5G-Advanced端到端確定性傳輸分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海洋，施藝，李巖，范強(qiáng)，馬欣

5G-Advanced端到端確定性傳輸分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫海洋，施藝，李巖，范強(qiáng)，馬欣

（華為技術(shù)有限公司，北京 100085）

5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)因具有部署靈活、線纜成本低、移動(dòng)性較強(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）控制完善和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在工廠場(chǎng)景中具有很廣泛的應(yīng)用前景。但同時(shí)，工廠中的確定性業(yè)務(wù)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制也提出了一定的要求。所以在5G-Advanced的相關(guān)討論中，業(yè)界也提出研究支持超低時(shí)延的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。為了滿(mǎn)足2 ms的時(shí)延要求，提出了N3接口確定性和跨層調(diào)度優(yōu)化兩種關(guān)鍵技術(shù)以減少在傳輸網(wǎng)和空口的傳輸或等待時(shí)延。這兩種技術(shù)在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)與確定性網(wǎng)絡(luò)的互通通信機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議改動(dòng)不大的前提下，能很好地滿(mǎn)足確定性業(yè)務(wù)較高的時(shí)延要求。

N3接口確定性；跨層調(diào)度優(yōu)化；確定性低時(shí)延；5G

0 引言

5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)因具有部署靈活、線纜成本低、移動(dòng)性較強(qiáng)、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）控制完善和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在工廠場(chǎng)景中具有很廣泛的應(yīng)用前景，越來(lái)越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給現(xiàn)有的工廠通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域帶來(lái)了重大的變革，在鋼鐵工業(yè)、港口運(yùn)輸?shù)扔腥祟?lèi)參與的遠(yuǎn)程控制方面取得了較為廣泛的應(yīng)用。5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)是目前和未來(lái)工廠網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化的主要形式。在5G-Advanced的相關(guān)討論中，業(yè)界也提出研究支持超低時(shí)延的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

在之前的第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如3GPP TS 23.501[3]）中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)支持與工廠中的確定性網(wǎng)絡(luò)（如IEEE 802.1Q[4]）進(jìn)行互通。隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和成功應(yīng)用，人們提出了更高的服務(wù)要求，希望可以從有人參與的遠(yuǎn)程控制場(chǎng)景進(jìn)一步深入生產(chǎn)線場(chǎng)景，如設(shè)備間的控制器協(xié)同。這就要求網(wǎng)絡(luò)具有一定的確定性QoS保證能力。對(duì)于當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，即使使用了3GPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，當(dāng)前定義的與確定性網(wǎng)絡(luò)互通的特性增強(qiáng)，但由于傳輸網(wǎng)絡(luò)中交換機(jī)中存在的“多打一”現(xiàn)象以及基站調(diào)度的特殊性等問(wèn)題，其支持確定性超低時(shí)延（如2 ms）的難度也會(huì)很大，所以必須提出新型的適用于確定性超低時(shí)延的端到端確定性技術(shù)。

目前在確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究主要有以下幾點(diǎn)。

● 3GPP TS 23.501[3]提出了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)與確定性網(wǎng)絡(luò)，如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time-sensitive networking，TSN）互通的架構(gòu)。它將5G系統(tǒng)（5G system，5GS）看作整體，即將5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作一個(gè)黑盒子，作為確定性網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)網(wǎng)橋或者節(jié)點(diǎn)以支持確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

● IEEE 802.1Q[4]是現(xiàn)有的一類(lèi)確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以基于時(shí)間隊(duì)列的調(diào)度以保證以太網(wǎng)的確定性，即可以保證通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)最大時(shí)延是有限的。目前和5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)互通的主要為其中的集中式模型。

● 3GPP TS 22.104[5]包含了現(xiàn)有的工廠自動(dòng)化場(chǎng)景下各類(lèi)業(yè)務(wù)的QoS需求。

1 背景與挑戰(zhàn)

1.1 現(xiàn)有的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)與確定性網(wǎng)絡(luò)互通技術(shù)

