基于無線信道信息的5G 與TSN 聯合調度機制研究

孫雷，王健全，林尚靜，馬彰超，李衛，Qilian Liang，黃蓉

（1.北京科技大學自動化學院，北京 100083；2.北京郵電大學電子工程學院，北京 100876；3.北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083；4.美國得克薩斯大學阿靈頓分校電子工程系，得克薩斯 76019；5.中國聯通研究院，北京 100048）

1 引言

5G 與工業互聯網協同與融合成為當前學術研究熱點[1-3]。因具備低時延、高可靠連接能力，5G賦能行業應用成為通信和產業界共同的需求。然而，工業業務對承載網絡性能要求極為嚴格，不僅需要承載網絡具備低時延、低抖動和高可靠性能，還應具備確定性時延保障的能力，對于工業控制系統而言，確定性時延是其系統安全可控的基礎[4]。因此，如何提升5G 系統的確定性時延保障能力，成為5G 深度賦能工業核心環節的關鍵技術問題[5-6]。

時間敏感網絡（TSN,time-sensitive networking）是由IEEE 802.1工作組在標準以太網基礎上針對時間同步、資源管理、流量整形、網絡配置等技術進行層二增強而形成的一系列標準規范[7-9]。在技術層面，TSN 在實現各節點間高精度時間同步的基礎上，不僅能保證具有強實時需求的時間觸發業務流端到端傳輸時延和抖動的有界性，還能實現非實時類業務及盡力而為型業務的“一網傳輸”。在組網層面，TSN 因兼容標準以太網協議，能夠實現與異構工業現場通信協議的協同，前向兼容異構現場通信協議。然而，由于大量傳感器在設備、車間及工廠中的部署，以及機器臂、移動機器人等智能化終端在生產線上的廣泛使用，有線TSN 難以滿足智能工廠終端接入及數據傳輸需求，5G 與TSN的融合協同不僅是5G 向工業領域延展的需求，更是智能工廠內生需求的驅動[10-11]。

2020 年7 月發布的3GPP R16 提出了5G TSN橋接網絡架構，將5G 系統整體視為一個邏輯的TSN 網橋，分別在5G 系統的核心網側和終端側增加了支持TSN 時間同步和門控功能的實體，提供跨5G 與TSN 的端到端確定性傳輸保障，以更好地實現5G 對工業控制業務的承載[12]。

當前，針對5G 與TSN 協同傳輸的研究才剛起步，研究更多聚焦于網絡架構、功能實體與網絡接口層面[13-15]，針對5G 與TSN 聯合調度算法、協同傳輸機制層面的研究則相對缺乏。因此，在3GPP 提出的5G-TSN 橋接網絡架構基礎上，本文針對時間觸發業務流的跨域聯合調度方面做了初步的研究探索，主要工作如下。

1) 基于3GPP R16 提出的5G TSN 橋接網絡架構特征及新增網元功能，分析5G 支持IEEE 802.1Qbv 門控的數據轉發機制，闡述5G-TSN 協同架構下的數據端到端傳輸流程。

2) 針對無線信道時變對5G-TSN 數據跨網傳輸帶來的時延抖動影響，分析5G 系統傳輸時延預算對端到端數據確定性傳輸的重要性，將5G系統傳輸時延分為與信道相關和與信道無關的時延，對信道相關時延的影響因素進行建模。

3) 針對5G 與TSN 跨域協同傳輸需求，提出了一種基于無線信道質量信息的5G-TSN 聯合優化機制，主要包含兩方面：一方面，提出了TSN域中基于5G 信道質量信息的業務流兩層處理架構，提升承載于較差信道質量無線資源上的工業業務流優先級，結合業務優先級、無線信道質量信息對不同工業業務流的TSN 域傳輸時延進行建模分析；另一方面，提出了基于重傳因子的工業業務流5G 系統傳輸時延預算動態調節機制，分析不同信道質量下丟包率要求、無線資源數量與最大重傳次數的關系，為承載于不同5G 空口資源的時間觸發業務設置不同重傳因子，消除數據包在5G 系統傳輸帶來的時間抖動，從而為時間觸發業務流提供確定性端到端時延保障。

