TSN基本概念

　　TSN（Time Sensitive Network，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）是由IEEE 802.1 TSN任務(wù)組制定的一系列IEEE 802以太網(wǎng)子標(biāo)準(zhǔn)集，該任務(wù)組成立于2012年，由IEEE 802.1 AVB（audio video bridging，音視頻橋接）任務(wù)組改名而成。AVB工作組致力于解決音頻視頻數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)介質(zhì)上傳輸時(shí)的時(shí)延較高、抖動(dòng)較大、傳輸不確定等問(wèn)題。TSN通過(guò)無(wú)縫冗余等機(jī)制擴(kuò)展了AVB技術(shù)的性能，為網(wǎng)絡(luò)提供有界低時(shí)延、低抖動(dòng)和極低數(shù)據(jù)丟失率的能力，使得以太網(wǎng)能適用于可靠性和時(shí)延要求嚴(yán)苛的時(shí)間敏感型應(yīng)用場(chǎng)景。

　　圖1：以太網(wǎng)的發(fā)展歷程

　　TSN的主要特性包括時(shí)間同步、確定性傳輸、網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置、兼容性和安全等。

　?。?）時(shí)間同步：全局時(shí)間同步是大多數(shù) TSN 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，用于保證數(shù)據(jù)幀在各個(gè)設(shè)備中傳輸時(shí)隙的正確匹配，滿(mǎn)足通信流的端到端確定性時(shí)延和無(wú)排隊(duì)傳輸要求。TSN利用IEEE 802.1AS在各個(gè)時(shí)間感知系統(tǒng)之間傳遞同步消息，提供精確的時(shí)間同步。

　?。?）確定性傳輸：在數(shù)據(jù)傳輸方面，對(duì)于TSN而言，重要的不是“最快的傳輸”和“平均傳輸時(shí)延”，而是在最壞情況下的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。TSN通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流量的整形、無(wú)縫冗余傳輸、過(guò)濾和基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的高可靠、低時(shí)延、零分組丟失的確定性傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置：大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的配置需要在網(wǎng)絡(luò)停止運(yùn)行期間進(jìn)行，這對(duì)于工業(yè)控制等應(yīng)用來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的。TSN通過(guò)IEEE 802.1Qcc引入集中網(wǎng)絡(luò)控制器（centralized network configuration，CNC）和集中用戶(hù)控制器（centralized user configuration，CUC）來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)靈活地配置新的設(shè)備和數(shù)據(jù)流。

　?。?）兼容性：TSN以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，支持關(guān)鍵流量和盡力而為（best-effort，BE）的流量共享同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)保證關(guān)鍵流量的傳輸不受干擾。同時(shí)TSN是開(kāi)放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)而非專(zhuān)用協(xié)議，來(lái)自不同供應(yīng)商的支持TSN的設(shè)備都可以相互兼容，為用戶(hù)提供了極大的便利。

　?。?）安全：TSN利用IEEE 802.1Qci對(duì)輸入交換機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和管控，對(duì)不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行阻攔，能及時(shí)隔斷外來(lái)入侵?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全，也能與其他安全協(xié)議協(xié)同使用，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

　　隨著TSN技術(shù)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域受到更為廣泛和高度的關(guān)注，吸引了各類(lèi)通信標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)機(jī)構(gòu)針對(duì)TSN相關(guān)技術(shù)在垂直行業(yè)的部署應(yīng)用展開(kāi)研究。除了電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE），對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)擴(kuò)展到多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織，包括：IEC、IETF、通用公共無(wú)線(xiàn)接口聯(lián)盟（CPRI）、中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）等，參與TSN研究和技術(shù)推廣的研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也已經(jīng)包括：中國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），德國(guó)的LNI4.0、AVNU、OPC基金會(huì)、OpenStack基金會(huì)等等。主要的研究領(lǐng)域及相關(guān)進(jìn)展如圖2所示。

