基于無線信道信息的5G 與TSN 聯(lián)合調(diào)度機制研究

孫雷，王健全，林尚靜，馬彰超，李衛(wèi)，Qilian Liang，黃蓉

（1.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083；2.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876；3.北京科技大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，北京 100083；4.美國得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校電子工程系，得克薩斯 76019；5.中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

1 引言

5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同與融合成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究熱點[1-3]。因具備低時延、高可靠連接能力，5G賦能行業(yè)應(yīng)用成為通信和產(chǎn)業(yè)界共同的需求。然而，工業(yè)業(yè)務(wù)對承載網(wǎng)絡(luò)性能要求極為嚴(yán)格，不僅需要承載網(wǎng)絡(luò)具備低時延、低抖動和高可靠性能，還應(yīng)具備確定性時延保障的能力，對于工業(yè)控制系統(tǒng)而言，確定性時延是其系統(tǒng)安全可控的基礎(chǔ)[4]。因此，如何提升5G 系統(tǒng)的確定性時延保障能力，成為5G 深度賦能工業(yè)核心環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)問題[5-6]。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,time-sensitive networking）是由IEEE 802.1工作組在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上針對時間同步、資源管理、流量整形、網(wǎng)絡(luò)配置等技術(shù)進行層二增強而形成的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[7-9]。在技術(shù)層面，TSN 在實現(xiàn)各節(jié)點間高精度時間同步的基礎(chǔ)上，不僅能保證具有強實時需求的時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流端到端傳輸時延和抖動的有界性，還能實現(xiàn)非實時類業(yè)務(wù)及盡力而為型業(yè)務(wù)的“一網(wǎng)傳輸”。在組網(wǎng)層面，TSN 因兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)與異構(gòu)工業(yè)現(xiàn)場通信協(xié)議的協(xié)同，前向兼容異構(gòu)現(xiàn)場通信協(xié)議。然而，由于大量傳感器在設(shè)備、車間及工廠中的部署，以及機器臂、移動機器人等智能化終端在生產(chǎn)線上的廣泛使用，有線TSN 難以滿足智能工廠終端接入及數(shù)據(jù)傳輸需求，5G 與TSN的融合協(xié)同不僅是5G 向工業(yè)領(lǐng)域延展的需求，更是智能工廠內(nèi)生需求的驅(qū)動[10-11]。

2020 年7 月發(fā)布的3GPP R16 提出了5G TSN橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將5G 系統(tǒng)整體視為一個邏輯的TSN 網(wǎng)橋，分別在5G 系統(tǒng)的核心網(wǎng)側(cè)和終端側(cè)增加了支持TSN 時間同步和門控功能的實體，提供跨5G 與TSN 的端到端確定性傳輸保障，以更好地實現(xiàn)5G 對工業(yè)控制業(yè)務(wù)的承載[12]。

當(dāng)前，針對5G 與TSN 協(xié)同傳輸?shù)难芯坎艅偲鸩剑芯扛嗑劢褂诰W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、功能實體與網(wǎng)絡(luò)接口層面[13-15]，針對5G 與TSN 聯(lián)合調(diào)度算法、協(xié)同傳輸機制層面的研究則相對缺乏。因此，在3GPP 提出的5G-TSN 橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，本文針對時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流的跨域聯(lián)合調(diào)度方面做了初步的研究探索，主要工作如下。

1) 基于3GPP R16 提出的5G TSN 橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征及新增網(wǎng)元功能，分析5G 支持IEEE 802.1Qbv 門控的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，闡述5G-TSN 協(xié)同架構(gòu)下的數(shù)據(jù)端到端傳輸流程。

2) 針對無線信道時變對5G-TSN 數(shù)據(jù)跨網(wǎng)傳輸帶來的時延抖動影響，分析5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算對端到端數(shù)據(jù)確定性傳輸?shù)闹匾裕瑢?G系統(tǒng)傳輸時延分為與信道相關(guān)和與信道無關(guān)的時延，對信道相關(guān)時延的影響因素進行建模。

