5G TSN融合發(fā)展和應(yīng)用方案探索

董秋麗，李 靜（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

0 引言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化制造、智能交通等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精度和可靠性的要求也越來越高。在這種背景下，5G TSN 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為滿足高時(shí)間精度、高可靠性應(yīng)用的重要技術(shù)手段。5G TSN 技術(shù)將5G 網(wǎng)絡(luò)和TSN 技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化制造、智能交通等領(lǐng)域中時(shí)延抖動(dòng)和可靠性要求更高的應(yīng)用的支持。5G TSN 技術(shù)可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精度和可靠性，為相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用帶來顯著好處；通過5G 無線網(wǎng)絡(luò)替代工廠內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)，解決工廠有線連接的問題，增加工業(yè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化。5G TSN 打造全面互通靈活接入的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。TSN作為有線代表、5G 作為無線代表，二者融合是技術(shù)發(fā)展的趨勢。本文旨在研究5G TSN 融合需求、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)進(jìn)展，并對(duì)應(yīng)用方案進(jìn)行探索，為進(jìn)一步推動(dòng)5G TSN融合技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 5G TSN融合需求

1.1 背景

TSN 是由以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)（Audio Video Bridging，AVB）網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)而來，AVB工作組制定了一系列新的802.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)有以太網(wǎng)進(jìn)行功能擴(kuò)充，包括帶寬保持、限制延時(shí)和精確時(shí)鐘同步，提供了高質(zhì)量、低延時(shí)、時(shí)間同步的音視頻局域網(wǎng)解決方案。之后，隨著工業(yè)和汽車對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的需求迅速增長，在2012年，AVB 工作組更名為TSN 工作組，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用場景，提出了更多可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，借此在未來的工業(yè)和汽車等領(lǐng)域繼續(xù)引領(lǐng)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著技術(shù)的演進(jìn)，有線的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適配所有場景的需求，工業(yè)4.0 需要網(wǎng)絡(luò)破除僵化壁壘，提供更加動(dòng)態(tài)、靈活和智能的連接。

1.2 行業(yè)需求推動(dòng)

行業(yè)需求推進(jìn)5G TSN 融合。垂直行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了額外的要求：即時(shí)延敏感要求和靈活可靠的連接。例如工業(yè)領(lǐng)域的PLC 系統(tǒng)需要按特定順序執(zhí)行控制動(dòng)作，系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備甚至需要μs 級(jí)的時(shí)鐘同步；運(yùn)動(dòng)控制通過定期向執(zhí)行器傳輸請(qǐng)求的速度和位置值等來實(shí)時(shí)控制機(jī)器部件的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)必須在特定時(shí)刻及時(shí)完成所有相關(guān)執(zhí)行器的數(shù)據(jù)和所有傳感器報(bào)告的傳輸，以實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)，因此需要較低的時(shí)延。港口龍門吊場景通過遠(yuǎn)程控制可以避免高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要較低的時(shí)延和靈活的網(wǎng)絡(luò)部署。將5G網(wǎng)絡(luò)和TSN技術(shù)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化制造、智能交通等領(lǐng)域中對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序精度和可靠性要求更高的應(yīng)用的支持。表1所示為未來工廠的一些最重要應(yīng)用領(lǐng)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、周期時(shí)間和有效載荷大小的一些典型值。這些典型的需求反映了當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)滿足行業(yè)時(shí)延需求需要達(dá)到的指標(biāo)。

表1 未來工廠典型場景業(yè)務(wù)需求

1.3 技術(shù)優(yōu)勢推動(dòng)

