TSN基本概念

　　TSN（Time Sensitive Network，時間敏感網(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)上傳輸時的時延較高、抖動較大、傳輸不確定等問題。TSN通過無縫冗余等機(jī)制擴(kuò)展了AVB技術(shù)的性能，為網(wǎng)絡(luò)提供有界低時延、低抖動和極低數(shù)據(jù)丟失率的能力，使得以太網(wǎng)能適用于可靠性和時延要求嚴(yán)苛的時間敏感型應(yīng)用場景。

　　圖1：以太網(wǎng)的發(fā)展歷程

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

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

　?。?）確定性傳輸：在數(shù)據(jù)傳輸方面，對于TSN而言，重要的不是“最快的傳輸”和“平均傳輸時延”，而是在最壞情況下的數(shù)據(jù)傳輸時延。TSN通過對數(shù)據(jù)流量的整形、無縫冗余傳輸、過濾和基于優(yōu)先級調(diào)度等，實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的高可靠、低時延、零分組丟失的確定性傳輸。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)配置：大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的配置需要在網(wǎng)絡(luò)停止運行期間進(jìn)行，這對于工業(yè)控制等應(yīng)用來說幾乎是不可能的。TSN通過IEEE 802.1Qcc引入集中網(wǎng)絡(luò)控制器（centralized network configuration，CNC）和集中用戶控制器（centralized user configuration，CUC）來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)配置，在網(wǎng)絡(luò)運行時靈活地配置新的設(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，同時保證關(guān)鍵流量的傳輸不受干擾。同時TSN是開放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)而非專用協(xié)議，來自不同供應(yīng)商的支持TSN的設(shè)備都可以相互兼容，為用戶提供了極大的便利。

　?。?）安全：TSN利用IEEE 802.1Qci對輸入交換機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和管控，對不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行阻攔，能及時隔斷外來入侵?jǐn)?shù)據(jù)，實時保護(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)在各個應(yīng)用領(lǐng)域受到更為廣泛和高度的關(guān)注，吸引了各類通信標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)機(jī)構(gòu)針對TSN相關(guān)技術(shù)在垂直行業(yè)的部署應(yīng)用展開研究。除了電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE），對時間敏感網(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)展到多個標(biāo)準(zhǔn)組織，包括：IEC、IETF、通用公共無線接口聯(lián)盟（CPRI）、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（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：中國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），德國的LNI4.0、AVNU、OPC基金會、OpenStack基金會等等。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，主要用于實現(xiàn)無線終端與基站之間的傳輸，其技術(shù)思路與時間敏感網(wǎng)絡(luò)并不相同。在3GPP R16 23.501中，已經(jīng)開始將TSN技術(shù)納入5G標(biāo)準(zhǔn)，用于滿足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)注在可靠性和時延方面的業(yè)務(wù)保證，TSN技術(shù)則將在時延抖動以及時間同步方面對5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步增強。3GPP R17提出TSN增強架構(gòu)，即實現(xiàn)5G核心網(wǎng)架構(gòu)增強，控制面設(shè)計支持TSN相關(guān)控制面功能；實現(xiàn)5G核心網(wǎng)確定性傳輸調(diào)度機(jī)制，而不依賴于外部TSN網(wǎng)絡(luò)；通過UPF增強實現(xiàn)終端間的確定性傳輸；實現(xiàn)可靠性保障增強；實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議對接；支持多時鐘源技術(shù)。

　　TSN關(guān)鍵技術(shù)

　　TSN協(xié)議族位于開放式系統(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) 補篇5：單對平衡導(dǎo)線上10Mb/s運行和相關(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)來實現(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)三類標(biāo)準(zhǔn)，通過這些標(biāo)準(zhǔn)的組合，時間敏感網(wǎng)絡(luò)可以完成對網(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

　　TSN標(biāo)準(zhǔn)按功能分為時間同步、可靠性、時延、資源管理4類，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

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

　?。?）時間同步

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

　　gPTP與PTP的同步機(jī)制類似，利用最佳主時鐘算法（best master clock algorithm，BCMA）在網(wǎng)絡(luò)中選擇主時鐘并建立同步時鐘樹，然后利用對等路徑時延測量機(jī)制計算主從時鐘端口間的時間誤差來進(jìn)行同步。近期修訂的IEEE 802.1 AS rev改進(jìn)了gPTP，為主時鐘故障提供了更快的反應(yīng)時間，極大提升了系統(tǒng)可用性和容錯性。IEEE 802.1 AS rev在網(wǎng)絡(luò)中提供冗余主時鐘和多個時鐘同步路徑，當(dāng)前主時鐘出現(xiàn)故障時，設(shè)備可快速切換至冗余主時鐘，冗余主時鐘與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的冗余同步路徑還能在網(wǎng)絡(luò)鏈路甚至網(wǎng)橋丟失時依然提供同步時基，實時保證網(wǎng)絡(luò)的正常運行。

