5G確定性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和傳送技術(shù)

趙福川 劉愛華 周華東

摘要：高可靠低時(shí)延通信（URLLC）是垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵需求，重點(diǎn)分析了智能電網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)應(yīng)用對(duì)5G確定性網(wǎng)絡(luò)的需求。研究了靈活以太網(wǎng)技術(shù)（FlexE）、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、確定性網(wǎng)絡(luò)（Detnet）等確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。認(rèn)為TSN/Detnet技術(shù)是后續(xù)確定性業(yè)務(wù)承載技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：5G承載;確定性網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)切片;URLLC;TSN;Detnet

Abstract： Ultra Reliable Low Latency Communications （URLLC） is the key demand of digital transformation of vertical industry， and the requirements of 5G deterministic network for Smart Grid and industrial Internet vertical industry applications are emphatically analyzed. In this paper， the key deterministic network technologies of Flex Ethernet （FlexE）， Time Sensitive Networking （TSN） and Deterministic Networking （Detnet） are also studied. It is considered that TSN/Detnet is the development direction of following deterministic bearing technology.

Key words： 5G bearing; deterministic network; network slice; URLLC; TSN; Detnet

1 垂直行業(yè)對(duì)5G確定性網(wǎng)絡(luò)的需求

5G網(wǎng)絡(luò)面向萬(wàn)物互聯(lián)，除了傳統(tǒng)的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)外，也引入了高可靠低時(shí)延通信（URLLC）業(yè)務(wù)。URLLC業(yè)務(wù)覆蓋了智能電網(wǎng)、智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，是垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵需求[1]。

URLLC業(yè)務(wù)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)、丟包有嚴(yán)格要求，我們把承載這種嚴(yán)格要求業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)稱為確定性網(wǎng)絡(luò)。確定性網(wǎng)絡(luò)的性能要求在傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）/多協(xié)議標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)（MPLS）上難以真正滿足，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)采用盡力而為的統(tǒng)計(jì)復(fù)用服務(wù)模型，通過(guò)傳輸控制協(xié)議（TCP）提供可靠應(yīng)用的連接;但TCP協(xié)議會(huì)影響時(shí)延，其滑動(dòng)窗口擁塞控制機(jī)制會(huì)引起業(yè)務(wù)突發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞和時(shí)延抖動(dòng)，難以提供確定性時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)保證。

智能電網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)是5G垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的2個(gè)重要領(lǐng)域。本文中，我們將重點(diǎn)研究這2個(gè)領(lǐng)域?qū)?G確定性網(wǎng)絡(luò)的需求。

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)對(duì)安全性要求極高，特別是對(duì)繼電保護(hù)要求嚴(yán)格。繼電保護(hù)有距離線路保護(hù)、方向比較保護(hù)、電流差動(dòng)保護(hù)等，其中電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用最廣泛。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，差動(dòng)保護(hù)就是當(dāng)輸電線路正常運(yùn)行時(shí)，輸電線路兩端的電流值相同;而當(dāng)這條輸電線路發(fā)生故障時(shí)，兩端的電流就會(huì)不一致。當(dāng)差動(dòng)電流大于差動(dòng)保護(hù)裝置的預(yù)定值時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)進(jìn)而將被保護(hù)設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開，使故障設(shè)備斷開電源。

廣域電流差動(dòng)保護(hù)則是將該保護(hù)原理拓展應(yīng)用到廣域電力系統(tǒng)中，通過(guò)采集廣域網(wǎng)中多測(cè)量點(diǎn)的電流信息進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算和故障定位。通信內(nèi)容主要包含幀性質(zhì)及保護(hù)起動(dòng)元件邏輯狀態(tài)等信息。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）61850-90-12標(biāo)準(zhǔn)[2]6.2節(jié)中規(guī)范了遠(yuǎn)程保護(hù)的通信性能要求，如表1所示。

不同的電力場(chǎng)景和應(yīng)用，對(duì)通信的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率都有確定性的要求，并對(duì)不同的時(shí)延要求定義了生存時(shí)間值1（TTL1）至生存時(shí)間值6（TTL6）的6個(gè)細(xì)分等級(jí)。在表1電流差異模擬比較中，要求時(shí)延3～10 ms，抖動(dòng)小于100 μs，2個(gè)方向的不對(duì)稱性時(shí)延小于200 μs，這3個(gè)功能場(chǎng)景對(duì)誤碼率（BER）也有很高的確定性要求。

