工業(yè)5G-TSN融合網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)流量整形器設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)智能工廠內(nèi)部多樣化工業(yè)任務(wù)的端到端確定性傳輸要求和差異化QoS保障要求，基于5G與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）構(gòu)建了工業(yè)5G-TSN的端到端組網(wǎng)架構(gòu)，提出了支持控制任務(wù)、音視頻任務(wù)、感知任務(wù)混合數(shù)據(jù)流整形的異構(gòu)流量整形器（HTS）。其中，面向周期性的控制任務(wù)的確定性通信要求，HTS單獨(dú)劃分?jǐn)?shù)據(jù)隊(duì)列，并設(shè)置專屬時(shí)隙，基于先入先出規(guī)則進(jìn)行整形；面向非周期的音視頻任務(wù)和感知任務(wù)的高帶寬、高并發(fā)通信需求，HTS建立共享流隊(duì)列，采用信用值規(guī)則進(jìn)行整形；同時(shí)，HTS采用令牌桶機(jī)制對(duì)剩余非周期感知任務(wù)進(jìn)行整形。OMNeT++仿真結(jié)果表明，HTS可嚴(yán)格滿足關(guān)鍵控制任務(wù)的確定性傳輸要求，同時(shí)為音視頻和感知任務(wù)的共存?zhèn)鬏斕峁╈`活調(diào)度，將非共存?zhèn)鬏斎蝿?wù)的最大端到端時(shí)延減小87.29%以上。

關(guān)鍵詞：5G；時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)；整形器；優(yōu)先級(jí)；端到端時(shí)延

中圖分類號(hào)：TN92"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695（2025）04-029-1185-06

doi： 10.19734/j.issn.1001-3695.2024.08.0268

Design of heterogeneous traffic shaper for industrial 5G-TSN converged network

Li Lin1， Luo Liangsheng1， 2， Xu Chi1， 2

（1.State Key Laboratory of Robotics， Shenyang Institute of Automation， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China; 2. Key Laboratory of Networked Control Systems， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

Abstract：To satisfy the end-to-end deterministic transmission requirements and differentiated QoS guarantee requirements for multi-type industrial tasks in smart factories， this paper employed 5G and time-sensitive network （TSN） to establish an end-to-end networking architecture of industrial 5G-TSN ， and proposed a heterogeneous traffic shaper （HTS） that supported mixed data flow shaping of control tasks， audio/video tasks， and sensing tasks. For the deterministic delay requirements of periodic control tasks， HTS divided the flow queues separately， allocated exclusive time slots， and used the first-in-first-out rule for shaping. For the high bandwidth and high-concurrent access requirements of non-periodic audio/video tasks and sensing tasks， HTS established a shared flow queue， and used the credit rule for shaping. Meanwhile， HTS used the token bucket mechanism to shape the remaining non-periodic perception tasks. The OMNeT++ simulation results show that HTS can strictly meet the deterministic transmission requirements of key control tasks， while providing flexible scheduling for the coexistence transmission of audio/video and sensing tasks， reducing the maximum end-to-end delay of non-coexistence transmission tasks by more than 87.29%.

Key words：5G; time-sensitive networking; shaper; priority; end-to-end latency

0 引言

當(dāng)前，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)普遍采用金字塔狀的分層組網(wǎng)架構(gòu)，IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)物理隔離。其中，IT網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)作為通信手段，要求高速率、大帶寬，通信周期為分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)、天級(jí)甚至月級(jí)。相比之下，控制器、執(zhí)行器、傳感器等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)終端通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等OT網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，要求極低時(shí)延和超高可靠傳輸保障，通信周期為秒級(jí)甚至毫秒級(jí)。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)逐漸向無(wú)線化、扁平化轉(zhuǎn)型，支持人、機(jī)、物全面互聯(lián)[1]。其中，5G以其高帶寬、超可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)逐漸發(fā)展成為工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的代表性無(wú)線技術(shù)，推動(dòng)工廠內(nèi)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)[2，3]。但是，盡管5G的超可靠低時(shí)延通信能夠?qū)崿F(xiàn)1 ms的空口無(wú)線通信時(shí)延，但是數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)5G的承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等傳輸后，端到端時(shí)延將大幅增加至20 ms以上，無(wú)法滿足低時(shí)延、高可靠工業(yè)控制要求[4]。更重要的是，工業(yè)閉環(huán)控制、機(jī)器視覺(jué)、過(guò)程測(cè)控等異構(gòu)工業(yè)任務(wù)具有多樣化的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）要求，必須在5G的端到端網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行混流共網(wǎng)傳輸。典型地，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)過(guò)程控制等控制任務(wù)具有強(qiáng)時(shí)延敏感性，要求確定性傳輸；機(jī)器視覺(jué)、視頻監(jiān)控等音視頻任務(wù)要求高帶寬保證；組態(tài)配置、環(huán)境感知等感知任務(wù)要求高并發(fā)接入。但是，現(xiàn)階段5G缺乏有效機(jī)制處理異構(gòu)工業(yè)任務(wù)端到端共網(wǎng)傳輸問(wèn)題。特別是5G承載網(wǎng)難以規(guī)避音視頻任務(wù)、感知任務(wù)對(duì)控制任務(wù)等強(qiáng)時(shí)延敏感任務(wù)的干擾。