2 研究現狀與問題分析

2.1 5G-TSN 橋接網絡架構

3GPP R16 定義的5G TSN 網橋架構如圖1 所示，其在5G 核心網用戶面和控制面增加了新的功能實體，實現跨域業務參數交互（時間信息、優先級信息、包大小及間隔、流方向等）、端口及隊列管理、QoS 映射等功能，支持跨5G 與TSN 的時間觸發業務流端到端確定性傳輸[16]。

圖1 3GPP R16 定義的5G TSN 網橋架構

在控制面，5G TSN 新增了TSN 應用功能實體（TSN-AF,TSN-application function），主要完成三方面的功能：首先，與TSN 域中集中網絡配置（CNC,centralized network configuration）實體的交互，實現TSN 流傳遞方向、流周期、傳輸時延預算、業務優先級等參數與5G 的交互與傳遞；其次，與5G核心網中策略控制功能（PCF,policy &control function）、會話管理功能（SMF,session management function）等實體的交互，實現TSN 業務流關鍵參數在5G 時鐘下的修正與傳遞，并結合TSN 業務流優先級配置相應的5G 服務質量（QoS,quality of service）模板，實現5G內的QoS保障；最后，TSN-AF將與用戶面功能（UPF,user plane function）網關及終端側轉換網關交互，實現5G TSN 網橋端口配置及管理功能。

在用戶面，為避免TSN 協議對5G 新空口造成過多影響，5G 系統邊界增加了協議轉換網關：在UPF 中新增網絡側TSN 轉換器（NW-TT,network TSN translator），在5G 終端側增加了設備側TSN轉換器（DS-TT,device side TSN translator）。NW-TT和DS-TT 支持IEEE802.1AS、802.1AB 及802.1Qbv等TSN 的核心基礎技術協議。UPF 增加了對5G 域和TSN 域時鐘信息交互及監控功能，實現跨域的時鐘信息同步；在此基礎上，UPF 需實現基于精準時間的調度轉發機制，提供橋接的二層服務，實現快速的數據包處理和轉發。

IEEE802.1Qcc 集中式網絡架構下的5G 邏輯網橋如圖2 所示。從系統整體角度，5G 網絡被視為一個邏輯的TSN 網橋，由DS-TT 和NW-TT 提供基于精準時間的TSN 數據流駐留和轉發機制。

圖2 IEEE802.1Qcc 集中式網絡架構下的5G 邏輯網橋

2.2 5G-TSN 端到端數據確定性傳輸流程

IEEE802.1Qbv 提出了時間感知整形器（TAS,time aware shaping），基于業務流的優先級代碼（PCP,priority code point）將數據包映射到不同的出口隊列，通過預先設定的周期性門控列表（GCL,gate control list）對出口隊列開/關進行控制，避免低優先級業務對高優先級業務的干擾，為高優先級業務傳輸提供確定性保障[17]。TAS 是為了更低時間粒度、更嚴苛工業控制應用而設計的調度機制，被工業自動化領域所采納[18]，也是5G 系統中NW-TT與DS-TT 必須支持的關鍵核心協議。

5G-TSN 協同數據傳輸流程如圖3 所示。ES1和ES2是可編程邏輯控制器（PLC,programmable logic controller），周期性產生控制指令，并將指令經由5G-TSN 協同網絡發送給位于遠端的執行器ES3。ES1 和ES2 將業務流信息（周期、包長度等）上報給集中化用戶配置（CUC,centralized user configuration），CUC 將業務信息傳遞給CNC 進行路徑規劃與資源調度，并對傳輸鏈路中TSN 交換機（TSN SW,TSN switch）和5G 系統中DS-TT 的出口隊列門控列表進行配置。

圖3 5G-TSN 協同數據傳輸流程

如圖3 中TSN SW 和DS-TT 下方列表所示，在t1時刻，TSN 交換機出口隊列的門控列表設置為10000000，其中，1 代表相應隊列的控制門為開，數據可以發送，而其他隊列中的數據將繼續等待；在t3時刻（t3＞t1），DS-TT 出口隊列門控列表設置為10000000，經由UPF 和5G 空口發送到DS-TT的ES1業務流數據包將發送到ES3，則該ES1數據包到達ES3的時刻為