根據(jù)3GPP TS 23.501[3]的定義，在3GPP Release 16（Rel-16）中，為實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與TSN的互通，支持TSN流的確定性傳輸，將5GS整體作為一個(gè)TSN網(wǎng)橋，其傳輸TSN流時(shí)的入端口和出端口分別位于設(shè)備端TSN轉(zhuǎn)換器（device-side TSN translator，DS-TT）網(wǎng)絡(luò)端TSN轉(zhuǎn)換器和（network-side TSN translator，NW-TT），5GS與TSN互通系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，上行流經(jīng)由DS-TT傳輸?shù)絅W-TT，下行流從NW-TT傳輸?shù)紻S-TT。 TSN支持IEEE Std 802.1Qcc-2018[6]中所定義的完全集中式模型。DS-TT作為用戶(hù)設(shè)備（user equipment，UE）與工廠設(shè)備互通的翻譯，NW-TT作為用戶(hù)面功能（user plane function，UPF）與工廠設(shè)備互通的翻譯。TSN流的報(bào)文在出口TT處緩存后，按照集中網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network configuration，CNC）通過(guò)應(yīng)用功能（application function，AF）配置的IEEE 802.1Q[4]調(diào)度參數(shù)往下游節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，從而解決5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延不確定的問(wèn)題。當(dāng)然，作為實(shí)現(xiàn)與TSN互通的前提條件，5GS整體需要支持作為IEEE Std 802.1AS-2020[7]中規(guī)定的時(shí)間感知系統(tǒng)，保證5GS與TSN的時(shí)鐘同步。另外，NW-TT要支持IEEE Std 802.1AB[8]中描述的鏈路層連接發(fā)現(xiàn)和報(bào)告（link layer connectivity discovery and reporting）。

圖1 5GS與TSN互通系統(tǒng)架構(gòu)

具體來(lái)說(shuō)，TSN AF保存業(yè)務(wù)等級(jí)（traffic class）、UE-DS-TT駐留時(shí)間和網(wǎng)橋時(shí)延（bridge delay）的映射；TSN AF在接收CNC的流調(diào)度信息時(shí)，計(jì)算時(shí)延、優(yōu)先級(jí)、包大小，并執(zhí)行流聚合，通知策略控制功能（policy control function，PCF）進(jìn)行5GS確定性傳輸。另外，TSN AF還要生成時(shí)間敏感通信輔助容器（time-sensitive communication assistance container，TSCAC）并發(fā)送給PCF，TSCAC是基于TSN時(shí)鐘的，可以包含周期、突發(fā)到達(dá)時(shí)間、業(yè)務(wù)流方向等信息。其中，周期指的是兩個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)開(kāi)始之間的時(shí)間段；突發(fā)到達(dá)時(shí)間是在給定的流方向上，數(shù)據(jù)突發(fā)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)5GS的入端口的時(shí)間（上行為DS-TT，下行為NW-TT）；業(yè)務(wù)流方向指時(shí)間敏感通信（time-sensitive communication，TSC）流的方向。PCF基于與TSN相關(guān)的訴求生成5G內(nèi)部的QoS參數(shù)。會(huì)話管理功能（session management function，SMF）會(huì)接收PCF生成的5GS內(nèi)部的QoS參數(shù)，按照5GS內(nèi)部已有的處理方式進(jìn)行控制。另外，SMF接收PCF透?jìng)鞯腡SCAC，并生成時(shí)間敏感通信輔助信息（TSC assistance information，TSCAI）。SMF將TSCAI發(fā)送給無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)（radio access network，RAN），RAN根據(jù)TSCAI進(jìn)行調(diào)度。由于TSCAI由RAN來(lái)使用，所以SMF需要根據(jù)UPF上報(bào)的時(shí)鐘偏移進(jìn)行校正，使其映射為5GS內(nèi)部使用的時(shí)鐘，并且SMF要將到達(dá)5GS入端口的突發(fā)到達(dá)時(shí)間映射為RAN可以控制的突發(fā)到達(dá)時(shí)間。對(duì)于下行方向的流量，SMF根據(jù)UPF最近一次接收的時(shí)間偏移測(cè)量值，校正TSC輔助容器中的突發(fā)到達(dá)時(shí)間，并將TSCAI突發(fā)到達(dá)時(shí)間設(shè)置為校正值與核心網(wǎng)包時(shí)延預(yù)算（core network packet delay budget，CN PDB）的總和，表示數(shù)據(jù)突發(fā)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)RAN的最晚可能時(shí)間。對(duì)于上行方向的流量，SMF根據(jù)從UPF接收的最新時(shí)間偏移測(cè)量值，校正TSC輔助容器中的突發(fā)到達(dá)時(shí)間，并將TSCAI突發(fā)到達(dá)時(shí)間設(shè)置為校正值與UE-DS-TT駐留時(shí)間之和，表示數(shù)據(jù)突發(fā)的第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)UE出口的最晚可能時(shí)間。如果UE沒(méi)有提供UE-DS-TT的駐留時(shí)間，SMF基于實(shí)現(xiàn)設(shè)置突發(fā)到達(dá)時(shí)間。RAN可以根據(jù)TSC流的業(yè)務(wù)周期以及突發(fā)達(dá)到時(shí)間等為業(yè)務(wù)流配置更短周期的半靜態(tài)資源調(diào)度的實(shí)現(xiàn)方法來(lái)輔助調(diào)度。其他網(wǎng)元與確定性調(diào)度關(guān)系不大，篇幅原因，本文不做詳細(xì)介紹，可以進(jìn)一步參考3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[3, 9-23]。其中，文獻(xiàn)[3,9-10]是基本的架構(gòu)功能及流程描述，文獻(xiàn)[11-19]描述了核心網(wǎng)網(wǎng)元提供的具體的服務(wù)及其中的信元，文獻(xiàn)[20-23]描述了5G無(wú)線接入網(wǎng)的功能與流程實(shí)現(xiàn)。

