TSN與5G融合部署的需求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

朱瑾瑜 張恒升 陳潔

摘要：認(rèn)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的融合部署將成為5G網(wǎng)絡(luò)向確定化演進(jìn)的重要方向。從TSN技術(shù)現(xiàn)狀入手，分析了TSN與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合的必要性和可能性，重點(diǎn)提出了TSN與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合部署的演進(jìn)路徑和3種融合部署形式。

關(guān)鍵詞：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò);5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);前傳網(wǎng)絡(luò);承載網(wǎng);核心網(wǎng)

Abstract：Itisconsideredthattheintegrationanddeploymentoftimesensitivenetwork（TSN）technologyand5Gnetworksystemwillbecomeanimportantdirectionforthedeterministicevolutionof5Gnetwork.ThetechnicalstatusofTSNtechnologyisdiscussed.ThenecessityandpossibilityoftheintegrationofTSNand5Gnetworksystemareanalyzed.TheevolutionpathandthreeintegrationdeploymentformsofTSNand5Gnetworksystemarehighlighted.

Keywords：timesensitivenetwork;5Gnetworksystem;fronthaulnetwork;bearernetwork;corenetwork

5G將開啟一個(gè)全連接的新時(shí)代，將通信的作用從人與人之間的連接擴(kuò)展到各行各業(yè)、萬事萬物之間的相互連接，以非常好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)、效率和性能使能垂直行業(yè)，以用戶為中心構(gòu)建全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，為運(yùn)營商和產(chǎn)業(yè)合作伙伴帶來新的商業(yè)模式，形成行業(yè)數(shù)字化新格局。與此同時(shí)，垂直行業(yè)多種多樣的業(yè)務(wù)需求場景要求5G網(wǎng)絡(luò)具備差異化的網(wǎng)絡(luò)定制能力，并可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的確定性傳輸。這種確定化的業(yè)務(wù)保障能力涵蓋時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和丟包率等關(guān)鍵服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)。5G網(wǎng)絡(luò)通常借助移動(dòng)邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等多種關(guān)鍵技術(shù)，為業(yè)務(wù)承載提供確定化的傳輸保障能力。

相關(guān)TSN技術(shù)基礎(chǔ)協(xié)議的制定和應(yīng)用推進(jìn)主要由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.1TSN工作組負(fù)責(zé)。因具備高精度時(shí)間同步、個(gè)性化精準(zhǔn)流量調(diào)度、智能化網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制等特性，TSN可以廣泛應(yīng)用于存在互聯(lián)互通、確定性高質(zhì)量傳輸、全業(yè)務(wù)承載需求的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送場景。近年來，TSN技術(shù)在音視頻傳輸、工業(yè)、移動(dòng)承載、車載網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)應(yīng)用場景受到產(chǎn)業(yè)界更為廣泛的關(guān)注，眾多機(jī)構(gòu)和組織紛紛開展相關(guān)研究工作。

1TSN技術(shù)現(xiàn)狀

1.1TSN發(fā)展背景

關(guān)于TSN技術(shù)的研究最早起源于2006年。IEEE802.1工作組在這一年成立音視頻橋接（AVB）任務(wù)組。AVB技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在音視頻網(wǎng)絡(luò)中的確定時(shí)序和低時(shí)延傳輸，并通過對(duì)流量的整形調(diào)度解決了音視頻流量的實(shí)時(shí)同步確定性傳輸問題。隨后，該項(xiàng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)帶寬保證及有界傳輸時(shí)延方面的潛在能力被工業(yè)領(lǐng)域所關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組更名為IEEE802.1TSN任務(wù)組，并對(duì)時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍進(jìn)行了擴(kuò)展，以覆蓋音視頻以外的更多領(lǐng)域，如汽車、工業(yè)制造、運(yùn)輸、過程控制、航空航天以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。IEEE802.1TSN任務(wù)組聚焦TSN技術(shù)在各類通信場景下的基礎(chǔ)共性技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的研究，已經(jīng)推出以IEEE802.1AS為基礎(chǔ)的時(shí)間同步協(xié)議、以IEEE802.1Q系列協(xié)議為代表的流量調(diào)度及網(wǎng)絡(luò)管理相關(guān)協(xié)議。目前這些協(xié)議已經(jīng)基本成熟。

