肖云杰，陳大衛(wèi)

（國網(wǎng)上海信通公司，上海 200072）

0 引 言

以太網(wǎng)廣泛服務(wù)各地、各行業(yè)的通信活動，作為一種局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍較廣。5G 專網(wǎng)模式下，其作用進一步放大，其信息傳輸?shù)馁|(zhì)量、穩(wěn)定性也更突出，通信管理工作、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的要求提升，以時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）技術(shù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)，可以顯著提升以太網(wǎng)的工作質(zhì)量，進而用于5G 專網(wǎng)建設(shè)[1]。目前，我國對5G 專網(wǎng)、以太網(wǎng)建設(shè)只做框架性要求，具體工作方式、技術(shù)選用主要由建設(shè)者自行決定，為進一步提升5G 專網(wǎng)工作水平、發(fā)揮TSN 技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，有必要對5G 專網(wǎng)TSN 搭建模式與關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 5G 專網(wǎng)與TSN 概述

1.1 5G 專網(wǎng)

5G 專網(wǎng)是一個復(fù)合概念，即以5G 通信技術(shù)作為支持的專用網(wǎng)絡(luò)。5G 專網(wǎng)的一般特點與其他專網(wǎng)相似，主要強調(diào)在互聯(lián)網(wǎng)的地址架構(gòu)中遵守RFC 1918 和RFC 4193 規(guī)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(wǎng)絡(luò)。5G 模式下，專網(wǎng)具有了傳輸量大、速度快、延遲率低以及穩(wěn)定性高的特點。上述特點雖然理論上共存，但如果專網(wǎng)建設(shè)時選用的技術(shù)不當、不完善，依然會出現(xiàn)穩(wěn)定性和延遲率方面的波動，因此需要選用合適的技術(shù)模式進行5G 專網(wǎng)建設(shè)[2]。

1.2 TSN 概述

TSN 是IEEE 802.1 任務(wù)組開發(fā)的一套數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范，可用于以太網(wǎng)建設(shè)，主要作用是提升以太網(wǎng)的工作能力，尤其是提升其可靠性、穩(wěn)定性[3]。在實時傳輸數(shù)據(jù)的過程中，以太網(wǎng)的常規(guī)工作不受影響，但可借助TSN 技術(shù)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(wěn)定性更有助于保證傳輸質(zhì)量。2002 年，TSN 技術(shù)被提出，其在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息傳輸?shù)母鱾€領(lǐng)域，并在5G 專網(wǎng)建設(shè)活動中得到關(guān)注。

2 5G 專網(wǎng)對工作網(wǎng)絡(luò)的需求

2.1 低延遲要求

5G 專網(wǎng)對工作網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)的延遲情況。從成因上看，信道通信能力、同步傳輸?shù)男畔⒖偭康纫蛩鼐鶗е卵舆t，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(zhì)量。5G 專網(wǎng)的理論通信能力：下行峰值速率應(yīng)達到500 Mb/s 及以上，最高下載速率應(yīng)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(xiàn)下降，不利于專網(wǎng)內(nèi)大規(guī)模的信息互通。

2.2 穩(wěn)定性要求

通信穩(wěn)定性，即5G 專網(wǎng)內(nèi)信息傳輸速率是否能穩(wěn)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(wǎng)以及其他專網(wǎng)共同關(guān)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(wǎng)難以避免通信活動受到影響，當延遲反復(fù)變化、不可控時，專網(wǎng)內(nèi)的通信活動質(zhì)量會下降，這一情況被稱為“抖動”，控制抖動、保證通性穩(wěn)定是5G 專網(wǎng)建設(shè)的要求之一[5]。

2.3 多用戶同步用網(wǎng)要求

在以太網(wǎng)作業(yè)模式下，以5G 技術(shù)支持專網(wǎng)建設(shè)，有助于保證以太網(wǎng)的通信效率，使得大量信息在短時間內(nèi)可以完成交互。當專網(wǎng)內(nèi)用網(wǎng)人數(shù)較多時，不同的通信指令、信息同時進入通信網(wǎng)絡(luò)，要求系統(tǒng)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(shù)原則上提升了專網(wǎng)的信息交互處理能力，在此基礎(chǔ)上，引入TSN技術(shù)，可發(fā)揮其可靠性、穩(wěn)定性較高的優(yōu)勢，使指令同步處理、信息同步傳輸更穩(wěn)定，減少抖動、延遲等因素的破壞，以提升5G專網(wǎng)的通信活動質(zhì)量。