針對(duì)5G端到端傳輸過(guò)程中難以支持異構(gòu)工業(yè)任務(wù)共網(wǎng)傳輸?shù)膯?wèn)題，將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive networking，TSN）與5G進(jìn)行異構(gòu)融合，有望實(shí)現(xiàn)上述問(wèn)題[5]。具體來(lái)說(shuō)，TSN是基于IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議的鏈路層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用了不同機(jī)制保障確定性傳輸及協(xié)議間互操作[6，7]，包括：利用時(shí)鐘同步協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)具有相同的網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)間及精準(zhǔn)的同步時(shí)鐘；根據(jù)工業(yè)任務(wù)的QoS需求，利用資源預(yù)留和流量整形規(guī)則實(shí)現(xiàn)差異化的混流共網(wǎng)傳輸；引入集中管理實(shí)體，對(duì)數(shù)據(jù)幀及路由路徑進(jìn)行冗余和備份，避免數(shù)據(jù)幀和傳輸路徑的錯(cuò)誤或故障以增強(qiáng)傳輸確定性。因此，TSN可以提供確定性傳輸保障，支持5G的端到端確定性通信。

5G與TSN的融合可歸類為拼接式融合、承載網(wǎng)融合以及深度融合。其中，拼接式融合是將已具備TSN特性的系統(tǒng)與5G系統(tǒng)簡(jiǎn)單拼接，通過(guò)流量協(xié)同調(diào)度提升端到端QoS[8]；承載網(wǎng)融合是將TSN應(yīng)用于5G前傳、中傳或回傳[9，10]，提高5G系統(tǒng)端到端確定性；深度融合是將5G系統(tǒng)視為具備TSN特性的橋接系統(tǒng)，通過(guò)定義新的QoS模型和集中配置實(shí)體賦予5G用戶面、控制面TSN特性[11，12]。無(wú)論采用何種融合方式，異構(gòu)工業(yè)任務(wù)共網(wǎng)傳輸都需要分類整形，以滿足不同的QoS需求。文獻(xiàn)[13，14]分析了基于信用值的整形規(guī)則（credit based sha-per，CBS）對(duì)資源預(yù)留流量和“盡力而為”流量的整形過(guò)程，并給出了最壞端到端時(shí)延和流量積壓上界。相比于CBS僅能提供一定范圍的時(shí)延區(qū)間保證，時(shí)間感知整形（time aware shaper，TAS）通過(guò)嚴(yán)格配置輸出門的開(kāi)放關(guān)閉時(shí)間，可以得到確定性時(shí)延。文獻(xiàn)[13，15]分析了TAS中各類流量的最壞端到端時(shí)延上界。為了簡(jiǎn)化TAS配置復(fù)雜度，提高整形靈活性，文獻(xiàn)[16]分析了蠕動(dòng)整形和異步整形對(duì)流量的整形過(guò)程及時(shí)延約束。

盡管CBS和TAS在有線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械玫搅藦V泛應(yīng)用，但在面對(duì)5G大規(guī)模接入時(shí)，其單一流量整形規(guī)則所采用的時(shí)間觸發(fā)或事件觸發(fā)機(jī)制不足以處理海量異構(gòu)數(shù)據(jù)流，難以滿足不同的QoS需求[13]。因此，本文面向工廠內(nèi)網(wǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)流傳輸需求建立了工業(yè)5G-TSN系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了異構(gòu)流量整形器（heterogeneous traffics shaper，HTS）。具體來(lái)說(shuō)，HTS按照QoS需求將異構(gòu)工業(yè)數(shù)據(jù)流劃分為不同流隊(duì)列。HTS為控制任務(wù)單獨(dú)劃分流隊(duì)列和專屬時(shí)隙，利用先入先出對(duì)控制任務(wù)整形。HTS允許多個(gè)音視頻任務(wù)和感知任務(wù)共享流隊(duì)列，利用信用值對(duì)音視頻任務(wù)和感知任務(wù)進(jìn)行整形。當(dāng)音視頻任務(wù)和感知任務(wù)傳輸時(shí)隙沖突時(shí)，HTS利用優(yōu)先級(jí)對(duì)音視頻任務(wù)和感知任務(wù)進(jìn)行整形。

與廣泛使用的TAS和CBS整形器相比，HTS在網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、調(diào)度靈活性以及服務(wù)確定性等方面均有一定優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：

a）為滿足工廠內(nèi)大規(guī)模異構(gòu)任務(wù)的高并發(fā)通信要求，綜合考慮5G和TSN的優(yōu)勢(shì)，從網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、調(diào)度靈活性和服務(wù)確定性角度出發(fā)，構(gòu)建了工業(yè)5G-TSN的端到端組網(wǎng)架構(gòu)，支持有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的綜合集成。為工廠內(nèi)網(wǎng)的周期性、非周期性實(shí)時(shí)流的端到端確定性傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

b）面向異構(gòu)任務(wù)的差異化QoS要求，打破傳統(tǒng)的單一流量調(diào)度機(jī)制，設(shè)計(jì)了全新的異構(gòu)流量整形器HTS，支持流量隔離、細(xì)粒化時(shí)隙分配以及按需多元調(diào)度，不僅保證控制任務(wù)確定性時(shí)延，還能實(shí)現(xiàn)音視頻和感知任務(wù)的共網(wǎng)傳輸，提高了資源利用率。

c）基于OMNeT++搭建了工業(yè)5G-TSN仿真環(huán)境，驗(yàn)證了所提HTS整形器的有效性和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)與代表性整形器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，HTS獲取了平滑的流量整形效果，增強(qiáng)了擁塞控制、提高了帶寬利用率，時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)，降低低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)延87.29%以上。