IEEE802.1工作組致力于TSN的標(biāo)準(zhǔn)化工作。TSN是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方向。IEEE802.1AS時(shí)鐘同步、IEEE802.1Qcc流預(yù)留、IEEE802.1Qch循環(huán)排隊(duì)等技術(shù)可保障物理層和鏈路層的確定性時(shí)延

1.2TSN研究現(xiàn)狀

隨著TSN技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，各類通信標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)機(jī)構(gòu)針對(duì)TSN相關(guān)技術(shù)在垂直行業(yè)的部署應(yīng)用均展開了研究。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定組織有IEEE、國際電工委員會(huì)（IEC）、國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）、通用公共無線接口（CPRI）聯(lián)盟、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）等。參與TSN研究和推廣的機(jī)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟有中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）、德國工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)（LNI4.0），以及國際聯(lián)盟組織音視頻網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（AVNU）、用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入（OPC）基金會(huì)、OpenStack基金會(huì)等[6-7]。

（1）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

新型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不僅對(duì)帶寬有很高的要求，還必須同時(shí)保證控制數(shù)據(jù)的周期性可靠傳輸。例如，每隔100μs設(shè)備與控制器之間就要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在這期間不允許有其他數(shù)據(jù)對(duì)這種周期性數(shù)據(jù)造成阻塞，也不允許有時(shí)快時(shí)慢的延時(shí)響應(yīng)。TSN能夠符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中這種“確定時(shí)延、不被中斷、可靠傳輸”的要求。同時(shí)IEEE又制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，使得TSN更具中立性。2017年，IEC和IEEE聯(lián)合成立了P60802工作組，旨在定義TSN應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的方案類標(biāo)準(zhǔn)。這一舉動(dòng)得到了很多廠商的支持，如貝加萊、西門子、施耐德、羅克韋爾、三菱、思科、霍斯曼、MOXA等。隨后，這些主流自動(dòng)化廠商開始陸續(xù)推出基于TSN技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。由此可見，TSN成為工業(yè)通信領(lǐng)域廠商的共同選擇已經(jīng)是大勢所趨。

隨著工業(yè)企業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)系統(tǒng)之間的信息互通逐漸成為普遍需求。工業(yè)領(lǐng)域存在諸多私有協(xié)議，要把不同廠商間各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打通。這需要解決兩個(gè)層面的問題：一個(gè)是統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和鏈路協(xié)議，另一個(gè)是各廠商終端或系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互接口。目前業(yè)內(nèi)傾向于利用OPCUAoverTSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這種互聯(lián)需求，即由TSN提供統(tǒng)一的鏈路層實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)由OPCUA提供統(tǒng)一的信息交互架構(gòu)。OPC基金會(huì)下的Shaper工作組正致力于推動(dòng)此項(xiàng)融合技術(shù)的落地。ABB、思科、倍福、華為等廠商是其中的主要參與者。

（2）車載以太網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)中，各類總線的應(yīng)用范圍有著比較明確的區(qū)分，各設(shè)備和應(yīng)用對(duì)帶寬的要求也相對(duì)較低，如表1所示。

面向媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）總線技術(shù)在一定程度上可以滿足在引入多媒體信息娛樂系統(tǒng)（MIS）和基于高清攝像頭的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)后大量視音頻數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延的新需求。然而，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）將大量精密的傳感器融入系統(tǒng)之中，對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、確定性的需求日益迫切。同時(shí)人機(jī)交互越來越多樣化，智能化數(shù)據(jù)與電氣參數(shù)之間的聯(lián)動(dòng)也需要一個(gè)統(tǒng)一融合的網(wǎng)絡(luò)[8-10]。

