面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的5G 無(wú)線網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)研究

信金燦，許森，張化，熊尚坤，許話

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

2019 年中國(guó)頒發(fā)5G 牌照后，我國(guó)已建成全球最大的5G 網(wǎng)絡(luò)，為公眾用戶和垂直行業(yè)用戶提供了更高速率、更低時(shí)延的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。隨著5G 部署的逐漸深入，5G 的應(yīng)用場(chǎng)景逐步清晰，產(chǎn)業(yè)界的工作開始聚焦，跨行業(yè)的場(chǎng)景化需求也開始浮現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制、智能電網(wǎng)、工業(yè)制造、移動(dòng)機(jī)器人等新興業(yè)務(wù)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。為了獲取更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，新興業(yè)務(wù)場(chǎng)景提出了微秒級(jí)端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)，以及99.999 9%以上可靠性的確定性傳輸需求，工業(yè)場(chǎng)景確定性指標(biāo)要求見表1。然而，目前5G 商用網(wǎng)絡(luò)僅能支持增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)4 ms 時(shí)延下99.9%的可靠性需求，無(wú)法滿足新興業(yè)務(wù)提出的確定性傳輸需求。因此，為了更好地支持垂直行業(yè)應(yīng)用，能夠提供確定性傳輸?shù)?G 確定性網(wǎng)絡(luò)逐漸成為新一代網(wǎng)絡(luò)通信體系的發(fā)展方向。

表1 工業(yè)場(chǎng)景確定性指標(biāo)要求

5G 確定性網(wǎng)絡(luò)指在5G 網(wǎng)絡(luò)中引入確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，利用5G 網(wǎng)絡(luò)資源打造的有確定性傳輸能力的傳輸專網(wǎng)[2]。其中，確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供具有確定性時(shí)延、確定性抖動(dòng)、確定性帶寬、確定性/可靠性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和確定性承載服務(wù)[3]。確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括以下3 種。

（1）時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time-sensitive networking，TSN）技術(shù)是由IEEE 802.1 工作組提出的一組基于以太網(wǎng)協(xié)議模型的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通過(guò)高精度時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)流量整形和資源預(yù)留等機(jī)制，解決了2 層網(wǎng)絡(luò)的確定性保障問(wèn)題[4]。

（2）確定網(wǎng)技術(shù)

確定網(wǎng)（deterministic networking，DetNet）技術(shù)由IETF 提出，通過(guò)資源預(yù)留、顯示路由、抖動(dòng)消除等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了終端業(yè)務(wù)流的三層確定性傳輸。通過(guò)將DetNet 與TSN 融合，可以打造一個(gè)二層和三層的通用確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]。

（3）時(shí)間敏感通信技術(shù)

時(shí)間敏感通信（time-sensitive communication，TSC）技術(shù)由3GPP 提出，通過(guò)TSN 與5G 網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、精準(zhǔn)時(shí)間同步、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）增強(qiáng)和以太網(wǎng)頭壓縮等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可用性和高可靠性需求的確定性通信[6]。

通過(guò)將上述3 種確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠提供確定性通信服務(wù)的5G 確定性網(wǎng)絡(luò)。然而，基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，3 種技術(shù)無(wú)法很好地融合。因此，為了實(shí)現(xiàn)確定性傳輸目標(biāo)，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)開展了無(wú)線網(wǎng)增強(qiáng)技術(shù)研究，旨在通過(guò)TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，提供具有低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠和高可用的時(shí)間敏感通信服務(wù)。其中，TSN 作為實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感通信的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，TSN 中的時(shí)間敏感機(jī)制見表2，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和可靠性[7-8]。

表2 TSN 中的時(shí)間敏感機(jī)制

1 5G 網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

IEEE 定義的3 種TSN 體系架構(gòu)如圖1 所示，在TSN 中，集中式用戶配置（centralized userconfiguration，CUC）控制器基于應(yīng)用系統(tǒng)的傳輸需求，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信息和設(shè)備配置的域間協(xié)同；集中式網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network configuration，CNC）控制器負(fù)責(zé)設(shè)備監(jiān)控管理、業(yè)務(wù)建模及調(diào)度模型下發(fā)等功能；TSN 網(wǎng)橋（TSN bridge）用于TSN 轉(zhuǎn)發(fā)、全網(wǎng)監(jiān)控等功能；兩側(cè)的TSN 發(fā)言者（TSN talker）和TSN 監(jiān)聽者（TSN listener）分別用于數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收。

在TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，如圖2所示，5G 系統(tǒng)作為一個(gè)邏輯網(wǎng)橋集成在具有全集中式模型的TSN 中，該網(wǎng)橋具體由支持網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（network-side TSN translator，NW-TT）功能的用戶面功能（user plane function，UPF）側(cè)端口、用戶設(shè)備（user equipment，UE）和UPF 之間的用戶平面隧道以及設(shè)備側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（device-side TSN translator，DS-TT）側(cè)端口組成，5G 系統(tǒng)通過(guò)DS-TT 和NW-TT 與TSN 進(jìn)行交互。另外，5G 系統(tǒng)通過(guò)核心網(wǎng)的TSN 應(yīng)用功能（TSN application function，TSNAF）實(shí)現(xiàn)與TSN CUC 的交互和協(xié)同管理，其中，TSNAF 存儲(chǔ)UE/DS-TT 側(cè)端口、UPF/NW-TT 側(cè)端口以及協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit，PDU）會(huì)話之間的綁定關(guān)系[9]。

圖2 TSN 與5G 網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

2 時(shí)間敏感通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

為了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，5G 新空口（new radio，NR）從Release 15（Rel-15）開始研究超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）技術(shù)，通過(guò)引入靈活的幀結(jié)構(gòu)和高優(yōu)先級(jí)傳輸?shù)葯C(jī)制降低了傳輸時(shí)延，通過(guò)支持分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（packet data convergence protocol，PDCP）復(fù)制和多點(diǎn)傳輸/接收點(diǎn)（transmission/reception point，TRP）傳輸?shù)葯C(jī)制提高了傳輸可靠性。為了滿足具有更低時(shí)延和更高可靠性的業(yè)務(wù)需求，NR 在Rel-16 中引入了免授權(quán)配置、UE 內(nèi)優(yōu)先級(jí)和復(fù)用，以及PDCP 復(fù)制增強(qiáng)等機(jī)制[10-11]。

工業(yè)領(lǐng)域的時(shí)間敏感通信業(yè)務(wù)在低時(shí)延、高可靠需求的基礎(chǔ)上，對(duì)時(shí)延抖動(dòng)和時(shí)間同步提出了更嚴(yán)苛的要求。為了滿足業(yè)務(wù)需求，Rel-16 研究了5G 網(wǎng)絡(luò)與TSN 的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)引入精確時(shí)鐘傳遞機(jī)制，控制了基站和終端間的時(shí)間同步誤差；通過(guò)配置多套免授權(quán)調(diào)度資源，解決了無(wú)線網(wǎng)配置資源與時(shí)間敏感業(yè)務(wù)周期不匹配的問(wèn)題，降低了業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)[12]。在Rel-16中終端與基站時(shí)間同步機(jī)制的基礎(chǔ)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的終端到終端場(chǎng)景對(duì)時(shí)間同步和時(shí)延抖動(dòng)提出了更高的要求，因此，Rel-17 引入了同步時(shí)延補(bǔ)償和QoS 增強(qiáng)等機(jī)制，進(jìn)一步滿足了終端到終端場(chǎng)景的時(shí)間敏感通信需求[13]。

3 時(shí)間敏感通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精準(zhǔn)時(shí)間同步

在TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，包含兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間同步系統(tǒng)：5G 系統(tǒng)時(shí)間同步和TSN域時(shí)間同步。在5G 系統(tǒng)內(nèi)，DS-TT、UE、5G 基站（next generation node B，gNB）、UPF 和NW-TT 需要與5G 內(nèi)部主時(shí)鐘（5G grand master，5GGM）進(jìn)行同步，其中，5G 系統(tǒng)邊緣的TSN 轉(zhuǎn)換器需要支持IEEE 802.1AS 相關(guān)功能。對(duì)于TSN 域同步，TSN終端需要與TSNGM 進(jìn)行同步，時(shí)間同步系統(tǒng)如圖3 所示，首先，TSN 域用于時(shí)鐘同步的高精度時(shí)間同步協(xié)議（precision time protocol，(g)PTP）消息由TSN GM 傳遞到NW-TT，NW-TT 為其添加一個(gè)入口時(shí)間戳（TSi）；UPF 將(g)PTP 消息傳遞給gNB后，通過(guò)空口傳遞給終端，終端在收到(g)PTP 消息后將其轉(zhuǎn)發(fā)給DS-TT，DS-TT 為其創(chuàng)建出口時(shí)間戳（TSe），其中，TSe 和TSi 之間的差值即(g)PTP 消息在5G 系統(tǒng)中的駐留時(shí)間。隨后，DS-TT 將(g)PTP消息在5G 系統(tǒng)中的駐留時(shí)間轉(zhuǎn)化為TSN 域時(shí)間，通過(guò)在矯正字段中添加所計(jì)算駐留時(shí)間，降低5G系統(tǒng)時(shí)延對(duì)TSN 域終端的影響[14-15]。

圖3 時(shí)間同步系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)TSN 終端和TSNGM 時(shí)鐘之間的精確時(shí)間同步，需要控制5G 系統(tǒng)引入的時(shí)延誤差。3GPP Rel-16 提出主時(shí)鐘和終端時(shí)鐘間的時(shí)鐘誤差不超過(guò)1 μs，其中，5G 系統(tǒng)引入的時(shí)間同步誤差包含以下3 個(gè)因素。

（1）網(wǎng)絡(luò)側(cè)精度

網(wǎng)絡(luò)側(cè)精度指基站和TSNGM 時(shí)鐘之間的同步誤差。TSNGM 時(shí)鐘和基站之間的最大絕對(duì)時(shí)間誤差（TE）見表3，不同的同步源位置可以實(shí)現(xiàn)不同的同步精度。

表3 TSN GM 時(shí)鐘和基站之間的最大絕對(duì)時(shí)間誤差（TE）

（2）空口精度

空口精度指空口傳輸引入的同步誤差。不同站間距下的同步精度見表4，當(dāng)終端到基站的距離較近時(shí)，無(wú)須空口傳輸時(shí)延補(bǔ)償即可滿足1 μs的同步精度需求；當(dāng)終端到基站的距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要對(duì)空口傳輸進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，研究報(bào)告TR 38.825[12]指出，當(dāng)終端應(yīng)用傳播時(shí)延補(bǔ)償后，無(wú)須考慮站間距影響，在15 kHz 子載波間隔下均可以達(dá)到470～540 ns 的時(shí)間同步精度。

表4 不同站間距下的同步精度

（3）時(shí)鐘參考信息粒度

時(shí)鐘參考信息粒度指基站發(fā)送的時(shí)鐘參考信息粒度?？湛诟呔仁跁r(shí)如圖4 所示，基站可通過(guò)廣播系統(tǒng)信息塊9（system information block type 9，SIB9）或單播無(wú)線資源控制（radio resource control，RRC）專用信令兩種方式將時(shí)鐘信息傳遞給終端，將5G 空口授時(shí)粒度提升至10 ns。

圖4 空口高精度授時(shí)

研究報(bào)告TR38.825[12]指出，當(dāng)子載波間隔取15 kHz 且進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償時(shí)，空口時(shí)間同步誤差最大為540 ns，此時(shí)，如果TSNGM 和基站間的時(shí)間同步誤差取100 ns、時(shí)鐘參考信息粒度誤差取25 ns，則時(shí)鐘源到終端時(shí)鐘之間的總同步誤差為665 ns，可以滿足Rel-16 提出的主時(shí)鐘和終端時(shí)鐘間的時(shí)鐘誤差小于或等于1 μs 的時(shí)間同步需求。

