5G 專網TSN 的關鍵技術分析

肖云杰，陳大衛

（國網上海信通公司，上海 200072）

0 引 言

以太網廣泛服務各地、各行業的通信活動，作為一種局域網網絡，以太網的應用范圍較廣。5G 專網模式下，其作用進一步放大，其信息傳輸的質量、穩定性也更突出，通信管理工作、網絡建設工作的要求提升，以時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）技術為代表的現代信息技術，可以顯著提升以太網的工作質量，進而用于5G 專網建設[1]。目前，我國對5G 專網、以太網建設只做框架性要求，具體工作方式、技術選用主要由建設者自行決定，為進一步提升5G 專網工作水平、發揮TSN 技術的技術優勢，有必要對5G 專網TSN 搭建模式與關鍵技術進行分析。

1 5G 專網與TSN 概述

1.1 5G 專網

5G 專網是一個復合概念，即以5G 通信技術作為支持的專用網絡。5G 專網的一般特點與其他專網相似，主要強調在互聯網的地址架構中遵守RFC 1918 和RFC 4193 規范，在2 個主體之間建立實時性的通信連接，其他主體通常不能接入該網絡。5G 模式下，專網具有了傳輸量大、速度快、延遲率低以及穩定性高的特點。上述特點雖然理論上共存，但如果專網建設時選用的技術不當、不完善，依然會出現穩定性和延遲率方面的波動，因此需要選用合適的技術模式進行5G 專網建設[2]。

1.2 TSN 概述

TSN 是IEEE 802.1 任務組開發的一套數據鏈路層協議規范，可用于以太網建設，主要作用是提升以太網的工作能力，尤其是提升其可靠性、穩定性[3]。在實時傳輸數據的過程中，以太網的常規工作不受影響，但可借助TSN 技術控制抖動問題，在組織之間進行重要信息的交互，傳輸時，較高的可靠性和穩定性更有助于保證傳輸質量。2002 年，TSN 技術被提出，其在數據傳輸方面的優勢使該技術廣泛應用于信息傳輸的各個領域，并在5G 專網建設活動中得到關注。

2 5G 專網對工作網絡的需求

2.1 低延遲要求

5G 專網對工作網絡的需求多樣，除基本的硬件、軟件配置和安全管理外，還需要保證信息傳輸效率，控制可能出現的延遲情況。從成因上看，信道通信能力、同步傳輸的信息總量等因素均會導致延遲，延遲通常不可避免，因一些異常因素導致延遲增加，從而影響通信活動效率和質量。5G 專網的理論通信能力：下行峰值速率應達到500 Mb/s 及以上，最高下載速率應能達到1 Gb/s左右，最高上行速率約為100 Mb/s[4]。延遲較高會影響通信活動，使下載速率出現下降，不利于專網內大規模的信息互通。

2.2 穩定性要求

通信穩定性，即5G 專網內信息傳輸速率是否能穩定保持在較高水平。原則上較高的速率能夠提升通信效率，是5G 專網以及其他專網共同關注的焦點。由于通信延遲、通信干擾等因素的影響，各通信專網難以避免通信活動受到影響，當延遲反復變化、不可控時，專網內的通信活動質量會下降，這一情況被稱為“抖動”，控制抖動、保證通性穩定是5G 專網建設的要求之一[5]。

2.3 多用戶同步用網要求

在以太網作業模式下，以5G 技術支持專網建設，有助于保證以太網的通信效率，使得大量信息在短時間內可以完成交互。當專網內用網人數較多時，不同的通信指令、信息同時進入通信網絡，要求系統能夠敏銳完成感知，并分配信道、完成信息的傳輸以及下載等工作。5G 技術原則上提升了專網的信息交互處理能力，在此基礎上，引入TSN技術，可發揮其可靠性、穩定性較高的優勢，使指令同步處理、信息同步傳輸更穩定，減少抖動、延遲等因素的破壞，以提升5G專網的通信活動質量。