TSN基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，能夠在二層網(wǎng)絡(luò)提供高帶寬、高可靠、確定性的流量承載和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，符合車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。因此，在TSN的支持下，基于以太網(wǎng)發(fā)展下一代車載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一種必然趨勢。

表1車載網(wǎng)絡(luò)主要總線一覽表目前，IEEE802.1TSN任務(wù)組已經(jīng)啟動(dòng)P802.1DG項(xiàng)目，以進(jìn)行TSN技術(shù)在車輛信息娛樂系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)的應(yīng)用研究。2016年起，芯片廠商恩智浦、英偉達(dá)、博通陸續(xù)研發(fā)TSN相關(guān)芯片，并與知名車企聯(lián)合，進(jìn)行了一系列基于TSN技術(shù)的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測試及驗(yàn)證工作。2017年初，行業(yè)組織AVnu聯(lián)盟發(fā)布了《車載以太網(wǎng)及AVB技術(shù)應(yīng)用》白皮書，推動(dòng)了TSN技術(shù)在車載音視頻領(lǐng)域的應(yīng)用。

（3）移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)

4G網(wǎng)絡(luò)采用了集中化無線接入網(wǎng)（C-RAN）架構(gòu)，即分布式的射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）共享集中部署的基帶單元（BBU）的方式，以便解決重負(fù)載和輕負(fù)載基站之間BBU的利用均衡的問題。BBU和RRH之間連接的網(wǎng)絡(luò)稱為前傳網(wǎng)絡(luò)。CPRI標(biāo)準(zhǔn)是前傳網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的接口規(guī)范。5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬消耗大概是4G的1000倍，使得移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)面臨更大的傳輸壓力。由于其實(shí)現(xiàn)機(jī)制的原因，CPRI接口只有利用造價(jià)高昂的光設(shè)備才能滿足相應(yīng)的性能要求，且維護(hù)難度大，不能很好地滿足5G時(shí)代前傳網(wǎng)絡(luò)的承載要求。

由愛立信、華為、NEC和諾基亞共同在CPRI的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型CPRI（eCPRI）更加適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)。相比于CPRI，eCPRI具有高帶寬、高擴(kuò)展性、低設(shè)備成本等優(yōu)勢，并且可以支持基于以太網(wǎng)的承載方式，為與TSN技術(shù)進(jìn)行集成提供了基礎(chǔ)。

2018年11月，IEEE和IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEEE-SA）發(fā)布了針對(duì)前傳時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.1CM-2018標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)解決了使用以太網(wǎng)將蜂窩無線電設(shè)備連接到遠(yuǎn)程控制器的問題，有望在5G小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及未來基于云的無線接入網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。

（4）運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)

2015年國際標(biāo)準(zhǔn)組織IETF成立了確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet）工作組，與負(fù)責(zé)第2層操作的IEEE802.1TSN工作組合作，為第2層和第3層定義通用架構(gòu)，致力于在第2層橋接段和第3層路由段上建立確定性數(shù)據(jù)傳輸路徑。這些路徑可以提供延遲、丟包和數(shù)據(jù)包延遲變化（抖動(dòng)）以及高可靠性的界限?？梢哉f，DetNet是廣義的TSN技術(shù)。目前IETFDetNet工作組已經(jīng)完成整體架構(gòu)、數(shù)據(jù)平面說明、數(shù)據(jù)流信息模型等的成果交付，為TSN技術(shù)應(yīng)用于以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）或多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）技術(shù)為基礎(chǔ)的運(yùn)營商廣域網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，IEEE802.1TSN任務(wù)組已經(jīng)啟動(dòng)P802.1DF研究項(xiàng)目，以定義TSN技術(shù)在運(yùn)營商服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用場景和技術(shù)需求。