3) 針對5G 與TSN 跨域協(xié)同傳輸需求，提出了一種基于無線信道質(zhì)量信息的5G-TSN 聯(lián)合優(yōu)化機制，主要包含兩方面：一方面，提出了TSN域中基于5G 信道質(zhì)量信息的業(yè)務(wù)流兩層處理架構(gòu)，提升承載于較差信道質(zhì)量無線資源上的工業(yè)業(yè)務(wù)流優(yōu)先級，結(jié)合業(yè)務(wù)優(yōu)先級、無線信道質(zhì)量信息對不同工業(yè)業(yè)務(wù)流的TSN 域傳輸時延進行建模分析；另一方面，提出了基于重傳因子的工業(yè)業(yè)務(wù)流5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算動態(tài)調(diào)節(jié)機制，分析不同信道質(zhì)量下丟包率要求、無線資源數(shù)量與最大重傳次數(shù)的關(guān)系，為承載于不同5G 空口資源的時間觸發(fā)業(yè)務(wù)設(shè)置不同重傳因子，消除數(shù)據(jù)包在5G 系統(tǒng)傳輸帶來的時間抖動，從而為時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流提供確定性端到端時延保障。

2 研究現(xiàn)狀與問題分析

2.1 5G-TSN 橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP R16 定義的5G TSN 網(wǎng)橋架構(gòu)如圖1 所示，其在5G 核心網(wǎng)用戶面和控制面增加了新的功能實體，實現(xiàn)跨域業(yè)務(wù)參數(shù)交互（時間信息、優(yōu)先級信息、包大小及間隔、流方向等）、端口及隊列管理、QoS 映射等功能，支持跨5G 與TSN 的時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流端到端確定性傳輸[16]。

圖1 3GPP R16 定義的5G TSN 網(wǎng)橋架構(gòu)

在控制面，5G TSN 新增了TSN 應(yīng)用功能實體（TSN-AF,TSN-application function），主要完成三方面的功能：首先，與TSN 域中集中網(wǎng)絡(luò)配置（CNC,centralized network configuration）實體的交互，實現(xiàn)TSN 流傳遞方向、流周期、傳輸時延預(yù)算、業(yè)務(wù)優(yōu)先級等參數(shù)與5G 的交互與傳遞；其次，與5G核心網(wǎng)中策略控制功能（PCF,policy &control function）、會話管理功能（SMF,session management function）等實體的交互，實現(xiàn)TSN 業(yè)務(wù)流關(guān)鍵參數(shù)在5G 時鐘下的修正與傳遞，并結(jié)合TSN 業(yè)務(wù)流優(yōu)先級配置相應(yīng)的5G 服務(wù)質(zhì)量（QoS,quality of service）模板，實現(xiàn)5G內(nèi)的QoS保障；最后，TSN-AF將與用戶面功能（UPF,user plane function）網(wǎng)關(guān)及終端側(cè)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)交互，實現(xiàn)5G TSN 網(wǎng)橋端口配置及管理功能。

在用戶面，為避免TSN 協(xié)議對5G 新空口造成過多影響，5G 系統(tǒng)邊界增加了協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)：在UPF 中新增網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（NW-TT,network TSN translator），在5G 終端側(cè)增加了設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT,device side TSN translator）。NW-TT和DS-TT 支持IEEE802.1AS、802.1AB 及802.1Qbv等TSN 的核心基礎(chǔ)技術(shù)協(xié)議。UPF 增加了對5G 域和TSN 域時鐘信息交互及監(jiān)控功能，實現(xiàn)跨域的時鐘信息同步；在此基礎(chǔ)上，UPF 需實現(xiàn)基于精準(zhǔn)時間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機制，提供橋接的二層服務(wù)，實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)包處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

