移動前傳與時間敏感網絡技術融合趨勢

朱瑾瑜，郭文雙，高 騰

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G 作為下一代移動互聯網技術，除了將為消費互聯網帶來更好的業務體驗，還將為產業互聯網（工業互聯網、車聯網等）提供技術支撐。相比消費互聯網上的應用，工業互聯網業務的傳輸對于網絡安全性、可靠性、確定性有更嚴格的要求，這將對5G 的網絡架構及技術實現提出新的挑戰。

時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）技術在現有的以太網基礎上增加或者增強了時間同步，流量調度等能力，可以差異化對不同業務流量實現高質量確定性傳輸。近年來，關于將5G與TSN 技術結合應用于垂直行業專網逐步成為業內熱點，包括第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）在內的多個國際標準組織及各類研究機構都正在進行相關技術研究。

概括來講，5G 與TSN 技術有兩個大的方向，一是3GPP R16 正式提出的，將5G 系統實體化為一個TSN 域內部的網橋，來實現TSN 網絡部署規模和范圍的擴展；二是利用TSN 技術提升承載網確定性，對5G 超可靠低時延傳輸（ultra Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）進行增強。在第二類方向中，將TSN 技術應用于移動前傳網絡被率先提出成為5G 與TSN 融合部署的主要場景，并逐步引起業內關注。本文也將聚焦該TSN 應用于5G 前傳網絡的傳輸進行討論。

1 移動前傳網絡

1.1 發展趨勢

前傳網絡的發展趨勢與基站架構的演進是緊密關聯的，正是由于射頻模塊與基帶模塊的分離，才產生了前傳網絡的概念。圖1 展示了基站架構演進趨勢。

圖1 基站架構演進趨勢

2G 時代的基站是室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）和遠端射頻單元（Remote Radio Unit，RRU）一體化的，即將基帶處理、射頻處理、供電單元等全部集成在一起；但建設和擴容復雜，成本高，運維也很麻煩。進入3G 時代，基站最大的變化是實現了BBU 和RRU 分離，BBU 和RRU 之間通過光纖連接，提升了網絡擴容升級的靈活性，還避免了傳統饋線遠距離傳輸帶來的高損耗，至此前傳網絡開始出現。4G 時代的基站最大的特點是一套設備融合了2G、3G 和4G 多種標準制式，并開始應用了軟件定義無線電技術，進一步降低了基站的復雜性和建設成本，是移動基站的又一次重大變革。

進入5G 時代業務多樣化趨勢加劇，為了更為有效地支持超大帶寬、低時延高可靠、高密度接入等需求，降低基站RRU 與BBU 之間的接口壓力，實現靈活高效的處理能力，驅動5G 基站進一步重構為中央單元（Central Unit，CU）、分布式單元（Distributed Unit，DU）和有源天線處理單元/遠端射頻單元（Active Antenna Unit/Remote Radio Unit，AAU/RRU）3 個邏輯單元。RRU/AAU 與DU之間的網絡稱為前傳，CU 和DU 之間稱為中傳，而CU 到核心網之間稱為回傳[1]。這樣的構架設計可減少前傳帶寬，滿足低時延需求的同時，適應移動承載網絡和無線接入網（Radio Access Network，RAN）的虛擬化演進。

CU-DU 的分離使得5G 時代承載網的部署方式更加靈活多樣。分布式無線接入網（Distributed Radio Access Network，D-RAN），BBU 集中的集中式無線接入網（Central Radio Access Network，C-RAN），CU 云化的Cloud RAN，以及虛擬化的RAN 也使得承載網組網更加靈活[2]。AAU 與DU 接口也同步發生變化以適應新業務帶來的多點互聯組網及接入帶寬壓力，新的RAN 部署方式已是必然的發展趨勢[3]。

1.2 技術現狀

移動通信網絡由RAN 及核心網組成，無線接入網絡又可以分為空口部分及有線承載網部分，空口連接用戶終端和基站，承載網連接基站與核心網。5G 網絡架構如圖2 所示。

圖2 5G 網絡架構

移動前傳網絡是指基帶單元和無線單元間的網絡。4G 時期及5G 建設初期，前傳網絡的部署主要以光纖直驅和無源波分復用（Wavelength Division Multiplexer，WDM）方式為主。隨著5G時代以C-RAN的建站方式成為主流，對前傳網絡在靈活組網能力、低時延高可靠提出了更高要求，典型的可選前傳方案包括光纖直驅（單纖單向、單纖雙向）、WDM（無源、有源、半有源）、微波、以太組網等方式。表1 匯總了各類典型的部署方案在組網形態、纖芯資源、接口類型、可靠性和傳輸距離方面的區別。