1 工業(yè)5G-TSN端到端組網(wǎng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)模型

基于5G和TSN，構(gòu)建了工廠內(nèi)5G-TSN融合組網(wǎng)架構(gòu)，如圖1所示。工業(yè)5G-TSN包括工業(yè)網(wǎng)關(guān)、工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)基站以及各種工業(yè)有線和無(wú)線設(shè)備。工業(yè)網(wǎng)關(guān)、工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)基站和工業(yè)有線設(shè)備通過(guò)TSN互聯(lián)，工業(yè)基站和工業(yè)無(wú)線設(shè)備通過(guò)5G互聯(lián)。

a）工業(yè)網(wǎng)關(guān)，采用熱備份機(jī)制，同時(shí)支持5G和TSN協(xié)議，提供協(xié)議適配服務(wù)。工業(yè)網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)整個(gè)工廠內(nèi)網(wǎng)的管理。

b）工業(yè)交換機(jī)，通過(guò)TSN協(xié)議建立工廠骨干網(wǎng)絡(luò)，連接部署在工廠內(nèi)不同區(qū)域的工業(yè)基站或工業(yè)有線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間快速通信。

c）工業(yè)基站，基于邊緣計(jì)算架構(gòu)，為其覆蓋區(qū)域內(nèi)的工業(yè)無(wú)線設(shè)備提供5G服務(wù)，而無(wú)須經(jīng)過(guò)5G核心網(wǎng)的處理。

d）工業(yè)有線設(shè)備，如機(jī)器人控制臂、攝像頭等，以固定方式部署，通過(guò)TSN有線連接到工廠骨干網(wǎng)絡(luò)。

e）工業(yè)無(wú)線設(shè)備，如移動(dòng)機(jī)器人、AGV等，以分布式方式部署，通過(guò)5G無(wú)線連接到工業(yè)基站。

工業(yè)5G-TSN采用集中式和分布式混合管理機(jī)制。工業(yè)網(wǎng)關(guān)為5G和TSN提供控制平面和用戶平面接口，以管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在控制平面上，5G的應(yīng)用功能（application function，AF）模塊連接到TSN的集中式網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network confi-guration，CNC）模塊，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。在用戶平面上，5G的用戶平面功能與TSN數(shù)據(jù)隊(duì)列交互，實(shí)現(xiàn)5G與TSN的QoS映射，區(qū)分異構(gòu)工業(yè)任務(wù)，滿足不同的QoS需求。工業(yè)網(wǎng)關(guān)對(duì)分布式工業(yè)基站進(jìn)行管理，并為工業(yè)基站分配部分系統(tǒng)管理功能。工業(yè)基站以集中的方式管理所連接的工業(yè)無(wú)線設(shè)備。換句話說(shuō)，一個(gè)工業(yè)基站在其覆蓋范圍內(nèi)獨(dú)立地調(diào)度通信。

本文所提的HTS機(jī)制用于工業(yè)網(wǎng)關(guān)、工業(yè)基站和工業(yè)交換機(jī)等模塊，以此來(lái)整形和轉(zhuǎn)發(fā)具有不同QoS要求的異構(gòu)工業(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)端到端整形。

1.2 異構(gòu)流量特征與需求

由于工業(yè)5G業(yè)務(wù)模型的多樣性，其QoS需求也存在差異性。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)與TSN融合時(shí)，需要將5G的業(yè)務(wù)模型及其QoS特征與TSN的QoS模型及優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制相映射匹配。不同工業(yè)場(chǎng)景對(duì)業(yè)務(wù)的需求雖然有較大差異，但是大部分業(yè)務(wù)需求特征呈現(xiàn)出高度的統(tǒng)一性。所以，要針對(duì)其具體需求靈活調(diào)整工廠內(nèi)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求特征將異構(gòu)業(yè)務(wù)流進(jìn)行合理的分類：

a）控制流（control traffics，CT）：CT流具有嚴(yán)格的周期和確定性時(shí)延約束，以便產(chǎn)生精準(zhǔn)的控制決策。主要用于電機(jī)控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等控制命令傳輸，采用周期性短包，屬于周期性實(shí)時(shí)流。

b）音視頻流（audio/video traffics，AVT）：AVT主要用于視頻監(jiān)控、機(jī)器視覺(jué)等數(shù)據(jù)傳輸，采用非周期性長(zhǎng)包，要求進(jìn)行有限時(shí)延的高帶寬傳輸，屬于非周期性實(shí)時(shí)流。

c）感知流（sensing traffics，ST）：主要用于組態(tài)配置、環(huán)境監(jiān)測(cè)、警報(bào)事件等數(shù)據(jù)傳輸，采用大小可變的數(shù)據(jù)包，要求進(jìn)行大規(guī)模高并發(fā)通信，雖然無(wú)嚴(yán)格時(shí)延約束，但時(shí)延不宜過(guò)大，屬于非周期性實(shí)時(shí)流。