其中，l1為ES1發送業務流數據包長度。在包長度及網絡速率一定的情況下，由于DS-TT 側設置的發送時間t3是確定的，因此也是一個確定值。由于門控列表是周期性設置，假設門控列表周期為則 ES1業務流到達 ES3的時間為從而保證時間觸發業務流傳輸時延的確定性。

2.3 空口不確定性對端到端數據傳輸影響分析

5G-TSN 協同面臨的最大挑戰在于5G 空口時變特性對確定性數據傳輸造成的不可控影響[19]。圖4 和圖5 分析了5G 空口變化帶來的影響。

空口變化造成數據包順序紊亂如圖4 所示。數據包1～數據包3 為具有同等優先級的業務流，然而，在5G 空口傳輸部分，由于數據包1 被分配的無線資源信道狀況較差，出現了丟包，需要對該數據包進行重傳，這將導致在接收端出現數據包順序的紊亂，出現時延抖動。

圖4 空口變化造成數據包順序紊亂

空口變化造成數據包丟失如圖5 所示，數據包A 和數據包B 是不同優先級的業務流，將被映射到不同的出口隊列中。然而，數據包B 在空口傳輸時出現信道狀況極差的情景，出現多次重傳，最終導致超時發生丟包，造成接收端收到數據的不完整。

圖5 空口變化造成數據包丟失

2.4 5G 系統傳輸時延預算

在5G TSN 網橋架構中，3GPP 僅定義了在兩側的邊緣網關NW-TT 及DS-TT 支持TSN 協議。為了降低有效的空口變化對數據傳輸造成的時延抖動，本文定義了工業業務流的5G 系統傳輸時延預算，即時間觸發業務流數據包進入 5G 入口（NW-TT/DS-TT）與離開5G 出口（DS-TT/NW-TT）之間的時間差。5G-TSN 協同架構下端到端數據傳輸如圖6 所示。

圖6 5G-TSN 協同架構下端到端數據傳輸

以ES1發送的時間觸發業務流為例，數據包從DS-TT 的發送時刻t3由5G 系統傳輸時延預算決定，即

因此，5G 系統傳輸時延預算對于消除5G 系統的不確定性，保障5G-TSN 端到端數據確定性傳輸性能具有十分重要的作用。

3 5G-TSN 聯合時間調度機制

3.1 系統模型與問題分析

5G-TSN協同網絡架構如圖7 所示，主要由TSN域交換機、5G 核心網網元、5G 基站、移動終端及支持TSN 的終端站點構成。設V為網絡設備節點的集合，其中，swi是TSN 中的交換機節點，分別為發送和接收終端節點的集合；esi為TSN 終端節點，，假設所有的TSN 終端節點均支持接入5G 網絡和TSN。

圖7 5G-TSN 協同網絡架構

其中，ess和esd為該業務流的源節點和目的節點；Ti為數據包發送周期，對于非周期業務而言，該值為空，并假設周期性業務流在一個周期內僅產生一個數據包；Di為該業務流的時延要求，對于時間觸發業務流而言，D i=Ti；li為該業務流數據包大小（單位為B）；pi為該業務流的優先級，時間觸發業務流優先級高于其他非實時類業務優先級。對于2 個時間觸發業務流fi和fj，若Ti＜Tj，則pi＞pj。本文重點針對具有周期及時間觸發特征的工業業務流的聯合時間調度機制開展研究。其端到端時延及業務QoS 要求可表示為

其中，為TSN 域時間，包含處理時延和排隊時延；為5G 系統傳輸時延預算；Nhop為該業務流經過的TSN 交換機節點的跳數，5G 被看作一個邏輯網橋設備；為有線鏈路傳輸時延，RTSN為以太網的傳輸速率；為保障時間觸發業務流的QoS 要求。

