TSN與5G融合部署的需求和網絡架構演進

朱瑾瑜 張恒升 陳潔

摘要：認為時間敏感網絡（TSN）技術與5G網絡系統的融合部署將成為5G網絡向確定化演進的重要方向。從TSN技術現狀入手，分析了TSN與5G網絡系統融合的必要性和可能性，重點提出了TSN與5G網絡系統融合部署的演進路徑和3種融合部署形式。

關鍵詞：時間敏感網絡;5G網絡系統;前傳網絡;承載網;核心網

Abstract：Itisconsideredthattheintegrationanddeploymentoftimesensitivenetwork（TSN）technologyand5Gnetworksystemwillbecomeanimportantdirectionforthedeterministicevolutionof5Gnetwork.ThetechnicalstatusofTSNtechnologyisdiscussed.ThenecessityandpossibilityoftheintegrationofTSNand5Gnetworksystemareanalyzed.TheevolutionpathandthreeintegrationdeploymentformsofTSNand5Gnetworksystemarehighlighted.

Keywords：timesensitivenetwork;5Gnetworksystem;fronthaulnetwork;bearernetwork;corenetwork

5G將開啟一個全連接的新時代，將通信的作用從人與人之間的連接擴展到各行各業、萬事萬物之間的相互連接，以非常好的業務體驗、效率和性能使能垂直行業，以用戶為中心構建全方位信息生態系統，為運營商和產業合作伙伴帶來新的商業模式，形成行業數字化新格局。與此同時，垂直行業多種多樣的業務需求場景要求5G網絡具備差異化的網絡定制能力，并可實現業務數據的確定性傳輸。這種確定化的業務保障能力涵蓋時延、時延抖動和丟包率等關鍵服務質量（QoS）指標。5G網絡通常借助移動邊緣計算、網絡切片和時間敏感網絡（TSN）等多種關鍵技術，為業務承載提供確定化的傳輸保障能力。

相關TSN技術基礎協議的制定和應用推進主要由電氣與電子工程師協會（IEEE）802.1TSN工作組負責。因具備高精度時間同步、個性化精準流量調度、智能化網絡管理機制等特性，TSN可以廣泛應用于存在互聯互通、確定性高質量傳輸、全業務承載需求的業務數據傳送場景。近年來，TSN技術在音視頻傳輸、工業、移動承載、車載網絡等各個應用場景受到產業界更為廣泛的關注，眾多機構和組織紛紛開展相關研究工作。

1TSN技術現狀

1.1TSN發展背景

關于TSN技術的研究最早起源于2006年。IEEE802.1工作組在這一年成立音視頻橋接（AVB）任務組。AVB技術成功實現了數據在音視頻網絡中的確定時序和低時延傳輸，并通過對流量的整形調度解決了音視頻流量的實時同步確定性傳輸問題。隨后，該項技術在網絡帶寬保證及有界傳輸時延方面的潛在能力被工業領域所關注。2012年，AVB任務組更名為IEEE802.1TSN任務組，并對時間確定性以太網的應用需求和適用范圍進行了擴展，以覆蓋音視頻以外的更多領域，如汽車、工業制造、運輸、過程控制、航空航天以及移動通信網絡等。IEEE802.1TSN任務組聚焦TSN技術在各類通信場景下的基礎共性技術及標準的研究，已經推出以IEEE802.1AS為基礎的時間同步協議、以IEEE802.1Q系列協議為代表的流量調度及網絡管理相關協議。目前這些協議已經基本成熟。

IEEE802.1工作組致力于TSN的標準化工作。TSN是當前實現確定性網絡的技術方向。IEEE802.1AS時鐘同步、IEEE802.1Qcc流預留、IEEE802.1Qch循環排隊等技術可保障物理層和鏈路層的確定性時延