圖2 非TSN場(chǎng)景下5GS支持TSC的系統(tǒng)架構(gòu)

在3GPP Rel-17標(biāo)準(zhǔn)中，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步增強(qiáng)支持非TSN的TSC業(yè)務(wù)。由于沒(méi)有限制具體的確定性協(xié)議，所以不要求AF可以提供確切的TSCAC，而是新引入了一個(gè)網(wǎng)元時(shí)間敏感通信和時(shí)鐘同步功能（time-sensitive communication and time synchronization function，TSCTSF）[24]，由TSCTSF根據(jù)AF/NEF提供的業(yè)務(wù)類(lèi)型參數(shù)創(chuàng)建TSCAC，提供給PCF。引入TSCTSF的非TSN場(chǎng)景下5GS支持TSC的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。同時(shí)，5GS可以進(jìn)一步支持作為IEEE Std 1588[25]中描述的邊界時(shí)鐘、點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘或者端到端透明時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

1.2 超低時(shí)延下的挑戰(zhàn)

根據(jù)3GPP TS 22.104[5]的需求，在工廠自動(dòng)化場(chǎng)景中，要求應(yīng)用層端到端時(shí)延可以低至2～4 ms，工廠自動(dòng)化場(chǎng)景需求見(jiàn)表1。

但是，當(dāng)前3GPP TS 23.501[3]支持的最低的標(biāo)準(zhǔn)化5GS內(nèi)部端到端包時(shí)延預(yù)算（packet delay budget，PDB）為5 ms。對(duì)應(yīng)的雙端無(wú)線場(chǎng)景能支持的應(yīng)用層端到端時(shí)延需求為10 ms。雙端無(wú)線部署場(chǎng)景示意圖如圖3所示，可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）和輸入輸出（input/output，I/O）設(shè)備均通過(guò)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空口進(jìn)行交互，UPF直接轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在工廠自動(dòng)化場(chǎng)景中，使用雙端無(wú)線部署可以比單端無(wú)線部署進(jìn)一步削減線纜的數(shù)量，并減少UPF與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸時(shí)延。在控制器到控制器（controller to controller）場(chǎng)景，默認(rèn)使用雙端無(wú)線部署。

表1 工廠自動(dòng)化場(chǎng)景需求

圖3 雙端無(wú)線部署場(chǎng)景示意圖

據(jù)分析，當(dāng)前5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)法支持超低時(shí)延的原因主要有如下兩個(gè)方面。

（1）傳輸網(wǎng)時(shí)延的拖尾效應(yīng)