基于式(4)分析，由于業務流及網絡拓撲信息已知，且有線鏈路傳輸時延是固定的，因此，可將式(4)業務的QoS 要求進一步改寫為

3.2 基于5G 信道信息的TSN 域隊列管理

在5G 系統中，移動終端會周期測量無線信道質量，并上報信道質量指示（CQI,channel quality information），以實現動態調度和鏈路自適應適配。在5G-TSN 協同傳輸網絡中，由于不同業務流在5G中所分配的無線資源不同，無線信道狀況也存在差異，因此需要對TSN 域中業務流處理機制進行改進。基于5G 信道信息的TSN 隊列管控架構如圖8所示。TSN 交換機中提出了基于無線信道信息的優先級隊列兩層管控架構：第一層為業務流優先級映射，根據業務優先級將工業業務進行分類；第二層為同一優先級下基于5G 信道信息的隊列選擇，優先選擇承載于較差信道質量無線資源上的工業業務流數據包進行處理。

圖8 基于5G 信道信息的TSN 隊列管控架構

假設當前業務流為fi，當前周期內業務優先級比fi高的業務流數目為Nm；而在與fi同等優先級的業務流中，CQI 比fi低的業務流數目為Ns。由于TSN SW 與NW-TT 間僅有一條鏈路，當前包需要等待前一個數據包完全發送后才能發送，由此，可表示為

由式(6)可以看出，業務流優先級越高，其在TSN 域時間就越短，無線信道質量越差，在TSN域中將會越先得到處理，即

3.3 基于信道信息的5G 系統傳輸時延預算設置

根據5G 系統構成，針對?f i∈F，可以將5G系統傳輸時延預算分為兩部分，即

其中，γ i為該業務流的信干噪比；τ(γi)為空口信道相關的時延，包括基站因調度發生的排隊時延、發送時延及因重傳造成的重傳時延，這些因素均與信道質量相關；φ i為空口傳輸無關的時延，包括核心網、基站、終端處理時延和核心網傳輸時延，這些時延與設備軟硬件結構、傳輸網拓撲結構、數據包大小等因素相關，而不受無線信道質量的影響。

存在最大不確定性的τ(γi)可進一步分解為

其中，d表示終端設備與5G 基站之間的距離，且δ=35 m 是最小距離約束。小尺度衰落hf服從均值為0、方差為的瑞利分布。在uRLLC 中，小尺度衰落的相關時間大于上行鏈路的幀周期，所以本文需考慮快衰落對信道造成的影響。uRLLC 中鏈路的容量可以表示為

其中，ni(ni≤Nmax)為分配給業務流fi的資源塊（RB,resource block）數目，Nmax為系統最大RB 數目，BRB為資源塊頻帶寬度，Ptx為發射功率，N0為單邊噪聲譜密度。ni的取值由業務流fi的數據包大小li及傳輸塊（TBS,transfer block size）決定，即ni=li/TBSi。

TBS 與調制編碼方式（MCS,modulation and coding scheme）等級有關，而MCS 等級又進一步由業務流信道質量決定。具體而言，首先，將承載業務流fi的無線資源的信道狀況γi采用非線性映射CQIi=f（γi）；然后，查詢MCS 和CQI 的映射表，得到業務流fi數據包所采用的調制編碼等級MCSi；最后，根據TBS 與MCS 的映射表，得到當前MCS 等級下單位資源塊能夠傳輸的數據量TBSi。

為了保證數據傳輸的可靠性，5G 系統采用了混合自動重傳請求（HARQ,hybrid automatic repeat request）。然而，重傳需等待通信對端的ACK/NACK消息，并遵循5G HARQ 的調度時序，因此，在式(9)中，將數據包每一次重傳時延定義為dretx。考慮到在5G uRLLC 空口采用半持續調度（SPS,semi-persistent schedule）方式承載業務流fi，業務流fi的重傳將和初次傳輸使用相同的資源及MCS等級。

Ki定義業務流fi在5G 系統中的最大傳輸次數。按照3GPP 協議要求，通常是采用半靜態預設，若超出最大傳輸次數門限仍不能實現數據的正確接收，則該數據包被丟棄。本文對最大傳輸次數的取值采用階梯函數，其定義如式(12)所示。

其中，α0＜α1＜α2。根據承載業務流的無線資源信道質量信息來確定最大重傳的次數，具體如下。當f(γi)低于最小閾值時，預判該信道狀況較差，因此，增大Ki，增加5G 系統傳輸時延預算，避免因重傳而導致的DS-TT 門控列表狀態的變化；當預判信道質量較好時，發生重傳的概率較低，則降低Ki取值；當預判信道質量極好時，進一步降低Ki值。

