信金燦，許森，張化，熊尚坤，許話

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

2019 年中國頒發(fā)5G 牌照后，我國已建成全球最大的5G 網(wǎng)絡(luò)，為公眾用戶和垂直行業(yè)用戶提供了更高速率、更低時延的業(yè)務體驗。隨著5G 部署的逐漸深入，5G 的應用場景逐步清晰，產(chǎn)業(yè)界的工作開始聚焦，跨行業(yè)的場景化需求也開始浮現(xiàn)，遠程控制、智能電網(wǎng)、工業(yè)制造、移動機器人等新興業(yè)務獲得了越來越多的關(guān)注。為了獲取更好的業(yè)務體驗，新興業(yè)務場景提出了微秒級端到端時延、時延抖動，以及99.999 9%以上可靠性的確定性傳輸需求，工業(yè)場景確定性指標要求見表1。然而，目前5G 商用網(wǎng)絡(luò)僅能支持增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）業(yè)務，實現(xiàn)4 ms 時延下99.9%的可靠性需求，無法滿足新興業(yè)務提出的確定性傳輸需求。因此，為了更好地支持垂直行業(yè)應用，能夠提供確定性傳輸?shù)?G 確定性網(wǎng)絡(luò)逐漸成為新一代網(wǎng)絡(luò)通信體系的發(fā)展方向。

表1 工業(yè)場景確定性指標要求

5G 確定性網(wǎng)絡(luò)指在5G 網(wǎng)絡(luò)中引入確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，利用5G 網(wǎng)絡(luò)資源打造的有確定性傳輸能力的傳輸專網(wǎng)[2]。其中，確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠提供具有確定性時延、確定性抖動、確定性帶寬、確定性/可靠性的實時數(shù)據(jù)傳輸和確定性承載服務[3]。確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括以下3 種。

（1）時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（time-sensitive networking，TSN）技術(shù)是由IEEE 802.1 工作組提出的一組基于以太網(wǎng)協(xié)議模型的標準協(xié)議，通過高精度時間同步、網(wǎng)絡(luò)流量整形和資源預留等機制，解決了2 層網(wǎng)絡(luò)的確定性保障問題[4]。

（2）確定網(wǎng)技術(shù)

確定網(wǎng)（deterministic networking，DetNet）技術(shù)由IETF 提出，通過資源預留、顯示路由、抖動消除等技術(shù)實現(xiàn)了終端業(yè)務流的三層確定性傳輸。通過將DetNet 與TSN 融合，可以打造一個二層和三層的通用確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]。

（3）時間敏感通信技術(shù)

時間敏感通信（time-sensitive communication，TSC）技術(shù)由3GPP 提出，通過TSN 與5G 網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、精準時間同步、服務質(zhì)量（quality of service，QoS）增強和以太網(wǎng)頭壓縮等技術(shù)，實現(xiàn)具有低時延、低抖動、高可用性和高可靠性需求的確定性通信[6]。

通過將上述3 種確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，可以實現(xiàn)一個能夠提供確定性通信服務的5G 確定性網(wǎng)絡(luò)。然而，基于現(xiàn)有標準，3 種技術(shù)無法很好地融合。因此，為了實現(xiàn)確定性傳輸目標，3GPP 標準開展了無線網(wǎng)增強技術(shù)研究，旨在通過TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，提供具有低時延、低抖動、高可靠和高可用的時間敏感通信服務。其中，TSN 作為實現(xiàn)時間敏感通信的關(guān)鍵標準技術(shù)，定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，TSN 中的時間敏感機制見表2，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和可靠性[7-8]。

表2 TSN 中的時間敏感機制

1 5G 網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

IEEE 定義的3 種TSN 體系架構(gòu)如圖1 所示，在TSN 中，集中式用戶配置（centralized userconfiguration，CUC）控制器基于應用系統(tǒng)的傳輸需求，負責網(wǎng)絡(luò)信息和設(shè)備配置的域間協(xié)同；集中式網(wǎng)絡(luò)配置（centralized network configuration，CNC）控制器負責設(shè)備監(jiān)控管理、業(yè)務建模及調(diào)度模型下發(fā)等功能；TSN 網(wǎng)橋（TSN bridge）用于TSN 轉(zhuǎn)發(fā)、全網(wǎng)監(jiān)控等功能；兩側(cè)的TSN 發(fā)言者（TSN talker）和TSN 監(jiān)聽者（TSN listener）分別用于數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收。

在TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，如圖2所示，5G 系統(tǒng)作為一個邏輯網(wǎng)橋集成在具有全集中式模型的TSN 中，該網(wǎng)橋具體由支持網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（network-side TSN translator，NW-TT）功能的用戶面功能（user plane function，UPF）側(cè)端口、用戶設(shè)備（user equipment，UE）和UPF 之間的用戶平面隧道以及設(shè)備側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（device-side TSN translator，DS-TT）側(cè)端口組成，5G 系統(tǒng)通過DS-TT 和NW-TT 與TSN 進行交互。另外，5G 系統(tǒng)通過核心網(wǎng)的TSN 應用功能（TSN application function，TSNAF）實現(xiàn)與TSN CUC 的交互和協(xié)同管理，其中，TSNAF 存儲UE/DS-TT 側(cè)端口、UPF/NW-TT 側(cè)端口以及協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit，PDU）會話之間的綁定關(guān)系[9]。

圖2 TSN 與5G 網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

2 時間敏感通信技術(shù)標準進展

為了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，5G 新空口（new radio，NR）從Release 15（Rel-15）開始研究超可靠低時延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）技術(shù)，通過引入靈活的幀結(jié)構(gòu)和高優(yōu)先級傳輸?shù)葯C制降低了傳輸時延，通過支持分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（packet data convergence protocol，PDCP）復制和多點傳輸/接收點（transmission/reception point，TRP）傳輸?shù)葯C制提高了傳輸可靠性。為了滿足具有更低時延和更高可靠性的業(yè)務需求，NR 在Rel-16 中引入了免授權(quán)配置、UE 內(nèi)優(yōu)先級和復用，以及PDCP 復制增強等機制[10-11]。

工業(yè)領(lǐng)域的時間敏感通信業(yè)務在低時延、高可靠需求的基礎(chǔ)上，對時延抖動和時間同步提出了更嚴苛的要求。為了滿足業(yè)務需求，Rel-16 研究了5G 網(wǎng)絡(luò)與TSN 的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過引入精確時鐘傳遞機制，控制了基站和終端間的時間同步誤差；通過配置多套免授權(quán)調(diào)度資源，解決了無線網(wǎng)配置資源與時間敏感業(yè)務周期不匹配的問題，降低了業(yè)務傳輸?shù)臅r延和抖動[12]。在Rel-16中終端與基站時間同步機制的基礎(chǔ)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的終端到終端場景對時間同步和時延抖動提出了更高的要求，因此，Rel-17 引入了同步時延補償和QoS 增強等機制，進一步滿足了終端到終端場景的時間敏感通信需求[13]。

3 時間敏感通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精準時間同步

在TSN 和5G 網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，包含兩個獨立的時間同步系統(tǒng)：5G 系統(tǒng)時間同步和TSN域時間同步。在5G 系統(tǒng)內(nèi)，DS-TT、UE、5G 基站（next generation node B，gNB）、UPF 和NW-TT 需要與5G 內(nèi)部主時鐘（5G grand master，5GGM）進行同步，其中，5G 系統(tǒng)邊緣的TSN 轉(zhuǎn)換器需要支持IEEE 802.1AS 相關(guān)功能。對于TSN 域同步，TSN終端需要與TSNGM 進行同步，時間同步系統(tǒng)如圖3 所示，首先，TSN 域用于時鐘同步的高精度時間同步協(xié)議（precision time protocol，(g)PTP）消息由TSN GM 傳遞到NW-TT，NW-TT 為其添加一個入口時間戳（TSi）；UPF 將(g)PTP 消息傳遞給gNB后，通過空口傳遞給終端，終端在收到(g)PTP 消息后將其轉(zhuǎn)發(fā)給DS-TT，DS-TT 為其創(chuàng)建出口時間戳（TSe），其中，TSe 和TSi 之間的差值即(g)PTP 消息在5G 系統(tǒng)中的駐留時間。隨后，DS-TT 將(g)PTP消息在5G 系統(tǒng)中的駐留時間轉(zhuǎn)化為TSN 域時間，通過在矯正字段中添加所計算駐留時間，降低5G系統(tǒng)時延對TSN 域終端的影響[14-15]。

圖3 時間同步系統(tǒng)

為了實現(xiàn)TSN 終端和TSNGM 時鐘之間的精確時間同步，需要控制5G 系統(tǒng)引入的時延誤差。3GPP Rel-16 提出主時鐘和終端時鐘間的時鐘誤差不超過1 μs，其中，5G 系統(tǒng)引入的時間同步誤差包含以下3 個因素。