IEEE802.1Qcc 集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的5G 邏輯網(wǎng)橋如圖2 所示。從系統(tǒng)整體角度，5G 網(wǎng)絡(luò)被視為一個邏輯的TSN 網(wǎng)橋，由DS-TT 和NW-TT 提供基于精準(zhǔn)時間的TSN 數(shù)據(jù)流駐留和轉(zhuǎn)發(fā)機制。

圖2 IEEE802.1Qcc 集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的5G 邏輯網(wǎng)橋

2.2 5G-TSN 端到端數(shù)據(jù)確定性傳輸流程

IEEE802.1Qbv 提出了時間感知整形器（TAS,time aware shaping），基于業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級代碼（PCP,priority code point）將數(shù)據(jù)包映射到不同的出口隊列，通過預(yù)先設(shè)定的周期性門控列表（GCL,gate control list）對出口隊列開/關(guān)進行控制，避免低優(yōu)先級業(yè)務(wù)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的干擾，為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸提供確定性保障[17]。TAS 是為了更低時間粒度、更嚴(yán)苛工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的調(diào)度機制，被工業(yè)自動化領(lǐng)域所采納[18]，也是5G 系統(tǒng)中NW-TT與DS-TT 必須支持的關(guān)鍵核心協(xié)議。

5G-TSN 協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3 所示。ES1和ES2是可編程邏輯控制器（PLC,programmable logic controller），周期性產(chǎn)生控制指令，并將指令經(jīng)由5G-TSN 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給位于遠(yuǎn)端的執(zhí)行器ES3。ES1 和ES2 將業(yè)務(wù)流信息（周期、包長度等）上報給集中化用戶配置（CUC,centralized user configuration），CUC 將業(yè)務(wù)信息傳遞給CNC 進行路徑規(guī)劃與資源調(diào)度，并對傳輸鏈路中TSN 交換機（TSN SW,TSN switch）和5G 系統(tǒng)中DS-TT 的出口隊列門控列表進行配置。

圖3 5G-TSN 協(xié)同數(shù)據(jù)傳輸流程

如圖3 中TSN SW 和DS-TT 下方列表所示，在t1時刻，TSN 交換機出口隊列的門控列表設(shè)置為10000000，其中，1 代表相應(yīng)隊列的控制門為開，數(shù)據(jù)可以發(fā)送，而其他隊列中的數(shù)據(jù)將繼續(xù)等待；在t3時刻（t3＞t1），DS-TT 出口隊列門控列表設(shè)置為10000000，經(jīng)由UPF 和5G 空口發(fā)送到DS-TT的ES1業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包將發(fā)送到ES3，則該ES1數(shù)據(jù)包到達(dá)ES3的時刻為

其中，l1為ES1發(fā)送業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包長度。在包長度及網(wǎng)絡(luò)速率一定的情況下，由于DS-TT 側(cè)設(shè)置的發(fā)送時間t3是確定的，因此也是一個確定值。由于門控列表是周期性設(shè)置，假設(shè)門控列表周期為則 ES1業(yè)務(wù)流到達(dá) ES3的時間為從而保證時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流傳輸時延的確定性。

2.3 空口不確定性對端到端數(shù)據(jù)傳輸影響分析

5G-TSN 協(xié)同面臨的最大挑戰(zhàn)在于5G 空口時變特性對確定性數(shù)據(jù)傳輸造成的不可控影響[19]。圖4 和圖5 分析了5G 空口變化帶來的影響。

空口變化造成數(shù)據(jù)包順序紊亂如圖4 所示。數(shù)據(jù)包1～數(shù)據(jù)包3 為具有同等優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，然而，在5G 空口傳輸部分，由于數(shù)據(jù)包1 被分配的無線資源信道狀況較差，出現(xiàn)了丟包，需要對該數(shù)據(jù)包進行重傳，這將導(dǎo)致在接收端出現(xiàn)數(shù)據(jù)包順序的紊亂，出現(xiàn)時延抖動。