3 5G 專網(wǎng)TSN 搭建模式與技術(shù)分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)搭建模式

3.1.1 5G 專網(wǎng)與TSN 技術(shù)的融合

5G 專網(wǎng)與TSN 技術(shù)的融合需要搭建穩(wěn)定的作業(yè)框架，尤其是關(guān)鍵網(wǎng)元的部署。在5G專網(wǎng)的核心區(qū)域，可對用戶面網(wǎng)元、控制面進行設(shè)計變化，做必要的下沉處理，以控制延遲情況。如工業(yè)園區(qū)內(nèi)的通信活動，以5G 專網(wǎng)支持通信管理，其設(shè)計模式如圖1 所示。

圖1 用戶面網(wǎng)元、控制面的下沉模式

該工業(yè)園的用戶總數(shù)較多，且通信需求較高，將向用戶提供服務(wù)的各類設(shè)備下沉到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)后，同步將服務(wù)網(wǎng)絡(luò)下降到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，以保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的快速響應(yīng)和通信的高效率。用戶面主要強調(diào)用戶功能面下沉，也即各類功能實體，服務(wù)端主要強調(diào)控制系統(tǒng)下沉。

按圖1 模式，嘗試以TSN 技術(shù)支持5G 專網(wǎng)建設(shè)，涉及的主要網(wǎng)元包括數(shù)據(jù)傳輸（DS-TT）、網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（NW-TT）、網(wǎng)橋管理（TSN AF）等，DS-TT、NW-TT 主要服務(wù)于技術(shù)轉(zhuǎn)換，使通信活動可以在5G 技術(shù)、TSN 技術(shù)之間切換，并能夠根據(jù)系統(tǒng)工作需要隨時進行調(diào)整，屬于5G 專網(wǎng)的各類端口，具體功能有抖動控制、數(shù)據(jù)分析以及報告發(fā)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(wǎng)橋管理可以保證不同技術(shù)之間的切換能夠?qū)崟r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(wǎng)絡(luò)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(shù)對通信實時感知，以確保時間敏感通信可以安全穩(wěn)定的完成。

3.1.2 5G 專網(wǎng)與TSN 技術(shù)的實踐方式

按照圖1模式，5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)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(chǔ)，將信息傳輸分為4 個步驟，即預(yù)配置、轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度、網(wǎng)橋和端口管理、流量映射與配置。

預(yù)配置主要是根據(jù)本網(wǎng)絡(luò)的工作需要，分析通信活動的需求，完成網(wǎng)橋延遲、網(wǎng)橋端口ID 以及發(fā)送延遲等方面的預(yù)配置，將其提供給TSN 管理范圍下的網(wǎng)絡(luò)集中配置中心。與此同時，網(wǎng)橋管理同步做安全管理配置，包括流量的預(yù)分析和資源預(yù)分配等，重點強調(diào)區(qū)分通信優(yōu)先級，控制延遲。

轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度的重點在于完成規(guī)則分析，在CNC和網(wǎng)橋交互過程中，所有指令根據(jù)系統(tǒng)工作需要進行預(yù)設(shè)，具體工作中則需要根據(jù)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(zhì)量以及穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)信息過量進入信道、資源閑置等情況。

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

流量映射與配置則關(guān)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(wù)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(shù)選擇

3.2.1 流量映射與調(diào)度機制

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

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

通常情況下，進行時間窗口分析時，系統(tǒng)工作的模式固定，即按照預(yù)設(shè)的程序進行管理，可能帶來以太網(wǎng)內(nèi)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(fā)生率不高且影響較小，但是依然會影響通信質(zhì)量。在分析幀參數(shù)的模式下，工作的關(guān)鍵在于實時進行信息收集，工作準確性高，系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)復(fù)雜性提升，運維成本也更高。從流量調(diào)度的角度出發(fā)，第二種方式的適用性更高。如果專網(wǎng)對通信質(zhì)量的要求較低，可選擇第一種方法。