　　圖2：時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀示意圖

　　在5G網(wǎng)絡(luò)方面，3GPP R16將5G端到端時(shí)延目標(biāo)定為1ms或更低，就現(xiàn)有5G超可靠和低延遲通信（uRLLC）標(biāo)準(zhǔn)而言，主要用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)終端與基站之間的傳輸，其技術(shù)思路與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)并不相同。在3GPP R16 23.501中，已經(jīng)開(kāi)始將TSN技術(shù)納入5G標(biāo)準(zhǔn)，用于滿(mǎn)足5G承載網(wǎng)的高可靠、確定性需求，與uRLLC形成確定性傳輸?shù)募夹g(shù)接力。相比5G uRLLC技術(shù)主要關(guān)注在可靠性和時(shí)延方面的業(yè)務(wù)保證，TSN技術(shù)則將在時(shí)延抖動(dòng)以及時(shí)間同步方面對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)。3GPP R17提出TSN增強(qiáng)架構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)架構(gòu)增強(qiáng)，控制面設(shè)計(jì)支持TSN相關(guān)控制面功能；實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)確定性傳輸調(diào)度機(jī)制，而不依賴(lài)于外部TSN網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)UPF增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)終端間的確定性傳輸；實(shí)現(xiàn)可靠性保障增強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議對(duì)接；支持多時(shí)鐘源技術(shù)。

　　TSN關(guān)鍵技術(shù)

　　TSN協(xié)議族位于開(kāi)放式系統(tǒng)互連（OSI）模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。它可以采用IEEE 802.3的以太網(wǎng)或IEEE 802.3cg《IEEE標(biāo)準(zhǔn) 補(bǔ)篇5：?jiǎn)螌?duì)平衡導(dǎo)線(xiàn)上10Mb/s運(yùn)行和相關(guān)電力輸送的物理層規(guī)范和管理參數(shù)》的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)物理層。

　　圖3：TSN 在 OSI 模型中的位置

　　TSN標(biāo)準(zhǔn)主要包括應(yīng)用行規(guī)、配置標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)技術(shù)三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)的組合，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)可以完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理，并提供優(yōu)良的調(diào)度結(jié)果。

　　圖4：TSN標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)

　　TSN標(biāo)準(zhǔn)按功能分為時(shí)間同步、可靠性、時(shí)延、資源管理4類(lèi)，如下圖所示。其中較為核心的功能協(xié)議有IEEE 802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr、802.1Qci等。

　　圖5：TSN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議族功能分類(lèi)

　　以工業(yè)為核心的特性包括：時(shí)間同步、流量調(diào)度、幀搶占、逐流過(guò)濾和監(jiān)管、幀復(fù)制和幀消除、流預(yù)留等。

　?。?）時(shí)間同步

　　TSN標(biāo)準(zhǔn)中由IEEE 802.1AS提供全局精準(zhǔn)時(shí)間同步。IEEE 802.1AS標(biāo)準(zhǔn)是IEEE std 1588精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（precision time protocol，PTP）的特定配置文件，定義了廣義精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（generalized PTP，gPTP），并擁有更簡(jiǎn)潔易操作的選項(xiàng)和功能。IEEE 802.1AS通過(guò)在gPTP域的時(shí)間感知系統(tǒng)之間傳遞相關(guān)時(shí)間事件消息來(lái)完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的同步。

　　gPTP與PTP的同步機(jī)制類(lèi)似，利用最佳主時(shí)鐘算法（best master clock algorithm，BCMA）在網(wǎng)絡(luò)中選擇主時(shí)鐘并建立同步時(shí)鐘樹(shù)，然后利用對(duì)等路徑時(shí)延測(cè)量機(jī)制計(jì)算主從時(shí)鐘端口間的時(shí)間誤差來(lái)進(jìn)行同步。近期修訂的IEEE 802.1 AS rev改進(jìn)了gPTP，為主時(shí)鐘故障提供了更快的反應(yīng)時(shí)間，極大提升了系統(tǒng)可用性和容錯(cuò)性。IEEE 802.1 AS rev在網(wǎng)絡(luò)中提供冗余主時(shí)鐘和多個(gè)時(shí)鐘同步路徑，當(dāng)前主時(shí)鐘出現(xiàn)故障時(shí)，設(shè)備可快速切換至冗余主時(shí)鐘，冗余主時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的冗余同步路徑還能在網(wǎng)絡(luò)鏈路甚至網(wǎng)橋丟失時(shí)依然提供同步時(shí)基，實(shí)時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

　　圖6：IEEE 802.1 AS 架構(gòu)