　　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)等級的流量調(diào)度，能夠避免不同等級流量間的相互干擾，為時間關(guān)鍵的流量提供確定的端到端時延。IEEE 802.1Qbv 中定義了時間感知整形器（time-aware shaper，TAS），利用時間周期的概念來調(diào)度數(shù)據(jù)流。時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)其幀頭中的信息會被重新賦予優(yōu)先級并送至輸出端口的指定隊列，每個隊列都有一個控制傳輸?shù)臅r間感知門/傳輸門。當(dāng)門的狀態(tài)為開（open）時，傳輸選擇算法會在相應(yīng)的時間窗口根據(jù)優(yōu)先級選擇數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸；當(dāng)門的狀態(tài)為關(guān)（close）或者當(dāng)前時間窗口的剩余時間不足以傳輸整個幀，則不允許傳輸。時間感知門的狀態(tài)由基于IEEE 802.1AS的門控列表（gate control list，GCL）指定，門控列表周期性地調(diào)度每個隊列的流量，并控制每個隊列傳輸時間窗口的長度。

　　圖7：時間流量整形器

　　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，通常會在非關(guān)鍵流量的時間窗口后加入保護(hù)帶，保護(hù)帶的長度為非關(guān)鍵流量中的最大幀的傳輸時間。在關(guān)鍵流量開始傳輸時，上一個周期傳輸?shù)姆顷P(guān)鍵數(shù)據(jù)幀（干擾幀）還沒發(fā)送完并占用后續(xù)時隙，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，但不一定帶來最佳的帶寬利用率和最小的通信時延。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，幀搶占能有效減小保護(hù)帶的最大長度（如下圖中（3）和（4）所示），縮短信道空閑時間。幀搶占機(jī)制在保證關(guān)鍵型數(shù)據(jù)確定性低時延的同時，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

　?。?）逐流過濾和監(jiān)管

　　IEEE 802.1Qci定義的逐流過濾和監(jiān)管（per-stream filtering and policing，PSFP）基于規(guī)則匹配過濾和監(jiān)控每個輸入設(shè)備的流，防止端點或網(wǎng)橋上的軟件錯誤，抵御惡意設(shè)備和攻擊（如DOS等）。PSFP根據(jù)每個數(shù)據(jù)幀所攜帶的流識別號和優(yōu)先級信息來匹配流過濾器，由流過濾器執(zhí)行逐流過濾和監(jiān)管操作；流門用于協(xié)調(diào)所有的流，確定流的服務(wù)等級并有序確定地處理流。流計量用于執(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：逐流過濾和監(jiān)管原理

　　（5）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）實現(xiàn)了與高可用性無縫冗余（high-availability seamless redundancy，HSR）和并行冗余協(xié)議（parallel redundancy protocol，PRP）類似的無縫冗余機(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)制多個副本并生成序列號，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)幀的序列號檢查并丟棄重復(fù)的副本，以實現(xiàn)無縫冗余傳輸。

　　圖10：幀復(fù)制和消除過程

　　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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫冗余和快速恢復(fù)。

　　（6）流預(yù)留

　　IEEE 802.1Qcc提供了對IEEE 802.1Qat流預(yù)留協(xié)議（stream reservation protocol，SRP）的增強和全局管理與控制網(wǎng)絡(luò)的工具，支持靜態(tài)或動態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置，通過減少預(yù)留消息的大小和頻率改善原有的SRP，僅通過鏈路狀態(tài)或預(yù)留變化來觸發(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)開始運行之前，集中用戶配置（CUC）會向網(wǎng)絡(luò)集中控制器（CNC）發(fā)起檢索網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)湔埱?，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_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)需求計算每個TSN幀的調(diào)度表并發(fā)送至每個網(wǎng)橋，同時CUC將調(diào)度表分發(fā)至每個終端設(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，依然可以用此方式在網(wǎng)絡(luò)運行時重新配置。

　　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是未來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線化和柔性制造的重要基礎(chǔ)。TSN在做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，可以針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行隊列調(diào)度，從而實現(xiàn)質(zhì)量差異化保證。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，TSN可以針對各類工業(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)先級與調(diào)度機(jī)制。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量類型非常多，例如視頻、音頻、同步實時控制流、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。同步實時流對時延的要求最高，時延主要用于運動控制，其特點是：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)長度相對穩(wěn)定，一般不超過100B；端到端傳輸具有時限要求，即數(shù)據(jù)需要在一個特定的絕對時間之前抵達(dá)對端。事件、配置&診斷、Best Effort類無時延特定要求；音頻和視頻類主要是依賴于幀率和采樣率；周期循環(huán)和網(wǎng)絡(luò)控制類對時延有要求，但相比同步實時類要低。

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

　　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。面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對5G網(wǎng)絡(luò)的極致高可靠低時延業(yè)務(wù)體驗、效率及性能要求，對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計及技術(shù)選型提出了幾點需求：

