“5G TSN”融合技术研究.pdf

2023 年 8 月野冶融合技术研究刘琼（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230031）【摘要】时间敏感网络渊time谣sensitive networking,TSN冤因具有低时延尧高可靠性以及确定性传输等特点袁逐渐成为工业网络的演进方向遥但是袁TSN 不具备无线网络的灵活性袁无法支持工业应用场景所需的移动需求遥5G 作为新一代移动通信技术袁能够满足工业应用场景对无线通信高可靠尧低时延的传输要求遥为满足未来智能工厂的需要袁5G 与 TSN 融合是必然趋势袁因此重点对野5G+TSN冶融合的存在问题以及技术实现进行分析遥【关键词】时间敏感网络曰5G曰融合技术曰移动应用曰智能工厂【中图分类号】TN91【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）08-0007-030 引言现代科学技术的高速发展不断将人类文明推向新的高度。当前，以物联网、5G、人工智能等为代表的新一代信息技术正在改变传统行业，引导产业进入工业 4.0 新时代，其中工业制造领域受到广泛关注。工业 4.0 的目标是实现基于工业网络的智能工厂，满足个性化定制生产需求1。未来智能工厂的整个生产线将通过有线和无线两种方式灵活联网，以便交换数据和自主决策。要实现工厂智能化，高度可靠和确定性的通信是关键。近年来，基于以太网的时间敏感网络渊time谣sensitivenetworking,TSN冤技术因其能够提供高确定性、高实时性和高可靠性的通信而被认为是工业网络的必然演进方向。然而，TSN 无法满足未来智能工厂所需的灵活性和移动性，未来智能工厂需要无线确定性网络的支撑。无线确定性网络是指通过无线网络将各类工业设备进行连接，采用统一的网络协议实现设备间通信，并根据不同的业务需求提供不同的传输服务。目前，智能工厂的无线网络面临以下挑战。（1）无线化连接。与有线连接相比，无线连接无须布线，传输速度快，较为便利。但是工业网络对上行传输能力、可靠性、安全性的要求非常高，因此，未来智能工厂对无线连接提出了很高的要求。（2）低时延和可靠性。工业网络底层为现场级的应用和设备，顶层为企业级工业信息管理系统，越往底层，数据传输的时延和可靠性要求越高，即底层网络应具有低时延和高可靠性。（3）互联互通。由于工业系统中使用的通信协议差别很大，不同的工业控制应用所选配的协议和系统也不同，需要遵循适配性原则，从而容易形成相互隔离的自动化孤岛。因此，亟须建立互联互通的基础设施，实现设备协作、单元数据获取和应用拓展。针对上述问题，TSN 应与 5G 进行有效融合，同时，合理应用网络切片、边缘能力下沉等关键技术为工业网络高可靠、低时延的数据传输奠定坚实基础，以促进未来智能工厂的高效运行。1 TSN 技术简介TSN 是 IEEE 802.1 TSN 任务组定义的一套协议标准，致力于解决通用的确定性传输问题，保证确定性信息通过标准以太网顺利传输。TSN 技术最初用于音视频领域，现已逐步被引入工业领域，为标准以太网增加了实时性、确定性和可靠性，能够满足未来智能工厂对于确定性时延及协议统一的诉求2。TSN 网络由发送端、接收端和网桥组成，网桥是能够按照时间表发送和接收 TSN 流以太网帧的专用以太网交换机。IEEE 802.1 Qcc 标准定义了全分布式配置模型、混合式配置模型以及全集中式配置模型 3 种网络管理模型。其中，全集中式配置模型能够高效地使用网络资源，因此被广泛采用。全集中式配置模型由集中式用户配置器（centralized userconfiguration,CUC）、集中式网络配置器（centralizednetwork configuration,CNC）、网桥和终端设备组成3。在该模型中，当发送端向接收端发送 TSN 流时，发送端使用用户配置协议向 CUC 发送 TSN 连接请求，CUC 将 TSN 连接请求转换为 TSN 连接要求，并通过用户/网络接口转发给 CNC。CNC 拥有 TSN 网络的完整视图，可以确定每个网桥的配置信息，以满足 TSN流要求。