　?。?）流量調(diào)度

　　IEEE 802.1Qbv則提供了基于服務(wù)等級(jí)的流量調(diào)度，能夠避免不同等級(jí)流量間的相互干擾，為時(shí)間關(guān)鍵的流量提供確定的端到端時(shí)延。IEEE 802.1Qbv 中定義了時(shí)間感知整形器（time-aware shaper，TAS），利用時(shí)間周期的概念來(lái)調(diào)度數(shù)據(jù)流。時(shí)間感知整形器如下圖所示，進(jìn)入TSN交換機(jī)的數(shù)據(jù)流根據(jù)其幀頭中的信息會(huì)被重新賦予優(yōu)先級(jí)并送至輸出端口的指定隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列都有一個(gè)控制傳輸?shù)臅r(shí)間感知門(mén)/傳輸門(mén)。當(dāng)門(mén)的狀態(tài)為開(kāi)（open）時(shí)，傳輸選擇算法會(huì)在相應(yīng)的時(shí)間窗口根據(jù)優(yōu)先級(jí)選擇數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸；當(dāng)門(mén)的狀態(tài)為關(guān)（close）或者當(dāng)前時(shí)間窗口的剩余時(shí)間不足以傳輸整個(gè)幀，則不允許傳輸。時(shí)間感知門(mén)的狀態(tài)由基于IEEE 802.1AS的門(mén)控列表（gate control list，GCL）指定，門(mén)控列表周期性地調(diào)度每個(gè)隊(duì)列的流量，并控制每個(gè)隊(duì)列傳輸時(shí)間窗口的長(zhǎng)度。

　　圖7：時(shí)間流量整形器

　　為了避免已傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵流量干擾即將傳輸?shù)年P(guān)鍵流量，通常會(huì)在非關(guān)鍵流量的時(shí)間窗口后加入保護(hù)帶，保護(hù)帶的長(zhǎng)度為非關(guān)鍵流量中的最大幀的傳輸時(shí)間。在關(guān)鍵流量開(kāi)始傳輸時(shí)，上一個(gè)周期傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵數(shù)據(jù)幀（干擾幀）還沒(méi)發(fā)送完并占用后續(xù)時(shí)隙，導(dǎo)致關(guān)鍵流量不能在其傳輸窗口完成全部的數(shù)據(jù)傳輸。加入保護(hù)帶后，在保護(hù)帶時(shí)間段內(nèi)不允許非關(guān)鍵幀的傳輸，從而保證了關(guān)鍵幀的及時(shí)傳輸。

　?。?）幀搶占

　　IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br協(xié)同制定標(biāo)準(zhǔn)化的搶占機(jī)制。IEEE 802.1Qbv雖然能保護(hù)關(guān)鍵流量免受其他網(wǎng)絡(luò)流量的干擾，但不一定帶來(lái)最佳的帶寬利用率和最小的通信時(shí)延。在支持IEEE 802.1Qbu幀搶占的鏈路上，允許中斷非關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀或者巨型幀的傳輸（如下圖中的（1）和（2）所示），并優(yōu)先傳輸時(shí)間關(guān)鍵幀，然后在不丟棄先前傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵幀片段的情況下恢復(fù)傳輸中斷的數(shù)據(jù)，一個(gè)非關(guān)鍵的數(shù)據(jù)幀可以被多次搶占。在應(yīng)用保護(hù)帶機(jī)制時(shí)，幀搶占能有效減小保護(hù)帶的最大長(zhǎng)度（如下圖中（3）和（4）所示），縮短信道空閑時(shí)間。幀搶占機(jī)制在保證關(guān)鍵型數(shù)據(jù)確定性低時(shí)延的同時(shí)，也提供了更細(xì)粒度的服務(wù)質(zhì)量，提高了帶寬利用率。

　　圖8：幀搶占

　?。?）逐流過(guò)濾和監(jiān)管

　　IEEE 802.1Qci定義的逐流過(guò)濾和監(jiān)管（per-stream filtering and policing，PSFP）基于規(guī)則匹配過(guò)濾和監(jiān)控每個(gè)輸入設(shè)備的流，防止端點(diǎn)或網(wǎng)橋上的軟件錯(cuò)誤，抵御惡意設(shè)備和攻擊（如DOS等）。PSFP根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)幀所攜帶的流識(shí)別號(hào)和優(yōu)先級(jí)信息來(lái)匹配流過(guò)濾器，由流過(guò)濾器執(zhí)行逐流過(guò)濾和監(jiān)管操作；流門(mén)用于協(xié)調(diào)所有的流，確定流的服務(wù)等級(jí)并有序確定地處理流。流計(jì)量用于執(zhí)行流的預(yù)定義帶寬配置文件，規(guī)定最大信息速率和突發(fā)流量大小等。PSFP處理的步驟如下圖所示。

