移動前傳與時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合趨勢

朱瑾瑜，郭文雙，高 騰

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G 作為下一代移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，除了將為消費互聯(lián)網(wǎng)帶來更好的業(yè)務(wù)體驗，還將為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等）提供技術(shù)支撐。相比消費互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸對于網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性、確定性有更嚴格的要求，這將對5G 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)實現(xiàn)提出新的挑戰(zhàn)。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加或者增強了時間同步，流量調(diào)度等能力，可以差異化對不同業(yè)務(wù)流量實現(xiàn)高質(zhì)量確定性傳輸。近年來，關(guān)于將5G與TSN 技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于垂直行業(yè)專網(wǎng)逐步成為業(yè)內(nèi)熱點，包括第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在內(nèi)的多個國際標(biāo)準(zhǔn)組織及各類研究機構(gòu)都正在進行相關(guān)技術(shù)研究。

概括來講，5G 與TSN 技術(shù)有兩個大的方向，一是3GPP R16 正式提出的，將5G 系統(tǒng)實體化為一個TSN 域內(nèi)部的網(wǎng)橋，來實現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模和范圍的擴展；二是利用TSN 技術(shù)提升承載網(wǎng)確定性，對5G 超可靠低時延傳輸（ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）進行增強。在第二類方向中，將TSN 技術(shù)應(yīng)用于移動前傳網(wǎng)絡(luò)被率先提出成為5G 與TSN 融合部署的主要場景，并逐步引起業(yè)內(nèi)關(guān)注。本文也將聚焦該TSN 應(yīng)用于5G 前傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸進行討論。

1 移動前傳網(wǎng)絡(luò)

1.1 發(fā)展趨勢

前傳網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢與基站架構(gòu)的演進是緊密關(guān)聯(lián)的，正是由于射頻模塊與基帶模塊的分離，才產(chǎn)生了前傳網(wǎng)絡(luò)的概念。圖1 展示了基站架構(gòu)演進趨勢。

圖1 基站架構(gòu)演進趨勢

2G 時代的基站是室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）和遠端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）一體化的，即將基帶處理、射頻處理、供電單元等全部集成在一起；但建設(shè)和擴容復(fù)雜，成本高，運維也很麻煩。進入3G 時代，基站最大的變化是實現(xiàn)了BBU 和RRU 分離，BBU 和RRU 之間通過光纖連接，提升了網(wǎng)絡(luò)擴容升級的靈活性，還避免了傳統(tǒng)饋線遠距離傳輸帶來的高損耗，至此前傳網(wǎng)絡(luò)開始出現(xiàn)。4G 時代的基站最大的特點是一套設(shè)備融合了2G、3G 和4G 多種標(biāo)準(zhǔn)制式，并開始應(yīng)用了軟件定義無線電技術(shù)，進一步降低了基站的復(fù)雜性和建設(shè)成本，是移動基站的又一次重大變革。

進入5G 時代業(yè)務(wù)多樣化趨勢加劇，為了更為有效地支持超大帶寬、低時延高可靠、高密度接入等需求，降低基站RRU 與BBU 之間的接口壓力，實現(xiàn)靈活高效的處理能力，驅(qū)動5G 基站進一步重構(gòu)為中央單元（Central Unit，CU）、分布式單元（Distributed Unit，DU）和有源天線處理單元/遠端射頻單元（Active Antenna Unit/Remote Radio Unit，AAU/RRU）3 個邏輯單元。RRU/AAU 與DU之間的網(wǎng)絡(luò)稱為前傳，CU 和DU 之間稱為中傳，而CU 到核心網(wǎng)之間稱為回傳[1]。這樣的構(gòu)架設(shè)計可減少前傳帶寬，滿足低時延需求的同時，適應(yīng)移動承載網(wǎng)絡(luò)和無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）的虛擬化演進。

CU-DU 的分離使得5G 時代承載網(wǎng)的部署方式更加靈活多樣。分布式無線接入網(wǎng)（Distributed Radio Access Network，D-RAN），BBU 集中的集中式無線接入網(wǎng)（Central Radio Access Network，C-RAN），CU 云化的Cloud RAN，以及虛擬化的RAN 也使得承載網(wǎng)組網(wǎng)更加靈活[2]。AAU 與DU 接口也同步發(fā)生變化以適應(yīng)新業(yè)務(wù)帶來的多點互聯(lián)組網(wǎng)及接入帶寬壓力，新的RAN 部署方式已是必然的發(fā)展趨勢[3]。