5G 和TSN 融合在技術(shù)上具有優(yōu)勢。TSN 是以太網(wǎng)協(xié)議模型中第2 層（數(shù)據(jù)鏈路層）的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。TSN 技術(shù)可以提供更高的網(wǎng)絡(luò)時(shí)序精度和可靠性保障，包括精度時(shí)鐘同步、低時(shí)延抖動(dòng)、高可靠性等確定性服務(wù)。同時(shí)，基于通用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，打破封閉協(xié)議限制，提高連接性和通用性，使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)更開放。5G uRLLC功能提供了與TSN 功能的良好匹配，這2 種關(guān)鍵技術(shù)可以組合和集成以提供端到端的確定性連接。在時(shí)延方面，可實(shí)現(xiàn)最低空口時(shí)延1 ms 的目標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，時(shí)間同步方面，通過UE、gNB 和UPF 之間的時(shí)鐘同步，在5G作為TSN 網(wǎng)橋時(shí)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性時(shí)延，5G 內(nèi)時(shí)鐘同步誤差小于1 μs；通過傳輸時(shí)延補(bǔ)償，5G 內(nèi)時(shí)鐘同步誤差小于900 ns。5G TSN 融合將進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，滿足實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測的需求。

2 5G TSN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

5G 系統(tǒng)是工業(yè)應(yīng)用中無線通信的關(guān)鍵使能技術(shù)。3GPP從一開始就考慮了工業(yè)應(yīng)用場景的超高可靠、超低延遲的技術(shù)特征。3GPP分別在SA和RAN開展TSN的研究，SA 側(cè)首先從需求角度展開分析，開展垂直行業(yè)對(duì)除時(shí)延外的確定性要求研究；之后分別在SA2 和RAN 開展5G TSN 的研究；在R16 完成5G TSN 系統(tǒng)間拉通，完成基本與TSN系統(tǒng)的對(duì)接功能；在R17進(jìn)行深度確定性增強(qiáng)，靈活的時(shí)間同步機(jī)制以及擴(kuò)展的TSCAI 幫助RAN 調(diào)度；R18 進(jìn)行廣域擴(kuò)充，包括支持DetNet，N3確定性以及時(shí)間同步增強(qiáng)。

圖1 所示為TSN 標(biāo)準(zhǔn)研究的主要內(nèi)容。以下就R16、R17、R18 的研究課題和主要研究內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步的介紹。

2.1 5G TSN網(wǎng)橋階段

即R16 5G TSN 階段，主要連通兩端的TSN 網(wǎng)絡(luò)，5G 作為TSN 網(wǎng)橋，保障端到端網(wǎng)絡(luò)的確定性。TSN 在5G 頂層集成，最大限度減少對(duì)現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部機(jī)制的影響，需要完成TSN 網(wǎng)橋能力上報(bào)、配置信息下發(fā)以及QoS 映射等功能。首先，將5G 充當(dāng)TSN 網(wǎng)絡(luò)的1個(gè)或多個(gè)網(wǎng)橋集成在TSN 系統(tǒng)中。TSN 在5G 頂層集成，并通過TSN 轉(zhuǎn)換器（TSN translator，TT）進(jìn)行系統(tǒng)間拉通。

5G 系統(tǒng)與TSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在技術(shù)上融合創(chuàng)新并協(xié)同部署。通過支持802.1Qci 和802.CB 協(xié)議和5G Delay Critical GBR QoS management 功能，同時(shí)在控制面引入TSN AF，用戶面引入NW-TT（UPF 側(cè)）和DS-TT（UE 側(cè)），對(duì)相關(guān)端口、協(xié)議數(shù)據(jù)單元以及QoS 機(jī)制進(jìn)行UE 和業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的映射，支持TSN 相關(guān)流量調(diào)度特性。一方面，通過TSN 轉(zhuǎn)換器（NW-TT 和DS-TT）解決5G 與TSN 網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接；另一方面，完成業(yè)務(wù)能力的適配，即以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)功能、增強(qiáng)的QoS和高精度時(shí)間同步。5G TSN 融合進(jìn)一步滿足時(shí)間同步、低時(shí)延、高可靠、資源管理等功能需求。

R16 支持的5G TSN 關(guān)鍵功能包括高精度時(shí)間同步、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、TSN 管理協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和Ethernet類型的PDU Session。