1.2TSN研究現狀

隨著TSN技術受到越來越多的關注，各類通信標準和行業機構針對TSN相關技術在垂直行業的部署應用均展開了研究。相關的標準制定組織有IEEE、國際電工委員會（IEC）、國際互聯網工程任務組（IETF）、通用公共無線接口（CPRI）聯盟、中國通信標準化協會（CCSA）等。參與TSN研究和推廣的機構及產業聯盟有中國工業互聯網產業聯盟（AII）、美國工業互聯網聯盟（IIC）、德國工業4.0實驗室網絡（LNI4.0），以及國際聯盟組織音視頻網絡聯盟（AVNU）、用于過程控制的對象連接與嵌入（OPC）基金會、OpenStack基金會等[6-7]。

（1）工業網絡

新型工業網絡不僅對帶寬有很高的要求，還必須同時保證控制數據的周期性可靠傳輸。例如，每隔100μs設備與控制器之間就要進行數據交互，在這期間不允許有其他數據對這種周期性數據造成阻塞，也不允許有時快時慢的延時響應。TSN能夠符合工業網絡中這種“確定時延、不被中斷、可靠傳輸”的要求。同時IEEE又制定了相應的標準，使得TSN更具中立性。2017年，IEC和IEEE聯合成立了P60802工作組，旨在定義TSN應用于工業自動化網絡的方案類標準。這一舉動得到了很多廠商的支持，如貝加萊、西門子、施耐德、羅克韋爾、三菱、思科、霍斯曼、MOXA等。隨后，這些主流自動化廠商開始陸續推出基于TSN技術的工業以太網產品。由此可見，TSN成為工業通信領域廠商的共同選擇已經是大勢所趨。

隨著工業企業的信息化轉型，生產系統之間的信息互通逐漸成為普遍需求。工業領域存在諸多私有協議，要把不同廠商間各個終端節點的數據打通。這需要解決兩個層面的問題：一個是統一的網絡架構和鏈路協議，另一個是各廠商終端或系統間的數據交互接口。目前業內傾向于利用OPCUAoverTSN的網絡架構來實現這種互聯需求，即由TSN提供統一的鏈路層實時傳輸，同時由OPCUA提供統一的信息交互架構。OPC基金會下的Shaper工作組正致力于推動此項融合技術的落地。ABB、思科、倍福、華為等廠商是其中的主要參與者。

（2）車載以太網絡

在傳統的車載網絡中，各類總線的應用范圍有著比較明確的區分，各設備和應用對帶寬的要求也相對較低，如表1所示。

面向媒體的系統傳輸（MOST）總線技術在一定程度上可以滿足在引入多媒體信息娛樂系統（MIS）和基于高清攝像頭的高級駕駛輔助系統后大量視音頻數據的傳輸對網絡帶寬和時延的新需求。然而，隨著自動駕駛技術的發展，輔助駕駛系統（ADAS）將大量精密的傳感器融入系統之中，對車載網絡大帶寬、低時延、確定性的需求日益迫切。同時人機交互越來越多樣化，智能化數據與電氣參數之間的聯動也需要一個統一融合的網絡[8-10]。

TSN基于標準以太網技術，能夠在二層網絡提供高帶寬、高可靠、確定性的流量承載和數據傳輸服務，符合車載網絡的發展需求。因此，在TSN的支持下，基于以太網發展下一代車載網絡已經成為一種必然趨勢。

表1車載網絡主要總線一覽表目前，IEEE802.1TSN任務組已經啟動P802.1DG項目，以進行TSN技術在車輛信息娛樂系統、駕駛輔助系統的應用研究。2016年起，芯片廠商恩智浦、英偉達、博通陸續研發TSN相關芯片，并與知名車企聯合，進行了一系列基于TSN技術的車載網絡應用測試及驗證工作。2017年初，行業組織AVnu聯盟發布了《車載以太網及AVB技術應用》白皮書，推動了TSN技術在車載音視頻領域的應用。

（3）移動前傳網絡

4G網絡采用了集中化無線接入網（C-RAN）架構，即分布式的射頻拉遠單元（RRU）共享集中部署的基帶單元（BBU）的方式，以便解決重負載和輕負載基站之間BBU的利用均衡的問題。BBU和RRH之間連接的網絡稱為前傳網絡。CPRI標準是前傳網絡中應用最為廣泛的接口規范。5G網絡的帶寬消耗大概是4G的1000倍，使得移動承載網絡面臨更大的傳輸壓力。由于其實現機制的原因，CPRI接口只有利用造價高昂的光設備才能滿足相應的性能要求，且維護難度大，不能很好地滿足5G時代前傳網絡的承載要求。