圖4 空口變化造成數(shù)據(jù)包順序紊亂

空口變化造成數(shù)據(jù)包丟失如圖5 所示，數(shù)據(jù)包A 和數(shù)據(jù)包B 是不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流，將被映射到不同的出口隊列中。然而，數(shù)據(jù)包B 在空口傳輸時出現(xiàn)信道狀況極差的情景，出現(xiàn)多次重傳，最終導(dǎo)致超時發(fā)生丟包，造成接收端收到數(shù)據(jù)的不完整。

圖5 空口變化造成數(shù)據(jù)包丟失

2.4 5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算

在5G TSN 網(wǎng)橋架構(gòu)中，3GPP 僅定義了在兩側(cè)的邊緣網(wǎng)關(guān)NW-TT 及DS-TT 支持TSN 協(xié)議。為了降低有效的空口變化對數(shù)據(jù)傳輸造成的時延抖動，本文定義了工業(yè)業(yè)務(wù)流的5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算，即時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包進入 5G 入口（NW-TT/DS-TT）與離開5G 出口（DS-TT/NW-TT）之間的時間差。5G-TSN 協(xié)同架構(gòu)下端到端數(shù)據(jù)傳輸如圖6 所示。

圖6 5G-TSN 協(xié)同架構(gòu)下端到端數(shù)據(jù)傳輸

以ES1發(fā)送的時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流為例，數(shù)據(jù)包從DS-TT 的發(fā)送時刻t3由5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算決定，即

因此，5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算對于消除5G 系統(tǒng)的不確定性，保障5G-TSN 端到端數(shù)據(jù)確定性傳輸性能具有十分重要的作用。

3 5G-TSN 聯(lián)合時間調(diào)度機制

3.1 系統(tǒng)模型與問題分析

5G-TSN協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7 所示，主要由TSN域交換機、5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元、5G 基站、移動終端及支持TSN 的終端站點構(gòu)成。設(shè)V為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點的集合，其中，swi是TSN 中的交換機節(jié)點，分別為發(fā)送和接收終端節(jié)點的集合；esi為TSN 終端節(jié)點，，假設(shè)所有的TSN 終端節(jié)點均支持接入5G 網(wǎng)絡(luò)和TSN。

圖7 5G-TSN 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，ess和esd為該業(yè)務(wù)流的源節(jié)點和目的節(jié)點；Ti為數(shù)據(jù)包發(fā)送周期，對于非周期業(yè)務(wù)而言，該值為空，并假設(shè)周期性業(yè)務(wù)流在一個周期內(nèi)僅產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包；Di為該業(yè)務(wù)流的時延要求，對于時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流而言，D i=Ti；li為該業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包大小（單位為B）；pi為該業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級，時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流優(yōu)先級高于其他非實時類業(yè)務(wù)優(yōu)先級。對于2 個時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流fi和fj，若Ti＜Tj，則pi＞pj。本文重點針對具有周期及時間觸發(fā)特征的工業(yè)業(yè)務(wù)流的聯(lián)合時間調(diào)度機制開展研究。其端到端時延及業(yè)務(wù)QoS 要求可表示為

其中，為TSN 域時間，包含處理時延和排隊時延；為5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算；Nhop為該業(yè)務(wù)流經(jīng)過的TSN 交換機節(jié)點的跳數(shù)，5G 被看作一個邏輯網(wǎng)橋設(shè)備；為有線鏈路傳輸時延，RTSN為以太網(wǎng)的傳輸速率；為保障時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流的QoS 要求。

基于式(4)分析，由于業(yè)務(wù)流及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒁阎矣芯€鏈路傳輸時延是固定的，因此，可將式(4)業(yè)務(wù)的QoS 要求進一步改寫為