（5）信息網(wǎng)絡(luò)

StarlingX是OpenStack基金會(huì)旗下的一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，它提供了一個(gè)完整的云堆棧，專門為在邊緣部署云而設(shè)計(jì)，包括遠(yuǎn)端或Lastmile，以及工廠的內(nèi)部云、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、多接入邊緣計(jì)算（MEC）和虛擬無線接入網(wǎng)絡(luò)（vRAN）等用例。StarlingX的開源同時(shí)響應(yīng)Linux基金會(huì)的Akraino項(xiàng)目。最新發(fā)布的StarlingX3.0版本引入了TSN，開始嘗試?yán)肨SN技術(shù)實(shí)現(xiàn)在云計(jì)算、邊緣計(jì)算等信息領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的確定性傳輸。

（6）5G網(wǎng)絡(luò)

第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）R16將5G端到端時(shí)延目標(biāo)定為1ms。就現(xiàn)有5G超可靠低延遲通信（URLLC）標(biāo)準(zhǔn)而言，R16主要用于實(shí)現(xiàn)無線終端與基站之間的傳輸，其技術(shù)思路與TSN并不相同。3GPPR1623.501已經(jīng)將TSN技術(shù)納入5G標(biāo)準(zhǔn)，用于滿足5G承載網(wǎng)的高可靠、確定性需求，并與URLLC形成確定性傳輸?shù)募夹g(shù)接力。5GURLLC技術(shù)主要關(guān)注在可靠性和時(shí)延方面的業(yè)務(wù)保證，而TSN技術(shù)則將在時(shí)延抖動(dòng)以及時(shí)間同步方面對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)。

3GPPR17提出TSN增強(qiáng)架構(gòu)。這種增強(qiáng)具體包括：實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)架構(gòu)的增強(qiáng)，使控制面設(shè)計(jì)支持TSN相關(guān)控制面功能;實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)確定性傳輸調(diào)度機(jī)制，而不依賴外部TSN網(wǎng)絡(luò);通過用戶面功能（UPF）增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)終端間的確定性傳輸;實(shí)現(xiàn)可靠性保障增強(qiáng)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議對(duì)接，并支持多時(shí)鐘源技術(shù)。

25G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及關(guān)鍵需求

2.15G網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

作為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G致力于與垂直行業(yè)協(xié)同實(shí)現(xiàn)萬物實(shí)時(shí)全連接。國際電聯(lián)無線電通信部門（ITU-R）定義的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、URLLC和海量機(jī)器類通信服務(wù)（mMTC）三大需求是實(shí)現(xiàn)這種協(xié)同的技術(shù)基礎(chǔ)。這主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面的徹底分離，與網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算技術(shù)的結(jié)合使得面向行業(yè)的可定制化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成為可能。這不僅可以實(shí)現(xiàn)垂直網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的快速上線和差異化服務(wù)質(zhì)量保證，還可以促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)向垂直行業(yè)應(yīng)用的開放發(fā)展。另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)因具有大帶寬（0～10Gbit/s）、低時(shí)延（1～100ms）和高可靠性（99.9999%）等能力，已經(jīng)獲得業(yè)界廣泛認(rèn)可，并被應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)通信、遠(yuǎn)程手術(shù)等新的垂直行業(yè)場景。

在5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程中，3GPPR15階段致力于滿足eMBB和URLLC敏感應(yīng)用需求。在這一階段，3GPP5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可用于制造專業(yè)5G設(shè)備和建設(shè)獨(dú)立全新的網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可滿足超高視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）直播等對(duì)移動(dòng)寬帶的要求。雖然3GPPR15標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)一步減少了傳輸延遲，并且提高了穩(wěn)定性，但是這些性能并不能滿足一些對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格的應(yīng)用需求。