工廠場(chǎng)景實(shí)際部署時(shí)，在RAN和UPF之間（如圖1中的N3接口）會(huì)經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)，并不是直接相連。傳輸網(wǎng)中存在一定數(shù)量的交換機(jī)。對(duì)于普通的以太網(wǎng)協(xié)議，傳輸網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流會(huì)存在“多打一”現(xiàn)象?！岸啻蛞弧爆F(xiàn)象具體指交換節(jié)點(diǎn)的入端口比對(duì)應(yīng)的出端口多，因而導(dǎo)致必然會(huì)有至少兩個(gè)入端口對(duì)應(yīng)一個(gè)出口，即存在至少兩個(gè)入端口的流量/數(shù)據(jù)包都需要一個(gè)出端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的情況。這個(gè)端口的交叉會(huì)帶來(lái)潛在的多個(gè)入端口的流量/數(shù)據(jù)包去競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)出端口的現(xiàn)象，從而在出端口出現(xiàn)隊(duì)列擁塞。擁塞會(huì)帶來(lái)額外不確定的等待時(shí)延。這樣，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)尾效應(yīng)，如圖4所示。即在這種情況下，盡管傳輸網(wǎng)能夠支持的最小時(shí)延可以是一個(gè)較低的值，但是其傳輸數(shù)據(jù)包的最大時(shí)延是一個(gè)較高的值，可能會(huì)超過(guò)2 ms。因此，這樣的傳輸網(wǎng)將無(wú)法滿(mǎn)足確定性超低時(shí)延。

圖4 長(zhǎng)尾效應(yīng)

（2）空口調(diào)度的特殊性

目前，RAN是按照空口時(shí)隙調(diào)度，不能夠?qū)I(yè)務(wù)流進(jìn)行“隨到隨發(fā)”。例如，對(duì)于時(shí)分雙工（time division duplex，TDD）系統(tǒng)，如果一個(gè)下行的數(shù)據(jù)包沒(méi)有在可調(diào)度的下行鏈路時(shí)隙到達(dá)，則它必須等到下一個(gè)下行鏈路時(shí)隙才可以被傳輸。TDD數(shù)據(jù)包調(diào)度示意圖如圖5所示，矩形數(shù)據(jù)包和三角形數(shù)據(jù)包在第一個(gè)下行時(shí)隙（downlink slot，DL slot）到達(dá)，且下一個(gè)時(shí)隙同為下行時(shí)隙。這兩個(gè)數(shù)據(jù)包都在1個(gè)時(shí)隙的時(shí)間內(nèi)發(fā)出。而圓形的數(shù)據(jù)包由于在保護(hù)帶對(duì)應(yīng)的時(shí)間段到達(dá)，只能等待2個(gè)時(shí)隙（其中一個(gè)時(shí)隙為上行時(shí)隙，無(wú)法傳遞下行數(shù)據(jù)包）。當(dāng)PDB值低至2 ms時(shí)，如果數(shù)據(jù)包錯(cuò)過(guò)了第一個(gè)時(shí)隙，則要使RAN滿(mǎn)足要求是很有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槊總€(gè)時(shí)隙的典型值為250 μs。假設(shè)在核心網(wǎng)傳遞該下行數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延為1 ms，那么RAN只剩下1 ms進(jìn)行傳遞。這意味著RAN只有1個(gè)或2個(gè)時(shí)隙可用于滿(mǎn)足時(shí)延需求。如果RAN錯(cuò)過(guò)了，則數(shù)據(jù)包將以大于端到端2 ms的時(shí)延傳送，不符合應(yīng)用的訴求。

圖5 TDD數(shù)據(jù)包調(diào)度示意圖

另一方面，同一RAN節(jié)點(diǎn)中不同TSC流的突發(fā)到達(dá)時(shí)間可能會(huì)相互沖突。例如，當(dāng)不同的流都在同一時(shí)間到達(dá)時(shí)，RAN可能無(wú)法同時(shí)調(diào)度所有TSC流的數(shù)據(jù)包。這樣，有一部分TSC流的數(shù)據(jù)包就要推遲發(fā)送。這就會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似的問(wèn)題。

2 端到端確定性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決第1.2節(jié)中提到的挑戰(zhàn)，提出了一種端到端確定性系統(tǒng)，對(duì)N3接口確定性和跨層調(diào)度優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

對(duì)于傳輸網(wǎng)時(shí)延的拖尾效應(yīng)，其主要原因是N3接口的傳輸網(wǎng)目前不能配合5GS進(jìn)行確定性傳輸。所以該端到端確定性系統(tǒng)應(yīng)使能5GS與支持確定性的傳輸網(wǎng)進(jìn)行互通來(lái)保證N3接口的確定性。換一種說(shuō)法，5GS要與N3中的確定性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通。

