指定位置，进入步骤4
4. 通过A/D转换器，产生电机的运动指令，通常也是脉冲序列形式。一个脉冲代表电机运动角度。以步进电机为例，步进角表示没收到一个脉冲，电机转动的角度。
5. 位置传感器，采集执行结果，生成脉冲序列进行反馈。

图 2.1-2 位置传感器示例图

        以增量式光电编码器为例。在圆盘上又均匀的栅格，每经过一个栅格，便会产生一个脉冲，以此表征运动距离。

``````6.结束

3.5G方案设想

3.1 5G信号发送简介

  

 图3.1-1 5G无线信号发送示意图

5G发送需要通过基站进行控制，信号发送分为上行UL信号和下行DL信号。上行UL信号是终端侧将数据信息发送给基站，DL信号则反之。基站通常通过光纤与核心网相连接，并接入到互联网之中。

目前5G支持FDD和TDD两种模式，FDD属于真正意义上的全双工模式，上下行信号可以同时发送；TDD在微观角度，属于半双工模式，一次只能发送下行或上行信号

a.FDD模式	b.TDD模式

图 3.1-2 FDD/TDD示意图

        以TDD模式为例，介绍5G系统的帧结构设计。5G帧结构采用紧密排列，最小调度粒度单位是slot。如果子载波间隔未30kHz，则一个调度slot时间未0.5ms，下图展示为一个DSU slot pattern为例，对帧结构中信道必要部分做介绍。

图3.1-3 5G帧结构示例（30kHz子载波间隔）

1. PDCCH：5G中的控制信道，用于控制5G信道中无线资源的分配，例如数据信道使用的时频域资源位置
2. PDSCH：用于承载下行数据信道
3. PUSCH：用于承载上行数据信道
4. GP：空时频域资源，UL/DL切换点，防止终端侧上行发送与下行接收出现干扰
5. PUCCH：上行控制信道，用于下行数据的接受情况反馈，如果终端侧正确接收PDSCH，则告知基站ACK，否则告知NACK。基站可以根据次信息判断是否重发下行数据包

下行资源的调度，是PDCCH指示分配PDSCH下行时频域资源，之后终端接受在PUCCH反馈PDSCH是否正确接收，参考图中蓝色箭头部分。基站根据反馈结果判断是否重新发送PDSCH

上行资源调度，是PDCCH指示分配PUSCH上行时频域资源，基站直接进行数据包解码，根据是否成功解码，确定是否需要终端重新发送上行PUSCH

3.2 基于5G的伺服位置控制方案

我个人构想了一种利用5G通信系统实现伺服位置控制的方案。需要上位机、位置控制器、伺服电机、传感器均安装5G通信模组，同时厂区配备5G基站。具体通信流程如下图所示：

图3.2-1 基于5G的伺服位置控制流程

1. PLC计算出脉冲序列后，按照一个脉冲一个数据包，通过PUSCH发送第一个脉冲数据包给基站，基站通过PDSCH转发给感应式电机
2. 感应式电机根据脉冲数据包执行一次步进，之后传感器将检测道德位置移动结果，依然按照一个脉冲一个数据包，通过PUSCH发送一个脉冲数据包给基站，基站通过PDSCH发送给PLC。完成一次闭环操作

5G中对于上行和下行，都支持一次PDCCH控制信道调度，后续PUSCH/PDSCH按照周期方式发送上行/下行数据。假定5G系统为30kHZ载波间隔，即一个slot为0.5ms，所以方案如下：

1. 设定帧结构为SU pattern形式帧结构，所有下行调度均在S slot上实现自反馈(自反馈即当前slot调度，当前slot反馈调度结果)，所有上行调度均在U slot调度

图3.2-2 SU pattern帧结构示意图

1. PLC配置上行免授权调度和下行免授权调度；感应式电机配置下行免授权调度；传感器配置上行免授权调度；所有免授权调度均可通过PDCCH激活和去激活，配置周期为4 slot(2ms)
2. 根据伺服控制要求，必须上一个步骤数据包完成求解后方可执行下一个数据包调度。例如，只有在处理了传感器发送脉冲数据包，位置控制器完成运算，才能发送新的伺服电机脉冲数据包。

SLOT类型	U	S	U	S	U	S	U	S	U
PLC→基站	第1次				第2次				第3次
基站→电机		第1次				第2次
传感器→基站			第1次				第2次
基站→PLC				第1次				第2次

不难发现，需要4个slot，2ms完成一次闭环控制。