基于以上分析，可將工業(yè)流量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，CT業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí)，其次為AVT和ST。當(dāng)不同業(yè)務(wù)到達(dá)基站、網(wǎng)關(guān)或交換設(shè)備時(shí)，根據(jù)流ID識(shí)別不同的業(yè)務(wù)流，并將不同業(yè)務(wù)流按照優(yōu)先級(jí)規(guī)則映射到不同隊(duì)列。

2 異構(gòu)流量的端到端整形機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)CT、AVT和ST等異構(gòu)流量的端到端確定性傳輸，本文設(shè)計(jì)了工業(yè)5G-TSN的異構(gòu)流量整形器HTS，建立如圖2所示的端到端流量整形機(jī)制，滿足多樣化工業(yè)任務(wù)的差異化QoS要求。針對(duì)不同設(shè)備端口，HTS將不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)映射至不同隊(duì)列中，從而將周期性實(shí)時(shí)流和非周期性實(shí)時(shí)流隔開(kāi)。然后，HTS對(duì)不同隊(duì)列進(jìn)行流量整形，既能區(qū)分不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，又能對(duì)端口總體速率進(jìn)行限制。針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，HTS將傳輸時(shí)間分離為時(shí)間長(zhǎng)度固定的循環(huán)周期，每個(gè)周期包含動(dòng)態(tài)調(diào)整的周期性實(shí)時(shí)流和非周期性實(shí)時(shí)流傳輸時(shí)隙，傳輸時(shí)隙再進(jìn)一步細(xì)粒化為共享時(shí)隙與非共享時(shí)隙。利用靈活適應(yīng)的多元整形規(guī)則與每個(gè)傳輸中的異構(gòu)流量任務(wù)相關(guān)聯(lián)，生成門口列表（gate control list，GCL），控制輸出門的開(kāi)合，以獲得最佳的流量整形效果。

2.1 CT流量整形

CT業(yè)務(wù)具有周期性特征，數(shù)據(jù)延遲交付可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制回路操作失敗。因此，對(duì)CT數(shù)據(jù)需進(jìn)行確定性傳輸。在CT時(shí)隙內(nèi)，HTS只允許CT隊(duì)列的輸出門打開(kāi)，并采用先進(jìn)先出（first-in-first-out， FIFO）規(guī)則對(duì)CT隊(duì)列進(jìn)行整形。當(dāng)有多個(gè)CT隊(duì)列時(shí)，根據(jù)CT隊(duì)列的重要程度給予不同的優(yōu)先級(jí)，基于門狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列數(shù)據(jù)傳輸?shù)母綦x，同時(shí)不同業(yè)務(wù)流呈現(xiàn)出時(shí)分多址局面，進(jìn)而將門控隊(duì)列的管理問(wèn)題轉(zhuǎn)換為時(shí)隙分配問(wèn)題，有效地管理了門控隊(duì)列的使用，避免了擁塞并且減少了等待時(shí)間，提高了通信效率，保證了CT業(yè)務(wù)流的確定性傳輸。如果前一個(gè)時(shí)隙中傳輸?shù)姆侵芷谛詳?shù)據(jù)超時(shí)，將會(huì)對(duì)CT的確定傳輸造成干擾。因此，在傳輸高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)添加一個(gè)保護(hù)帶（guard band， GB），禁止AVT和ST傳輸。圖3展示了典型的周期性GCL鏈表。

循環(huán)時(shí)間TCycleTime是系統(tǒng)執(zhí)行一次控制鏈表的時(shí)長(zhǎng)，將其視為一個(gè)周期。間隔時(shí)間TIntervalTime反映門控列表中一條門所對(duì)應(yīng)執(zhí)行時(shí)間。合理設(shè)置TCycleTime是對(duì)CT隊(duì)列進(jìn)行整形的關(guān)鍵。

如果TCycleTimelt;∑niTIntervalTime+TGuardTime，則會(huì)導(dǎo)致AVT和ST隊(duì)列始終無(wú)法執(zhí)行，其中i表示起始隊(duì)列，n表示所有隊(duì)列數(shù)。

如果TCycleTime=∑niTIntervalTime+TGuardTime，則利用GCL對(duì)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)隙進(jìn)行劃分，包括周期性時(shí)隙和非周期性時(shí)隙。其中，周期性時(shí)隙T1進(jìn)行CT業(yè)務(wù)傳輸，非周期性時(shí)隙T2進(jìn)行AVT和ST傳輸。

如果TCycleTimegt;∑niTIntervalTime+TGuardTime，則會(huì)有多余的時(shí)間t超出，即t=TCycleTime－∑niTIntervalTime－TGuardTime。在這段時(shí)間t內(nèi)，GCL狀態(tài)全部設(shè)置為打開(kāi)狀態(tài)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)規(guī)則發(fā)送所有隊(duì)列的數(shù)據(jù)。為確保在最差情況下AVT和ST不會(huì)干擾CT的數(shù)據(jù)傳輸，保護(hù)帶時(shí)間設(shè)置為傳輸ST業(yè)務(wù)最大數(shù)據(jù)幀所需的時(shí)間。