3GPP于2018年6月發(fā)布的5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）標(biāo)準(zhǔn)明確定義了5G大帶寬、高可靠、低時(shí)延等特性的實(shí)現(xiàn)方式，使5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療等垂直行業(yè)應(yīng)用的核心屬性。3GPP正在制定的R16版本正式確定15個(gè)研究方向，明確將進(jìn)一步研究URLLC來滿足諸如工業(yè)制造、電力控制等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景需求，以及基于5G新空口的車用無線通信技術(shù)（V2X）場景需求。在3GPPR16的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)文稿23.501定義的5G關(guān)鍵應(yīng)用場景中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)對(duì)于業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延要求最為嚴(yán)格，如表2所示。

2.2TSN與5G融合部署需求

在以工業(yè)為代表的垂直行業(yè)業(yè)務(wù)中，安全可靠、確定性地傳輸數(shù)據(jù)是通信技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)選型提出了三大挑戰(zhàn)。

（1）端到端極致確定性業(yè)務(wù)體驗(yàn)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)場景下的應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過程周期可能低至毫秒級(jí)別。這種應(yīng)用系統(tǒng)不僅對(duì)可靠性有著極高的要求，還對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸有著十分嚴(yán)格的確定性要求。實(shí)現(xiàn)整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包括新空口（NR）RAN核心網(wǎng)在內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)的性能優(yōu)化和系統(tǒng)整體處理效率的提升，才可能實(shí)現(xiàn)端到端的極致高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)應(yīng)用。TSN技術(shù)在現(xiàn)有以太網(wǎng)QoS功能基礎(chǔ)上增加了時(shí)間片調(diào)度、搶占、流監(jiān)控及過濾等一系列流量調(diào)度特性，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流量的特點(diǎn)配合使用相關(guān)特性，可以確保流量的高質(zhì)量確定性傳輸。將TSN技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸進(jìn)行融合，可以更為有效地保證5G網(wǎng)絡(luò)的端到端的高可靠低時(shí)延傳輸。

未來信息系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互量將呈指數(shù)級(jí)增長。尤其是在部署了云平臺(tái)和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的情況下，工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)還將抵擋算力網(wǎng)絡(luò)的流量沖擊，對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有較高要求。這就要求新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)大負(fù)載和確定性的高質(zhì)量傳送。

（2）異構(gòu)系統(tǒng)的精密協(xié)作

5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以業(yè)務(wù)為中心全方位構(gòu)建信息生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的全面連接和精密協(xié)作。以智能工廠為例，生產(chǎn)設(shè)備、移動(dòng)機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）等智能系統(tǒng)內(nèi)部均存在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，并且各個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)通過不同的方式接入到5G網(wǎng)絡(luò)中。要實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備系統(tǒng)之間的密切協(xié)同和無碰撞作業(yè)，就需要業(yè)務(wù)系統(tǒng)彼此之間能夠做到互聯(lián)互通。

TSN+OPCUA的組合被認(rèn)為是解決異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通問題的最佳組合，它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)層面的互通。TSN技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議解決數(shù)據(jù)報(bào)文在數(shù)據(jù)鏈路層中的確定性傳輸問題;OPCUA則提供一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，以用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)端設(shè)備，解決數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)互操作的復(fù)雜性問題。

（3）全業(yè)務(wù)承載差異化的傳輸質(zhì)量保證

5G網(wǎng)絡(luò)全面使能垂直行業(yè)新業(yè)務(wù)模式。以智能工廠為例，工業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以通過音視頻實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)程感知，以及在線生產(chǎn)指導(dǎo)。遠(yuǎn)程控制可以用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互。在惡劣環(huán)境下使用機(jī)器人有助于實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。此外，大量的設(shè)備維護(hù)、原材料及產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息都需要通過傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、智能終端等方式上傳到云端。上述業(yè)務(wù)涉及的音視頻、控制信號(hào)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)采用不同的傳輸機(jī)制和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。雖然分片技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的差異化業(yè)務(wù)，但是目前的分片技術(shù)僅可以在空口和核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于承載網(wǎng)則沒有特定的技術(shù)方案。TSN基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的集中管理和按需調(diào)度，同時(shí)配合精確時(shí)間同步、流量調(diào)度等功能，可為不同類型的業(yè)務(wù)流量提供智能化、差異化的承載服務(wù)。將TSN技術(shù)與5G承載網(wǎng)融合部署，或許可以為5G端到端分片提供一種解決思路。