對(duì)于空口調(diào)度的特殊性所帶來(lái)的問(wèn)題，其主要原因是RAN目前只能接收TSC流的TSCAI去輔助調(diào)度，但是不能按照自己的調(diào)度情況進(jìn)行反饋，所以該端到端確定性系統(tǒng)應(yīng)支持RAN按照自己的調(diào)度情況進(jìn)行反饋。核心網(wǎng)可以將RAN的反饋進(jìn)一步提交給應(yīng)用，應(yīng)用要基于RAN的反饋調(diào)整發(fā)包時(shí)間。

另外，由于該端到端確定性系統(tǒng)應(yīng)依賴(lài)于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)有的確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以其不應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如3GPP TS 23.501[3]、IEEE 802.1Q[4]等）做出較大的改動(dòng)。這是為了避免改動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)共識(shí)，將來(lái)各廠商的設(shè)備沒(méi)有辦法真正互通，為商用帶來(lái)負(fù)面影響。

2.1 N3接口確定性

為了保證N3接口的確定性，可以將RAN和UPF分別作為現(xiàn)有確定性協(xié)議中的終端用戶(hù)，比如可以作為IEEE 802.1Q[4]中所定義的發(fā)送者和接收者。對(duì)于上行方向的業(yè)務(wù)流，RAN作為發(fā)送者，UPF作為接收者。對(duì)于下行方向的業(yè)務(wù)流，UPF作為發(fā)送者，RAN作為接收者。這樣RAN和UPF就可以利用現(xiàn)有的確定性協(xié)議來(lái)保證N3接口上傳輸?shù)臅r(shí)延上限。如果RAN和UPF要基于現(xiàn)有的確定性協(xié)議來(lái)進(jìn)行調(diào)度，那么要求傳輸網(wǎng)中的確定性網(wǎng)絡(luò)控制器匹配在RAN和UPF之間傳遞的業(yè)務(wù)的相關(guān)訴求。另一方面，RAN和UPF也要匹配確定性網(wǎng)絡(luò)控制器的要求。但是，RAN和UPF作為5GS內(nèi)部的網(wǎng)元，尤其是UPF，作為核心網(wǎng)的用戶(hù)面，需要由5G核心網(wǎng)的控制面網(wǎng)元進(jìn)行控制，而不宜由傳輸網(wǎng)的控制器直接進(jìn)行控制。

基于上述思考，提出了一種5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通的架構(gòu)，如圖6所示。

其中，RAN和UPF充當(dāng)最終用戶(hù)，按照現(xiàn)有的確定性協(xié)議支持基于時(shí)間窗的調(diào)度。5G核心網(wǎng)控制面與外部確定性傳輸網(wǎng)控制器交互（當(dāng)然，也可以由傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理員來(lái)進(jìn)行配置），以實(shí)現(xiàn)RAN和UPF之間的確定性通信相關(guān)參數(shù)的傳遞。本架構(gòu)并不限制N3接口上確定性協(xié)議的種類(lèi)，可以按照需求盡量重用現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)所支持的確定性協(xié)議。5G核心網(wǎng)控制面根據(jù)傳輸網(wǎng)提供的確定性傳輸參數(shù)為RAN和UPF配置調(diào)度參數(shù)。具體的，5G核心網(wǎng)控制面可以根據(jù)流量模式（如周期、時(shí)延要求、流量特征等）確定業(yè)務(wù)流在RAN或UPF上排隊(duì)和調(diào)度的時(shí)間。5G核心網(wǎng)控制面仍然重用第1.1節(jié)中描述的5G核心網(wǎng)架構(gòu)中的控制面網(wǎng)元即可，沒(méi)有必要引入新的控制面網(wǎng)元。

圖6 5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通的架構(gòu)

引入圖6所述的架構(gòu)，傳輸網(wǎng)中的交換機(jī)可以按照現(xiàn)有的確定性協(xié)議進(jìn)行工作。RAN和UPF也可以根據(jù)現(xiàn)有的5GS架構(gòu)獲取確定性傳輸所需要的參數(shù)配置。而且N3接口的確定性網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前架構(gòu)中數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)里與5GS互通的確定性網(wǎng)絡(luò)可以相互獨(dú)立。這樣，最大程度上重用了現(xiàn)有的機(jī)制，避免了對(duì)現(xiàn)有的5GS架構(gòu)和確定性協(xié)議產(chǎn)生過(guò)大的影響。但是RAN和UPF卻可以按照確定性網(wǎng)絡(luò)中的終端用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳遞，從而保證了N3接口的確定性，消除了“多打一”帶來(lái)的長(zhǎng)尾效應(yīng)。