CUC 根据 TSN 连接要求计算 TSN 网络的传输调度信息，计算完成后，CNC 需要使用远程网络管通信设计与应用72023 年 8 月图 3 野5G+TSN冶融合架构发送端5G 网络系统（逻辑 TSN 交换机）UDMNEFAMFSMFPCFTSN AF控制面CUCCNC802.1 Qcc802.1 AB802.1 QbvTSN网桥接收端gNB端侧 TSN 网关DS谣TTUEN1N2N3N4N7N10N11N8N33N5NW谣TTUPF用户面802.1 AB802.1 AS802.1 Qci理协议将调度信息配置到网桥设备，同时将传输调度信息通过用户/网络接口发送给 CUC，CUC 通过用户配置协议将该信息传递给发送端和接收端，并完成对发送端和接收端的配置，如图 1 所示。2 5G 技术简介5G 是由第三代合作伙伴计划（3GPP）开发的新一代移动通信技术，具有海量机器类通信（mMTC）、低时延高可靠通信（uRLLC）和增强移动宽带（eMBB）三大典型特征。5G 技术在数据传输速率、容量和资源利用率等方面有显著的优势，能够满足工业大数据传输需求和工业领域大量即时处理需求。5G 网络主要由无线接入网（wireless accessnetwork,RAN）和核心网（core network,CN）等构成。无线接入网包括用户设备（UE）和新一代节点（gNB）。核心网具有高度的灵活性，由用户面（UP）和控制面（CP）的独立网元组成。用户面承载网络用户流量，控制面承载信令和控制流量。在用户面中，用户面功能（UPF）处理 gNB 和外部数据网络（如 TSN网络）之间的 UP 路径。在控制面中，会话管理功能（SMF）与用户面交互创建、更新和删除协议数据单元（PDU）会话，并管理与 UPF 的会话环境，策略控制功能（PCF）为 SMF 提供策略规则，应用功能（AF）与PCF 交互以进行策略控制，并影响 UP 中的流量路由。5G 网络架构如图 2 所示。3 野5G+TSN冶融合技术3.1 融合架构3GPP TS 23.501 R16（简称“R16”）已经明确提出TSN 与 5G 深度融合的技术思路，为减少对 RAN 的影响，仅支持黑盒方案和全集中式 TSN 网络模型4。“5G+TSN”融合架构如图 3 所示。图 2 5G 网络架构在“5G+TSN”融合架构中，将 5G 网络系统（5GS）整体当成一个黑盒，虚拟为 TSN 网络中的一个逻辑网桥，5GS 作为网桥由 UPF/NW谣TT 侧的端口、UE 与UPF 之间的用户面隧道、UE/DS谣TT 侧的端口组成。其中，NW谣TT 为网络侧 TSN 转换器，DS谣TT 为设备侧TSN 转换器。TSN 和 5G 网络之间通过 TSN 转换器进行用户面和控制面的转换和互通。在控制面上，AF作为 CNC 与 5GS 的信息转换网元，可将 TSN 的控制指令映射为 5GS 可以理解的参数，同时将 5GS 上报的信息转为 TSN 的标准格式，支持 802.1 Qcc 和802.1 AB 管理接口，与 TSN 系统互通，如 5GS 能力和拓扑上报，流转发规则接收。在用户面上，为最大限度减少对 5GS 网元的影响，仅在 UPF 和 UE 侧分别叠加逻辑功能 NW谣TT 及 DS谣TT，以支持 802.1 协图 1 全集中式配置模型架构集中式用户配置器发送端网桥用户/网络接口集中式网络配置器远程网络管理协议接收端通信设计与应用82023 年 8 月议族，并完成 5GS 与 TSN 系统的协议转换。同时，通过时间戳和修正字段，向 UE 侧传输时间消息，支持时间同步机制。3.2 5GS 网桥信息5GS 向 TSN 网络报告 5GS 网桥信息，CNC 使用这些信息对 TSN 网络进行配置，以支持 TSN 流量的服务质量（QoS）要求。5GS 网桥信息包括网桥 ID、以太网端口及其 MAC 地址、支持最小/最大网桥延迟、传播延迟和流量类别等。5GS 计算每对端口和流量类别的网桥延迟（BD）。网桥延迟表示特定流量类别的帧从入口转发到出口所需的时间，计算公式如下：BD=tresidence，UE谣DSTT+ddependent+dindependent。