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

移動通信網(wǎng)絡(luò)由RAN 及核心網(wǎng)組成，無線接入網(wǎng)絡(luò)又可以分為空口部分及有線承載網(wǎng)部分，空口連接用戶終端和基站，承載網(wǎng)連接基站與核心網(wǎng)。5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

移動前傳網(wǎng)絡(luò)是指基帶單元和無線單元間的網(wǎng)絡(luò)。4G 時期及5G 建設(shè)初期，前傳網(wǎng)絡(luò)的部署主要以光纖直驅(qū)和無源波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexer，WDM）方式為主。隨著5G時代以C-RAN的建站方式成為主流，對前傳網(wǎng)絡(luò)在靈活組網(wǎng)能力、低時延高可靠提出了更高要求，典型的可選前傳方案包括光纖直驅(qū)（單纖單向、單纖雙向）、WDM（無源、有源、半有源）、微波、以太組網(wǎng)等方式。表1 匯總了各類典型的部署方案在組網(wǎng)形態(tài)、纖芯資源、接口類型、可靠性和傳輸距離方面的區(qū)別。

表1 5G 前傳網(wǎng)絡(luò)部署方案

如圖3 所 示，3GPP 定義了AAU-DU 底 層分離（Low Layer Spilt，LLS）不同方式的協(xié)議棧功能劃分，與前傳接口有關(guān)的劃分選項包括Option 6、Option 7 和Option 8。其中的Option 7 是物理層內(nèi)切分，又可細分為Option 7-1、Option 7-2 和Option 7-3等。不同的物理層切分方式對前傳接口帶寬有不同的要求，物理層切分越靠近媒體介入控制層（Media Access Control，MAC）層對前傳接口帶寬的要求越低，物理層越靠近RU 對前傳接口帶寬的要求越高。

圖3 AAU-DU 底層分離的切分選擇

由于5G 業(yè)務(wù)所需頻譜帶寬顯著增加且基站功能架構(gòu)重新劃分處理功能重新分割等因素，前傳典型接口由4G 基站基帶處理單元BBU 和遠端射頻單元RRU 之間的10 Gb/s 速率通用公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）向25 Gb/s的演進型CPRI（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）接口演進，如圖4 所示。CPRI協(xié)議基于Option 8 方式劃分，物理層功能全部位于DU，前傳接口帶寬要求高；eCPRI 協(xié)議中在物理層內(nèi)部進行劃分（Option7-2），物理層非實時部分（Physical Layer High，PHY-high）和物理層實時部分（Physical Layer Low，PHY-low）分別位于DU 和AAU，從而降低了前傳接口。該技術(shù)逐步成為主流技術(shù)[4]。

圖4 CPRI 和eCPRI 切分方式的演進趨勢

2 TSN 技術(shù)

2.1 技術(shù)體系

TSN 技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)主要由IEEE802.1 TSN 工作組研究制定，對時鐘同步、流量調(diào)度及管理架構(gòu)三方面技術(shù)進行了標(biāo)準(zhǔn)化，如圖5 所示。

圖5 TSN 的三大特性及配套的各項標(biāo)準(zhǔn)

如圖6 中的時間軸顯示，2006 年，IEEE802.1工作組成立音頻視頻橋接（Audio Video Bridging，AVB）任務(wù)組。2012 年該組在將時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍進行擴展，覆蓋音頻視頻以外的更多領(lǐng)域（包括工業(yè)、汽車、制造、運輸和過程控制，以及航空航天、移動通信網(wǎng)絡(luò)等），并重組成為IEEE802.1 TSN 工作組[5]。2015 年，交互工作組（Interworking Test Group）與TSN Test Group合并成為新的TSN 任務(wù)組。2017 年起，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）SC65C/ MT9 與IEEE802 成立60802 工作組，開始制定《用于工業(yè)自動化的TSN（TSN IA）行規(guī)》國際標(biāo)準(zhǔn)。近年來，學(xué)術(shù)界針對TSN 技術(shù)在垂直行業(yè)的應(yīng)用開展了研究和標(biāo)準(zhǔn)的研制進一步推進，包括已于2018 年發(fā)布的TSN 應(yīng)用于移動前傳網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.1CM 標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 TSN 標(biāo)準(zhǔn)工作的時間軸