由愛立信、華為、NEC和諾基亞共同在CPRI的基礎上設計的增強型CPRI（eCPRI）更加適應5G網絡。相比于CPRI，eCPRI具有高帶寬、高擴展性、低設備成本等優勢，并且可以支持基于以太網的承載方式，為與TSN技術進行集成提供了基礎。

2018年11月，IEEE和IEEE標準協會（IEEE-SA）發布了針對前傳時效性網絡的IEEE802.1CM-2018標準。新標準解決了使用以太網將蜂窩無線電設備連接到遠程控制器的問題，有望在5G小型蜂窩網絡以及未來基于云的無線接入網絡的技術設計中發揮重要作用。

（4）運營商網絡

2015年國際標準組織IETF成立了確定性網絡（DetNet）工作組，與負責第2層操作的IEEE802.1TSN工作組合作，為第2層和第3層定義通用架構，致力于在第2層橋接段和第3層路由段上建立確定性數據傳輸路徑。這些路徑可以提供延遲、丟包和數據包延遲變化（抖動）以及高可靠性的界限。可以說，DetNet是廣義的TSN技術。目前IETFDetNet工作組已經完成整體架構、數據平面說明、數據流信息模型等的成果交付，為TSN技術應用于以互聯網協議（IP）或多協議標簽交換（MPLS）技術為基礎的運營商廣域網奠定了基礎。同時，IEEE802.1TSN任務組已經啟動P802.1DF研究項目，以定義TSN技術在運營商服務網絡中的應用場景和技術需求。

（5）信息網絡

StarlingX是OpenStack基金會旗下的一個試點項目，它提供了一個完整的云堆棧，專門為在邊緣部署云而設計，包括遠端或Lastmile，以及工廠的內部云、工業物聯網、多接入邊緣計算（MEC）和虛擬無線接入網絡（vRAN）等用例。StarlingX的開源同時響應Linux基金會的Akraino項目。最新發布的StarlingX3.0版本引入了TSN，開始嘗試利用TSN技術實現在云計算、邊緣計算等信息領域網絡中數據流量的確定性傳輸。

（6）5G網絡

第3代合作伙伴計劃（3GPP）R16將5G端到端時延目標定為1ms。就現有5G超可靠低延遲通信（URLLC）標準而言，R16主要用于實現無線終端與基站之間的傳輸，其技術思路與TSN并不相同。3GPPR1623.501已經將TSN技術納入5G標準，用于滿足5G承載網的高可靠、確定性需求，并與URLLC形成確定性傳輸的技術接力。5GURLLC技術主要關注在可靠性和時延方面的業務保證，而TSN技術則將在時延抖動以及時間同步方面對5G網絡進行進一步增強。

3GPPR17提出TSN增強架構。這種增強具體包括：實現5G核心網架構的增強，使控制面設計支持TSN相關控制面功能;實現5G核心網確定性傳輸調度機制，而不依賴外部TSN網絡;通過用戶面功能（UPF）增強實現終端間的確定性傳輸;實現可靠性保障增強和工業以太網協議對接，并支持多時鐘源技術。

25G網絡的特點及關鍵需求

2.15G網絡特點

作為新一代移動通信系統，5G致力于與垂直行業協同實現萬物實時全連接。國際電聯無線電通信部門（ITU-R）定義的增強移動寬帶（eMBB）、URLLC和海量機器類通信服務（mMTC）三大需求是實現這種協同的技術基礎。這主要體現在兩個方面：一方面，5G網絡架構實現了轉發面與控制面的徹底分離，與網絡切片和邊緣計算技術的結合使得面向行業的可定制化網絡構建成為可能。這不僅可以實現垂直網絡服務的快速上線和差異化服務質量保證，還可以促進5G網絡向垂直行業應用的開放發展。另一方面，5G網絡因具有大帶寬（0～10Gbit/s）、低時延（1～100ms）和高可靠性（99.9999%）等能力，已經獲得業界廣泛認可，并被應用于工業互聯網、智能電網、車聯網通信、遠程手術等新的垂直行業場景。