　　圖9：逐流過(guò)濾和監(jiān)管原理

　?。?）幀復(fù)制和幀消除

　　IEEE 802.1CB中定義的幀復(fù)制和消除（frame replication and elimination for reliability，F(xiàn)RER）實(shí)現(xiàn)了與高可用性無(wú)縫冗余（high-availability seamless redundancy，HSR）和并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol，PRP）類(lèi)似的無(wú)縫冗余機(jī)制，目的是增加給定數(shù)據(jù)分組的交付概率，防止擁塞丟失并降低由于設(shè)備故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組丟失的概率。幀復(fù)制和消除過(guò)程如下圖所示，F(xiàn)RER在發(fā)送端將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀復(fù)制多個(gè)副本并生成序列號(hào)，然后在不相交的冗余網(wǎng)絡(luò)路徑A-B-C和D-E-F上傳送，在目的地或者目的地附近（如B、E）依據(jù)數(shù)據(jù)幀的序列號(hào)檢查并丟棄重復(fù)的副本，以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫冗余傳輸。

　　圖10：幀復(fù)制和消除過(guò)程

　　FRER機(jī)制適用于任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑸榻档头纸M丟失概率，IEEE 802.1CB 可以使用許多條在IEEE 802.1Qca路徑控制和預(yù)留協(xié)議中定義的冗余路徑，也可與IEEE 802.1Qcc等協(xié)議結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫冗余和快速恢復(fù)。

　?。?）流預(yù)留

　　IEEE 802.1Qcc提供了對(duì)IEEE 802.1Qat流預(yù)留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）的增強(qiáng)和全局管理與控制網(wǎng)絡(luò)的工具，支持靜態(tài)或動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，通過(guò)減少預(yù)留消息的大小和頻率改善原有的SRP，僅通過(guò)鏈路狀態(tài)或預(yù)留變化來(lái)觸發(fā)更新。

　　IEEE 802.1Qcc提供了TSN應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)組件之間的用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)接口（user network interface，UNI）。完全集中式的網(wǎng)絡(luò)管理模型如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始運(yùn)行之前，集中用戶(hù)配置（CUC）會(huì)向網(wǎng)絡(luò)集中控制器（CNC）發(fā)起檢索網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔?qǐng)求，CNC遍歷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜髮⒔Y(jié)果返回至CUC。CUC接收網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜箝_(kāi)始收集網(wǎng)絡(luò)資源需求，如哪些終端設(shè)備之間要進(jìn)行通信、TSN流的周期、大小和時(shí)延界限等，并發(fā)送至CNC。CNC根據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)需求計(jì)算每個(gè)TSN幀的調(diào)度表并發(fā)送至每個(gè)網(wǎng)橋，同時(shí)CUC將調(diào)度表分發(fā)至每個(gè)終端設(shè)備并要求終端設(shè)備依據(jù)調(diào)度表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。至此，CUC和CNC分別通過(guò)代理的方式完成了網(wǎng)絡(luò)的配置。當(dāng)有新的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)或有新的TSN流產(chǎn)生時(shí)，依然可以用此方式在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)重新配置。

　　圖11：完全集中式的網(wǎng)絡(luò)管理模型

　　5G和TSN融合的部署需求

　　5G+TSN是未來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)化和柔性制造的重要基礎(chǔ)。TSN在做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可以針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量差異化保證。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，TSN可以針對(duì)各類(lèi)工業(yè)應(yīng)用涉及的業(yè)務(wù)流特性進(jìn)行建模和定義，并在此基礎(chǔ)上，提供不同的優(yōu)先級(jí)與調(diào)度機(jī)制。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量類(lèi)型非常多，例如視頻、音頻、同步實(shí)時(shí)控制流、事件、配置&診斷等，表1是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流的典型分類(lèi)示例。