3TSN與5G融合部署演進(jìn)

從3GPPR16相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，端到端確定性傳輸是5G網(wǎng)絡(luò)能夠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸有極致要求的垂直領(lǐng)域落地應(yīng)用的關(guān)鍵。5G的確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是一個(gè)端到端的概念，它涉及業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、無線空口、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等多段網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)界需求及相關(guān)研究成果分析，我們認(rèn)為TSN與5G的融合部署大體可以分為拼接式融合、5G承載網(wǎng)融合和深度融合3個(gè)階段。

3.1拼接式融合

2018年6月3GPP發(fā)布的5GSA標(biāo)準(zhǔn)定義了5G大帶寬、高可靠、低時(shí)延等特性的具體實(shí)現(xiàn)方式，進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與TSN技術(shù)融合并提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的關(guān)鍵在于5G網(wǎng)絡(luò)與TSN網(wǎng)絡(luò)的互通，即把原有已經(jīng)具備TSN特性的業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)絡(luò)等）與5G系統(tǒng)進(jìn)行拼接，協(xié)同流量調(diào)度，通過分段實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性來提升端到端業(yè)務(wù)傳送質(zhì)量，如圖1所示。

在此類方案中，整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)被看成一個(gè)用戶設(shè)備（UE），TSN中的流量分類要與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型建立映射關(guān)系，同時(shí)TSN對(duì)于流量配置的相關(guān)標(biāo)記需要被保留。流量在經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸后剝離5G封裝，并且在進(jìn)入到協(xié)同業(yè)務(wù)系統(tǒng)后，仍然按照TSN流量調(diào)度類型進(jìn)行確定性傳輸。該方案的關(guān)鍵在于TSN網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣應(yīng)部署對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)。按照部署位置的不同，這種網(wǎng)關(guān)有兩種：部署于TSN網(wǎng)絡(luò)與蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)之間的UE側(cè)網(wǎng)關(guān)和部署于TSN與5G核心網(wǎng)之間的核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)關(guān)。TSN與5G融合部署網(wǎng)關(guān)在業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接口需要具備TSN的相關(guān)特性，并兼具將業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及包含TSN特性的以太包頭封裝進(jìn)5G傳輸包頭中的功能。在封裝過程中，網(wǎng)關(guān)還要將相關(guān)的業(yè)務(wù)流量標(biāo)識(shí)映射到5G網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)中。此外，UE側(cè)網(wǎng)關(guān)還需要具備有線網(wǎng)絡(luò)向無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的能力。

3.2承載網(wǎng)融合

除了5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)NR標(biāo)準(zhǔn)及新的核心網(wǎng)架構(gòu)以外，承載網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)也是一個(gè)重要研究方向。5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承載網(wǎng)絡(luò)通常采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量承載。在分布式網(wǎng)元（DU）和集中式網(wǎng)元（CU）合設(shè)的情況下，承載網(wǎng)絡(luò)通?？梢苑譃榍皞骱突貍鲀刹糠郑鐖D2所示。

自3G開始移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)通常采用包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)行基站到核心網(wǎng)之間的流量承載，例如無線接入網(wǎng)IP化（IPRAN）、分組傳送網(wǎng)（PTN），并借助MPLS轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)、調(diào)度和保護(hù)倒換。目前基本承載技術(shù)已相對(duì)穩(wěn)定成熟。5G時(shí)代的回傳網(wǎng)絡(luò)一方面結(jié)合SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)將驅(qū)動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)的智能化演進(jìn)，另一方面天然具備利用確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（MPLSOverTSN）實(shí)現(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、低抖動(dòng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪芰11-13]。