表1 5G 前傳網絡部署方案

如圖3 所 示，3GPP 定義了AAU-DU 底 層分離（Low Layer Spilt，LLS）不同方式的協議棧功能劃分，與前傳接口有關的劃分選項包括Option 6、Option 7 和Option 8。其中的Option 7 是物理層內切分，又可細分為Option 7-1、Option 7-2 和Option 7-3等。不同的物理層切分方式對前傳接口帶寬有不同的要求，物理層切分越靠近媒體介入控制層（Media Access Control，MAC）層對前傳接口帶寬的要求越低，物理層越靠近RU 對前傳接口帶寬的要求越高。

圖3 AAU-DU 底層分離的切分選擇

由于5G 業務所需頻譜帶寬顯著增加且基站功能架構重新劃分處理功能重新分割等因素，前傳典型接口由4G 基站基帶處理單元BBU 和遠端射頻單元RRU 之間的10 Gb/s 速率通用公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）向25 Gb/s的演進型CPRI（enhanced Common Public Radio Interface，eCPRI）接口演進，如圖4 所示。CPRI協議基于Option 8 方式劃分，物理層功能全部位于DU，前傳接口帶寬要求高；eCPRI 協議中在物理層內部進行劃分（Option7-2），物理層非實時部分（Physical Layer High，PHY-high）和物理層實時部分（Physical Layer Low，PHY-low）分別位于DU 和AAU，從而降低了前傳接口。該技術逐步成為主流技術[4]。

圖4 CPRI 和eCPRI 切分方式的演進趨勢

2 TSN 技術

2.1 技術體系

TSN 技術是基于標準以太網技術的新型網絡技術，基礎標準主要由IEEE802.1 TSN 工作組研究制定，對時鐘同步、流量調度及管理架構三方面技術進行了標準化，如圖5 所示。

圖5 TSN 的三大特性及配套的各項標準

如圖6 中的時間軸顯示，2006 年，IEEE802.1工作組成立音頻視頻橋接（Audio Video Bridging，AVB）任務組。2012 年該組在將時間確定性以太網的應用需求和適用范圍進行擴展，覆蓋音頻視頻以外的更多領域（包括工業、汽車、制造、運輸和過程控制，以及航空航天、移動通信網絡等），并重組成為IEEE802.1 TSN 工作組[5]。2015 年，交互工作組（Interworking Test Group）與TSN Test Group合并成為新的TSN 任務組。2017 年起，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）SC65C/ MT9 與IEEE802 成立60802 工作組，開始制定《用于工業自動化的TSN（TSN IA）行規》國際標準。近年來，學術界針對TSN 技術在垂直行業的應用開展了研究和標準的研制進一步推進，包括已于2018 年發布的TSN 應用于移動前傳網絡的IEEE802.1CM 標準。

圖6 TSN 標準工作的時間軸

2.2 TSN 與移動承載

如1.2 節中分析所示，將蜂窩基站分解成不同的功能塊（如基帶處理和射頻塊），這種模式始于4G 中后期并在5G 時代成為主流架構，移動運營商也在不斷尋找有助于簡化網絡和降低成本的新的前傳承載解決方案。在此背景下，利用以太網解決組網靈活性問題，并利用TSN 技術解決傳輸確定性作用的解決方案，成為業內關注的研究方向。以基于以太網并支持eCPRI 和CPRI 兼容的前傳部署標準IEEE802.1CM 為代表的5G 前傳+TSN 融合部署，為AAU 和DU 之間提供了網橋連接方式，并根據CPRI規范和eCPRI 規范分別定義了1 類和2 類前傳；此外對兩類前傳流量的服務質量（Quality of Survice，QoS）需求進行了分析，對相關流量進行分類和優先級制定，以保證包括端到端時延、丟包率、抖動要求及網絡設備間的同步等指標在內的要求。

由于5G 前傳網絡以eCPRI 接口為主，這里本文僅對eCPRI 對應的情況加以說明。前傳網絡的業務流量類型可歸為用戶數據面、控制管理數據面（Control and Management，C&M）及時鐘同步報文三大類[6]。eCPRI 協議實際上是為用戶面數據服務的，可以直接基于層二的以太或層三的網絡互聯協議/用戶數據包協議（Internet Protocol/User Datagram Protocol，IP/UDP）。控制和管理面數據一般采用通用的傳輸管理層協議，例如基于傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）的基于可擴展標記語言的網絡配置/數據建模語言Network Configuration Protocol/YANG，NETCONF/YANG）協議等。而對于同步面，也是采用現存的同步面協議，例如同步以太網（Synchronous Ethernet，SyncE）、精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）等。如圖7 所示，eCPRI 協議優先支持基于層二的以太協議棧，三類數據都可以通過標準以太幀進行傳輸，并利用QoS 及TSN 技術實現對高優先流量的確定性保障。