在電網(wǎng)中根據(jù)傳送電壓等級(jí)不同，往往各種指標(biāo)需求也不同。IEC 61850-90-12標(biāo)準(zhǔn)中6.11節(jié)把廣域下對(duì)遠(yuǎn)程保護(hù)的通信要求按照電壓等級(jí)進(jìn)行了指標(biāo)需求的細(xì)分，如表2所示。

同一個(gè)電流差異模擬比較功能場(chǎng)景，超高壓（EHV）、高壓（HV）、中壓（MV）對(duì)通信的時(shí)延、抖動(dòng)、不對(duì)稱性時(shí)延、誤碼率以及時(shí)間同步精度等都有不同的確定性要求。

為了滿足通信的可靠性、報(bào)文時(shí)延特性、數(shù)據(jù)完整性等要求，通信管道上目前主要采用同步數(shù)字體系（SDH）E1方式，常用通道主要包括以2 Mbit/s速率復(fù)接2 M（E1）接口和以2 Mbit/s速率采用專用光纖通道。協(xié)議上一般采用基于面向?qū)ο蟮耐ㄓ米冸娛录ㄐ牛℅OOSE）這種特殊的通信機(jī)制[3]。GOOSE通信采用一種特殊的映射方式： 應(yīng)用層定義協(xié)議數(shù)據(jù)單元，在經(jīng)過(guò)表示層進(jìn)行編碼之后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，而不通過(guò)傳輸控制協(xié)議（TCP）/IP。傳輸模型簡(jiǎn)化為4層：應(yīng)用層、表示層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。為了避免類似TCP滑動(dòng)窗口擁塞機(jī)制導(dǎo)致的突發(fā)，同時(shí)因?yàn)橥ㄐ判畔⑸?，GOOSE協(xié)議通過(guò)報(bào)文重發(fā)送機(jī)制解決丟包問(wèn)題，同一個(gè)報(bào)文一般會(huì)發(fā)送幾次。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、工業(yè)機(jī)器人、人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)，構(gòu)建起來(lái)的工業(yè)環(huán)境下人、機(jī)、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[4-5]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)化控制是最基礎(chǔ)的應(yīng)用，其核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。典型的閉環(huán)控制過(guò)程周期低至毫秒級(jí)別，所以系統(tǒng)通信的時(shí)延需要達(dá)到毫秒級(jí)別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，同時(shí)要確?？煽啃?。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合可大致分為3個(gè)等級(jí)：工廠級(jí)的控制需求要求響應(yīng)時(shí)間在1 s左右即可，而過(guò)程級(jí)控制一般需要響應(yīng)時(shí)間在10～100 ms以內(nèi)，實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制，要求響應(yīng)時(shí)間在1 ms以下，甚至達(dá)到幾十微秒的量級(jí)[6]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)相對(duì)成熟，主要通信技術(shù)包括以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)（EtherCAT）、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等。EtherCAT保留了開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）系統(tǒng)7層結(jié)構(gòu)中的3層，即應(yīng)用層（AL）、數(shù)據(jù)鏈路層（DL）和物理層（PL）。同時(shí)修改數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在實(shí)時(shí)通道內(nèi)由實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）接管通信控制，避免報(bào)文沖突，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，主要用于要求高同步高可靠性的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。TSN采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，可無(wú)縫集成現(xiàn)有以太網(wǎng)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的IT網(wǎng)絡(luò)來(lái)提高易用性，同時(shí)帶來(lái)了確定性時(shí)延和高可靠性，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所需的遠(yuǎn)程診斷、可視化和修復(fù)功能。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)外網(wǎng)，當(dāng)前主要利用既有的互聯(lián)網(wǎng)或承載網(wǎng)搭建的企業(yè)專線，但在安全性、可靠性以及低時(shí)延低抖動(dòng)等性能方面不能滿足工業(yè)級(jí)的要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是連接人、機(jī)、物全面互連的基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的性能要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

1.3 行業(yè)需求小結(jié)

類似上述的智能電網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，URLLC的垂直行業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)格的低時(shí)延、低抖動(dòng)、低丟包率和高可靠性的承載需求。如表3所示，第三代合作伙伴技術(shù)規(guī)范（3GPP TS） 22.261標(biāo)準(zhǔn)[7]定義了URLLC類業(yè)務(wù)各種場(chǎng)景下端到端時(shí)延、抖動(dòng)、可靠性、帶寬、流量密度等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