在4G時(shí)代，射頻單元與基帶單元分離的基站架構(gòu)催生了前傳網(wǎng)絡(luò)的概念。CPRI可作為前傳網(wǎng)絡(luò)主流接口。射頻單元與基帶單元的無線電單元通過光纖進(jìn)行直連，只需要將信號(hào)調(diào)制到有線物理載波上即可完成傳輸。為更好地滿足5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠、低時(shí)延傳輸要求，愛立信、華為、NEC和諾基亞在CPRI的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了更加適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)的eCPRI。eCPRI接口用戶面數(shù)據(jù)基于以太網(wǎng)進(jìn)行傳送。以太網(wǎng)具有帶寬大、擴(kuò)展性高、設(shè)備成本低等優(yōu)勢，可以更好地與光傳送網(wǎng)相匹配?？梢哉f以eCPRI為接口的5G前傳網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備了與TSN融合部署的技術(shù)前提。事實(shí)上，IEEE為此成立了兩個(gè)相關(guān)項(xiàng)目組：IEEE1914下一代前傳接口工作組和IEEE802.1CM前傳TSN工作組。

值得注意的是，當(dāng)CU與DU分離部署真正實(shí)現(xiàn)后，前傳的傳輸距離可能縮短，DU與CU之間的中傳網(wǎng)絡(luò)將很可能采用包傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，TSN與5G中傳網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也將是融合部署的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[14-16]。

TSN與5G承載網(wǎng)的融合，不僅存在利用TSN技術(shù)驅(qū)動(dòng)承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性傳輸?shù)男枨?，還具備從回傳到前傳再到中傳部署TSN技術(shù)的基本技術(shù)前提。TSN與5G承載網(wǎng)融合部署的實(shí)現(xiàn)，將推進(jìn)確定性傳輸方案從業(yè)務(wù)系統(tǒng)TSN網(wǎng)絡(luò)與5GURLLC的拼接模式向5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部承載網(wǎng)融合方向演進(jìn)。

3.3深度融合

在TSN與5G深度融合階段中，整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將升級(jí)為具備TSN特性的橋接系統(tǒng)，以承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)流量的遠(yuǎn)程確定性傳送。3GPPR1623.501已經(jīng)明確提出相關(guān)技術(shù)思路，如圖3所示。

在深度融合的架構(gòu)下，相對(duì)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)被視為黑盒TSN交換機(jī)，支持TSN集中式架構(gòu)和時(shí)間同步機(jī)制，并通過定義新的QoS模型（流方向、周期、突發(fā)到達(dá)時(shí)間）來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的流量調(diào)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)中UE到UPF之間多種確定性業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸。其中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有4個(gè)方面。

（1）TSN技術(shù)與空口傳輸?shù)娜诤希涸赨RLLC通信服務(wù)基礎(chǔ)上增加時(shí)間同步、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的有界性定義，將TSN技術(shù)思路應(yīng)用于無線空口。

（2）設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）：在UE側(cè)部署DS-TT對(duì)相關(guān)端口、協(xié)議數(shù)據(jù)單元和QoS機(jī)制進(jìn)行UE與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的映射，并支持TSN相關(guān)流量調(diào)度。

（3）網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）：NW-TT對(duì)相關(guān)端口、協(xié)議數(shù)據(jù)單元和QoS機(jī)制進(jìn)行核心網(wǎng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的映射，并支持TSN相關(guān)流量調(diào)度。

（4）TSN應(yīng)用功能（AF-TSN）：支持在同一UPF下的UE與UE之間確定性通信的能力開放。

在深度融合階段，TSN技術(shù)思路被進(jìn)一步應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。除了承載網(wǎng)以外，用戶面的空口和核心網(wǎng)融入了TSN的流量調(diào)度特性，同時(shí)控制面還結(jié)合了TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4結(jié)束語