5G TSN 網(wǎng)橋階段是5G 與TSN 早期系統(tǒng)拉通的解決方案。時(shí)間同步作為其操作的重要組成部分嵌入到5G 蜂窩無線系統(tǒng)，主要應(yīng)用在5G 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共存、不同域協(xié)作的場景。5G TSN 網(wǎng)橋階段版本是5G TSN融合早期版本，它提供了基本思路和框架。

2.2 確定性增強(qiáng)階段

5G 增強(qiáng)確定性功能，一方面新增網(wǎng)元管理5G 系統(tǒng)內(nèi)TSN 相關(guān)模塊功能，另一方面通過靈活配置同步主控，增強(qiáng)時(shí)間同步的靈活性，更加適配工業(yè)場景如UE-UE 通信。通過全面引入相關(guān)的TSN 特性以支持更高要求的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，提升了確定性網(wǎng)絡(luò)能力，保障UE-UE 的確定性通信，適配工業(yè)非TSN 網(wǎng)絡(luò)，為外部提供時(shí)鐘源；保障更多的確定性網(wǎng)絡(luò)能力。R17 對(duì)5G TSN 進(jìn)行了增強(qiáng)以支持TSC，并分別在SA2 和RAN（IIoT）開展研究，進(jìn)一步擴(kuò)展了時(shí)間敏感通信，提升內(nèi)生確定性網(wǎng)絡(luò)能力，保障UE-UE 的確定性通信，適配工業(yè)非TSN 網(wǎng)絡(luò)，為外部提供時(shí)鐘源；保障更多的確定性網(wǎng)絡(luò)能力。

R17支持的5G TSN主要包括如下功能。

a）引入survival time，優(yōu)化RAN側(cè)調(diào)度。

b）新增網(wǎng)元TSC TSF（Time Sensitive Communication and Time Synchronization function），支持更廣泛的時(shí)鐘同步服務(wù)。

c）支持UE-UE 通信。確定性增強(qiáng)階段從5G 系統(tǒng)內(nèi)部提升時(shí)間感知能力，時(shí)間同步機(jī)制更加靈活，是5G 系統(tǒng)內(nèi)部具備TSN 能力的階段。特別是UE-UE的確定性通信能力，可以更好地匹配行業(yè)需求。

2.3 廣域確定性階段

5G 支持IETF 確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet），保障更廣域的確定性能力。5GS 和回傳網(wǎng)絡(luò)的TSN 互通，是在回傳網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)支持TSN 的基礎(chǔ)上，回傳網(wǎng)絡(luò)和5GS 互通可以提供端到端的確定性轉(zhuǎn)發(fā)能力。TSN 與5G 承載網(wǎng)融合提升傳輸網(wǎng)絡(luò)的確定性，就是提升N3接口上的確定性。其好處是使得N3接口的組網(wǎng)更加靈活，可以把TSN 網(wǎng)絡(luò)部署在更大的范圍內(nèi)。同時(shí)，除了TSN 網(wǎng)橋外，支持與CNC 交互，完成TSN 功能，面向CNC 的交互和相關(guān)功能配置標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)“TSN in 5G”。

R18計(jì)劃進(jìn)行功能提升（與DetNET 互通），保障更廣域的確定性能力，主要包含如下研究項(xiàng)目和內(nèi)容。

a）FS_DetNet 項(xiàng)目。主要研究3GPP 網(wǎng)絡(luò)如何支持IETF 確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet），該項(xiàng)目目前還在研究階段。

b）FS_5TRS_uRLLC 項(xiàng)目。主要研究時(shí)間同步增強(qiáng)、時(shí)間同步能力開放增強(qiáng)、5GC和支持TSN的回傳網(wǎng)絡(luò)互通等內(nèi)容。