為了滿足上述網(wǎng)絡(luò)性能需求，URLLC協(xié)議層面通常采用類用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）的機(jī)制，并且將OSI系統(tǒng)中的7層架構(gòu)精簡(jiǎn)為4層或3層。對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高、更確定的指標(biāo)要求，包括毫秒級(jí)別的時(shí)延、微秒級(jí)別的抖動(dòng)以及6個(gè)9的可靠性等。如何實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的確定性網(wǎng)絡(luò)，是5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。

2 確定性網(wǎng)絡(luò)的傳送技術(shù)研究

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的傳送技術(shù)有2類，一種是L1層時(shí)分復(fù)用（TDM）模式的管道技術(shù)，另一種是L2/L3層時(shí)延敏感分組管道技術(shù)。

2.1 L1層管道技術(shù)難以滿足L2/L3靈活顆粒確定性業(yè)務(wù)需求

傳統(tǒng)的L1層管道技術(shù)類似同步數(shù)字體系（SDH）/光傳送網(wǎng)（OTN），采用TDM復(fù)用機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了適應(yīng)IP業(yè)務(wù)的低成本扁平化建網(wǎng)需求，近期在國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局（ITU-T）立項(xiàng)的G.mtn標(biāo)準(zhǔn)引入了以太網(wǎng)物理編碼子層（PCS層）的L1層管道技術(shù)，PCS層的L1層管道采用FlexE Shim層的時(shí)隙作為業(yè)務(wù)映射的容器，最小時(shí)隙為5 Gbit/s。這些技術(shù)都基于固定容器來(lái)承載業(yè)務(wù)，只能滿足容器本身點(diǎn)到點(diǎn)的確定性能，受限于容器大小，管道無(wú)法滿足分組業(yè)務(wù)靈活顆粒要求，尤其是小顆粒要求。

對(duì)于L1管道技術(shù)，業(yè)界也提出了更小顆粒管道的思路，比如支持比切片通道層（SCL）標(biāo)準(zhǔn)5G顆粒更小的1G顆粒管道，支持小于1G顆粒的Sub 1G OTN管道等。該技術(shù)雖然能增加L1管道技術(shù)對(duì)靈活顆粒L2/L3層業(yè)務(wù)的靈活性，但仍然無(wú)法解決L2/L3層業(yè)務(wù)確定性能的根本問(wèn)題。該技術(shù)方向存在固有的缺陷包括：

（1）L1 TDM技術(shù)的限制。L1管道采用TDM復(fù)用技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，如果是每業(yè)務(wù)每L1管道，必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬碎片化和巨大帶寬浪費(fèi)，另外大量TDM電路導(dǎo)致的實(shí)現(xiàn)成本、功耗和運(yùn)維成本代價(jià)較大。L1管道存在固定大小TDM容器，該容器技術(shù)上的限制無(wú)法滿足靈活確定性業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整需求，而調(diào)整帶寬容易導(dǎo)致業(yè)務(wù)受損。

（2）層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的限制。L1管道并不感知L2/L3業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)性能，L2/L3業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能由L2/L3分組層轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制決定;因此，L1管道顆粒即使再小，仍然只能保證管道本身的性能，無(wú)法保證管道內(nèi)業(yè)務(wù)的確定性能，尤其是當(dāng)管道內(nèi)承載不同類型的分組業(yè)務(wù)或者并發(fā)的分組業(yè)務(wù)時(shí)L1管道并不能精確感知。

（3）L1管道顆粒與管道速率的限制。L1管道的顆粒就是管道的轉(zhuǎn)發(fā)速率，L1管道的顆粒度越小，轉(zhuǎn)發(fā)速率也越小，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延會(huì)增大，比如1G顆粒的SCL管道轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延比標(biāo)準(zhǔn)5G顆粒要大5倍。

（4）TDM技術(shù)兼容性的限制。L1管道采用TDM復(fù)用，有固定大小容器結(jié)構(gòu)。這會(huì)帶來(lái)不同顆粒管道互通的兼容性問(wèn)題，比如1G顆粒以太網(wǎng)切片管道和標(biāo)準(zhǔn)5G顆粒的以太網(wǎng)切片管道是無(wú)法對(duì)接互通的。

L1層管道技術(shù)是為L(zhǎng)2/L3層業(yè)務(wù)提供靈活連接的L1管道，為基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)提供靈活拓?fù)溥B接。L1層管道技術(shù)聚焦于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎窂降倪B接和管道本身性能，而并不感知和保證它所承載的L2/L3層分組業(yè)務(wù)的性能。