在5G進(jìn)入規(guī)?；渴鹨院螅怨I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)為代表的垂直行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的確定性提出了更為嚴(yán)格要求。本文從TSN發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)

優(yōu)勢等方面分析了TSN適用的6種場景，并結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特點(diǎn)及相關(guān)行業(yè)對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的新需求，分析了TSN與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合部署的必要性，重點(diǎn)提出了TSN與5G融合部署的演進(jìn)思路和技術(shù)方案?？傮w而言，TSN與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的融合正處于探索階段，尚有許多技術(shù)細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究論證。但是可以預(yù)見，這種融合將成為5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向確定化演進(jìn)的重要技術(shù)方向。

參考文獻(xiàn)

[1]3GPP.Systemarchitectureforthe5GSystem（5GS）：3GPPTS23.501[S].2019

[2]3GPP.Policyandchargingcontrolframeworkforthe5GSystem（5GS）：3GPPTS23.503[S].2019

[3]3GPP.Servicerequirementsforthe5GSystem：3GPPTS22.261[S].2018

[4]Ericsson，Huawei，NEC，etal.Commonpublicradiointerface：eCPRIinterfacespecificationV2.0[EB/OL].（2019-05-10）[2020-01-15].http：//www.cpri.info/downloads/eCPRI_v_2.0_2019_05_10c.pdf

[5]IEEE.IEEEstandardforlocalandmetropolitanareanetworks—bridgesandbridgednetworks—amendment：IEEE802.1Q-2018[S].2018

[6]IEEE.Enhancementstofronthaulprofilestosupportnewfronthaulinterface，synchronization，andsyntonizationstandards：IEEEP802.1CMde[S].2019

[7]IEEE.TSNprofileforautomotivein-vehicleethernetcommunications：IEEEP802.1CDG[S].2019

[8]IEEE.TSNprofileforserviceprovidernetworks：IEEEP802.1CDF[S].2019

[9]IETF.IETFDeterministricNetworking（DetNet）workinggroup[EB/OL].[2020-01-03].https：//datatracker.ietf.org/wg/detnet/

[10]王衛(wèi)斌 ，朱進(jìn)國 ，王全 .5G核心網(wǎng)演進(jìn)需求及關(guān)鍵技術(shù)[J].中興通訊技術(shù) ，2020，26（1）：67-72.DOI：10.12142/ZTETJ.202001015

[11]黃韜 ，汪碩 ，黃玉棟 ，等 .確定性網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].通信學(xué)報(bào) ，2019，40（6）：160-176.DOI：10.11959/j.issn.1000-436x.2019119

[12]工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 .時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）產(chǎn)業(yè)白皮書（征求意見稿）[EB/OL].（2019-10-31）[2020-01-03].

http：//www.aii-alliance.org/index.php？m=content&c=index&a=show&-catid=23&id=800

[13]張蕾 ，夏旭 ，朱雪田 .基于5G確定化網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用 ，2019，45（12）：20-28

[14]ITU.FunctionalarchitectureforsupportingfixedmobileconvergenceinIMT-2020networks：ITU-TY.3131[S].2019

[15]趙福川 ，劉愛華 ，周華東 .5G確定性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和傳送技術(shù)[J].中興通訊技術(shù) ，2019，25（5）：62-67.DOI：10.12142/ZTETJ.201905010

[16]IMT-2020（5G）推進(jìn)組.5G愿景與需求[R].2014

作者簡介

朱瑾瑜，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部工程師;主要研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，從事技術(shù)研究及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制工作;參與工信部、科技部多個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的研究與建設(shè)。

張恒升，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部副主任;主要研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò);主持參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，參與工信部、科技部多個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的研究與建設(shè)。

陳潔，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部工程師;主要研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、園區(qū)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及工廠外網(wǎng)架構(gòu)等;參與工信部、科技部多個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的研究。