在Rel-16 研究的主時(shí)鐘與終端時(shí)鐘同步場(chǎng)景基礎(chǔ)上，Rel-17 進(jìn)一步研究了控制到控制時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的時(shí)間同步需求，終端到終端確定性通信如圖5 所示，在控制到控制場(chǎng)景中，主時(shí)鐘位于某個(gè)終端，其他終端從有主時(shí)鐘的終端上獲取時(shí)鐘，時(shí)間同步誤差不超過(guò)900 ns?？紤]到時(shí)間同步消息需要由終端發(fā)往UPF 后，再由UPF 發(fā)送給另一個(gè)終端，時(shí)間同步過(guò)程將引入兩次5G 系統(tǒng)時(shí)延誤差，因此，單程時(shí)間同步誤差需要小于或等于450 ns[16]。

圖5 終端到終端確定性通信

為了提高時(shí)間同步精度，需要考慮定時(shí)同步信息顆粒度引入的±5 ns 的同步誤差，在此基礎(chǔ)上，將5G 系統(tǒng)引入的時(shí)間同步誤差分為如表5所示的3 個(gè)部分[17]。

表5 時(shí)間同步誤差

在Rel-16 中，為了降低空口傳輸引入的同步開銷，采用定時(shí)提前量（timing advance，TA）的1/2 的傳播時(shí)延補(bǔ)償機(jī)制[18]。然而，當(dāng)子載波取15 kHz 時(shí)，TA 粒度將引入±260 ns 的時(shí)間同步誤差，無(wú)法滿足控制到控制場(chǎng)景提出的空口時(shí)間同步精度需求，因此，Rel-17 需要對(duì)時(shí)間同步機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步滿足時(shí)間敏感通信業(yè)務(wù)的時(shí)間同步精確度需求，Rel-17 重點(diǎn)研究了基于往返時(shí)延（round-trip time，RTT）的傳播時(shí)延補(bǔ)償方案[19]，通過(guò)計(jì)算終端和基站側(cè)的發(fā)送接收時(shí)間差獲取傳播時(shí)延，基于RTT 的時(shí)延補(bǔ)償如圖6 所示，總的傳播時(shí)延表示為 1/2((t2-t1)+(t4-t3)) = 1/2((t4-t1)-(t3-t2))，該方案包括以下兩種類型。

圖6 基于RTT 的時(shí)延補(bǔ)償

· 終端側(cè)時(shí)延補(bǔ)償：終端測(cè)量終端側(cè)的發(fā)送接收時(shí)間差，通過(guò)下行傳輸信令獲取基站側(cè)的發(fā)送接收時(shí)間差，計(jì)算傳播時(shí)延并補(bǔ)償接收到的參考定時(shí)信息。

· 基站側(cè)時(shí)延預(yù)補(bǔ)償：終端將終端側(cè)的發(fā)送接收時(shí)間差發(fā)送給基站，基站測(cè)量基站側(cè)的發(fā)送接收時(shí)間差，并在發(fā)送給終端之前對(duì)參考定時(shí)信息進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償；為了避免終端側(cè)和基站側(cè)的重復(fù)時(shí)延補(bǔ)償，基站可以通過(guò)專用信令控制終端側(cè)的時(shí)延補(bǔ)償。

3.2 QoS 和調(diào)度增強(qiáng)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制和未來(lái)工廠等應(yīng)用場(chǎng)景中，業(yè)務(wù)周期以赫茲為單位，其長(zhǎng)度可能不是NR 支持的半持續(xù)調(diào)度（semi-persistent scheduling，SPS）或配置授權(quán)（configured grant，CG）資源的整數(shù)倍；而且，單個(gè)終端可能會(huì)同時(shí)收到多個(gè)具有不同周期、不同關(guān)鍵優(yōu)先級(jí)的周期性數(shù)據(jù)流，部分時(shí)間敏感業(yè)務(wù)提出了端到端時(shí)延小于0.5 ms、可靠性達(dá)到99.99%到99.999 9%的需求。在NR Rel-15 標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)單個(gè)終端，每個(gè)小區(qū)的每個(gè)帶寬部分（bandwidth part，BWP）只能支持一個(gè)SPS 和/或CG 配置，而且，SPS 周期的最小粒度為10 ms，無(wú)法滿足時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的需求。