2.2 TSN/Detnet是L2/L3靈活顆粒業(yè)務(wù)確定性承載技術(shù)發(fā)展方向

電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.1制定的一系列TSN[8]標(biāo)準(zhǔn)，是以L2層以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，滿足L2層時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的新一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它除了滿足傳統(tǒng)音頻和視頻業(yè)務(wù)的確定性質(zhì)量外，重點(diǎn)滿足面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)應(yīng)用的需求。Detnet[9]是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)任務(wù)組（IETF）成立的支持L3層確定性網(wǎng)絡(luò)工作組，支持在L3層滿足大范圍和大規(guī)模確定性業(yè)務(wù)的組網(wǎng)需求。Detnet網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面技術(shù)當(dāng)前以TSN技術(shù)為基礎(chǔ)，因此，本文轉(zhuǎn)發(fā)面以TSN技術(shù)為研究對(duì)象。

與L1層管道技術(shù)不同，L2層TSN技術(shù)基于以太網(wǎng)分組轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，為了滿足L2/L3業(yè)務(wù)的確定性能，針對(duì)每條L2/L3業(yè)務(wù)流維護(hù)每流的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，從流量特征、流量監(jiān)管、隊(duì)列管理到業(yè)務(wù)調(diào)度等分組業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的各流程保證每業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)性能，滿足每業(yè)務(wù)靈活顆粒的要求。與L1層管道技術(shù)相比，TSN/Detnet技術(shù)具備如下優(yōu)勢(shì)：

（1）解決業(yè)務(wù)確定性能的根本問(wèn)題。TSN/Detnet技術(shù)基于分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，在L2/L3分組層保證業(yè)務(wù)性能，從根本上解決了每業(yè)務(wù)性能保證的問(wèn)題。

（2）適應(yīng)業(yè)務(wù)靈活帶寬顆粒的要求。TSN/Detnet技術(shù)基于分組業(yè)務(wù)特征維護(hù)每業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，能適應(yīng)業(yè)務(wù)靈活帶寬顆粒的要求，提升了轉(zhuǎn)發(fā)效率。

（3）滿足不同類型業(yè)務(wù)和并發(fā)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)要求。TSN/Detnet技術(shù)通過(guò)業(yè)務(wù)識(shí)別、隊(duì)列和調(diào)度等技術(shù)支持不同類型的業(yè)務(wù)和并發(fā)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，滿足多業(yè)務(wù)承載的性能要求。

3 城域網(wǎng)TSN確定性轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)研究

3.1 TSN每業(yè)務(wù)流量監(jiān)管（IEEE 802.1Qci/Qcr）

TSN技術(shù)為了保證每業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，對(duì)每節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量的輸入和輸出都有監(jiān)管的要求。首先業(yè)務(wù)的輸入需要滿足每業(yè)務(wù)流量監(jiān)管（IEEE 802.1Qci）的要求，包括校驗(yàn)業(yè)務(wù)流的速率和包長(zhǎng)，而出口為了不引入業(yè)務(wù)突發(fā)，也可以對(duì)每業(yè)務(wù)進(jìn)行流量整形（IEEE 802.1Qcr）。

對(duì)于城域網(wǎng)，該要求與業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（QoS）（入口Policing和出口Shaping）要求類似;但是業(yè)務(wù)跳數(shù)和并發(fā)業(yè)務(wù)流數(shù)會(huì)大于TSN傳統(tǒng)的局域網(wǎng)應(yīng)用，同時(shí)也存在不同速率接口轉(zhuǎn)換的影響問(wèn)題。因此，TSN技術(shù)在城域網(wǎng)結(jié)合類似SCL的L1管道技術(shù)可以解決城域網(wǎng)L1拓?fù)浜筒煌涌谒俾实膯?wèn)題，而且SCL標(biāo)準(zhǔn)5G顆粒度提供了較好的管道顆粒與轉(zhuǎn)發(fā)速率的平衡。

3.2 TSN業(yè)務(wù)確定性調(diào)度技術(shù)（IEEE 802.1Qbv/Qch）

TSN核心技術(shù)在于業(yè)務(wù)的確定性調(diào)度，該技術(shù)借鑒了TDM技術(shù)的思路增強(qiáng)以太網(wǎng)分組調(diào)度技術(shù)支持業(yè)務(wù)確定性轉(zhuǎn)發(fā)性能，目前已標(biāo)準(zhǔn)化的主要包括基于時(shí)間門調(diào)度（IEEE 802.1Qbv）和循環(huán)隊(duì)列調(diào)度技術(shù)（IEEE 802.1Qch，即循環(huán)隊(duì)列轉(zhuǎn)換（CQF））。