3.2 基于5G 信道信息的TSN 域隊列管理

在5G 系統(tǒng)中，移動終端會周期測量無線信道質(zhì)量，并上報信道質(zhì)量指示（CQI,channel quality information），以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度和鏈路自適應(yīng)適配。在5G-TSN 協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)中，由于不同業(yè)務(wù)流在5G中所分配的無線資源不同，無線信道狀況也存在差異，因此需要對TSN 域中業(yè)務(wù)流處理機制進行改進?；?G 信道信息的TSN 隊列管控架構(gòu)如圖8所示。TSN 交換機中提出了基于無線信道信息的優(yōu)先級隊列兩層管控架構(gòu)：第一層為業(yè)務(wù)流優(yōu)先級映射，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級將工業(yè)業(yè)務(wù)進行分類；第二層為同一優(yōu)先級下基于5G 信道信息的隊列選擇，優(yōu)先選擇承載于較差信道質(zhì)量無線資源上的工業(yè)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包進行處理。

圖8 基于5G 信道信息的TSN 隊列管控架構(gòu)

假設(shè)當(dāng)前業(yè)務(wù)流為fi，當(dāng)前周期內(nèi)業(yè)務(wù)優(yōu)先級比fi高的業(yè)務(wù)流數(shù)目為Nm；而在與fi同等優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流中，CQI 比fi低的業(yè)務(wù)流數(shù)目為Ns。由于TSN SW 與NW-TT 間僅有一條鏈路，當(dāng)前包需要等待前一個數(shù)據(jù)包完全發(fā)送后才能發(fā)送，由此，可表示為

由式(6)可以看出，業(yè)務(wù)流優(yōu)先級越高，其在TSN 域時間就越短，無線信道質(zhì)量越差，在TSN域中將會越先得到處理，即

3.3 基于信道信息的5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算設(shè)置

根據(jù)5G 系統(tǒng)構(gòu)成，針對?f i∈F，可以將5G系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算分為兩部分，即

其中，γ i為該業(yè)務(wù)流的信干噪比；τ(γi)為空口信道相關(guān)的時延，包括基站因調(diào)度發(fā)生的排隊時延、發(fā)送時延及因重傳造成的重傳時延，這些因素均與信道質(zhì)量相關(guān)；φ i為空口傳輸無關(guān)的時延，包括核心網(wǎng)、基站、終端處理時延和核心網(wǎng)傳輸時延，這些時延與設(shè)備軟硬件結(jié)構(gòu)、傳輸網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)包大小等因素相關(guān)，而不受無線信道質(zhì)量的影響。

存在最大不確定性的τ(γi)可進一步分解為

其中，d表示終端設(shè)備與5G 基站之間的距離，且δ=35 m 是最小距離約束。小尺度衰落hf服從均值為0、方差為的瑞利分布。在uRLLC 中，小尺度衰落的相關(guān)時間大于上行鏈路的幀周期，所以本文需考慮快衰落對信道造成的影響。uRLLC 中鏈路的容量可以表示為

其中，ni(ni≤Nmax)為分配給業(yè)務(wù)流fi的資源塊（RB,resource block）數(shù)目，Nmax為系統(tǒng)最大RB 數(shù)目，BRB為資源塊頻帶寬度，Ptx為發(fā)射功率，N0為單邊噪聲譜密度。ni的取值由業(yè)務(wù)流fi的數(shù)據(jù)包大小li及傳輸塊（TBS,transfer block size）決定，即ni=li/TBSi。

TBS 與調(diào)制編碼方式（MCS,modulation and coding scheme）等級有關(guān)，而MCS 等級又進一步由業(yè)務(wù)流信道質(zhì)量決定。具體而言，首先，將承載業(yè)務(wù)流fi的無線資源的信道狀況γi采用非線性映射CQIi=f（γi）；然后，查詢MCS 和CQI 的映射表，得到業(yè)務(wù)流fi數(shù)據(jù)包所采用的調(diào)制編碼等級MCSi；最后，根據(jù)TBS 與MCS 的映射表，得到當(dāng)前MCS 等級下單位資源塊能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量TBSi。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?G 系統(tǒng)采用了混合自動重傳請求（HARQ,hybrid automatic repeat request）。然而，重傳需等待通信對端的ACK/NACK消息，并遵循5G HARQ 的調(diào)度時序，因此，在式(9)中，將數(shù)據(jù)包每一次重傳時延定義為dretx?？紤]到在5G uRLLC 空口采用半持續(xù)調(diào)度（SPS,semi-persistent schedule）方式承載業(yè)務(wù)流fi，業(yè)務(wù)流fi的重傳將和初次傳輸使用相同的資源及MCS等級。