3 5G 專網TSN 搭建模式與技術分析

3.1 網絡搭建模式

3.1.1 5G 專網與TSN 技術的融合

5G 專網與TSN 技術的融合需要搭建穩定的作業框架，尤其是關鍵網元的部署。在5G專網的核心區域，可對用戶面網元、控制面進行設計變化，做必要的下沉處理，以控制延遲情況。如工業園區內的通信活動，以5G 專網支持通信管理，其設計模式如圖1 所示。

圖1 用戶面網元、控制面的下沉模式

該工業園的用戶總數較多，且通信需求較高，將向用戶提供服務的各類設備下沉到網絡內后，同步將服務網絡下降到網絡內，以保證業務質量的快速響應和通信的高效率。用戶面主要強調用戶功能面下沉，也即各類功能實體，服務端主要強調控制系統下沉。

按圖1 模式，嘗試以TSN 技術支持5G 專網建設，涉及的主要網元包括數據傳輸（DS-TT）、網絡側TSN 轉換器（NW-TT）、網橋管理（TSN AF）等，DS-TT、NW-TT 主要服務于技術轉換，使通信活動可以在5G 技術、TSN 技術之間切換，并能夠根據系統工作需要隨時進行調整，屬于5G 專網的各類端口，具體功能有抖動控制、數據分析以及報告發送等，均需嘗試5G 向TSN 的單項切換。TSN AF 可以在5G 橋管理、信息交換、配置分析等方面提供功能保證。5G 網橋管理可以保證不同技術之間的切換能夠實時開展，信息交換可以在DS-TT、NW-TT 端口管理的支持下開展，集中網絡控制器（Centralized Network Configuration，CNC）在此過程中提供的位置和報告信息，并以標準映射技術對通信實時感知，以確保時間敏感通信可以安全穩定的完成。

3.1.2 5G 專網與TSN 技術的實踐方式

按照圖1模式，5G專網與TSN技術共同完成搭建，當具體的信息進行傳輸時，需要以清晰的邏輯指令為基礎，將信息傳輸分為4 個步驟，即預配置、轉發和調度、網橋和端口管理、流量映射與配置。

預配置主要是根據本網絡的工作需要，分析通信活動的需求，完成網橋延遲、網橋端口ID 以及發送延遲等方面的預配置，將其提供給TSN 管理范圍下的網絡集中配置中心。與此同時，網橋管理同步做安全管理配置，包括流量的預分析和資源預分配等，重點強調區分通信優先級，控制延遲。

轉發和調度的重點在于完成規則分析，在CNC和網橋交互過程中，所有指令根據系統工作需要進行預設，具體工作中則需要根據具體的通信需求進行計算，保證集中用戶配置中心的工作需求，以確保TSN模式下的通信效率、質量以及穩定性，避免出現信息過量進入信道、資源閑置等情況。

網橋和端口管理主要關注信息的具體處理，通過系統分析了解不同信息的傳遞方向和指令要求，再通過網橋完成配置，傳輸給不同信道。

流量映射與配置則關注信息處理的具體情況，如是否存在流量過大、信息通信服務能力不足、安全性異常等問題，通過必要的安全信息映射表等進行管理。

3.2 技術選擇

3.2.1 流量映射與調度機制

流量映射與調度技術可以提升5G 專網與TSN 技術融合后的工作穩定性，主要強調減少延遲、控制抖動，以必要的實施調度改善系統流量管理能力。一般的5G 專網可采用2 種方式引入流量映射與調度機制：一是了解工作時間窗口，二是分析幀參數。

第一種方式主要通過默認程序進行時間窗口分析，以系統默認的工作參數為基礎，判斷TSN 運行模式下（包括與5G 技術的切換）交換機時間窗口打開和關閉的具體時間，做流量的固定調度進程管理。第二種方式重視實時信息的分析，在以太網投入工作中，對每一幀參數進行分析，計算其在端口的傳輸情況，分析以太網內的實施信息交互情況，完成調度進程管理。