在5G標準的演進過程中，3GPPR15階段致力于滿足eMBB和URLLC敏感應用需求。在這一階段，3GPP5G相關標準可用于制造專業5G設備和建設獨立全新的網絡。5G網絡系統可滿足超高視頻、虛擬現實（VR）直播等對移動寬帶的要求。雖然3GPPR15標準已經進一步減少了傳輸延遲，并且提高了穩定性，但是這些性能并不能滿足一些對時延要求嚴格的應用需求。

3GPP于2018年6月發布的5G獨立組網（SA）標準明確定義了5G大帶寬、高可靠、低時延等特性的實現方式，使5G網絡系統具備了在工業互聯網、車聯網、醫療等垂直行業應用的核心屬性。3GPP正在制定的R16版本正式確定15個研究方向，明確將進一步研究URLLC來滿足諸如工業制造、電力控制等工業物聯網場景需求，以及基于5G新空口的車用無線通信技術（V2X）場景需求。在3GPPR16的網絡架構文稿23.501定義的5G關鍵應用場景中，工業物聯網和車聯網對于業務的端到端時延要求最為嚴格，如表2所示。

2.2TSN與5G融合部署需求

在以工業為代表的垂直行業業務中，安全可靠、確定性地傳輸數據是通信技術的關鍵要求之一。工業互聯網、車聯網等應用對5G網絡架構設計及技術選型提出了三大挑戰。

（1）端到端極致確定性業務體驗

在工業互聯網和車聯網場景下的應用系統中，典型的閉環控制過程周期可能低至毫秒級別。這種應用系統不僅對可靠性有著極高的要求，還對業務數據傳輸有著十分嚴格的確定性要求。實現整個5G網絡系統中包括新空口（NR）RAN核心網在內的各個環節的性能優化和系統整體處理效率的提升，才可能實現端到端的極致高可靠低時延業務應用。TSN技術在現有以太網QoS功能基礎上增加了時間片調度、搶占、流監控及過濾等一系列流量調度特性，能夠根據業務流量的特點配合使用相關特性，可以確保流量的高質量確定性傳輸。將TSN技術與5G網絡的傳輸進行融合，可以更為有效地保證5G網絡的端到端的高可靠低時延傳輸。

未來信息系統與生產設備之間的數據交互量將呈指數級增長。尤其是在部署了云平臺和邊緣計算節點的情況下，工業信息網絡還將抵擋算力網絡的流量沖擊，對網絡負載有較高要求。這就要求新一代工業網絡能夠實現大負載和確定性的高質量傳送。

（2）異構系統的精密協作

5G網絡系統將以業務為中心全方位構建信息生態系統，實現設備之間的全面連接和精密協作。以智能工廠為例，生產設備、移動機器人、自動導引車（AGV）等智能系統內部均存在異構網絡連接，并且各個系統可能會通過不同的方式接入到5G網絡中。要實現這些設備系統之間的密切協同和無碰撞作業，就需要業務系統彼此之間能夠做到互聯互通。

TSN+OPCUA的組合被認為是解決異構系統互聯互通問題的最佳組合，它可以同時實現網絡的互聯和數據層面的互通。TSN技術基于標準以太網協議解決數據報文在數據鏈路層中的確定性傳輸問題;OPCUA則提供一套通用的數據解析機制，以用于業務系統端設備，解決數據交換和系統互操作的復雜性問題。