Ki定義業(yè)務(wù)流fi在5G 系統(tǒng)中的最大傳輸次數(shù)。按照3GPP 協(xié)議要求，通常是采用半靜態(tài)預(yù)設(shè)，若超出最大傳輸次數(shù)門限仍不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確接收，則該數(shù)據(jù)包被丟棄。本文對最大傳輸次數(shù)的取值采用階梯函數(shù)，其定義如式(12)所示。

其中，α0＜α1＜α2。根據(jù)承載業(yè)務(wù)流的無線資源信道質(zhì)量信息來確定最大重傳的次數(shù)，具體如下。當(dāng)f(γi)低于最小閾值時，預(yù)判該信道狀況較差，因此，增大Ki，增加5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算，避免因重傳而導(dǎo)致的DS-TT 門控列表狀態(tài)的變化；當(dāng)預(yù)判信道質(zhì)量較好時，發(fā)生重傳的概率較低，則降低Ki取值；當(dāng)預(yù)判信道質(zhì)量極好時，進一步降低Ki值。

本文假設(shè)5G 采用增量冗型HARQ，發(fā)送端每次發(fā)送完整數(shù)據(jù)包，接收端合并多次接收的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)冗余增益的目的。業(yè)務(wù)流fi數(shù)據(jù)包在5G 中成功概率為

其中，業(yè)務(wù)流fi數(shù)據(jù)包在5G 系統(tǒng)中第k次傳輸時的小尺度衰落為有

假設(shè)業(yè)務(wù)流fi的丟包率最低要求為θ，當(dāng)Psuc≥θ時才能滿足業(yè)務(wù)流fi的QoS 需求。

結(jié)合TSN 域和5G 域的傳輸時延分析可得

為了保證端到端數(shù)據(jù)傳輸QoS 要求，式(11)中各變量的取值規(guī)劃需滿足式(7)的要求，即；若當(dāng)前因重傳次數(shù)導(dǎo)致5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算超過了式(7)的要求，則將5G 系統(tǒng)傳輸時延修改為

其中，o i為一個微小的時間偏移量，確保滿足式(7)的端到端時延約束條件。根據(jù)式(17)與式(8)，可以得到當(dāng)前5G 系統(tǒng)傳輸時延規(guī)劃下空口的傳輸時延約束，并根據(jù)式(9)可以得到允許的最大重傳次數(shù)。結(jié)合業(yè)務(wù)所需要的丟包率指標(biāo)，將上述已知最大重傳次數(shù)和成功概率值代入式(15)，可得到所需的時頻傳輸資源數(shù)量，從而通過降低MCS 等級，以資源有效性換取時間約束條件下的傳輸可靠度。

統(tǒng)籌考慮業(yè)務(wù)流端到端時延，為保證在DS-TT到ES3 的鏈路上不發(fā)生“碰撞”，還需對相鄰業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包間的發(fā)送間隔做出要求。假設(shè)f i和fi+1分別表示當(dāng)前發(fā)送的流和下一幀發(fā)送的流，則2 個流數(shù)據(jù)包間的間隔應(yīng)滿足

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)3GPP TS38.214 的定義，針對uRLLC 的CQI 采用4 bit 定義，編號為0～15，只采用QPSK，16QAM 和64QAM 的調(diào)制方式。5G 與TSN 系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示；在業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)置方面，本文僅考慮具有周期性及時間觸發(fā)特性的工業(yè)業(yè)務(wù)流，相關(guān)業(yè)務(wù)參數(shù)如表2 所示。

表1 5G 與TSN 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2 時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果及分析