2.2 AVT和ST流量整形

在工業(yè)5G-TSN融合網(wǎng)絡(luò)中，異構(gòu)任務(wù)的共存?zhèn)鬏旊y以避免。例如，當(dāng)機(jī)械臂抓取物料時(shí)，一方面需要現(xiàn)場(chǎng)信息的高清視頻傳輸，另一方面需要控制命令的高實(shí)時(shí)傳輸。因此，針對(duì)大帶寬、高并發(fā)訪問(wèn)要求的音視頻AVT類流量和感知ST類流量的共存?zhèn)鬏?，將非周期性時(shí)隙T2進(jìn)一步劃分為非周期性共享時(shí)隙Ts2和非周期性非共享時(shí)隙Tns2。針對(duì)時(shí)隙Ts2，HTS建立基于信用值的時(shí)隙共享模型，如圖4所示。核心思路為AVT和ST的隊(duì)列使用同一個(gè)時(shí)間門控進(jìn)行門控控制，相當(dāng)于兩個(gè)隊(duì)列共享同一個(gè)時(shí)隙切片，并且使用基于信用值的整形規(guī)則進(jìn)行整形。

為了分析CT時(shí)隙與共享時(shí)隙相鄰時(shí)流量的確定性傳輸與信用值授權(quán)問(wèn)題，將調(diào)度周期拆解為周期性時(shí)隙和非周期性共享時(shí)隙兩部分討論，并設(shè)置保護(hù)帶寬等流量隔離技術(shù)消除流間干擾。因此，GCL中的門控求解問(wèn)題可以被解耦，當(dāng)CT業(yè)務(wù)被傳輸時(shí)，AVT和ST門關(guān)閉；當(dāng)AVT和ST正在傳輸時(shí)，CT門關(guān)閉。

AVT和ST隊(duì)列的調(diào)度基于信用值的規(guī)則：

a）AVT或ST流量等待傳輸時(shí)，即其隊(duì)列中數(shù)據(jù)流量無(wú)法傳輸時(shí)，對(duì)應(yīng)的信用值credit以信用累計(jì)速率idslp增加，其最大信用值為CHAVT或CHST；當(dāng)AVT或ST流量正在傳輸時(shí)，該隊(duì)列對(duì)應(yīng)的信用值以信用降低速率sdslp減少，其最小信用值為CLAVT或CLST，最大信用值和最小信用值之差構(gòu)建為信用值的閾值窗口。其中，累計(jì)速率與減少速率的關(guān)系為

sdslp=idslp－K

（1）

其中：K表示工業(yè)5G-TSN中交換機(jī)或網(wǎng)關(guān)端口傳輸速率，且

sdslp≤K

（2）

b）只有當(dāng)信用值credit≥0時(shí)，AVT或ST獲得傳輸資格。

使用cred0來(lái)表示共享時(shí)隙傳輸時(shí)段j開(kāi)始時(shí)的信用值，其中idslpi和sdslpi表示共享隊(duì)列i的信用上升和下降速率。因此，該發(fā)送時(shí)段中的任何時(shí)間的信用值可以表示為

credi（t）=g（t）sdslpi·t+credj0g（t）idslpi·t+credj0

（3）

其中：g（t）是區(qū)分周期性時(shí)隙和非周期性共享時(shí)隙中流量傳輸?shù)倪x通函數(shù)。當(dāng)傳輸CT流量時(shí)，共享時(shí)隙隊(duì)列的信用值保持不變，如式（4）所示。

g（t）=1 t{tCTO，j，tCTC，j}0 t∈{tCTO，j，tCTC，j}

（4）

其中：tCTO，j表示j中CT業(yè)務(wù)的打開(kāi)時(shí)間；tCTC，j表示傳輸j中CT流量的門關(guān)閉時(shí)間。

圖5為AVT和ST基于信用值整形過(guò)程。在t1，ST0信用值大于0并開(kāi)始傳輸，信用值以sdslpST速率減小。在[t1， t2]期間，AVT0需要排隊(duì)等待，信用值以idslpAVT速率增長(zhǎng)并達(dá)到最大值CHAVT。t2時(shí)刻ST0傳輸完成，信用值達(dá)到最小CLST，此時(shí)AVT0進(jìn)行傳輸，由于AVT0傳輸完畢時(shí)信用值大于0，在[t3， t4]期間，可以緊接著傳輸AVT1。AVT1傳輸完成時(shí)，ST1的信用值達(dá)到傳輸條件，所以在[t4， t6]期間，ST1完成傳輸。

對(duì)于QoS要求嚴(yán)苛的高優(yōu)先級(jí)流，可以通過(guò)減小信用值，增大閾值窗口，加大增長(zhǎng)速率，減緩降低速率，來(lái)獲取更多的時(shí)隙分配。反之，可以讓共存流量中QoS需求低的流量獲取較少的資源，以此達(dá)到按需分配、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的隊(duì)列公平共享傳輸，保證了AVT和ST共享隊(duì)列傳輸?shù)拇_定性服務(wù)，同時(shí)也占據(jù)較大帶寬，如式（5）所示。

0≤idslpAVT+idslpST≤0.75 K

（5）

為保證剩余隊(duì)列傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延和剩余帶寬的最大化利用，HTS將剩余端口的可用帶寬用于非共享時(shí)隙隊(duì)列，基于令牌桶機(jī)制對(duì)ST隊(duì)列進(jìn)行逐條速率控制與整形，通過(guò)控制兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)控制流量，即最大允許令牌數(shù)cbs和令牌累積速率cir，兩者關(guān)系如下：