時(shí)間門調(diào)度將傳統(tǒng)分組調(diào)度機(jī)制增強(qiáng)為基于時(shí)間的調(diào)度，調(diào)度單位為時(shí)間，每個(gè)調(diào)度隊(duì)列根據(jù)設(shè)定的時(shí)間控制該隊(duì)列門選擇開關(guān)來(lái)確定是否允許被調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隊(duì)列基于時(shí)間的調(diào)度。如圖1所示，時(shí)間門調(diào)度表T0時(shí)間內(nèi)隊(duì)列0， 2， 3， 5， 6， 7門選擇開關(guān)打開，允許發(fā)送業(yè)務(wù)，而隊(duì)列1和4則關(guān)閉，不允許發(fā)送業(yè)務(wù)。

循環(huán)隊(duì)列調(diào)度通過(guò)收發(fā)循環(huán)隊(duì)列來(lái)支持確定性轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，最簡(jiǎn)單的循環(huán)隊(duì)列由1個(gè)發(fā)送隊(duì)列和1個(gè)接收隊(duì)列組成。在設(shè)定的循環(huán)時(shí)間（Cycle）內(nèi)，接收隊(duì)列只接收將要被調(diào)度的業(yè)務(wù)報(bào)文，而發(fā)送隊(duì)列只負(fù)責(zé)發(fā)送該隊(duì)列的報(bào)文;下一個(gè)Cycle周期2個(gè)隊(duì)列循環(huán)輪換，即原接收隊(duì)列轉(zhuǎn)換為發(fā)送隊(duì)列，將前一個(gè)周期接收的業(yè)務(wù)報(bào)文發(fā)送出去，而前一個(gè)周期的發(fā)送隊(duì)列用于接收本周期內(nèi)的業(yè)務(wù)報(bào)文。該機(jī)制通過(guò)保證了每個(gè)周期接收的業(yè)務(wù)報(bào)文必須在下一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送出去，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的時(shí)延是確定的，即正常為1個(gè)Cycle。CQF轉(zhuǎn)發(fā)示意圖如圖2所示。

為了保證業(yè)務(wù)端到端的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，時(shí)間門調(diào)度機(jī)制和CQF調(diào)度機(jī)制，需要部署時(shí)間同步用于同步每跳轉(zhuǎn)發(fā)的調(diào)度時(shí)間。因此，該技術(shù)對(duì)于城域網(wǎng)應(yīng)用有較大的限制。一是業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)路徑的所有節(jié)點(diǎn)均需要部署高精度時(shí)間同步;二是在設(shè)置業(yè)務(wù)調(diào)度時(shí)間時(shí)，需要精確計(jì)算鏈路時(shí)延并逐跳設(shè)置精確的調(diào)度時(shí)間，帶來(lái)了管理和控制工作的復(fù)雜性;三是城域同步精度和多跳處理，需要相對(duì)局域網(wǎng)較大的調(diào)度時(shí)間片來(lái)容忍調(diào)度誤差，這將會(huì)稍增大該機(jī)制在城域網(wǎng)應(yīng)用的轉(zhuǎn)發(fā)抖動(dòng)。

（1）確定性業(yè)務(wù)集中管控。

TSN/Detnet業(yè)務(wù)為了保證每業(yè)務(wù)確定性服務(wù)質(zhì)量，需要依賴集中管控技術(shù)，包括集中配置業(yè)務(wù)端到端資源預(yù)留避免擁塞丟包、配置業(yè)務(wù)監(jiān)管參數(shù)和調(diào)度參數(shù)等。

集中管控技術(shù)（SDN Controller/NMS）可以實(shí)現(xiàn)TSN/Detnet業(yè)務(wù)的管控要求。首先通過(guò)每業(yè)務(wù)資源預(yù)留實(shí)現(xiàn)端到端轉(zhuǎn)發(fā)資源保證，避免業(yè)務(wù)擁塞出現(xiàn)丟包和影響轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延;通過(guò)合理的資源預(yù)留配合每業(yè)務(wù)流量監(jiān)管，可以避免業(yè)務(wù)的擁塞和丟包。其次，TSN增強(qiáng)確定性調(diào)度技術(shù)針對(duì)每業(yè)務(wù)配置相關(guān)的參數(shù)也需要集中計(jì)算和配置，比如CQF每業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)的Cycle，如圖3所示。