（3）全業務承載差異化的傳輸質量保證

5G網絡全面使能垂直行業新業務模式。以智能工廠為例，工業增強現實可以通過音視頻實現生產環境遠程感知，以及在線生產指導。遠程控制可以用于實現遠程人機交互。在惡劣環境下使用機器人有助于實現安全生產。此外，大量的設備維護、原材料及產品數據信息都需要通過傳感器、射頻識別（RFID）、智能終端等方式上傳到云端。上述業務涉及的音視頻、控制信號、物聯網數據的傳輸會采用不同的傳輸機制和質量標準。雖然分片技術可以用來實現不同業務之間的差異化業務，但是目前的分片技術僅可以在空口和核心網實現，對于承載網則沒有特定的技術方案。TSN基于軟件定義網絡（SDN）架構實現網絡資源的集中管理和按需調度，同時配合精確時間同步、流量調度等功能，可為不同類型的業務流量提供智能化、差異化的承載服務。將TSN技術與5G承載網融合部署，或許可以為5G端到端分片提供一種解決思路。

3TSN與5G融合部署演進

從3GPPR16相關標準中可以看出，端到端確定性傳輸是5G網絡能夠在工業互聯網、車聯網等對網絡傳輸有極致要求的垂直領域落地應用的關鍵。5G的確定性網絡應該是一個端到端的概念，它涉及業務系統網絡、無線空口、承載網、核心網等多段網絡。結合目前產業界需求及相關研究成果分析，我們認為TSN與5G的融合部署大體可以分為拼接式融合、5G承載網融合和深度融合3個階段。

3.1拼接式融合

2018年6月3GPP發布的5GSA標準定義了5G大帶寬、高可靠、低時延等特性的具體實現方式，進一步降低了業務傳輸時延，提高了系統穩定性。在此基礎上，5G網絡系統與TSN技術融合并提供網絡服務的關鍵在于5G網絡與TSN網絡的互通，即把原有已經具備TSN特性的業務系統（如工業控制網絡、車載網絡等）與5G系統進行拼接，協同流量調度，通過分段實現業務傳輸的確定性來提升端到端業務傳送質量，如圖1所示。

在此類方案中，整個業務系統被看成一個用戶設備（UE），TSN中的流量分類要與5G網絡系統的業務類型建立映射關系，同時TSN對于流量配置的相關標記需要被保留。流量在經過5G網絡系統的遠程傳輸后剝離5G封裝，并且在進入到協同業務系統后，仍然按照TSN流量調度類型進行確定性傳輸。該方案的關鍵在于TSN網絡與5G網絡的邊緣應部署對應網關。按照部署位置的不同，這種網關有兩種：部署于TSN網絡與蜂窩無線網絡之間的UE側網關和部署于TSN與5G核心網之間的核心網側網關。TSN與5G融合部署網關在業務系統網絡側的接口需要具備TSN的相關特性，并兼具將業務系統數據及包含TSN特性的以太包頭封裝進5G傳輸包頭中的功能。在封裝過程中，網關還要將相關的業務流量標識映射到5G網絡傳輸結構中。此外，UE側網關還需要具備有線網絡向無線蜂窩網絡轉換的能力。

3.2承載網融合

除了5G網絡系統NR標準及新的核心網架構以外，承載網絡的重構也是一個重要研究方向。5G網絡系統中承載網絡通常采用有線網絡進行流量承載。在分布式網元（DU）和集中式網元（CU）合設的情況下，承載網絡通常可以分為前傳和回傳兩部分，如圖2所示。

自3G開始移動回傳網絡通常采用包轉發技術進行基站到核心網之間的流量承載，例如無線接入網IP化（IPRAN）、分組傳送網（PTN），并借助MPLS轉發技術實現業務流量的轉發、調度和保護倒換。目前基本承載技術已相對穩定成熟。5G時代的回傳網絡一方面結合SDN和網絡功能虛擬化（NFV）技術將驅動回傳網絡的智能化演進，另一方面天然具備利用確定性網絡技術（MPLSOverTSN）實現回傳網絡低時延、低抖動業務傳輸的能力[11-13]。

在4G時代，射頻單元與基帶單元分離的基站架構催生了前傳網絡的概念。CPRI可作為前傳網絡主流接口。射頻單元與基帶單元的無線電單元通過光纖進行直連，只需要將信號調制到有線物理載波上即可完成傳輸。為更好地滿足5G網絡大帶寬、高可靠、低時延傳輸要求，愛立信、華為、NEC和諾基亞在CPRI的基礎上創建了更加適應5G網絡的eCPRI。eCPRI接口用戶面數據基于以太網進行傳送。以太網具有帶寬大、擴展性高、設備成本低等優勢，可以更好地與光傳送網相匹配。可以說以eCPRI為接口的5G前傳網絡已經具備了與TSN融合部署的技術前提。事實上，IEEE為此成立了兩個相關項目組：IEEE1914下一代前傳接口工作組和IEEE802.1CM前傳TSN工作組。

