張啟明/ZHANG Qiming，鄭興明/ZHENG Xingming，張壽勇/ZHANG Shouyong

（中興通訊股份有限公司，中國深圳 518057）

1 5G 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的概念及進(jìn)展

1.1 TSN的基本概念

通過人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面互聯(lián)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建了全新的制造和服務(wù)體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是工業(yè)4.0的基石，也是制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑，為推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新動(dòng)力。

由于直接涉及工業(yè)中最核心的控制部分，工業(yè)運(yùn)營技術(shù)（OT）域?qū)W(wǎng)絡(luò)的要求很高，例如低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠性等。由于具有低時(shí)延、確定性傳輸、高可靠性等特點(diǎn)，TSN 成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)OT 域中重要的傳輸技術(shù)。TSN 是開放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的TSN設(shè)備可以更好地相互兼容，從而提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，具有良好的互聯(lián)互通能力。

TSN 標(biāo)準(zhǔn)的制訂由電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.1 工作組負(fù)責(zé)，相關(guān)研究主要面向?qū)鬏敃r(shí)延、丟包率等要求嚴(yán)苛的行業(yè)領(lǐng)域。TSN標(biāo)準(zhǔn)主要涉及時(shí)間同步、有界的低時(shí)延、高可靠傳輸和資源管理等。目前，IEEE 已經(jīng)發(fā)布IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu、IEEE 802.1Qci、IEEE 802.1CB、IEEE 802.1Qcc等10余個(gè)TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已經(jīng)比較成熟。此外，IEEE 仍在持續(xù)完善TSN相關(guān)協(xié)議，以便TSN在各行業(yè)中得到更好的部署和管理。

1.2 5G與TSN融合的必要性

傳統(tǒng)的TSN是有線網(wǎng)絡(luò)，但是在很多應(yīng)用場景中，有線網(wǎng)絡(luò)存在成本高、靈活性差等局限性。例如，在電力行業(yè)的差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用場景中，差動(dòng)保護(hù)裝置數(shù)量多、部署分散，如果鋪設(shè)光纖，成本就會(huì)很高，施工難度也較大；在很多大型智能工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，機(jī)械臂需要根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)來調(diào)整位置，如果使用有線網(wǎng)絡(luò)線纜，成本會(huì)很高，而且不靈活，同時(shí)頻繁的移動(dòng)會(huì)降低線纜的可靠性。在這些應(yīng)用場景中，無線網(wǎng)絡(luò)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。在無線技術(shù)中，Wi-Fi切換時(shí)延較大，穩(wěn)定性、抗干擾能力和安全性均較差，很難承擔(dān)工業(yè)OT域中對(duì)時(shí)延、抖動(dòng)等有很高要求的任務(wù)。隨著5G技術(shù)的發(fā)展和邊緣計(jì)算的成熟，5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠性使得5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（尤其是TSN）的結(jié)合越來越緊密。目前，5G已應(yīng)用于航空、礦業(yè)、港口、冶金、汽車、家電、能源、電子等多個(gè)重點(diǎn)行業(yè)。

1.3 5G TSN架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

為了支持5G 與TSN 的融合，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）在2020年7月份發(fā)布的R16標(biāo)準(zhǔn)中增加了時(shí)間敏感通信（TSC）功能。如圖1 所示，5G 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)TSN 虛擬網(wǎng)橋，UE 側(cè)增加一個(gè)終端側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（DS-TT）模塊，用戶面功能（UPF）側(cè)增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（NWTT）模塊。兩個(gè)TSN 轉(zhuǎn)換器（TT）將5G 網(wǎng)絡(luò)連接到TSN 網(wǎng)絡(luò)。5G TSN網(wǎng)絡(luò)擁有IEEE 802.1Qcc協(xié)議定義的全集中式模型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此，5G 控制面增加了TSN 應(yīng)用功能（AF）網(wǎng)元與集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）交互，實(shí)現(xiàn)了CNC 對(duì)5G TSN邏輯網(wǎng)橋的配置和管理。

圖1 5G TSN端到端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

作為一個(gè)TSN 網(wǎng)橋，5G 網(wǎng)絡(luò)需要支持TSN 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的基礎(chǔ)協(xié)議，包括時(shí)間同步協(xié)議IEEE 802.1AS、基于時(shí)間門控調(diào)度的協(xié)議IEEE 802.1Qbv、TSN 網(wǎng)絡(luò)管理配置協(xié)議IEEE 802.1Qcc以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾戆l(fā)現(xiàn)協(xié)議IEEE 802.1AB。