Tfull=cbscir

（6）

其中：Tfull為令牌數(shù)從0增長(zhǎng)到cbs所用的時(shí)間。

令牌桶機(jī)制使用可調(diào)度時(shí)間Teligible來(lái)指示下一個(gè)幀傳輸條件，需滿足如下條件：

Teligible（i）≤Tarrival（i）+Tmax

（7）

其中：Tarrival（i）和Tmax表示第i個(gè)ST任務(wù)幀到達(dá)端口時(shí)間和最大駐留時(shí)間。如果滿足該條件，則根據(jù)式（8）判斷：

Tnow≥Teligible（i）

（8）

如果不滿足式（8），則直接丟棄；如果滿足式（8），則進(jìn)一步根據(jù)式（9）判斷。

LST（i）≤cbs（i）

（9）

其中：LST（i）為第i個(gè)任務(wù)幀長(zhǎng)度；cbs（i）為當(dāng)前令牌數(shù)量。如果滿足式（9）則發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀，剩余令牌數(shù)為

Token=cbs（i）－LST（i）

（10）

如果剩余令牌數(shù)不足以發(fā)送下一幀，可調(diào)度時(shí)間Teligible還要包括積累足夠的令牌所需的時(shí)間Tduration，計(jì)算為

Tduration=LST（i+1）cir

（11）

圖6示意了非共享時(shí)隙Tns2內(nèi)ST業(yè)務(wù)整形過(guò)程。

在t0時(shí)刻，任務(wù)進(jìn)入緩沖帶。由于在t0時(shí)刻，令牌桶有最大數(shù)量cbs，所以立即傳輸ST0。在[t0， t1]期間，令牌桶中的令牌數(shù)以cir的速率增加，此時(shí)Teligible（0）指示ST0可以傳輸，并且此時(shí)令牌桶中的令牌是足夠數(shù)量的，ST1在ST0傳輸完之后受Teligible（1）指示立即被傳輸。由于在傳輸ST2時(shí)，桶中的令牌數(shù)不足以支撐其傳輸，門狀態(tài)被關(guān)閉，ST2被延遲傳輸，直到令牌數(shù)在[t1，t2]期間開(kāi)始積累到一定數(shù)量，且Teligible（2）指示ST2滿足傳輸條件，ST2被傳輸。若隊(duì)列中沒(méi)有ST幀，則令牌桶中數(shù)量恢復(fù)為滿狀態(tài)。

2.3 HTS機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

將不同的工業(yè)類型數(shù)據(jù)劃分為8個(gè)優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)性由VLAN頭中的PCP字段標(biāo)記。CT任務(wù)由于對(duì)通信的實(shí)時(shí)性和周期性有較高要求，所以從高到低以此獲取最高優(yōu)先級(jí)；AVT和ST任務(wù)根據(jù)類型和用途標(biāo)記剩余優(yōu)先級(jí)，且AVT優(yōu)先級(jí)大于ST。不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)先級(jí)緩沖隊(duì)列。

如圖7所示，給出了異構(gòu)流量的端到端整形過(guò)程。異構(gòu)工業(yè)任務(wù)CT、AVT和ST進(jìn)入交換機(jī)端口之后，進(jìn)入資源存儲(chǔ)緩沖區(qū)，用于存儲(chǔ)待轉(zhuǎn)發(fā)的隊(duì)列。首先進(jìn)行優(yōu)先級(jí)從大到小映射，到相應(yīng)的緩存隊(duì)列，CT流在周期性時(shí)隙T1按照嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳輸，T1由GCL進(jìn)行固定分配，并且觸發(fā)相應(yīng)門狀態(tài)參數(shù)Gate-open，其余隊(duì)列參數(shù)為Gate-closed。Ts2時(shí)隙對(duì)共享隊(duì)列AVT和ST進(jìn)行傳輸，任務(wù)進(jìn)入指定隊(duì)列后，信用值整形器感知GCL門控參數(shù)，共享時(shí)隙對(duì)應(yīng)門參數(shù)均為Gate-open。當(dāng)隊(duì)列有數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，隊(duì)列數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)標(biāo)志位為true，當(dāng)隊(duì)列中數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢時(shí)，該值為1。當(dāng)AVT或ST隊(duì)列信用值大于或等于0時(shí)，隊(duì)列信用值標(biāo)志位的值為true，當(dāng)信用值小于0時(shí)，該值為1。Tns2時(shí)隙流量整形前基于逐流過(guò)濾盒監(jiān)管（per-stream filtering and policing，PSFP）需要對(duì)數(shù)據(jù)流在入隊(duì)口進(jìn)行分類和計(jì)量，該階段在入口處進(jìn)一步過(guò)濾超出規(guī)范要求的ST流量，并將符合條件的數(shù)據(jù)映射到相應(yīng)出口隊(duì)列進(jìn)行后續(xù)的流量整形。

算法1 HTS整形過(guò)程

輸入：CT隊(duì)列集合為N;ST、AVT共享隊(duì)列集合為M；ST隊(duì)列集合為P;CreditBaseGate為基于信用值門；EliglibityTimeGate為合格時(shí)間門。