值得注意的是，當CU與DU分離部署真正實現后，前傳的傳輸距離可能縮短，DU與CU之間的中傳網絡將很可能采用包傳輸方式進行數據傳輸。因此，TSN與5G中傳網絡的結合也將是融合部署的一個關鍵點[14-16]。

TSN與5G承載網的融合，不僅存在利用TSN技術驅動承載網實現確定性傳輸的需求，還具備從回傳到前傳再到中傳部署TSN技術的基本技術前提。TSN與5G承載網融合部署的實現，將推進確定性傳輸方案從業務系統TSN網絡與5GURLLC的拼接模式向5G網絡系統內部承載網融合方向演進。

3.3深度融合

在TSN與5G深度融合階段中，整個5G網絡系統將升級為具備TSN特性的橋接系統，以承載業務系統流量的遠程確定性傳送。3GPPR1623.501已經明確提出相關技術思路，如圖3所示。

在深度融合的架構下，相對于業務系統5G網絡被視為黑盒TSN交換機，支持TSN集中式架構和時間同步機制，并通過定義新的QoS模型（流方向、周期、突發到達時間）來實現精準的流量調度，同時實現5G系統中UE到UPF之間多種確定性業務流量的共網高質量傳輸。其中涉及的主要關鍵技術有4個方面。

（1）TSN技術與空口傳輸的融合：在URLLC通信服務基礎上增加時間同步、時延和時延抖動的有界性定義，將TSN技術思路應用于無線空口。

（2）設備側TSN轉換器（DS-TT）：在UE側部署DS-TT對相關端口、協議數據單元和QoS機制進行UE與業務系統之間的映射，并支持TSN相關流量調度。

（3）網絡側TSN轉換器（NW-TT）：NW-TT對相關端口、協議數據單元和QoS機制進行核心網與業務系統之間的映射，并支持TSN相關流量調度。

（4）TSN應用功能（AF-TSN）：支持在同一UPF下的UE與UE之間確定性通信的能力開放。

在深度融合階段，TSN技術思路被進一步應用到5G網絡系統中。除了承載網以外，用戶面的空口和核心網融入了TSN的流量調度特性，同時控制面還結合了TSN的網絡架構。

4結束語

在5G進入規模化部署以后，以工業互聯網、車聯網為代表的垂直行業對網絡系統的確定性提出了更為嚴格要求。本文從TSN發展現狀和技術

優勢等方面分析了TSN適用的6種場景，并結合5G網絡系統特點及相關行業對于5G網絡系統的新需求，分析了TSN與5G網絡系統融合部署的必要性，重點提出了TSN與5G融合部署的演進思路和技術方案。總體而言，TSN與5G網絡系統的融合正處于探索階段，尚有許多技術細節需要進一步研究論證。但是可以預見，這種融合將成為5G網絡系統向確定化演進的重要技術方向。

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作者簡介

朱瑾瑜，中國信息通信研究院技術與標準研究所產業互聯網研究部工程師;主要研究方向為工業互聯網網絡技術、時間敏感網絡技術、移動承載網絡技術等，從事技術研究及相關標準研制工作;參與工信部、科技部多個工業互聯網項目的研究與建設。

張恒升，中國信息通信研究院技術與標準研究所產業互聯網研究部副主任;主要研究方向為工業互聯網網絡;主持參與工業互聯網總體網絡架構等多個標準的制定工作，參與工信部、科技部多個工業互聯網項目的研究與建設。

陳潔，中國信息通信研究院技術與標準研究所產業互聯網研究部工程師;主要研究方向為工業互聯網網絡架構、園區網絡架構以及工廠外網架構等;參與工信部、科技部多個工業互聯網項目的研究。