本文假設5G 采用增量冗型HARQ，發送端每次發送完整數據包，接收端合并多次接收的數據，實現冗余增益的目的。業務流fi數據包在5G 中成功概率為

其中，業務流fi數據包在5G 系統中第k次傳輸時的小尺度衰落為有

假設業務流fi的丟包率最低要求為θ，當Psuc≥θ時才能滿足業務流fi的QoS 需求。

結合TSN 域和5G 域的傳輸時延分析可得

為了保證端到端數據傳輸QoS 要求，式(11)中各變量的取值規劃需滿足式(7)的要求，即；若當前因重傳次數導致5G 系統傳輸時延預算超過了式(7)的要求，則將5G 系統傳輸時延修改為

其中，o i為一個微小的時間偏移量，確保滿足式(7)的端到端時延約束條件。根據式(17)與式(8)，可以得到當前5G 系統傳輸時延規劃下空口的傳輸時延約束，并根據式(9)可以得到允許的最大重傳次數。結合業務所需要的丟包率指標，將上述已知最大重傳次數和成功概率值代入式(15)，可得到所需的時頻傳輸資源數量，從而通過降低MCS 等級，以資源有效性換取時間約束條件下的傳輸可靠度。

統籌考慮業務流端到端時延，為保證在DS-TT到ES3 的鏈路上不發生“碰撞”，還需對相鄰業務流數據包間的發送間隔做出要求。假設f i和fi+1分別表示當前發送的流和下一幀發送的流，則2 個流數據包間的間隔應滿足

4 仿真分析

4.1 仿真參數設置

根據3GPP TS38.214 的定義，針對uRLLC 的CQI 采用4 bit 定義，編號為0～15，只采用QPSK，16QAM 和64QAM 的調制方式。5G 與TSN 系統仿真參數如表1 所示；在業務參數設置方面，本文僅考慮具有周期性及時間觸發特性的工業業務流，相關業務參數如表2 所示。

表1 5G 與TSN 系統仿真參數

表2 時間觸發業務流參數

4.2 仿真結果及分析

空口最大的不確定性來源于信道變化帶來的數據包傳輸成功率的不確定性。圖9 展示了不同信號解調門限ξth、不同最大傳輸次數Ki設置場景下，終端與基站距離d和數據包正確接收概率的關系。從圖9 中可以看到，隨著重傳次數增加，數據包傳輸成功率提高，當最大傳輸次數較小時，隨著距離增加，信號衰減增大，信道越不穩定，數據包成功傳輸概率與終端基站間距離成反比。當最大傳輸次數較大時，信道變化對數據成功傳輸概率影響不大，由于多次信號合并增益，數據成功接收概率與數據包傳輸次數成正比。因此，5G 系統傳輸時延預算中考慮數據傳輸次數的設置，有助于消除信道帶來的不確定性。

圖9 終端與基站距離和數據包正確接收概率的關系

圖10 展示了5G 空口資源分配與數據包正確接收概率之間的關系。當Ki=2 時，隨著空口傳輸資源的增加，數據包正確接收概率也會隨之增加，用效率低但可靠度高的低等級MCS 方式，保證數據傳輸的可靠性；當資源數目增長到一定階段時，已經無法通過降低MCS 獲得數據傳輸成功率增益。隨著最大傳輸次數門限的不斷提升，可以看到增加資源數目的效果已經不明顯，此時重傳帶來的多次信號合并增益提升了數據包傳輸正確概率，已不需要通過犧牲資源的有效性換取數據包傳輸可靠性。此外，在滿足業務流丟包率指標情況下，如滿足99.9%數據傳輸成功概率，可通過降低重傳次數、降低MCS 等級但增加空口資源數量的方式降低空口傳輸時延，滿足式(17)所提場景。