空口最大的不確定性來源于信道變化帶來的數(shù)據(jù)包傳輸成功率的不確定性。圖9 展示了不同信號解調(diào)門限ξth、不同最大傳輸次數(shù)Ki設(shè)置場景下，終端與基站距離d和數(shù)據(jù)包正確接收概率的關(guān)系。從圖9 中可以看到，隨著重傳次數(shù)增加，數(shù)據(jù)包傳輸成功率提高，當(dāng)最大傳輸次數(shù)較小時，隨著距離增加，信號衰減增大，信道越不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)包成功傳輸概率與終端基站間距離成反比。當(dāng)最大傳輸次數(shù)較大時，信道變化對數(shù)據(jù)成功傳輸概率影響不大，由于多次信號合并增益，數(shù)據(jù)成功接收概率與數(shù)據(jù)包傳輸次數(shù)成正比。因此，5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算中考慮數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)的設(shè)置，有助于消除信道帶來的不確定性。

圖9 終端與基站距離和數(shù)據(jù)包正確接收概率的關(guān)系

圖10 展示了5G 空口資源分配與數(shù)據(jù)包正確接收概率之間的關(guān)系。當(dāng)Ki=2 時，隨著空口傳輸資源的增加，數(shù)據(jù)包正確接收概率也會隨之增加，用效率低但可靠度高的低等級MCS 方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；?dāng)資源數(shù)目增長到一定階段時，已經(jīng)無法通過降低MCS 獲得數(shù)據(jù)傳輸成功率增益。隨著最大傳輸次數(shù)門限的不斷提升，可以看到增加資源數(shù)目的效果已經(jīng)不明顯，此時重傳帶來的多次信號合并增益提升了數(shù)據(jù)包傳輸正確概率，已不需要通過犧牲資源的有效性換取數(shù)據(jù)包傳輸可靠性。此外，在滿足業(yè)務(wù)流丟包率指標(biāo)情況下，如滿足99.9%數(shù)據(jù)傳輸成功概率，可通過降低重傳次數(shù)、降低MCS 等級但增加空口資源數(shù)量的方式降低空口傳輸時延，滿足式(17)所提場景。

圖10 5G 空口資源分配與數(shù)據(jù)包正確接收概率關(guān)系

信道質(zhì)量與重傳時延關(guān)系如圖11 所示，其中，數(shù)據(jù)包成功解調(diào)的信干噪比閾值為5 dB。隨著信道質(zhì)量變好，不同最大傳輸次數(shù)對應(yīng)的空口時延均呈現(xiàn)階梯下降的情況。當(dāng)信道質(zhì)量較差（信干噪比低于2 dB）時，需多次重傳才能滿足信號合并增益達(dá)到解調(diào)門限。當(dāng)信道質(zhì)量較好時，由于數(shù)據(jù)包均能實現(xiàn)成功解調(diào)，發(fā)生數(shù)據(jù)包重傳概率極低。因此，對于承載于不同信道質(zhì)量空口資源上的數(shù)據(jù)包，應(yīng)給予不同的最大傳輸次數(shù)設(shè)置。

圖11 信道質(zhì)量與重傳時延關(guān)系

結(jié)合上述針對5G 系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以看出，最大傳輸次數(shù)的設(shè)置對數(shù)據(jù)包成功接受率影響最大，因此基于CQI 信息的Ki值設(shè)置為

基于上述5G 系統(tǒng)最大傳輸次數(shù)門限的設(shè)置規(guī)則，圖12 展示了ES1業(yè)務(wù)流在不同信道質(zhì)量下5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算與5G 系統(tǒng)實際傳輸時延的關(guān)系。

由圖 12 中可以看到，在一般信道質(zhì)量（3 ≤CQI ＜14）和較差信道質(zhì)量CQI ＜ 3的情況下，隨著信道質(zhì)量變差，重傳發(fā)生的概率也會逐步增加，從而造成數(shù)據(jù)包5G 系統(tǒng)真實傳輸時延發(fā)生“突變”，但由于5G 系統(tǒng)采用了uRLLC 功能，避免了數(shù)據(jù)多次重傳的出現(xiàn)。此外，由于已根據(jù)信道質(zhì)量進行數(shù)據(jù)包最大傳輸次數(shù)的預(yù)設(shè)，因此，業(yè)務(wù)流真實傳輸時延并未超過5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算，通過DS-TT 出口處門控列表機制的控制，消除了5G 無線信道變化導(dǎo)致的傳輸時延抖動，實現(xiàn)了跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸時延的確定性。