廣域確定性是5G確定性能力的進(jìn)一步增強(qiáng)，通過N3 確定性研究進(jìn)一步提升系統(tǒng)低時(shí)延能力。通過彈性授時(shí)提出5G時(shí)間即服務(wù)的概念，除傳統(tǒng)意義上的速率可靠性指標(biāo)，5G 滿足諸如電網(wǎng)、金融等行業(yè)的授時(shí)需求。

3 應(yīng)用方案探索

3.1 關(guān)鍵問題

5G 系統(tǒng)與TSN 網(wǎng)絡(luò)融合需要在技術(shù)上的融合創(chuàng)新以及在方案上的協(xié)同部署。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還不夠成熟，相應(yīng)產(chǎn)品仍處于早期階段，同時(shí)系統(tǒng)間接口缺乏統(tǒng)一規(guī)范，接口適配工作較大，融合推進(jìn)需要分步進(jìn)行。應(yīng)用方案針對(duì)以下3個(gè)關(guān)鍵問題逐步推進(jìn)。

a）應(yīng)以具備TSN 能力為基礎(chǔ)，使得5G 網(wǎng)絡(luò)本身具備TSN能力。在低時(shí)延、高可靠的基礎(chǔ)上，針對(duì)周期性業(yè)務(wù)流更進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度時(shí)延、精準(zhǔn)的時(shí)延控制和抖動(dòng)控制。

b）提升5G 網(wǎng)絡(luò)N3 確定性。5G 網(wǎng)絡(luò)端到端確定性涉及業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等多段網(wǎng)絡(luò)，但是N3 接口即承載網(wǎng)部分尚未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，亟需提升該部分的保障能力。

c）與外部TSN 網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接能力。如通過DS-TT、NW-TT與外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，逐步實(shí)現(xiàn)與工業(yè)應(yīng)用無縫融合，拓展5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。

3.2 基礎(chǔ)能力提升

相比傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，垂直業(yè)務(wù)需要確定性能力要求，如圖2 所示。因此，5G 具備TSN 功能是首先要解決的關(guān)鍵問題，這也是3GPP標(biāo)準(zhǔn)R16/R17階段所研究的內(nèi)容。

圖2 相比toC業(yè)務(wù)，toB業(yè)務(wù)具有能力增強(qiáng)要求

a）5G 實(shí)現(xiàn)TSN 精確時(shí)間同步的能力。采用高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，如IEEE 1588v2、GPS、北斗衛(wèi)星等，實(shí)現(xiàn)μs 級(jí)時(shí)鐘同步。通過5G 系統(tǒng)分發(fā)外部時(shí)鐘；通過SIB9和UAI配置實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。

b）5G 實(shí)現(xiàn)TSN 流調(diào)度業(yè)務(wù)保障能力。TSN 中的流量分類與5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型建立映射關(guān)系，同時(shí)保留TSN 對(duì)于流量配置的相關(guān)標(biāo)記。流量在經(jīng)過5G 網(wǎng)絡(luò)的傳輸后剝離5G 封裝，進(jìn)入業(yè)務(wù)系統(tǒng)，仍然按照TSN流量調(diào)度類型進(jìn)行確定性傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)通過QoS為TSN 數(shù)據(jù)包分配優(yōu)先級(jí)，保障TSN 數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)和可靠性。

c）5G 實(shí)現(xiàn)有界確定時(shí)延和抖動(dòng)的能力。通過Delay Critical GBR、TSCAI 調(diào)度、預(yù)調(diào)度等技術(shù)降低空口時(shí)延；在抖動(dòng)方面，基于802.1Qbv 精準(zhǔn)門控的優(yōu)化調(diào)度、低MCS等技術(shù)，消除抖動(dòng)。

d）5G 實(shí)現(xiàn)TSN 幀復(fù)制和幀消除的高可靠能力。通過雙UE、雙連接、幀復(fù)制和幀消除等機(jī)制提升系統(tǒng)可靠性。

3.3 承載網(wǎng)增強(qiáng)

N3 確定性是5G 端到端確定性的重要組成部分。目前實(shí)現(xiàn)上可以通過本地分流方案，或者通過網(wǎng)絡(luò)切片、FlexE等方式提升承載網(wǎng)能力。