2.2 TSN 與移動承載

如1.2 節(jié)中分析所示，將蜂窩基站分解成不同的功能塊（如基帶處理和射頻塊），這種模式始于4G 中后期并在5G 時代成為主流架構(gòu)，移動運營商也在不斷尋找有助于簡化網(wǎng)絡(luò)和降低成本的新的前傳承載解決方案。在此背景下，利用以太網(wǎng)解決組網(wǎng)靈活性問題，并利用TSN 技術(shù)解決傳輸確定性作用的解決方案，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的研究方向。以基于以太網(wǎng)并支持eCPRI 和CPRI 兼容的前傳部署標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1CM 為代表的5G 前傳+TSN 融合部署，為AAU 和DU 之間提供了網(wǎng)橋連接方式，并根據(jù)CPRI規(guī)范和eCPRI 規(guī)范分別定義了1 類和2 類前傳；此外對兩類前傳流量的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Survice，QoS）需求進行了分析，對相關(guān)流量進行分類和優(yōu)先級制定，以保證包括端到端時延、丟包率、抖動要求及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的同步等指標(biāo)在內(nèi)的要求。

由于5G 前傳網(wǎng)絡(luò)以eCPRI 接口為主，這里本文僅對eCPRI 對應(yīng)的情況加以說明。前傳網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量類型可歸為用戶數(shù)據(jù)面、控制管理數(shù)據(jù)面（Control and Management，C&M）及時鐘同步報文三大類[6]。eCPRI 協(xié)議實際上是為用戶面數(shù)據(jù)服務(wù)的，可以直接基于層二的以太或?qū)尤木W(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（Internet Protocol/User Datagram Protocol，IP/UDP）?？刂坪凸芾砻鏀?shù)據(jù)一般采用通用的傳輸管理層協(xié)議，例如基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）的基于可擴展標(biāo)記語言的網(wǎng)絡(luò)配置/數(shù)據(jù)建模語言Network Configuration Protocol/YANG，NETCONF/YANG）協(xié)議等。而對于同步面，也是采用現(xiàn)存的同步面協(xié)議，例如同步以太網(wǎng)（Synchronous Ethernet，SyncE）、精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）等。如圖7 所示，eCPRI 協(xié)議優(yōu)先支持基于層二的以太協(xié)議棧，三類數(shù)據(jù)都可以通過標(biāo)準(zhǔn)以太幀進行傳輸，并利用QoS 及TSN 技術(shù)實現(xiàn)對高優(yōu)先流量的確定性保障。

圖7 5G 前傳+TSN 融合架構(gòu)

結(jié)合TSN 技術(shù)的前傳網(wǎng)絡(luò)方案在實際部署過程中，目前可以遵循IEEE802.1CM 及IEEE 1914.3 RoE 標(biāo)準(zhǔn)，上聯(lián)支持粗波分復(fù)用/密集波分復(fù)用（Coarse Wavelength Division Multiplexer/Dense Wavelength Division Multiplexer，CWDM/DWDM）彩光口[7]。此外O-RAN 的WG4 工作組目前也針對TSN 在前傳網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用方案開展深入研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時鐘同步

時間同步是基站之間業(yè)務(wù)協(xié)同的基礎(chǔ)，也是TSN 實現(xiàn)精準(zhǔn)流量調(diào)度的前提。因此，在TSN 應(yīng)用于5G 前傳網(wǎng)絡(luò)中時，首先對二者的時間同步方案進行協(xié)同整合，如圖8 所示。

圖8 5G 前傳+TSN 架構(gòu)時鐘信號同步

基站之間的時間同步技術(shù)主要采用絕對時鐘和時鐘傳遞技術(shù)兩大類，2G～4G 階段主要以絕對時鐘實現(xiàn)，以全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）及建筑內(nèi)綜合定時供給設(shè)備（Building Integrated Timing Supply，BITS）為代表，但其存在失效率高、可維護性及安全性差的問題。以1588v2技術(shù)為代表的時鐘傳遞技術(shù)逐步發(fā)展起來，但是由于需要逐跳支持、雙向光纖等長等部署限制，也未在4G 時代大規(guī)模應(yīng)用起來。