集中管控技術(shù)在城域網(wǎng)已經(jīng)普遍應(yīng)用，對(duì)于支持TSN/Detnet確定性業(yè)務(wù)，現(xiàn)有的集中管控技術(shù)只需增加對(duì)確定性業(yè)務(wù)的管控功能即可滿足要求。

（2）TSN/Detnet技術(shù)在城域網(wǎng)的應(yīng)用和局限性探討。

TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE在2018年底基本標(biāo)準(zhǔn)化，在局域網(wǎng)中逐步得到應(yīng)用;Detnet技術(shù)IETF針對(duì)IP/MPLS封裝和操作維護(hù)管理（OAM）部分正在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。但TSN/Detnet技術(shù)目前應(yīng)用到城域網(wǎng)仍有局限性：

TSN確定性調(diào)度目前基于時(shí)間進(jìn)行，其端到端性能保證均要求部署時(shí)間同步;對(duì)網(wǎng)絡(luò)也有要求，該要求在局域網(wǎng)中容易得到滿足，但是對(duì)于城域網(wǎng)則受到一些因素的限制。不要求部署時(shí)間同步的確定性調(diào)度技術(shù)仍在研究中。

TSN基于時(shí)間的調(diào)度在局域網(wǎng)中應(yīng)用忽略鏈路時(shí)延，但是在城域網(wǎng)中鏈路時(shí)延基本不能忽略，這樣給基于時(shí)間的調(diào)度機(jī)制增加了復(fù)雜性和額外的因素。

TSN/Detnet技術(shù)需要維護(hù)每業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，存在業(yè)務(wù)支持的規(guī)模和擴(kuò)展性問(wèn)題，當(dāng)前有確定性轉(zhuǎn)發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)量比較少，這個(gè)問(wèn)題尚不突出。

TSN基于時(shí)間的調(diào)度機(jī)制受到一些分組特性的影響，比如包長(zhǎng)大小對(duì)調(diào)度時(shí)間的影響，多流匯聚對(duì)業(yè)務(wù)突發(fā)和調(diào)度的影響等，復(fù)雜場(chǎng)景的TSN業(yè)務(wù)性能有待檢驗(yàn)。

4 確定性網(wǎng)絡(luò)傳送技術(shù)研究

趨勢(shì)

L1層技術(shù)是傳統(tǒng)采用TDM復(fù)用的硬隔離管道技術(shù)，以SDN/OTN TDM管道為典型代表;FlexE技術(shù)[10]則在以太網(wǎng)接口架構(gòu)下引入了類TDM硬隔離通道，中國(guó)移動(dòng)切片分組網(wǎng)（SPN）SCL[11]進(jìn)一步在以太網(wǎng)分組轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)下引入了類TDM硬隔離管道。但是傳統(tǒng)TDM管道只能保證管道本身性能的確定性，無(wú)法滿足管道內(nèi)業(yè)務(wù)，尤其是分組業(yè)務(wù)性能的確定性。而L2層以太網(wǎng)和L3層IP技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前主流的業(yè)務(wù)承載技術(shù)，L2/L3層確定性承載技術(shù)逐步成為目前研究的熱點(diǎn)。

TSN/Detnet作為L(zhǎng)2/L3層靈活顆粒確定性業(yè)務(wù)承載技術(shù)，當(dāng)前適合作為小規(guī)模確定性業(yè)務(wù)層承載技術(shù)應(yīng)用到城域網(wǎng)中。該技術(shù)與管道層技術(shù)可以有機(jī)結(jié)合，滿足面向5G靈活顆粒確定性業(yè)務(wù)承載需求和靈活切片的需求。在SPN網(wǎng)絡(luò)中，管道層技術(shù)提供基于5G顆粒的網(wǎng)絡(luò)靈活確定性連接，而TSN/Detnet技術(shù)提供靈活小顆粒確定性業(yè)務(wù)承載，是后續(xù)確定性業(yè)務(wù)承載技術(shù)的發(fā)展方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，如何實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的確定性網(wǎng)絡(luò)，仍然是5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)。而在確定性網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)中，TSN/Detnet技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用到城域網(wǎng)絡(luò)，滿足業(yè)務(wù)對(duì)低時(shí)延和確定性服務(wù)質(zhì)量的要求。盡管如此，TSN/Detnet技術(shù)仍有進(jìn)一步提升的空間，包括降低確定性轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)時(shí)間同步的要求、解決業(yè)務(wù)包長(zhǎng)變化對(duì)確定性轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)性能的影響等，這些技術(shù)的突破可以降低TSN/Detnet技術(shù)應(yīng)用的限制并進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)發(fā)性能。