3.2.2 協(xié)同管控

協(xié)同管理的主要作用是5G 專網(wǎng)與TSN 技術(shù)進行融合后，以更大范圍、更高質(zhì)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(wǎng)絡(luò)/分布式用戶，考慮到系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜性，很難在所有用戶端提供對應(yīng)等級的新網(wǎng)絡(luò)，5G 專網(wǎng)與TSN 技術(shù)融合后形成的工作網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)的提供者或整體網(wǎng)絡(luò)的管理端負責，各類網(wǎng)元均以物理或虛擬方式，連接到控制系統(tǒng)中接受遠程控制。通信質(zhì)量下達后，有管理端通過內(nèi)部分析予以處理，完成與用戶的交互，或服務(wù)用戶之間的交互。從特點上看，此模式的建設(shè)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(wǎng)通信管理以及技術(shù)切換管理。完全分布式管理模式的管理端只提供基礎(chǔ)的連接服務(wù)，技術(shù)切換和網(wǎng)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(zhì)量的通信服務(wù)，但建設(shè)成本較高。集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶則考慮對管理工作進行拆分，一部分由專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理人員負責，另一部分分布在用戶端，此模式對設(shè)計思路和建設(shè)方法的要求更高，目前較少應(yīng)用。

4 5G 專網(wǎng)TSN 的發(fā)展趨勢

4.1 降低成本

利用TSN 技術(shù)支持5G 專網(wǎng)建設(shè)，關(guān)注二者融合，以發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢提升專網(wǎng)作業(yè)能力。根據(jù)上文論述可知，優(yōu)勢技術(shù)的引入使專網(wǎng)設(shè)計更復(fù)雜，雖然提升了通信能力、質(zhì)量，但也增加了工作成本。如果在選取協(xié)同管理技術(shù)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(xiàn)技術(shù)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(shè)成本較高，設(shè)法降低成本是5G技術(shù)、TSN 技術(shù)在專網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)風險防范，也包括5G技術(shù)、TSN技術(shù)融合后專網(wǎng)面臨的作業(yè)風險。前者以防火墻、安全軟件提供支持，保證技術(shù)兼容性即可；后者則關(guān)注不同用戶與服務(wù)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(jiān)控的方式杜絕安全問題，但實時監(jiān)控進一步增加了系統(tǒng)建設(shè)支出，且管理端的監(jiān)控難以覆蓋用戶端，如何保證通信安全是5G 技術(shù)、TSN 技術(shù)聯(lián)用面臨的主要問題之一。

4.3 控制過度供應(yīng)

過度供應(yīng)主要是指信道、網(wǎng)絡(luò)資源的共度供應(yīng)。在5G 技術(shù)、TSN 技術(shù)融合后，需要考慮其通信服務(wù)效率，因此在設(shè)計上需要提供充裕的網(wǎng)絡(luò)資源和通信信道。未來工作中，此問題主要通過大數(shù)據(jù)分析、實時自適應(yīng)技術(shù)進行應(yīng)對，前者提供管理依據(jù)，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(xiàn)浪費和閑置情況。

5 結(jié) 論

5G 專網(wǎng)以TSN 技術(shù)為支持，可提升工作能力，符合5G 專網(wǎng)低時延和穩(wěn)定性等方面的要求。原則上應(yīng)關(guān)注技術(shù)選取的匹配性，根據(jù)5G 專網(wǎng)建設(shè)需要以及TSN 技術(shù)的特點，搭建能夠保證前者工作的基本框架，以保證技術(shù)運用質(zhì)量為目標，借助流量映射與調(diào)度、協(xié)同管控等關(guān)鍵技術(shù)。從發(fā)展的角度上看，TSN 技術(shù)支持5G 專網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)出成本控制和安全性提升等新趨勢，過度供應(yīng)的問題也得到關(guān)注，有助于促進5G 專網(wǎng)建設(shè)和TSN 技術(shù)的運用。