由于5G 新空口（New Radio，NR）基本業(yè)務(wù)普遍采用時分雙工（Time Division Duplex，TDD）制式，即同頻點分時區(qū)分不同時隙報文收發(fā)，若基站之間時間不同步，則嚴重影響業(yè)務(wù)的移動性。而TSN 由于需要對流量按照時隙進行精準(zhǔn)調(diào)度，網(wǎng)元之間也需要精準(zhǔn)的時間同步。因此，在考慮TSN 與移動承載網(wǎng)絡(luò)融合部署的時候要首先考慮時間同步的協(xié)同。

前傳網(wǎng)絡(luò)以射頻單元AAU 及基帶單元DU 為邊緣節(jié)點，由于TSN 本身就要支持逐跳的高精度時間同步（推薦通過IEEE802.1AS），因此可以考慮利用TSN 系統(tǒng)為5G 系統(tǒng)提供時鐘同步傳遞能力。具體而言，可以一個TSN 域作為時鐘域，利用DU直連BITS 或者承接上游1588v2 時鐘信號（取決于上游網(wǎng)絡(luò)是否支持PTP），并利用TSN 網(wǎng)絡(luò)逐跳向下傳遞同步時鐘信號，從而實現(xiàn)高精度的時間同步[8]。

3.2 流量調(diào)度

相對于傳統(tǒng)前傳網(wǎng)絡(luò)的點對點連接，基于包轉(zhuǎn)發(fā)的前傳網(wǎng)絡(luò)可以提供多點對多點連接，同時前傳網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r和丟包率有嚴格要求，AAU 到DU 之間的IQ 數(shù)據(jù)端到端單向時延不能高于100 μs，丟包率應(yīng)低于10-7；C&M 丟包率應(yīng)低于10-6。在基于橋接技術(shù)的前傳網(wǎng)絡(luò)中，可將不同種類流量規(guī)劃到不同虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）中或者相同VLAN的不同優(yōu)先級中，來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的差異化質(zhì)量保證[9]。在橋接網(wǎng)絡(luò)的承載方式下可以通過引入TSN 的搶占（preemtion）及幀復(fù)制（Frame Replication,，F(xiàn)R）來實現(xiàn)高優(yōu)先級流量的時延和丟包。

圖9 為幀搶占機制。幀搶占是指在恢復(fù)可搶占幀的傳輸之前暫?？蓳屨紟膫鬏?，允許傳輸一個或多個快速幀。將數(shù)據(jù)流按照其實時性要求標(biāo)記為快速流量和可搶占流量，高優(yōu)先級實時流量可以打斷正在傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級流量，而低優(yōu)先級流量則分片，待實時流量傳輸完成后進行重組。這樣既保證了高優(yōu)先隊列的實時性傳輸，也兼顧了低優(yōu)先隊列數(shù)據(jù)的有效傳輸。

圖9 幀搶占機制

如圖10 所示，幀復(fù)制是通過對發(fā)送終端系統(tǒng)和/或網(wǎng)絡(luò)中的中繼系統(tǒng)中的每個包進行序列的編號與復(fù)制，并消除目的終端系統(tǒng)和/或其他中繼系統(tǒng)中的這些復(fù)制，達成在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生局部故障時仍實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)，從而為流提供了更高的可靠性，即降低了包的丟失率[10]。

圖10 幀復(fù)制機制

4 結(jié)語

本文從移動前傳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作為切入點，系統(tǒng)闡述了其演進線路和技術(shù)體系，指出前傳網(wǎng)絡(luò)以太化已經(jīng)成為一種重要技術(shù)趨勢。并在此基礎(chǔ)上進一步分析論證，TSN 技術(shù)應(yīng)用于前傳網(wǎng)絡(luò)的必要性及可行性，繼而對融合部署需要關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)進行了說明。

隨著5G 在千行百業(yè)的廣泛應(yīng)用，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)為代表的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸成為5G 應(yīng)用的藍海市場。相較于消費互聯(lián)網(wǎng)，終端之間交互需求增長，需要更為靈活開放的架構(gòu)，并且需要滿足低時延高可靠的性能要求；因此確定性前傳網(wǎng)絡(luò)也將越來越受到關(guān)注。TSN 與靈活以太網(wǎng)（Flex Ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)Software Defined Network，SDN）技術(shù)在前傳網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用將為前傳網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)新場景下的新需求提供有力支撐。