通常情況下，進行時間窗口分析時，系統工作的模式固定，即按照預設的程序進行管理，可能帶來以太網內信息傳輸實際情況與管理情況不完全匹配的問題，雖然此問題發生率不高且影響較小，但是依然會影響通信質量。在分析幀參數的模式下，工作的關鍵在于實時進行信息收集，工作準確性高，系統的設計、建設復雜性提升，運維成本也更高。從流量調度的角度出發，第二種方式的適用性更高。如果專網對通信質量的要求較低，可選擇第一種方法。

3.2.2 協同管控

協同管理的主要作用是5G 專網與TSN 技術進行融合后，以更大范圍、更高質量的管理活動保證其控制效果。主要管理模式分為3 種，即完全集中式、完全分布式以及集中式網絡/分布式用戶，考慮到系統建設的復雜性，很難在所有用戶端提供對應等級的新網絡，5G 專網與TSN 技術融合后形成的工作網絡一般采用完全集中式管理模式，如圖2 所示。

圖2 完全集中式管理模式

該模式下，所有主要管理工作集中到一處，由網絡服務的提供者或整體網絡的管理端負責，各類網元均以物理或虛擬方式，連接到控制系統中接受遠程控制。通信質量下達后，有管理端通過內部分析予以處理，完成與用戶的交互，或服務用戶之間的交互。從特點上看，此模式的建設成本較低，管理端的工作負荷較大，需要配置充裕的寬帶資源和軟件硬件，用于專網通信管理以及技術切換管理。完全分布式管理模式的管理端只提供基礎的連接服務，技術切換和網橋搭建等各類工作則在用戶端完成，此模式便于用戶獲取更高質量的通信服務，但建設成本較高。集中式網絡/分布式用戶則考慮對管理工作進行拆分，一部分由專網網絡管理人員負責，另一部分分布在用戶端，此模式對設計思路和建設方法的要求更高，目前較少應用。

4 5G 專網TSN 的發展趨勢

4.1 降低成本

利用TSN 技術支持5G 專網建設，關注二者融合，以發揮不同技術的優勢提升專網作業能力。根據上文論述可知，優勢技術的引入使專網設計更復雜，雖然提升了通信能力、質量，但也增加了工作成本。如果在選取協同管理技術時，引入了完全分布式管理模式，以改善用戶端的管理主動性，那么即便管理端出現技術問題和功能異常，用戶端依然可以保證通信效率。然而，此模式的建設成本較高，設法降低成本是5G技術、TSN 技術在專網中融合的基本趨勢。

4.2 提升安全性

安全性的提升包括一般意義上的網絡風險防范，也包括5G技術、TSN技術融合后專網面臨的作業風險。前者以防火墻、安全軟件提供支持，保證技術兼容性即可；后者則關注不同用戶與服務端做信息交互時存在的安全隱患，目前研究人員認為可通過實時監控的方式杜絕安全問題，但實時監控進一步增加了系統建設支出，且管理端的監控難以覆蓋用戶端，如何保證通信安全是5G 技術、TSN 技術聯用面臨的主要問題之一。

4.3 控制過度供應

過度供應主要是指信道、網絡資源的共度供應。在5G 技術、TSN 技術融合后，需要考慮其通信服務效率，因此在設計上需要提供充裕的網絡資源和通信信道。未來工作中，此問題主要通過大數據分析、實時自適應技術進行應對，前者提供管理依據，后者收集實時信息，以保證資源提供滿足通信需求，不會出現浪費和閑置情況。

5 結 論

5G 專網以TSN 技術為支持，可提升工作能力，符合5G 專網低時延和穩定性等方面的要求。原則上應關注技術選取的匹配性，根據5G 專網建設需要以及TSN 技術的特點，搭建能夠保證前者工作的基本框架，以保證技術運用質量為目標，借助流量映射與調度、協同管控等關鍵技術。從發展的角度上看，TSN 技術支持5G 專網建設呈現出成本控制和安全性提升等新趨勢，過度供應的問題也得到關注，有助于促進5G 專網建設和TSN 技術的運用。