為了滿足時(shí)間敏感業(yè)務(wù)需求，3GPP Rel-16 提出了配置更短 SPS/CG 周期，同時(shí)配置多套SPS/CG 資源等方法，解決了時(shí)間敏感業(yè)務(wù)周期與配置資源周期不匹配問(wèn)題。另外，核心網(wǎng)為基站下發(fā)時(shí)間敏感通信輔助信息，其中包括時(shí)間敏感業(yè)務(wù)周期、數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間等業(yè)務(wù)特性，輔助基站下發(fā)更合理、高效的資源配置。

為了保證時(shí)間敏感通信業(yè)務(wù)的可用性，Rel-17引入了一個(gè)新的QoS 參數(shù)——生存時(shí)間，該參數(shù)用于反映周期性業(yè)務(wù)的可用性，具體表示從故障中恢復(fù)的可用時(shí)間。生存時(shí)間如圖7 所示，當(dāng)接收端在生存時(shí)間定時(shí)器超時(shí)前沒(méi)有收到下一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，認(rèn)為該無(wú)線過(guò)程失敗。為了輔助無(wú)線側(cè)更好地支持生存時(shí)間參數(shù)，核心網(wǎng)通過(guò)時(shí)間敏感通信輔助信息將生存時(shí)間參數(shù)信息發(fā)送給無(wú)線側(cè)，基站和終端利用該輔助信息，提高相應(yīng)鏈路的可靠性以滿足生存時(shí)間需求[20]。

圖7 生存時(shí)間

3.3 以太網(wǎng)頭壓縮

在時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)需要封裝為以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸。為了在5G 網(wǎng)絡(luò)中支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以太網(wǎng)幀在5G 系統(tǒng)中以以太網(wǎng)類型的PDU會(huì)話傳輸。一般來(lái)說(shuō)，工廠自動(dòng)化、電力分布等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包有效載荷較小，以太網(wǎng)幀頭在整個(gè)數(shù)據(jù)包中占比較大，降低了數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，3GPP Rel-16 協(xié)議提出了以太網(wǎng)頭壓縮方法，通過(guò)壓縮以太幀頭中的源地址、目標(biāo)地址、長(zhǎng)度/類型以及802.1Q標(biāo)簽等靜態(tài)配置降低了以太網(wǎng)報(bào)頭開銷，IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q）見表6。研究表明，以太網(wǎng)幀越小，以太網(wǎng)頭壓縮技術(shù)的增益越大，當(dāng)以太網(wǎng)幀大小為64 byte 時(shí)，可以獲得20%～27%的增益。

表6 IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q），單位：八字節(jié)（octet）

4 結(jié)束語(yǔ)

5G 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界正在積極推動(dòng)的全新工業(yè)通信技術(shù)，通過(guò)TSN、DetNet 和TSC技術(shù)的融合，可以實(shí)現(xiàn)跨廣域通信和端到端的極致確定性體驗(yàn)。為了逐步實(shí)現(xiàn)5G 確定性網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先開展了TSN和5G網(wǎng)絡(luò)融合后的時(shí)間敏感通信技術(shù)研究。時(shí)間敏感通信技術(shù)引入高精度時(shí)間同步和傳輸時(shí)延補(bǔ)償機(jī)制，降低了業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)。引入新的QoS 參數(shù)和調(diào)度增強(qiáng)機(jī)制，配置了更可靠的無(wú)線資源，提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)目捎眯院涂煽啃?。另外，考慮頻譜資源的稀缺性，引入以太網(wǎng)幀頭壓縮技術(shù)，降低了開銷，提高了時(shí)間敏感通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸效率。未來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，考慮將確定性技術(shù)與移動(dòng)邊緣服務(wù)器進(jìn)行融合，將通信和計(jì)算等資源分配給具有時(shí)間敏感通信需求的終端和網(wǎng)絡(luò)，改善無(wú)線側(cè)時(shí)間敏感通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。