　　從表1中可以看出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)流有不同的服務(wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）需求。按照周期性劃分，業(yè)務(wù)流可以分為周期和非周期兩種。同步實(shí)時(shí)流對(duì)時(shí)延的要求最高，時(shí)延主要用于運(yùn)動(dòng)控制，其特點(diǎn)是：周期性發(fā)包，其周期一般小于2ms；每周期內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定，一般不超過(guò)100B；端到端傳輸具有時(shí)限要求，即數(shù)據(jù)需要在一個(gè)特定的絕對(duì)時(shí)間之前抵達(dá)對(duì)端。事件、配置&診斷、Best Effort類(lèi)無(wú)時(shí)延特定要求；音頻和視頻類(lèi)主要是依賴(lài)于幀率和采樣率；周期循環(huán)和網(wǎng)絡(luò)控制類(lèi)對(duì)時(shí)延有要求，但相比同步實(shí)時(shí)類(lèi)要低。

　　表1：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流分類(lèi)示例

　　在以工業(yè)為代表的垂直行業(yè)業(yè)務(wù)中，安全可靠確定性地傳輸數(shù)據(jù)是通信技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。面對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的極致高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)體驗(yàn)、效率及性能要求，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)選型提出了幾點(diǎn)需求：

　　需求一：端到端極致確定性業(yè)務(wù)體驗(yàn)

　　在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過(guò)程周期可能低至毫秒級(jí)別，同時(shí)對(duì)可靠性也有極高的要求，對(duì)于業(yè)務(wù)的傳輸都有十分嚴(yán)格的確定性要求。需要整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包括NR RAN核心網(wǎng)在內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行性能的優(yōu)化以及系統(tǒng)整體處理效率的提升，才可能實(shí)現(xiàn)端到端的極致高可靠低時(shí)延。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)QoS功能基礎(chǔ)上增加了包括時(shí)間片調(diào)度、搶占、流監(jiān)控及過(guò)濾等一系列流量調(diào)度特性，根據(jù)業(yè)務(wù)流量的特點(diǎn)配合使用相關(guān)特性，可以確保流量的高質(zhì)量確定性傳輸。將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸過(guò)程進(jìn)行融合，可以更為有效地保證5G網(wǎng)絡(luò)的端到端高可靠低時(shí)延傳輸要求。

　　需求二：異構(gòu)系統(tǒng)的精密協(xié)作

　　5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以業(yè)務(wù)為中心全方位構(gòu)建信息生態(tài)系統(tǒng)，使能各類(lèi)連接設(shè)備之間的全面連接和精密協(xié)作，以智能工廠為例，生產(chǎn)設(shè)備、移動(dòng)機(jī)器人、AGV小車(chē)等智能系統(tǒng)內(nèi)部存在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接，并且系統(tǒng)又可能通過(guò)不同的方式接入到5G網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，需要實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備系統(tǒng)之間的密切協(xié)同及無(wú)碰撞作業(yè)，就需要業(yè)務(wù)系統(tǒng)彼此之間能夠做到互聯(lián)互通。

　　TSN+OPC UA的組合被認(rèn)為解決異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通問(wèn)題的最佳組合，可以同時(shí)達(dá)成網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)層面的互通。TSN技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解決數(shù)據(jù)報(bào)文在數(shù)據(jù)鏈路層中確定性傳輸問(wèn)題；OPC UA則提供一套通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制，應(yīng)用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)端設(shè)備，解決數(shù)據(jù)交換及系統(tǒng)互操作的復(fù)雜性問(wèn)題。

　　需求三：全業(yè)務(wù)承載差異化的傳輸質(zhì)量保證

　　5G網(wǎng)絡(luò)全面使能垂直行業(yè)新業(yè)務(wù)模式，仍舊以智能工廠為例，工業(yè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以通過(guò)音視頻實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)程感知，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的生產(chǎn)監(jiān)控及指導(dǎo)；遠(yuǎn)程控制可以用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互及控制，在惡劣的環(huán)境下用機(jī)器人代替人員參與，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；此外還有大量設(shè)備維護(hù)、原材料及產(chǎn)品數(shù)據(jù)需要通過(guò)傳感器、RFID、智能終端等方式上傳云端。上述業(yè)務(wù)涉及的音視頻、控制信號(hào)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸則采用不同的傳輸機(jī)制和質(zhì)量要求。5G應(yīng)用切片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的差異化業(yè)務(wù)保證，然而目前的分片僅可以在空口及核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于承載網(wǎng)部分則沒(méi)有特定的技術(shù)方案。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)基于SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的集中管理和按需調(diào)度，配合精確時(shí)間同步、流量調(diào)度等核心特性，可為不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)流量提供智能化、差異化承載服務(wù)。將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G承載網(wǎng)融合部署，或許可以為5G端到端分片提供一種解決思路。