（1）網(wǎng)絡(luò)側(cè)精度

網(wǎng)絡(luò)側(cè)精度指基站和TSNGM 時鐘之間的同步誤差。TSNGM 時鐘和基站之間的最大絕對時間誤差（TE）見表3，不同的同步源位置可以實現(xiàn)不同的同步精度。

表3 TSN GM 時鐘和基站之間的最大絕對時間誤差（TE）

（2）空口精度

空口精度指空口傳輸引入的同步誤差。不同站間距下的同步精度見表4，當終端到基站的距離較近時，無須空口傳輸時延補償即可滿足1 μs的同步精度需求；當終端到基站的距離較遠時，需要對空口傳輸進行時延補償，研究報告TR 38.825[12]指出，當終端應用傳播時延補償后，無須考慮站間距影響，在15 kHz 子載波間隔下均可以達到470～540 ns 的時間同步精度。

表4 不同站間距下的同步精度

（3）時鐘參考信息粒度

時鐘參考信息粒度指基站發(fā)送的時鐘參考信息粒度?？湛诟呔仁跁r如圖4 所示，基站可通過廣播系統(tǒng)信息塊9（system information block type 9，SIB9）或單播無線資源控制（radio resource control，RRC）專用信令兩種方式將時鐘信息傳遞給終端，將5G 空口授時粒度提升至10 ns。

圖4 空口高精度授時

研究報告TR38.825[12]指出，當子載波間隔取15 kHz 且進行時延補償時，空口時間同步誤差最大為540 ns，此時，如果TSNGM 和基站間的時間同步誤差取100 ns、時鐘參考信息粒度誤差取25 ns，則時鐘源到終端時鐘之間的總同步誤差為665 ns，可以滿足Rel-16 提出的主時鐘和終端時鐘間的時鐘誤差小于或等于1 μs 的時間同步需求。

在Rel-16 研究的主時鐘與終端時鐘同步場景基礎(chǔ)上，Rel-17 進一步研究了控制到控制時間敏感業(yè)務的時間同步需求，終端到終端確定性通信如圖5 所示，在控制到控制場景中，主時鐘位于某個終端，其他終端從有主時鐘的終端上獲取時鐘，時間同步誤差不超過900 ns?？紤]到時間同步消息需要由終端發(fā)往UPF 后，再由UPF 發(fā)送給另一個終端，時間同步過程將引入兩次5G 系統(tǒng)時延誤差，因此，單程時間同步誤差需要小于或等于450 ns[16]。

圖5 終端到終端確定性通信

為了提高時間同步精度，需要考慮定時同步信息顆粒度引入的±5 ns 的同步誤差，在此基礎(chǔ)上，將5G 系統(tǒng)引入的時間同步誤差分為如表5所示的3 個部分[17]。

表5 時間同步誤差

在Rel-16 中，為了降低空口傳輸引入的同步開銷，采用定時提前量（timing advance，TA）的1/2 的傳播時延補償機制[18]。然而，當子載波取15 kHz 時，TA 粒度將引入±260 ns 的時間同步誤差，無法滿足控制到控制場景提出的空口時間同步精度需求，因此，Rel-17 需要對時間同步機制進行增強。

為了進一步滿足時間敏感通信業(yè)務的時間同步精確度需求，Rel-17 重點研究了基于往返時延（round-trip time，RTT）的傳播時延補償方案[19]，通過計算終端和基站側(cè)的發(fā)送接收時間差獲取傳播時延，基于RTT 的時延補償如圖6 所示，總的傳播時延表示為 1/2((t2-t1)+(t4-t3)) = 1/2((t4-t1)-(t3-t2))，該方案包括以下兩種類型。

圖6 基于RTT 的時延補償

· 終端側(cè)時延補償：終端測量終端側(cè)的發(fā)送接收時間差，通過下行傳輸信令獲取基站側(cè)的發(fā)送接收時間差，計算傳播時延并補償接收到的參考定時信息。

· 基站側(cè)時延預補償：終端將終端側(cè)的發(fā)送接收時間差發(fā)送給基站，基站測量基站側(cè)的發(fā)送接收時間差，并在發(fā)送給終端之前對參考定時信息進行預補償；為了避免終端側(cè)和基站側(cè)的重復時延補償，基站可以通過專用信令控制終端側(cè)的時延補償。