圖10 5G 空口資源分配與數據包正確接收概率關系

信道質量與重傳時延關系如圖11 所示，其中，數據包成功解調的信干噪比閾值為5 dB。隨著信道質量變好，不同最大傳輸次數對應的空口時延均呈現階梯下降的情況。當信道質量較差（信干噪比低于2 dB）時，需多次重傳才能滿足信號合并增益達到解調門限。當信道質量較好時，由于數據包均能實現成功解調，發生數據包重傳概率極低。因此，對于承載于不同信道質量空口資源上的數據包，應給予不同的最大傳輸次數設置。

圖11 信道質量與重傳時延關系

結合上述針對5G 系統的仿真結果可以看出，最大傳輸次數的設置對數據包成功接受率影響最大，因此基于CQI 信息的Ki值設置為

基于上述5G 系統最大傳輸次數門限的設置規則，圖12 展示了ES1業務流在不同信道質量下5G 系統傳輸時延預算與5G 系統實際傳輸時延的關系。

由圖 12 中可以看到，在一般信道質量（3 ≤CQI ＜14）和較差信道質量CQI ＜ 3的情況下，隨著信道質量變差，重傳發生的概率也會逐步增加，從而造成數據包5G 系統真實傳輸時延發生“突變”，但由于5G 系統采用了uRLLC 功能，避免了數據多次重傳的出現。此外，由于已根據信道質量進行數據包最大傳輸次數的預設，因此，業務流真實傳輸時延并未超過5G 系統傳輸時延預算，通過DS-TT 出口處門控列表機制的控制，消除了5G 無線信道變化導致的傳輸時延抖動，實現了跨網數據傳輸時延的確定性。

圖12 不同信道質量下的5G 系統傳輸時延預算與實際傳輸時延的關系

本文所提5G 與TSN 聯合時間調度機制對TSN域中的隊列管理進行了改進，根據分配給業務流的5G 空口資源信道狀況優劣對其排隊優先級進行定義。圖13 給出了具有相同業務優先級（即業務周期相同）的3 個業務流在TSN 域傳輸時延，可以看出，由于5G 空口資源信道狀況差的業務流在TSN 域會被優先處理，因此其TSN 域的時延會相對較低。

圖13 不同信道質量情況下TSN 域時延分析

下面對比本文所提機制的端到端時延性能，對比機制在TSN域不考慮業務流在5G承載無線資源的信道質量。如圖14 所示，對于未考慮5G 信道質量的機制，數據包在TSN 域根據FIFO 的原則進行排隊，由于不同業務流數據包到達具有一定隨機性，因此承載于最差信道質量的業務流在TSN 域的處理順序具有一定不確定性。隨著同一優先級業務流數目的增加，本文所提機制考慮了5G 信道質量影響，其端到端時延性能優于未考慮5G 信道質量信息的對比機制。

圖14 不同機制端到端時延性能對比

5 結束語

針對5G 賦能工業垂直領域需求，本文首先對5G 與TSN 協同傳輸的必要性和迫切性進行了分析；然后對3GPP R16 中提出的5G TSN 橋接網絡架構、跨域數據傳輸流程及5G 空口對確定性傳輸機制的影響進行了闡述，分析了5G 系統傳輸時延預算在跨域確定性數據傳輸中的重要性，并提出了一種基于無線信道信息的5G 與TSN 聯合調度機制，重點對TSN 域時延和5G 系統時間預算規劃機制進行了闡述。仿真結果表明，本文所提聯合時間調度機制通過5G 信道質量信息向TSN 域的共享，使承載于信道質量較差無線資源上的業務流能夠獲得更低的TSN 域時延；并能夠通過合理設置5G系統傳輸時延預算，有效消除空口變化對確定性傳輸機制的影響，為時間觸發業務流提供端到端確定性時延傳輸保障。

本文重點在于探討無線信道變化對于5G 系統整體傳輸時延的影響，并未深入探討針對多時間敏感業務流并發條件下無線資源分配和差異化QoS保障策略。因為未來智能工廠中不僅存在時間敏感類業務、還存在視頻、傳感器數據采集等多種類型業務，如何在無線資源受限條件下構建滿足時間敏感業務流確定性傳輸需求、并同時支持其他5G 業務傳輸的資源分配與協同管理機制，將是5G 與TSN 聯合實時調度需要進一步考慮的研究問題。