此外，3GPP R16還定義了5G作為TSN網(wǎng)橋必須支持的時(shí)間同步功能。如圖2 所示，在5G TSN 網(wǎng)絡(luò)中，存在兩種不同的時(shí)間域：5G 時(shí)間域和TSN 時(shí)間域。5G 主時(shí)鐘（GM）和TSN主時(shí)鐘（GM）可以各自獨(dú)立，互不干擾。5G時(shí)間域包括UE/DS-TT、無線接入網(wǎng)（RAN）、UPF/NW-TT，各節(jié)點(diǎn)與5G GM 保持同步；TSN 時(shí)間域包括End Station、TSN Bridge、DS-TT、NW-TT 等節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)與TSN GM 保持同步。DS-TT和NW-TT需要同時(shí)感知兩個(gè)不同時(shí)間域的時(shí)間，而RAN無須感知TSN時(shí)間。

圖2 5G TSN時(shí)間同步框架圖

根據(jù)R16的定義，5G作為TSN 的網(wǎng)橋，僅支持TSN的下行時(shí)間同步，即將NW-TT 模塊作為 IEEE 802.1AS的Slaver，使其同步于上游的TSN網(wǎng)絡(luò)，以獲取TSN 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步信息，同時(shí)將TSN時(shí)間同步信息通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳遞給DS-TT。作為IEEE 802.1AS 的Master，DS-TT 將TSN 的時(shí)間同步到下游的TSN終端。

為了支持5G TSN 的融合，3GPP R16 還增加了一些功能，包括以下幾個(gè)方面：

（1）為5G 空口增加授時(shí)增強(qiáng)功能，將授時(shí)粒度提高到10 ns；同時(shí)增加時(shí)鐘質(zhì)量字段表征由5G 基站（gNB）提供的時(shí)鐘信息的精度；提高基站根據(jù)授時(shí)能力通知終端授時(shí)的可靠性，進(jìn)而提高業(yè)務(wù)可靠性。

（2）針對(duì)超可靠低時(shí)延通信（URLLC）場景，引入Mini-slot、免調(diào)度、1D1S 幀結(jié)構(gòu)、低碼率傳輸?shù)纫幌盗性鰪?qiáng)技術(shù)；可針對(duì)業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行幀結(jié)構(gòu)、調(diào)度請(qǐng)求（SR）周期等算法參數(shù)和功能開關(guān)的聯(lián)動(dòng)配置；借助多種技術(shù)的靈活組合，形成分級(jí)的空口時(shí)延和可靠性傳輸能力。

（3）引入TSC輔助信息（TSCAI），gNB能夠利用TSCAI信息，并結(jié)合上行免授權(quán)、半靜態(tài)調(diào)度、預(yù)調(diào)度及SR 周期等算法參數(shù)和功能開關(guān)的聯(lián)動(dòng)配置，使得無線調(diào)度行為能夠更有效地匹配業(yè)務(wù)流特征，從而降低業(yè)務(wù)流無線傳輸時(shí)延，提升無線調(diào)度效率。

在3GPP R16的基礎(chǔ)上，針對(duì)5G TSN應(yīng)用場景中出現(xiàn)的問題及新需求，3GPP R17也增加了一些新的功能：

（1）引入5G 局域網(wǎng)（LAN）機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)UE 與UE 間的確定性轉(zhuǎn)發(fā)，不需要UPF N6接口外接TSN網(wǎng)絡(luò)；

（2）引入時(shí)間敏感通信和時(shí)間同步功能（TSCTSF）網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)5G 系統(tǒng)內(nèi)的確定性轉(zhuǎn)發(fā)管理能力，無須外接TSN CNC管理系統(tǒng)；

（3）通過網(wǎng)絡(luò)開放功能（NEF）連接第三方AF，實(shí)現(xiàn)確定性能力開放；

（4）引入Survival time，確保網(wǎng)絡(luò)糟糕時(shí)能滿足業(yè)務(wù)最低時(shí)延保障需求；

（5）TSN GM 可以部署在網(wǎng)絡(luò)側(cè)或者終端側(cè)，也可以由NW-TT/DS-TT 承擔(dān)。5G 系統(tǒng)的授時(shí)功能與能力開放相結(jié)合，可供第三方調(diào)用，并支持IEEE 1588（以太網(wǎng)或用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、IEEE 802.1AS 多種時(shí)間同步協(xié)議，適應(yīng)更多場景。