5G 本地?cái)?shù)據(jù)分流是指在5G 網(wǎng)絡(luò)中，將用戶設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量分流到本地網(wǎng)絡(luò)中處理，而不是全部發(fā)送到核心網(wǎng)絡(luò)中處理?？梢酝ㄟ^UPF 下沉或者基站側(cè)數(shù)據(jù)分流的方式實(shí)現(xiàn)。本地?cái)?shù)據(jù)分流可以將數(shù)據(jù)處理分配到距離用戶更近的邊緣設(shè)備上，從而減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離和時(shí)間，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。同時(shí)還能保障園區(qū)數(shù)據(jù)不外流，使得企業(yè)數(shù)據(jù)得到保護(hù)，節(jié)省防火墻的配置。5G 本地?cái)?shù)據(jù)分流是一種有效的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化手段，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)，同時(shí)也可以減輕核心網(wǎng)的壓力，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，從而支持更多的應(yīng)用場景（見圖3）。

圖3 本地分流方案

FlexE 技術(shù)是一種靈活以太網(wǎng)（FlexEthernet）技術(shù)，它可以將以太網(wǎng)接口的帶寬拆分成更小的部分，從而提高以太網(wǎng)的靈活性和可擴(kuò)展性。FlexE 技術(shù)的主要作用是在提供高帶寬網(wǎng)絡(luò)連接的同時(shí)保證服務(wù)質(zhì)量（QoS）。網(wǎng)絡(luò)切片是可以為TSN 應(yīng)用劃分獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片，提供可靠的網(wǎng)絡(luò)資源保障。

同時(shí)，也可以通過在N3接口部署TSN設(shè)備的方式進(jìn)行互通。但是該方案還處于R18 課題研究階段，需要標(biāo)準(zhǔn)化的支持。

3.4 協(xié)同部署方式

在當(dāng)前的工廠中，對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的設(shè)備（例如控制器和現(xiàn)場設(shè)備）都是通過有線連接。無線對(duì)有線的替換需要逐步滲透，完成有線和無線的無縫對(duì)接是必須要解決的問題。因此需要打通系統(tǒng)間接口，形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)協(xié)同。目前，標(biāo)準(zhǔn)支持通過DSTT 和NW-TT 完成5G 與TSN 對(duì) 接。DS-TT/NW-TT 可作為用戶面網(wǎng)橋的入口/出口，支持802.1Qbv定義的門控機(jī)制執(zhí)行保持和轉(zhuǎn)發(fā)緩沖功能，實(shí)現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延?？刂泼嫱ㄟ^TSN AF適配5GS接口與TSN 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與TSN CNC 的CP 交互。同時(shí)，通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)5G 與原有工業(yè)協(xié)議的適配，完成不同協(xié)議層的轉(zhuǎn)換也是一個(gè)可行的解決方案。

4 結(jié)束語

5G 與TSN 融合，本質(zhì)是5GS 實(shí)現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡(luò)部分網(wǎng)元的功能，達(dá)成無線的TSN網(wǎng)絡(luò)能力。精準(zhǔn)授時(shí)、確定性保障、管理協(xié)同等為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供低時(shí)延、低抖動(dòng)的確定性通信，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的無線化和柔性制造。應(yīng)用方案結(jié)合5G TSN 標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)情況，從5G 本身出發(fā)使能確定性能力，注重基礎(chǔ)能力提升。之后再打通系統(tǒng)間接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)協(xié)同。TSN 為5G 注入了新活力，在傳統(tǒng)維度上新增了確定性能力，同時(shí)新增時(shí)間服務(wù)作為能力指標(biāo)提供給外部設(shè)備。但是5G TSN 的實(shí)際部署尚處于起步階段，應(yīng)用較少，未來還應(yīng)探索更多實(shí)際應(yīng)用助力5G TSN技術(shù)越來越成熟。