　　5G和TSN融合的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　TSN是時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)Best Effort網(wǎng)絡(luò)；因此融合的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)為如何在不確定性的5G網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)。如何將無(wú)線(xiàn)5G技術(shù)與有線(xiàn)TSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫融合是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要且關(guān)鍵的技術(shù)難題之一，如時(shí)間同步機(jī)制、協(xié)同流量調(diào)度機(jī)制、高可靠橋接技術(shù)等。5G和TSN融合面臨如下的技術(shù)挑戰(zhàn)：

　?。?）5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、低抖動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。5G TSN包括終端、無(wú)線(xiàn)、傳輸和核心網(wǎng)，其中無(wú)線(xiàn)側(cè)是實(shí)現(xiàn)端到端確定性的關(guān)鍵，無(wú)線(xiàn)傳輸容易受到環(huán)境影響，時(shí)延難以保障。

　　（2）5G與TSN融合網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。當(dāng)前TSN與5G網(wǎng)絡(luò)有各自的時(shí)鐘同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步是面向工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵能力需求之一。工業(yè)以太網(wǎng)的TSN采用廣義精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議（gPTP）（IEEE802.1AS）實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。如何協(xié)同實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制系統(tǒng)的時(shí)鐘同步是需要考慮的問(wèn)題。

　?。?）5G TSN終端到終端的直接通信。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，存在場(chǎng)內(nèi)設(shè)備之間的直接通信，如移動(dòng)機(jī)器人之間、AGV小車(chē)之間的協(xié)同工作。如何保障終端到終端之間的確定性通信也是需要考慮的問(wèn)題。

　　（4）5G TSN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署環(huán)境。TSN的產(chǎn)業(yè)鏈比較長(zhǎng)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)TSN，會(huì)涉及工業(yè)設(shè)備、工業(yè)以太網(wǎng)、控制系統(tǒng)等的升級(jí)改造。另外，TSN技術(shù)也在發(fā)展和完善中，規(guī)模商用還需要一定的時(shí)間。

　　5G和TSN融合方案

　　從 3GPP R16相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，端到端確定性傳輸是 5G 網(wǎng)絡(luò)能夠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸有極致要求的垂直領(lǐng)域落地的關(guān)鍵。結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)界需求及相關(guān)研究成果分析，TSN與5G的融合部署大體可以分為拼接式融合、5G承載網(wǎng)融合及深度融合三個(gè)階段。

　?。?）拼接式融合

　　5G網(wǎng)絡(luò)與TSN網(wǎng)絡(luò)的互通，即將原有已經(jīng)具備時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)特性的業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)等）與5G系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拼接，流量調(diào)度協(xié)同，通過(guò)分段實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性來(lái)提升端到端業(yè)務(wù)傳送質(zhì)量。

　　在此類(lèi)方案中，整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)被看成一個(gè)UE，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中的流量分類(lèi)要與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類(lèi)型建立映射關(guān)系，同時(shí)需要保留TSN對(duì)于流量配置的相關(guān)標(biāo)記，在經(jīng)過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸后剝離5G封裝，進(jìn)入到協(xié)同業(yè)務(wù)系統(tǒng)中后，仍然按照TSN流量調(diào)度類(lèi)型進(jìn)行確定性傳輸。本方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于TSN網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)邊緣處應(yīng)部署對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)，按照部署位置可以分為部署于TSN網(wǎng)絡(luò)與蜂窩無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的UE側(cè)網(wǎng)關(guān)以及部署于TSN與5G核心網(wǎng)之間的核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)關(guān)兩種類(lèi)型。TSN與5G融合部署網(wǎng)關(guān)應(yīng)在業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接口需要具備時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性功能，兼具將業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及包含TSN特性的以太包頭封裝進(jìn)5G傳輸包頭中，在封裝過(guò)程中還要將相關(guān)的業(yè)務(wù)流量標(biāo)識(shí)映射到5G網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)中，對(duì)于UE側(cè)網(wǎng)關(guān)還需要支持有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換能力。