目前，3GPP R18中有關(guān)5G TSN的議題主要包括：增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)的韌性能力，并在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）異常時(shí)，繼續(xù)保持精確授時(shí)能力；加強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)與回傳/業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)能力，進(jìn)一步降低端到端（E2E）時(shí)延；與DetNet互通，增強(qiáng)L3確定性能力。

1.4 5G TSN面臨的挑戰(zhàn)

目前，大型智能工廠OT域?qū)?G與TSN的融合已經(jīng)提出明確的需求，并且對(duì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求很高：時(shí)間同步小于1 us，端到端時(shí)延小于4 ms（在某些場景下甚至小于1 ms），可靠性不低于99.999%。

5G網(wǎng)絡(luò)的空口無線傳輸受環(huán)境影響很大。5G網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)與TSN的融合，還需要應(yīng)對(duì)3個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：高精度時(shí)間同步、低時(shí)延確定性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、高可靠的傳輸。

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此5G TSN如何與現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行適配也是在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的。

2 中興通訊5G TSN技術(shù)創(chuàng)新

中興通訊圍繞5G TSN 開展了一系列深入研究，目前已經(jīng)擁有多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。其中，有些技術(shù)創(chuàng)新已被3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織采納，有些技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)在實(shí)際產(chǎn)品中落地應(yīng)用。

2.1 5G TSN高精度時(shí)間同步技術(shù)創(chuàng)新

針對(duì)5G TSN業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)鐘同步精度的需求，提高5G空口的時(shí)鐘同步精度是亟待解決的問題。DS-TT 和NW-TT 需要在指定的時(shí)間點(diǎn)將TSN 業(yè)務(wù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去，如果時(shí)間不一致，將不能滿足TSN 業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)要求。因此，在5G 網(wǎng)絡(luò)中除了引入IEEE 802.1AS、IEEE 1588 等時(shí)間同步機(jī)制外，還需要增強(qiáng)高精度的空口授時(shí)機(jī)制，提高向UE 終端授時(shí)的精度。

為了解決上述問題，中興通訊從兩方面提出改進(jìn)方法：

（1）增強(qiáng)基站發(fā)送參考時(shí)鐘的精度和發(fā)送方式

基站可以選擇在廣播或?qū)Ｓ眯帕钪袛y帶參考時(shí)鐘信息，并且將參考時(shí)鐘信息的粒度提升至10 ns。上述參考時(shí)鐘將全球定位系統(tǒng)（GPS）的開始時(shí)間（1980年1月6日0時(shí)0分0 秒）作為起始時(shí)間，或者采用Clock Type 域來指示本地時(shí)鐘類型。UE 與基站同步后便可獲取時(shí)間信息，并將其作為自身的時(shí)鐘基準(zhǔn)，通過計(jì)算通用精確時(shí)間協(xié)議（gPTP）在TSN 網(wǎng)絡(luò)入口、出口的時(shí)間差，可計(jì)算出gPTP 時(shí)鐘消息的補(bǔ)償值。通過這種方式，空口時(shí)鐘粒度可以達(dá)到納秒級(jí)別。中興通訊提出多個(gè)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)，目前已被3GPP采納的創(chuàng)新技術(shù)包括：

·廣播方式采用SIB9傳遞時(shí)鐘信息；

· 單播方式采用DL Information Transfer 傳遞時(shí)鐘信息。其中，gNB 集中式網(wǎng)元（CU）可以請(qǐng)求gNB 分布式網(wǎng)元（DU）通過periodical 或on-demand 方式上報(bào)時(shí)鐘信息，gNB DU基于所述請(qǐng)求上報(bào)時(shí)鐘信息給gNB CU，以用于單播時(shí)鐘傳遞。