圖7 5G 前傳+TSN 融合架構

結合TSN 技術的前傳網絡方案在實際部署過程中，目前可以遵循IEEE802.1CM 及IEEE 1914.3 RoE 標準，上聯支持粗波分復用/密集波分復用（Coarse Wavelength Division Multiplexer/Dense Wavelength Division Multiplexer，CWDM/DWDM）彩光口[7]。此外O-RAN 的WG4 工作組目前也針對TSN 在前傳網絡中的應用方案開展深入研究。

3 關鍵技術

3.1 時鐘同步

時間同步是基站之間業務協同的基礎，也是TSN 實現精準流量調度的前提。因此，在TSN 應用于5G 前傳網絡中時，首先對二者的時間同步方案進行協同整合，如圖8 所示。

圖8 5G 前傳+TSN 架構時鐘信號同步

基站之間的時間同步技術主要采用絕對時鐘和時鐘傳遞技術兩大類，2G～4G 階段主要以絕對時鐘實現，以全球定位系統（Global Positioning System，GPS）及建筑內綜合定時供給設備（Building Integrated Timing Supply，BITS）為代表，但其存在失效率高、可維護性及安全性差的問題。以1588v2技術為代表的時鐘傳遞技術逐步發展起來，但是由于需要逐跳支持、雙向光纖等長等部署限制，也未在4G 時代大規模應用起來。

由于5G 新空口（New Radio，NR）基本業務普遍采用時分雙工（Time Division Duplex，TDD）制式，即同頻點分時區分不同時隙報文收發，若基站之間時間不同步，則嚴重影響業務的移動性。而TSN 由于需要對流量按照時隙進行精準調度，網元之間也需要精準的時間同步。因此，在考慮TSN 與移動承載網絡融合部署的時候要首先考慮時間同步的協同。

前傳網絡以射頻單元AAU 及基帶單元DU 為邊緣節點，由于TSN 本身就要支持逐跳的高精度時間同步（推薦通過IEEE802.1AS），因此可以考慮利用TSN 系統為5G 系統提供時鐘同步傳遞能力。具體而言，可以一個TSN 域作為時鐘域，利用DU直連BITS 或者承接上游1588v2 時鐘信號（取決于上游網絡是否支持PTP），并利用TSN 網絡逐跳向下傳遞同步時鐘信號，從而實現高精度的時間同步[8]。

3.2 流量調度

相對于傳統前傳網絡的點對點連接，基于包轉發的前傳網絡可以提供多點對多點連接，同時前傳網絡對于數據傳輸的延時和丟包率有嚴格要求，AAU 到DU 之間的IQ 數據端到端單向時延不能高于100 μs，丟包率應低于10-7；C&M 丟包率應低于10-6。在基于橋接技術的前傳網絡中，可將不同種類流量規劃到不同虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）中或者相同VLAN的不同優先級中，來實現業務的差異化質量保證[9]。在橋接網絡的承載方式下可以通過引入TSN 的搶占（preemtion）及幀復制（Frame Replication,，FR）來實現高優先級流量的時延和丟包。

圖9 為幀搶占機制。幀搶占是指在恢復可搶占幀的傳輸之前暫停可搶占幀的傳輸，允許傳輸一個或多個快速幀。將數據流按照其實時性要求標記為快速流量和可搶占流量，高優先級實時流量可以打斷正在傳輸的低優先級流量，而低優先級流量則分片，待實時流量傳輸完成后進行重組。這樣既保證了高優先隊列的實時性傳輸，也兼顧了低優先隊列數據的有效傳輸。

圖9 幀搶占機制

如圖10 所示，幀復制是通過對發送終端系統和/或網絡中的中繼系統中的每個包進行序列的編號與復制，并消除目的終端系統和/或其他中繼系統中的這些復制，達成在網絡發生局部故障時仍實現數據傳輸的目標，從而為流提供了更高的可靠性，即降低了包的丟失率[10]。

圖10 幀復制機制

4 結語

本文從移動前傳網絡技術現狀及發展趨勢作為切入點，系統闡述了其演進線路和技術體系，指出前傳網絡以太化已經成為一種重要技術趨勢。并在此基礎上進一步分析論證，TSN 技術應用于前傳網絡的必要性及可行性，繼而對融合部署需要關注的關鍵技術進行了說明。

隨著5G 在千行百業的廣泛應用，以工業互聯網、車聯網為代表的產業互聯網逐漸成為5G 應用的藍海市場。相較于消費互聯網，終端之間交互需求增長，需要更為靈活開放的架構，并且需要滿足低時延高可靠的性能要求；因此確定性前傳網絡也將越來越受到關注。TSN 與靈活以太網（Flex Ethernet，FlexE）技術、軟件定義網絡Software Defined Network，SDN）技術在前傳網絡的融合應用將為前傳網絡適應新場景下的新需求提供有力支撐。