　　需求一：端到端極致確定性業(yè)務(wù)體驗

　　在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下的應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過程周期可能低至毫秒級別，同時對可靠性也有極高的要求，對于業(yè)務(wù)的傳輸都有十分嚴(yán)格的確定性要求。需要整個5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包括NR RAN核心網(wǎng)在內(nèi)的各個環(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，才可能實現(xiàn)端到端的極致高可靠低時延。時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)有的以太網(wǎng)QoS功能基礎(chǔ)上增加了包括時間片調(diào)度、搶占、流監(jiān)控及過濾等一系列流量調(diào)度特性，根據(jù)業(yè)務(wù)流量的特點配合使用相關(guān)特性，可以確保流量的高質(zhì)量確定性傳輸。將時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理與5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程進(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、移動機(jī)器人、AGV小車等智能系統(tǒng)內(nèi)部存在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接，并且系統(tǒng)又可能通過不同的方式接入到5G網(wǎng)絡(luò)中來，需要實現(xiàn)這些設(shè)備系統(tǒng)之間的密切協(xié)同及無碰撞作業(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)互通問題的最佳組合，可以同時達(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)報文在數(shù)據(jù)鏈路層中確定性傳輸問題；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)增強現(xiàn)實可以通過音視頻實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境遠(yuǎn)程感知，實現(xiàn)在線的生產(chǎn)監(jiān)控及指導(dǎo)；遠(yuǎn)程控制可以用于實現(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、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)來實現(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)實現(xiàn)，對于承載網(wǎng)部分則沒有特定的技術(shù)方案。時間敏感網(wǎng)絡(luò)基于SDN架構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的集中管理和按需調(diào)度，配合精確時間同步、流量調(diào)度等核心特性，可為不同類型的業(yè)務(wù)流量提供智能化、差異化承載服務(wù)。將時間敏感網(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是時延敏感網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)本身是一個Best Effort網(wǎng)絡(luò)；因此融合的難點和關(guān)鍵點為如何在不確定性的5G網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)。如何將無線5G技術(shù)與有線TSN技術(shù)實現(xiàn)無縫融合是工業(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)低時延、低抖動的實現(xiàn)。5G TSN包括終端、無線、傳輸和核心網(wǎng)，其中無線側(cè)是實現(xiàn)端到端確定性的關(guān)鍵，無線傳輸容易受到環(huán)境影響，時延難以保障。

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

　　（3）5G TSN終端到終端的直接通信。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，存在場內(nèi)設(shè)備之間的直接通信，如移動機(jī)器人之間、AGV小車之間的協(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題。

　?。?）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，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)TSN，會涉及工業(yè)設(shè)備、工業(yè)以太網(wǎng)、控制系統(tǒng)等的升級改造。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，通過分段實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性來提升端到端業(yè)務(wù)傳送質(zhì)量。

　　在此類方案中，整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)被看成一個UE，時間敏感網(wǎng)絡(luò)中的流量分類要與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型建立映射關(guān)系，同時需要保留TSN對于流量配置的相關(guān)標(biāo)記，在經(jīng)過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)度類型進(jìn)行確定性傳輸。本方案的關(guān)鍵點在于TSN網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)邊緣處應(yīng)部署對應(yīng)網(wǎng)關(guān)，按照部署位置可以分為部署于TSN網(wǎng)絡(luò)與蜂窩無線網(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，在封裝過程中還要將相關(guān)的業(yè)務(wù)流量標(biāo)識映射到5G網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)中，對于UE側(cè)網(wǎng)關(guān)還需要支持有線網(wǎng)絡(luò)向無線蜂窩網(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，對于承載網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)也是一項重要研究方向。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?，如下圖所示。

　　圖13：TSN與5G承載網(wǎng)絡(luò)融合部署示意圖

　　自3G開始移動回傳網(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)相對穩(wěn)定成熟。5G時代的回傳網(wǎng)絡(luò)一方面結(jié)合SDN及NFV技術(shù)將驅(qū)動回傳網(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）實現(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò)的低時延、低抖動業(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)動承載網(wǎng)實現(xiàn)確定性傳輸?shù)男枨螅簿邆鋸幕貍鞯角皞髟俚街袀鞑渴餞SN技術(shù)的基本技術(shù)前提。TSN與5G承載融合部署的實現(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5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邏輯上將升級為具備時間敏感網(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整個網(wǎng)絡(luò)包括終端、無線、承載和核心網(wǎng)，在TSN中作為一個邏輯網(wǎng)橋。TSN與5G網(wǎng)絡(luò)之間通過TSN轉(zhuǎn)換器功能進(jìn)行用戶面和控制面的轉(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TSN是透明性的，通過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)和時間同步機(jī)制，并通過定義新的QoS模型（流方向、周期、突發(fā)到達(dá)時間）來實現(xiàn)精準(zhǔn)的流量調(diào)度，實現(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分別是未來有線與無線工業(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有線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互為補充，無縫融合，將為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。5G和TSN融合部署，一方面，切片技術(shù)、精準(zhǔn)授時、流量調(diào)度和內(nèi)生確定性等為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供低時延、低抖動的確定性通信，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的無線化和柔性制造；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、無線、核心網(wǎng)，甚至傳輸?shù)母脑臁?/p>