（2）對(duì)參考時(shí)鐘進(jìn)行傳播延遲補(bǔ)償

為了進(jìn)一步提高時(shí)鐘同步的精度，中興通訊在上述傳遞的時(shí)鐘信息中引入了傳播延遲補(bǔ)償。當(dāng)終端到基站的距離較近時(shí)，不需要Uu口傳輸時(shí)延補(bǔ)償就能滿足1 us的同步需求；當(dāng)終端到基站的距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要進(jìn)行Uu 口傳輸時(shí)延補(bǔ)償才能滿足1 us 的同步需求。此外，在控制對(duì)控制的場景中，時(shí)鐘同步誤差應(yīng)滿足小于等于900 ns的需求。也就是說，兩個(gè)終端的時(shí)鐘是同時(shí)從核心網(wǎng)或者同時(shí)從GPS 獲取的，因此，核心網(wǎng)到終端或GPS到終端的單向時(shí)鐘同步誤差應(yīng)小于等于450 ns。

為了滿足空口時(shí)鐘同步的精度需求，可采用兩種方法進(jìn)行補(bǔ)償：基于時(shí)間提前量（TA）的傳播延遲補(bǔ)償和基于往返時(shí)間（RTT）的傳播延遲補(bǔ)償。其中，基于TA 的傳播延遲補(bǔ)償適用于一般時(shí)鐘精度的場景，基于RTT的傳播延遲補(bǔ)償適用于高時(shí)鐘同步精度的場景。為了解決空口時(shí)間同步的相關(guān)問題，中興通訊提出諸多相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)，其中有些已經(jīng)被3GPP采納。

·基于TA的傳播延遲補(bǔ)償：UE和gNB都可以執(zhí)行基于TA的傳播延遲補(bǔ)償操作，UE側(cè)的補(bǔ)償則通過gNB發(fā)送的無線資源控制（RRC）信令和廣播SIB9 來進(jìn)行激活和去激活操作。

·基于RTT 的傳播延遲補(bǔ)償：UE 和gNB 都可以執(zhí)行基于RTT的傳播延遲補(bǔ)償操作，gNB側(cè)在執(zhí)行補(bǔ)償操作時(shí)，可向UE 發(fā)送一個(gè)顯式請(qǐng)求來激活UE，并使其發(fā)送UE Rx-Tx time difference。該請(qǐng)求可以是一次性的，也可以是周期性的。UE側(cè)需要補(bǔ)償時(shí)，可通過DLinformation transfer signaling來承載gNB Rx-Tx time difference信息。

·基于TA 的傳播延遲補(bǔ)償和基于RTT 的傳播延遲補(bǔ)償?shù)倪x擇：基站根據(jù)核心網(wǎng)提供的當(dāng)前業(yè)務(wù)的UU接口時(shí)鐘同步誤差預(yù)算，來決定選擇哪種方法來進(jìn)行傳播延遲補(bǔ)償。同時(shí)，在切換過程中，源基站向目標(biāo)基站通知UU接口的時(shí)鐘同步誤差預(yù)算信息。

此外，在5G TSN系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案中，中興通訊在NWTT 側(cè)和DS-TT 側(cè)通過采用硬件實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.1AS 的報(bào)文處理和時(shí)間戳標(biāo)記，確保了5G TSN的高精度時(shí)間同步。

2.2 5G TSN低時(shí)延確定性技術(shù)創(chuàng)新

在空口、核心網(wǎng)和終端的各個(gè)環(huán)節(jié)，中興通訊提出如下創(chuàng)新技術(shù)以保證5G TSN的低時(shí)延及確定性轉(zhuǎn)發(fā)。

在空口方面，傳統(tǒng)的配置授權(quán)（CG）/半持續(xù)調(diào)度（SPS）有各自的周期，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包大多數(shù)是在延遲的情況下發(fā)出的，無法保證TSN 業(yè)務(wù)流的時(shí)延和抖動(dòng)。為了解決CG/SPS 周期與業(yè)務(wù)周期不匹配的問題，基站可依靠配置多套CG/SPS 等方法來進(jìn)行周期調(diào)度和低時(shí)延調(diào)度，并增強(qiáng)固定TSC業(yè)務(wù)模式的服務(wù)質(zhì)量（QoS），從而降低TSN業(yè)務(wù)流在空口傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)。中興通訊提出多個(gè)相關(guān)創(chuàng)新點(diǎn)，其中部分創(chuàng)新點(diǎn)已被3GPP采納。