3.2 QoS 和調(diào)度增強

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)、遠程控制和未來工廠等應用場景中，業(yè)務周期以赫茲為單位，其長度可能不是NR 支持的半持續(xù)調(diào)度（semi-persistent scheduling，SPS）或配置授權(quán)（configured grant，CG）資源的整數(shù)倍；而且，單個終端可能會同時收到多個具有不同周期、不同關(guān)鍵優(yōu)先級的周期性數(shù)據(jù)流，部分時間敏感業(yè)務提出了端到端時延小于0.5 ms、可靠性達到99.99%到99.999 9%的需求。在NR Rel-15 標準中，針對單個終端，每個小區(qū)的每個帶寬部分（bandwidth part，BWP）只能支持一個SPS 和/或CG 配置，而且，SPS 周期的最小粒度為10 ms，無法滿足時間敏感業(yè)務的需求。

為了滿足時間敏感業(yè)務需求，3GPP Rel-16 提出了配置更短 SPS/CG 周期，同時配置多套SPS/CG 資源等方法，解決了時間敏感業(yè)務周期與配置資源周期不匹配問題。另外，核心網(wǎng)為基站下發(fā)時間敏感通信輔助信息，其中包括時間敏感業(yè)務周期、數(shù)據(jù)包到達時間等業(yè)務特性，輔助基站下發(fā)更合理、高效的資源配置。

為了保證時間敏感通信業(yè)務的可用性，Rel-17引入了一個新的QoS 參數(shù)——生存時間，該參數(shù)用于反映周期性業(yè)務的可用性，具體表示從故障中恢復的可用時間。生存時間如圖7 所示，當接收端在生存時間定時器超時前沒有收到下一個數(shù)據(jù)包時，認為該無線過程失敗。為了輔助無線側(cè)更好地支持生存時間參數(shù)，核心網(wǎng)通過時間敏感通信輔助信息將生存時間參數(shù)信息發(fā)送給無線側(cè)，基站和終端利用該輔助信息，提高相應鏈路的可靠性以滿足生存時間需求[20]。

圖7 生存時間

3.3 以太網(wǎng)頭壓縮

在時間敏感網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)需要封裝為以太網(wǎng)幀進行傳輸。為了在5G 網(wǎng)絡(luò)中支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用，以太網(wǎng)幀在5G 系統(tǒng)中以以太網(wǎng)類型的PDU會話傳輸。一般來說，工廠自動化、電力分布等業(yè)務數(shù)據(jù)包有效載荷較小，以太網(wǎng)幀頭在整個數(shù)據(jù)包中占比較大，降低了數(shù)據(jù)傳輸效率。因此，3GPP Rel-16 協(xié)議提出了以太網(wǎng)頭壓縮方法，通過壓縮以太幀頭中的源地址、目標地址、長度/類型以及802.1Q標簽等靜態(tài)配置降低了以太網(wǎng)報頭開銷，IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q）見表6。研究表明，以太網(wǎng)幀越小，以太網(wǎng)頭壓縮技術(shù)的增益越大，當以太網(wǎng)幀大小為64 byte 時，可以獲得20%～27%的增益。

表6 IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q），單位：八字節(jié)（octet）

4 結(jié)束語

5G 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當前產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術(shù)，通過TSN、DetNet 和TSC技術(shù)的融合，可以實現(xiàn)跨廣域通信和端到端的極致確定性體驗。為了逐步實現(xiàn)5G 確定性網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先開展了TSN和5G網(wǎng)絡(luò)融合后的時間敏感通信技術(shù)研究。時間敏感通信技術(shù)引入高精度時間同步和傳輸時延補償機制，降低了業(yè)務傳輸?shù)臅r延和時延抖動。引入新的QoS 參數(shù)和調(diào)度增強機制，配置了更可靠的無線資源，提高了業(yè)務傳輸?shù)目捎眯院涂煽啃?。另外，考慮頻譜資源的稀缺性，引入以太網(wǎng)幀頭壓縮技術(shù)，降低了開銷，提高了時間敏感通信業(yè)務的數(shù)據(jù)傳輸效率。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，考慮將確定性技術(shù)與移動邊緣服務器進行融合，將通信和計算等資源分配給具有時間敏感通信需求的終端和網(wǎng)絡(luò)，改善無線側(cè)時間敏感通信業(yè)務的服務質(zhì)量。