輸出：CT，AVT or ST。

for n in N do

if n∈N且n滿足優(yōu)先級(jí)傳輸then

n相關(guān)聯(lián)的門GateStates=“open”， 輸出n

else n繼續(xù)排隊(duì)

end if

end for

//共享時(shí)隙Ts2

for m in M do

if m∈M且滿足信用值整形then

m根據(jù)FIFO規(guī)則排隊(duì)進(jìn)入緩沖區(qū)，根據(jù)式（3）初始化credit， GateStates=“open”

if credit≥0 then

CreditBaseGate=“open”， credit隨sdslp減小，輸出m

until credit達(dá)到最小值

else if creditlt;0 then

CreditBasedGate=“close”， credit隨idslp增加

repeat

end if

end for

//非共享時(shí)隙Tns2

for p in P do

if p∈P且滿足令牌桶整形then

p進(jìn)入緩沖區(qū)，根據(jù)式（6）計(jì)算cbs

if Teligible≤Tarrival+Tmax then

EliglibityTimeGate=“open”， 根據(jù)式（8）（9）判斷

else if Token隨cir速率增加

repeat

until Token≥LST

end for

3 仿真分析

3.1 仿真場(chǎng)景

仿真分析基于OMNeT++仿真軟件和INET4.4框架搭建而成。如圖8所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jié)點(diǎn)Robotcontroller、camera、sensor1和sensor2是數(shù)據(jù)發(fā)送端，表示工業(yè)有線設(shè)備。SW1、SW2和SW3是交換端，表示TSN工業(yè)交換機(jī)對(duì)發(fā)送端流量進(jìn)行調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)。BS1和BS2是無(wú)線接入點(diǎn)，表示工業(yè)基站。節(jié)點(diǎn)roboticarm、server1和server2是數(shù)據(jù)接收端，表示工業(yè)無(wú)線設(shè)備。數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端可以同時(shí)發(fā)送和接受多種類型的工業(yè)數(shù)據(jù)。設(shè)置鏈路的傳輸帶寬為1 Gbit/s，共享時(shí)隙預(yù)留帶寬設(shè)置為K值的75%，剩余帶寬分配至其他隊(duì)列，仿真時(shí)間為1 s。數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和流量類型等配置信息如表2所示。

GCL的設(shè)置如表3所示，循環(huán)周期T為22 ms，offset設(shè)置為10 ms，保護(hù)帶間隔參數(shù)為4 ms。

3.2 仿真分析

為了驗(yàn)證HTS的有效性和優(yōu)勢(shì)，將HTS與TAS、CBS+TAS作為對(duì)比，性能指標(biāo)采用平均端到端時(shí)延。

由圖9（a）（b）可知，由于HTS和TAS都為CT分配專用傳輸時(shí)隙，CT的平均端到端時(shí)延是確定的，即CT_a和CT_b在HTS機(jī)制下具有良好的時(shí)延特性，且時(shí)延效果均明顯低于其他機(jī)制，所以可很好地適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用。CT_a和CT_b的平均端到端時(shí)延穩(wěn)定在2.17 ms和2.28 ms。在發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)相同且跳數(shù)相同的情況下，CT_b的優(yōu)先級(jí)低于CT_a，所以CT_b的時(shí)延低于CT_a。盡管TAS也能保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流確定傳輸，但無(wú)法應(yīng)對(duì)工廠內(nèi)部復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行流量整形。

圖9 CT平均端到端時(shí)延情況

Fig.9 Average E2E latency of CT

圖10（a）（b）為共享時(shí)隙中，共享隊(duì)列AVT和ST0的平均端到端時(shí)延，AVT和ST的時(shí)延在前0.1 s出現(xiàn)增長(zhǎng)后穩(wěn)定在7.87 ms和15.84 ms，相比傳統(tǒng)TAS+CBS機(jī)制，HTS的共享時(shí)隙窗口內(nèi)帶寬可充分利用，在工業(yè)場(chǎng)景適合不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的共存?zhèn)鬏?。由于多個(gè)共享隊(duì)列輸出門的打開(kāi)和關(guān)閉，導(dǎo)致傳輸時(shí)隙的沖突，存在一定傳輸時(shí)延，所以HTS共享時(shí)隙中隊(duì)列時(shí)延有可能高于TAS，但不影響隊(duì)列整體調(diào)度。

圖11（a）（b）為非共享時(shí)隙中ST業(yè)務(wù)流在不同調(diào)度機(jī)制下的時(shí)延情況。可以明顯地看到，隨著傳輸時(shí)間的推移，HTS方案下，ST任務(wù)的平均時(shí)延明顯低于其他方案，ST1的平均時(shí)延出現(xiàn)小幅增長(zhǎng)后穩(wěn)定在13.7 ms左右，ST2由于具有最低優(yōu)先級(jí)和最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)，平均時(shí)延不斷增長(zhǎng)但最大時(shí)延不超過(guò)16.7 ms。相比于其他調(diào)度方案，HTS對(duì)工業(yè)非實(shí)時(shí)流具有很強(qiáng)的調(diào)度性能，在端口剩余帶寬較小的情況下將低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)時(shí)延降低87.29%～94.22%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)智能工廠內(nèi)部異構(gòu)工業(yè)的確定性傳輸和差異化QoS保障要求，基于5G與TSN建立了工業(yè)5G-TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)，融合時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)機(jī)制提出了一種HTS機(jī)制，對(duì)工廠內(nèi)部異構(gòu)工業(yè)任務(wù)按需調(diào)度整形。仿真結(jié)果表明，本文所提流量整形機(jī)制相比于其他機(jī)制可嚴(yán)格滿足關(guān)鍵控制任務(wù)確定性傳輸要求，并且為其他工業(yè)任務(wù)的共存?zhèn)鬏斕峁╈`活調(diào)度，同時(shí)將非共存?zhèn)鬏斎蝿?wù)的最大端到端時(shí)延減小87.29%～94.22%。本文重點(diǎn)關(guān)注了工業(yè)5G-TSN組網(wǎng)架構(gòu)中周期性實(shí)時(shí)任務(wù)與非周期性實(shí)時(shí)任務(wù)的整形問(wèn)題，為工業(yè)領(lǐng)域混合流量調(diào)度整形提供了參考價(jià)值，下一步將考慮異構(gòu)工業(yè)任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]