（1）gNB 可以給UE 配置每小區(qū)的每個(gè)子帶寬（BWP）：最多8個(gè)SPS、12個(gè)CG，SPS周期單位最小可支持1 Slot。

（2）針對(duì)SPS/CG的配置方式包括：

·獨(dú)立配置SPS/CG。

·為每套SPS/CG引入索引號(hào)來進(jìn)行區(qū)分。

·針對(duì)同時(shí)去激活多套CG 配置的需求，在RRC 配置中引入一個(gè)狀態(tài)表。該狀態(tài)表與下行鏈路控制信息（DCI）的碼點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，例如0000、0001、0100等。

·同一個(gè)BWP 上可以同時(shí)進(jìn)行Type1、Type2 的半靜態(tài)配置。

·針對(duì)CG/SPS的周期性配置，支持以Slot為單位的周期配置（周期為1個(gè)Slot的連續(xù)整數(shù)倍）。例如，子載波帶寬為15 kHz 時(shí)，最大值為640，子載波帶寬為30 kHz 時(shí)，最大值為1 280，以此類推。

·為每套CG/SPS配置混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）Offset。

（3）在R16中，同時(shí)引入了新的CG Confirmation媒體接入控制層控制單元（MAC CE）來支持多套CG 配置。通過配置多套CG/SPS來解決CG/SPS周期與TSC業(yè)務(wù)周期不匹配的問題。

此外，核心網(wǎng)UPF/NW-TT 側(cè)和終端DS-TT 側(cè)均采用智能網(wǎng)卡技術(shù)。TSN的業(yè)務(wù)報(bào)文處理及轉(zhuǎn)發(fā)全部采用硬件來實(shí)現(xiàn)，不需要使用軟件，保證了TSN 報(bào)文的低時(shí)延及確定性轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 5G TSN高可靠連接技術(shù)創(chuàng)新

在5G TSN 網(wǎng)絡(luò)中，可以通過雙路徑的冗余傳輸機(jī)制來防止由網(wǎng)絡(luò)故障、丟包等導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷和數(shù)據(jù)丟失。這些雙路徑的冗余傳輸機(jī)制包括分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）復(fù)制、雙N3/N9隧道、雙協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話。為了解決PDCP復(fù)制和雙PDU冗余傳輸受限于終端產(chǎn)業(yè)鏈、短期難以落地應(yīng)用的問題，可采用雙UE冗余雙活技術(shù)來提高端到端傳輸可靠性。

垂直行業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)可靠性要求較高，5G 控制面（5G-C）斷鏈業(yè)務(wù)保持技術(shù)可用于對(duì)業(yè)務(wù)可靠性要求高的面向業(yè)務(wù)（ToB）場景，例如井下作業(yè)掘進(jìn)機(jī)、工業(yè)園區(qū)可編程邏輯控制器（PLC）和自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）、醫(yī)院查房車，鐵路編組站等。在控制面網(wǎng)元與用戶面網(wǎng)元間連接中斷時(shí)，該技術(shù)可依然保障5G網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

除了通用的高可靠連接技術(shù)，中興通訊提出在空口側(cè)基于上行Survival time增強(qiáng)的提案。在觸發(fā)進(jìn)入Survival time狀態(tài)的情況下，UE 可以自主激活PDCP 復(fù)制，保障業(yè)務(wù)的QoS，提高空口的可靠性。該方案目前已經(jīng)被3GPP采納。

2.4 5G TSN閉環(huán)協(xié)同管理技術(shù)創(chuàng)新

確定性網(wǎng)絡(luò)保障離不開網(wǎng)絡(luò)資源的精細(xì)管理和協(xié)調(diào)。如圖3所示，5G TSN網(wǎng)絡(luò)需要構(gòu)建從終端到網(wǎng)絡(luò)再到業(yè)務(wù)的全方位監(jiān)控機(jī)制：

圖3 5G時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)協(xié)同管理架構(gòu)

· 提供端到端切片管理服務(wù)，為業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）提供保障；

·通過終端-網(wǎng)絡(luò)-業(yè)務(wù)的端到端協(xié)同，實(shí)現(xiàn)按需定制網(wǎng)絡(luò)；

·獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)體驗(yàn)、調(diào)度效果等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整業(yè)務(wù)的調(diào)度策略，構(gòu)建“感知-決策-優(yōu)化”的端到端閉環(huán)控制。