2.2 跨層調(diào)度優(yōu)化

為了解決空口調(diào)度的特殊性所帶來(lái)的兩個(gè)問(wèn)題，即業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的到達(dá)時(shí)間與RAN的調(diào)度時(shí)機(jī)不匹配，以及多流的調(diào)度沖突，可以考慮讓RAN根據(jù)自己的調(diào)度進(jìn)行合適的反饋。如第2.1節(jié)所述，現(xiàn)有技術(shù)中TSN AF或TSCTSF已經(jīng)可以向5G核心網(wǎng)提供TSCAC，并且SMF會(huì)將TSCAC轉(zhuǎn)化為T(mén)SCAI并交由RAN進(jìn)行相關(guān)TSC流的調(diào)度。但正如第2.1節(jié)提到的，RAN目前只是被動(dòng)地接受各個(gè)TSC流的TSCAI，并且依照TSCAI進(jìn)行調(diào)度。如果出現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的到達(dá)時(shí)間與RAN的調(diào)度時(shí)機(jī)不匹配，或者多個(gè)TSC流的調(diào)度沖突問(wèn)題，RAN也只能讓對(duì)應(yīng)的TSC流的數(shù)據(jù)包進(jìn)行等待。那么，假如TSC流的數(shù)據(jù)包恰好在匹配RAN的調(diào)度時(shí)機(jī)的時(shí)間窗到達(dá)，而且到達(dá)時(shí)與其他的TSC流之間沒(méi)有不可調(diào)和的沖突，則第1.2節(jié)中提到的問(wèn)題就可以規(guī)避掉。那么可以讓RAN基于現(xiàn)有技術(shù)中各個(gè)TSC流的TSCAI以及本身的調(diào)度情況進(jìn)行反饋，從而使對(duì)應(yīng)的應(yīng)用可以調(diào)整其發(fā)包時(shí)間。

基于上述思考，提出了基于RAN反饋的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間調(diào)整流程，具體如圖7所示。

步驟1 AF（或者TSCTSF）按照現(xiàn)有技術(shù)向5G核心網(wǎng)控制面提供TSCAC。

步驟2 5G核心網(wǎng)控制面（具體為SMF）將TSCAC轉(zhuǎn)化為T(mén)SCAI發(fā)送給RAN。

步驟3 RAN根據(jù)自己的調(diào)度情況可以作出判斷。若TSC流的數(shù)據(jù)包恰好在匹配RAN的調(diào)度時(shí)機(jī)的時(shí)間窗到達(dá)，而且到達(dá)時(shí)，與其他的TSC流之間沒(méi)有不可調(diào)和的沖突，那么RAN就不必對(duì)該TSC流對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間反饋調(diào)整請(qǐng)求。在其他情況下，RAN需要找到一個(gè)合適的時(shí)機(jī)，使對(duì)應(yīng)TSC流的數(shù)據(jù)包達(dá)到上述效果，并且向5G核心網(wǎng)控制面發(fā)送對(duì)應(yīng)的到達(dá)時(shí)間調(diào)整請(qǐng)求。具體地，RAN可以反饋給SMF，SMF可以按照現(xiàn)有的架構(gòu)再上報(bào)給PCF。

步驟4 5G核心網(wǎng)控制面（具體為PCF），將到達(dá)時(shí)間調(diào)整請(qǐng)求發(fā)送給AF（或者TSCTSF）。

步驟5 AF（或TSCTSF）根據(jù)應(yīng)用側(cè)的一些手段，調(diào)整應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間。

步驟6 AF（或TSCTSF）根據(jù)調(diào)整后的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間更新發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)側(cè)的TSCAC。

本流程既可以用于第2.2節(jié)中的5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通架構(gòu)，又可以用于第1.2節(jié)中的5GS與TSN互通系統(tǒng)架構(gòu)或非TSN場(chǎng)景下5GS支持TSC的系統(tǒng)架構(gòu)。當(dāng)本流程用于5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通架構(gòu)中時(shí)，RAN可以根據(jù)TSCAI較為準(zhǔn)確地知道對(duì)應(yīng)TSC流的突發(fā)到達(dá)時(shí)間。圖7中帶陰影的小方塊部分代指用戶(hù)面數(shù)據(jù)包，只給出了下行作為例子。但由于TSCAC中包含的突發(fā)到達(dá)時(shí)間本身就可以包含上行方向和下行方向，所以本流程可以既用于下行的業(yè)務(wù)流，又用于上行的業(yè)務(wù)流。