（1）式中：tresidence，UE谣DSTT数据包从 DS谣TT 转发到 UE 的时间；ddependent在网桥中经历的延迟，其取决于帧长度；dindependent通过桥接器存储和转发帧的延迟，该延迟与帧长度无关，是处理时间、5G 帧结构、调度、混合自动重传请求（HARQ）等的函数。3.3 5GS 网桥配置5GS 需要每个 TSN 流的 QoS 要求信息以充分配置 RAN 和 CN 处的不同管理机制。TSN 流的 QoS 要求由流 ID、优先级、业务类别、最大帧大小、最大延迟、流的源/目的地以及其他参数来标识。为了支持5G 中的 TSN 流，TSN QoS 要求需要映射到 5G QoS配置文件。在 5GS 中，TSN 流被支持为延迟关键保证比特速率（GBR）的 QoS 流。为 TSN QoS 流选择的5QI 应该具有等于或高于 TSC 突发大小的最大数据突发量（MDBV），以及等于或高于该业务类别网桥延迟的包延迟预算（PDB）。TSN QoS 业务类别和 5GQoS 配置文件之间的 QoS 映射在 TSN AF 和 PCF 处执行。TSN AF 基于从 CNC 接收的配置信息确定TSN QoS 参数（如优先权和延时）。TSN QoS 信息被发送到 PCF，PCF 是将 TSN QoS 参数映射到 5QI 的 5GCN 的函数。4 野5G+TSN冶融合技术实现“5G+TSN”关键特性的实现主要体现在如何保证确定性时延、数据传输可靠性、端到端的时钟同步以及资源预留等方面5。在 R16 中，“5G+TSN”通过传输策略的信息交互保证确定性时延，通过多发选收的方式保证数据传输可靠性，通过 5G 系统和 TSN系统的时钟匹配完成端到端的时间同步，利用 5G 的QoS 机制实现资源预留。为了使 5G 网络更好地支持 TSN 功能，5G 在终端、无线接入网和核心网侧进行功能升级。在终端侧，需要支持的功能包括叠加 DS谣TT 进行 TSN 与 5GS 之间的协议转换；在底层需要支持时间同步，支持不同的优先级队列，需要扩展信令支持TSN 相关的信息包等。在无线接入网侧，需要通过扩展单播授时方式，为 UE 提供纳秒级精准授时，优化调度策略，确保TSN 报文到达后被立刻处理，通过以太网包头压缩，进一步提高传输效率等。在核心网侧，需要通过叠加网络侧 TSN 转换器（NW谣TT）进行 TSN 与 5GS 之间的协议转换。在底层需要支持时间同步，支持本地交换，根据目的 MAC地址和映射机制等进行转发，扩展信令支持 TSN 相关的信息包等。5 结语“5G+TSN”是通信产业和工业的深度融合，因其具备诸多优势，在工业自动化网络领域得到广泛关注。但“5G+TSN”在短时间内还不可能完全取代目前的工业协议，距离规模商用还有一定的距离。“5G+TSN”是工业网络演进的必然趋势，但在发展和融合过程中存在以下问题需要解决。（1）时间同步。目前，“5G+TSN”仅支持上行时间同步，不支持下行时间同步。可以将 TSN 主时钟源部署在 UE 侧，由 UE 侧向 TSN 设备散播 TSN 时间同步报文，从而实现双向同步。（2）确定性时延应用的生存时间。为解决工业网络中连续丢包的问题，可以通过 AF 向 SMF 传递“生存时间”信息，并发送给 RAN，用于调度增强。参考文献1 常杉.工业 4.0：智能化工厂与生产J.化工管理，2013（21）：21-25.2 许方敏，伍丽娇，杨帆，等.时间敏感网络（TSN）及无线 TSN技术J.电信科学，2020，36（8）：81-91.3 张弛，韩丽，杨宏.时间敏感网络关键技术与标准化现状J.自动化仪表，2020，41（3）：97-101.4 吴欣泽，信金灿，张化.面向 5G TSN 的网络架构演进及增强技术研究J.电子技术应用，2020，46（10）：8-13.5 周哲，黄欢.工业互联网场景下 5G TSN 关键技术研究J.通讯世界，2021，28（5）：12-13.作者简介院刘琼（1985），女，汉族，江苏徐州人，硕士研究生，工程师，研究方向为时间敏感网络。通信设计与应用9