圖12 不同信道質(zhì)量下的5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算與實際傳輸時延的關(guān)系

本文所提5G 與TSN 聯(lián)合時間調(diào)度機制對TSN域中的隊列管理進行了改進，根據(jù)分配給業(yè)務(wù)流的5G 空口資源信道狀況優(yōu)劣對其排隊優(yōu)先級進行定義。圖13 給出了具有相同業(yè)務(wù)優(yōu)先級（即業(yè)務(wù)周期相同）的3 個業(yè)務(wù)流在TSN 域傳輸時延，可以看出，由于5G 空口資源信道狀況差的業(yè)務(wù)流在TSN 域會被優(yōu)先處理，因此其TSN 域的時延會相對較低。

圖13 不同信道質(zhì)量情況下TSN 域時延分析

下面對比本文所提機制的端到端時延性能，對比機制在TSN域不考慮業(yè)務(wù)流在5G承載無線資源的信道質(zhì)量。如圖14 所示，對于未考慮5G 信道質(zhì)量的機制，數(shù)據(jù)包在TSN 域根據(jù)FIFO 的原則進行排隊，由于不同業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)包到達(dá)具有一定隨機性，因此承載于最差信道質(zhì)量的業(yè)務(wù)流在TSN 域的處理順序具有一定不確定性。隨著同一優(yōu)先級業(yè)務(wù)流數(shù)目的增加，本文所提機制考慮了5G 信道質(zhì)量影響，其端到端時延性能優(yōu)于未考慮5G 信道質(zhì)量信息的對比機制。

圖14 不同機制端到端時延性能對比

5 結(jié)束語

針對5G 賦能工業(yè)垂直領(lǐng)域需求，本文首先對5G 與TSN 協(xié)同傳輸?shù)谋匾院推惹行赃M行了分析；然后對3GPP R16 中提出的5G TSN 橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、跨域數(shù)據(jù)傳輸流程及5G 空口對確定性傳輸機制的影響進行了闡述，分析了5G 系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算在跨域確定性數(shù)據(jù)傳輸中的重要性，并提出了一種基于無線信道信息的5G 與TSN 聯(lián)合調(diào)度機制，重點對TSN 域時延和5G 系統(tǒng)時間預(yù)算規(guī)劃機制進行了闡述。仿真結(jié)果表明，本文所提聯(lián)合時間調(diào)度機制通過5G 信道質(zhì)量信息向TSN 域的共享，使承載于信道質(zhì)量較差無線資源上的業(yè)務(wù)流能夠獲得更低的TSN 域時延；并能夠通過合理設(shè)置5G系統(tǒng)傳輸時延預(yù)算，有效消除空口變化對確定性傳輸機制的影響，為時間觸發(fā)業(yè)務(wù)流提供端到端確定性時延傳輸保障。

本文重點在于探討無線信道變化對于5G 系統(tǒng)整體傳輸時延的影響，并未深入探討針對多時間敏感業(yè)務(wù)流并發(fā)條件下無線資源分配和差異化QoS保障策略。因為未來智能工廠中不僅存在時間敏感類業(yè)務(wù)、還存在視頻、傳感器數(shù)據(jù)采集等多種類型業(yè)務(wù)，如何在無線資源受限條件下構(gòu)建滿足時間敏感業(yè)務(wù)流確定性傳輸需求、并同時支持其他5G 業(yè)務(wù)傳輸?shù)馁Y源分配與協(xié)同管理機制，將是5G 與TSN 聯(lián)合實時調(diào)度需要進一步考慮的研究問題。