作為TSN 邏輯網(wǎng)橋，5G 系統(tǒng)將與TSN 網(wǎng)絡(luò)的CNC 管理系統(tǒng)協(xié)同工作，可實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、能力和組網(wǎng)拓?fù)涞刃畔⒌纳蠄?bào)，以及TSN業(yè)務(wù)流的資源需求和調(diào)度策略的接收等。當(dāng)5G 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變或者發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可以及時(shí)通知CNC進(jìn)行策略調(diào)整。

此外，為了更進(jìn)一步地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，我們還可通過多維體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）感知、人工智能（AI）智能分析、E2E 協(xié)同優(yōu)化、按需能力定制等方式，來實(shí)現(xiàn)包括TSN終端和業(yè)務(wù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、RAN、UPF等端到端各節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同優(yōu)化，打造業(yè)務(wù)流端到端暢通無阻的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。

2.5 5G TSN適配不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新

目前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)比較多，并沒有統(tǒng)一到TSN，但是對(duì)高精度時(shí)間同步、低時(shí)延、低抖動(dòng)的要求是比較一致的。中興通訊聯(lián)合業(yè)界合作伙伴，采用5G TSN 架構(gòu)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域非標(biāo)準(zhǔn)TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適配，目前已經(jīng)取得一定成果。

電力行業(yè)通常采用B碼對(duì)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步。中興通訊的UE/DS-TT 支持B 碼輸出，能夠?qū)Σ顒?dòng)保護(hù)裝置配網(wǎng)終端單元（DTU）進(jìn)行授時(shí)。UE/DS-TT 通過IEEE 802.1AS 獲得高精度的TSN 時(shí)鐘，然后通過B 碼對(duì)差動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行授時(shí)。同時(shí)UE/DS-TT側(cè)啟用基于時(shí)間的精準(zhǔn)門控管理，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的低抖動(dòng)傳輸。

工業(yè)PLC大都采用IEEE 1588進(jìn)行時(shí)間同步。中興通訊增強(qiáng)方案實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.1AS與IEEE 1588的互通，滿足了基于EtherNet/IP工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的精度需求。

3 中興通訊5G TSN端到端實(shí)踐[6]

2021 年中國移動(dòng)、中興通訊聯(lián)合業(yè)界知名工業(yè)自動(dòng)化廠商，通過引入5G TSN 網(wǎng)絡(luò)為智能PLC 的實(shí)時(shí)控制提供低時(shí)延、低抖動(dòng)的確定性連接，進(jìn)一步驗(yàn)證了5G TSN 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景，具體架構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 5G TSN應(yīng)用于PLC工業(yè)自動(dòng)化方案的實(shí)踐架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署的集成化云網(wǎng)柜可集中部署5G 主時(shí)鐘與1588主時(shí)鐘、基帶單元（BBU）、傳輸設(shè)備（SPN）、核心網(wǎng)控制面設(shè)備、UPF/NW-TT、TSN 交換機(jī)以及CNC。通過網(wǎng)絡(luò)改造，分布在現(xiàn)場的PLC 控制器被集中部署到云網(wǎng)柜中。馬達(dá)可通過5G TSN網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)程的伺服控制器來驅(qū)動(dòng)。UE/DS-TT 和NWTT 側(cè)啟用基于時(shí)間的精準(zhǔn)門控管理，可實(shí)現(xiàn)報(bào)文的有界傳輸，防止網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。

高精度時(shí)鐘授時(shí)滿足了EtherNet/IP 的精準(zhǔn)授時(shí)需求，授時(shí)精度的偏差在300 ns 以內(nèi)?；跁r(shí)間的精準(zhǔn)門控管理保證了運(yùn)動(dòng)控制通用工業(yè)協(xié)議（CIP）/CIP Motion 業(yè)務(wù)報(bào)文的有界傳輸，網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)在1 ms以內(nèi)，驗(yàn)證了通過5G TSN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制的可行性。

4 結(jié)束語

雖然5G TSN 在工業(yè)領(lǐng)域的全面落地尚需時(shí)日，但是中興通訊一直在持續(xù)創(chuàng)新，與運(yùn)營商和行業(yè)客戶的合作日益深化。隨著端到端產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸成熟，5G TSN 技術(shù)也將逐步深入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，在萬物互聯(lián)時(shí)代創(chuàng)造不可估量的價(jià)值。

本文得到中興通訊股份有限公司周建鋒、熊先奎、戴博、談杰、侯曉輝、郝育鵬、徐龍的幫助，向他們表示感謝！