圖7 基于RAN反饋的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間調(diào)整流程

引入圖7所述的流程，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中TSC流調(diào)度的機(jī)制并未作出大的改變，如步驟（1）、步驟（2）和步驟（6）均可以重用現(xiàn)有的機(jī)制，只在步驟（3）、步驟（4）和步驟（5）引入了必要的反饋和調(diào)整機(jī)制，從而避免了對(duì)現(xiàn)有的協(xié)議流程產(chǎn)生過(guò)大的影響。但是應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)機(jī)和RAN的調(diào)度時(shí)機(jī)卻可以較好地匹配，并且可以避免多個(gè)TSC流之間的沖突，從而減少了由于RAN調(diào)度的特殊性所引入的等待時(shí)延。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的端到端確定性系統(tǒng)，基于5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通的架構(gòu)和基于RAN反饋的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間調(diào)整流程，消除了傳輸網(wǎng)中“多打一”導(dǎo)致的長(zhǎng)尾效應(yīng)，減少了由于RAN調(diào)度的特殊性所導(dǎo)致的等待時(shí)延，從而保證了端到端的確定性超低時(shí)延。并且基于5GS和確定性傳輸網(wǎng)互通的架構(gòu)和基于RAN反饋的數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間調(diào)整流程可以相互獨(dú)立，將來(lái)可以獨(dú)立演進(jìn)。另外，本系統(tǒng)模型引入的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有協(xié)議的改動(dòng)較小，與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合較好，從而增加了該系統(tǒng)模型的可實(shí)施性和可部署性。

進(jìn)一步地，考慮除了工廠場(chǎng)景，生產(chǎn)與生活中還有一些其他超低時(shí)延要求的業(yè)務(wù)，比如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality， VR）業(yè)務(wù)等，本系統(tǒng)也可以用于這些業(yè)務(wù)場(chǎng)景，從而降低這些業(yè)務(wù)在5GS中傳遞的時(shí)延。

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5G-Advanced E2E deterministic transmission analysis and system design

SUN Haiyang, SHI Yi, LI Yan, FAN Qiang, MA Xin

Huawei Technologies Co., Ltd., Beijing 100085, China

Because of the advantages of flexible deployment, low cable cost, strong support for mobility and comprehensive QoS control and high scalability, cellular networks had been widely used in factory scenarios. At the same time, the deterministic service in the factory also puts forward certain requirements for cellular network control. Therefore, in discussions related to 5G-Advanced, the industry also proposes to research a 5G cellular network that supports ultra-low latency. To meet the delay requirement of 2 ms, two key technologies, deterministic N3 interface and cross-layer scheduling optimization were proposed to reduce the transmission or waiting delay on the transport network and air interface. These two technologies were the enhancement based on the current communication mechanism and network protocol between cellular network and deterministic network. The high delay requirement of deterministic services can be met well without changing the existing network protocol too much.

deterministic N3 interface, cross-layer scheduling optimization, deterministic low latency, 5G

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022055

2022?01?10；

2022?03?09

孫海洋（1994? ），男，現(xiàn)就職于華為技術(shù)有限公司，3GPP SA2（System Aspects 2）標(biāo)準(zhǔn)代表，主要研究方向?yàn)榇_定性網(wǎng)絡(luò)、策略控制、QoS管理、網(wǎng)絡(luò)切片等。

施藝（1984? ），男，現(xiàn)就職于華為技術(shù)有限公司，負(fù)責(zé)5G-Advanced URLLC研究工作和產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，主要研究方向?yàn)榇_定性網(wǎng)絡(luò)、toB物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大上行等。

李巖（1976? ），男，華為技術(shù)有限公司移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究技術(shù)專(zhuān)家，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)邊緣計(jì)算、低時(shí)延高可靠、網(wǎng)絡(luò)切片。

范強(qiáng)（1990? ），男，華為技術(shù)有限公司標(biāo)準(zhǔn)研究工程師，主要研究方向?yàn)镮IoT/URLLC、XR、移動(dòng)性管理等。

馬欣（1982? ），男，華為技術(shù)有限公司主任工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制領(lǐng)域的5G技術(shù)與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)。