Xu Chi， Yu Haibin， Jin Xi， et al. Industrial Internet for intelligent manufacturing： past， present， and future [J]. Frontiers of Information Technology amp; Electronic Engineering， 2024， 25（9）： 1173-1192.

[2]Xiang Wei， Yu Kan， Han Fengling， et al. Advanced manufacturing in industry 5.0： a survey of key enabling technologies and future trends [J]. IEEE Trans on Industrial Informatics， 2024， 20（2）： 1055-1068.

[3]王準(zhǔn)， 許馳， 王倚天， 等. 工業(yè)5G的D2D多跳中繼輔助傳輸方法及中斷性能分析 [J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2022，39（5）： 1510-1513. （Wang Zhun， Xu Chi， Wang Yitian， et al. Multi-hop D2D relay-assisted transmission and outage analysis for industrial 5G [J]. Application Research of Computers， 2022， 39（5）： 1510-1513.）

[4]羅成， 程思遠(yuǎn)， 江巧捷， 等. 5G承載關(guān)鍵技術(shù)與規(guī)劃設(shè)計(jì) [M]. 北京： 人民郵電出版社， 2019. （Luo Cheng， Cheng Siyuan， Jiang Qiaojie， et al. Key technology and planning amp; designing for 5G carrier network [M]. Beijing： Posts amp; Telecom Press， 2019.）

[5]蔡岳平， 李棟， 許馳， 等. 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G-U與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)與技術(shù) [J]. 通信學(xué)報(bào)， 2021， 42（10）： 43-54. （Cai Yueping， Li Dong， Xu Chi， et al. Integrating 5G-U with time-sensitive networking for industrial Internet： architectures and techno-logies [J]. Journal on Communications， 2021， 42（10）： 43-54.）

[6]Nasrallah A，Thyagaturu A S， Alharbi Z， et al. Ultra-low latency （ULL） networks： the IEEE TSN and IETF DetNet standards and related 5G ULL research [J]. IEEE Communications Surveys amp; Tutorials， 2019， 21（1）： 88-145.

[7]Bruckner D，Stnic M P， Blair R， et al. An introduction to OPC UA TSN for industrial communication systems [J]. Proceedings of the IEEE， 2019， 107（6）： 1121-1131.

[8]朱瑾瑜， 張恒升， 陳潔. TSN與5G融合部署的需求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn) [J]. 中興通訊技術(shù)， 2021， 27（6）： 47-52. （Zhu Jinyu， Zhang Hengsheng， Chen Jie. Requirements and network architecture evolution of TSN and 5G integrated deployment [J]. ZTE Technology Journal， 2021， 27（6）： 47-52.）

[9]Waqar M， Kim A， Cho P K. A transport scheme for reducing delays and jitter in Ethernet-based 5G fronthaul networks [J]. IEEE Access， 2018， 6： 46110-46121.

[10]Bhattacharjee S， Schmidt R， Katsalis K， et al. Time-sensitive networking for 5G fronthaul networks [C]//Proc of IEEE International Conference on Communications. Piscataway，NJ： IEEE Press， 2020： 1-7.

[11]3GPP. 3GPP TS 23. 501， Technical specification group services and system aspects： system architecture for the 5G system （5GS） stage 2 （Release 19） [S]. 2024.

[12]Martenvormfelde L， Neumann A， Wisniewski L， et al. A simulation model for integrating 5G into time sensitive networking as a transpa-rent bridge [C]//Proc of the 25th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Piscataway，NJ： IEEE Press， 2020： 1103-1106.

[13]Liu Xiaoyu， Xu Chi， Yu Haibin. Network calculus-based modeling of time sensitive networking shapers for industrial automation networks [C]// Proc of the 11th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing. Piscataway，NJ： IEEE Press， 2019： 1-7.

[14]Mohammadpour E， Stai E， LeBoudec J Y. Improved credit bounds for the credit-based shaper in time-sensitive networking [J]. IEEE Networking Letters， 2019， 1（3）： 136-139.

[15]Zhang Jiayi， Chen Lihao， Wang Tongtong， et al. Analysis of TSN for industrial automation based on network calculus [C]// Proc of the 24th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Piscataway， NJ： IEEE Press， 2019： 240-247.

[16]Nasrallah A， Thyagaturu A S， Alharbi Z， et al. Performance compa-rison of IEEE 802.1 TSN time aware shaper （TAS） and asynchronous traffic shaper （ATS） [J]. IEEE Access， 2019， 7： 44165-44181.