　　圖12：TSN與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拼接部署示意圖

　?。?）承載網(wǎng)融合

　　5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)除了提出新的空口NR標(biāo)準(zhǔn)及新的核心網(wǎng)架構(gòu)以外，對(duì)于承載網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)也是一項(xiàng)重要研究方向。5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中承載網(wǎng)絡(luò)通常采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量承載，在DU和CU合設(shè)的情況下，通?？梢苑譃榍皞骱突貍鲀刹糠郑缦聢D所示。

　　圖13：TSN與5G承載網(wǎng)絡(luò)融合部署示意圖

　　自3G開(kāi)始移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)通常采用包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)行基站到核心網(wǎng)之間的流量承載，典型的方案以IPRAN及PTN為代表，借助MPLS標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)、調(diào)度及保護(hù)倒換，基本承載技術(shù)相對(duì)穩(wěn)定成熟。5G時(shí)代的回傳網(wǎng)絡(luò)一方面結(jié)合SDN及NFV技術(shù)將驅(qū)動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)的智能化演進(jìn)；一方面也天然具備支持利用確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（MPLS Over TSN）實(shí)現(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、低抖動(dòng)業(yè)務(wù)傳輸。

　　TSN與5G承載網(wǎng)的融合，不僅存在利用TSN技術(shù)驅(qū)動(dòng)承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)確定性傳輸?shù)男枨?，也具備從回傳到前傳再到中傳部署TSN技術(shù)的基本技術(shù)前提。TSN與5G承載融合部署的實(shí)現(xiàn)，將確定性傳輸方案從業(yè)務(wù)系統(tǒng)TSN網(wǎng)絡(luò)與5G URLLC的拼接模式向5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部承載網(wǎng)融合方向演進(jìn)。

　?。?）深度融合

　　在TSN與5G深度融合階段中，整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邏輯上將升級(jí)為具備時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)特性的橋接系統(tǒng)，承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)流量的遠(yuǎn)程確定性傳送。3GPP R16 23.501中已經(jīng)明確提出相關(guān)技術(shù)思路，如下圖所示。

　　圖14：TSN與5G深度融合部署示意圖

　　5G整個(gè)網(wǎng)絡(luò)包括終端、無(wú)線(xiàn)、承載和核心網(wǎng)，在TSN中作為一個(gè)邏輯網(wǎng)橋。TSN與5G網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)TSN轉(zhuǎn)換器功能進(jìn)行用戶(hù)面和控制面的轉(zhuǎn)換和互通。5G TSN轉(zhuǎn)換器包括設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT），其中DS-TT位于終端側(cè)，NW-TT位于網(wǎng)絡(luò)側(cè)。5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)TSN是透明性的，通過(guò)DS-TT和NW-TT提供TSN入口和出口端口。

　　在深度融合的架構(gòu)下，5G網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于業(yè)務(wù)系統(tǒng)被視為黑盒的TSN交換機(jī)，支持TSN集中式架構(gòu)和時(shí)間同步機(jī)制，并通過(guò)定義新的QoS模型（流方向、周期、突發(fā)到達(dá)時(shí)間）來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的流量調(diào)度，實(shí)現(xiàn)5GS中UE到UPF之間的確定性多種業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸。

　　總結(jié)

　　TSN與5G分別是未來(lái)有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。TSN與5G融合是構(gòu)建未來(lái)靈活、高效、柔性、可靠及安全的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。TSN有線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互為補(bǔ)充，無(wú)縫融合，將為未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。5G和TSN融合部署，一方面，切片技術(shù)、精準(zhǔn)授時(shí)、流量調(diào)度和內(nèi)生確定性等為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供低時(shí)延、低抖動(dòng)的確定性通信，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)化和柔性制造；另一方面，5G TSN當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還不夠成熟，并涉及終端、無(wú)線(xiàn)、核心網(wǎng)，甚至傳輸?shù)母脑臁?/p>