摘要：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動化制造、智能交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對網(wǎng)絡時延精度和可靠性的要求日益提高。傳統(tǒng)的有線工業(yè)通信網(wǎng)絡已難以滿足所有場景的需求，需要更加動態(tài)、靈活和智能的連接方式給予支持，此時，5G專網(wǎng)與TSN的融合成為技術(shù)發(fā)展的新趨勢。5G專網(wǎng)憑借其高帶寬、低時延等優(yōu)勢，成為加速傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型及培育新型業(yè)態(tài)的重要支撐，而TSN則以其高精度時間同步、低時延抖動和高可靠性等特性，為工業(yè)應用提供了可靠的解決方案，因此，5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)研究和應用具有重要的現(xiàn)實意義?；诖?，本文立足于5G專網(wǎng)與TSN，對其中關(guān)鍵技術(shù)進行分析，旨在為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng)；TSN；關(guān)鍵技術(shù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.010

中圖分類號：TN 929.5" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on Key Technologies of 5G Private Network TSN

XU Chengjie， YU Qian

（China United Network Communications Co.， Ltd. Jiangsu Branch， Nanjing 210019， China）

Abstract： With the rapid development of industrial Internet of Things， automated manufacturing， intelligent transportation and other fields， the requirements for network latency accuracy and reliability are increasingly increasing. Traditional wired industrial communication networks are no longer able to meet the needs of all scenarios. More dynamic， flexible， and intelligent connection methods are needed to support it. At this time， the integration of 5G private networks and TSN has become a new trend in technological development. 5G， with its advantages of high bandwidth and low latency， has become an important support for accelerating the transformation of traditional industries and cultivating new business models. TSN， with its high-precision time synchronization， low latency jitter， and high reliability， provides a reliable solution for industrial applications. Therefore， the research and application of 5G private network TSN technology have important practical significance. Based on this， this article focuses on the analysis of key technologies in 5G private networks and TSN， aiming to provide reference for related work.

Keywords： 5G private network; TSN; key technology

1" "5G專網(wǎng)與TSN

1.1 5G專網(wǎng)

5G專網(wǎng)，指利用第五代移動通信技術(shù)（5G）專為特定行業(yè)或區(qū)域定制的移動蜂窩網(wǎng)絡，提供高帶寬、低延遲、多接入等特性的通信服務，即在特定行業(yè)和區(qū)域的應用延伸，運營商利用授權(quán)頻譜，基于專有網(wǎng)絡資源，包括無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等，在專有覆蓋范圍內(nèi)，如局域、廣域等，為專有服務對象，如垂直行業(yè)，提供通信服務能力可定制和隔離度可定制的移動蜂窩網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡形式相對于公網(wǎng)而言，具有業(yè)務優(yōu)先可控、鋪設可控、安全性高、專用資源可調(diào)配等顯著優(yōu)點[1]。

隨著5G技術(shù)的不斷成熟和應用場景的拓展，其將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如將更加注重與垂直行業(yè)的深度融合和創(chuàng)新應用，推動傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級，同時隨著網(wǎng)絡切片、邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，5G專網(wǎng)將提供更加靈活、高效、安全的通信服務，滿足不同行業(yè)的多樣化需求。

1.2 TSN

TSN（Time-Sensitive Networking）是一種在非確定性以太網(wǎng)上提供確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議族，為以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層提供一套通用的時間敏感機制，確保數(shù)據(jù)實時、確定和可靠地傳輸[2]。該技術(shù)主要由IEEE 802.1標準支持，面向需要高實時性和低延遲通信的應用場景，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等。TSN技術(shù)具有確定性、低延遲、高可靠性、靈活性的特點，能通過時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度和流量整形等機制，確保數(shù)據(jù)的傳輸時延具有可預測性，且能優(yōu)化網(wǎng)絡架構(gòu)和傳輸協(xié)議，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳輸時間，滿足對實時性要求高的應用需求的同時，還能提供多種可靠性保障機制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，并且運用該技術(shù)后，用戶可以根據(jù)應用的具體需求選擇相應的協(xié)議組合，實現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡通信解決方案。

2" "5G專網(wǎng)與TSN關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 無線鏈路的低時延保障

在網(wǎng)絡架構(gòu)層面，通過前沿的邊緣計算部署與光纖直連技術(shù)，有效縮短了數(shù)據(jù)端到端的傳輸路徑，顯著降低了延遲。在接入側(cè)，面對實時性要求日益嚴苛的應用場景，eMBB與uRLLC技術(shù)的深度融合成為突破瓶頸的關(guān)鍵，這些技術(shù)不僅增強了無線鏈路的帶寬能力，更在時延控制上展現(xiàn)出卓越性能，為各類應用提供了堅實的網(wǎng)絡支撐[3]。

（1）eMBB場景下的低時延優(yōu)化。針對非實時控制但帶寬需求高、數(shù)據(jù)傳輸需持續(xù)穩(wěn)定的場景，如高清直播、精密視頻監(jiān)控、高精度測繪等，通過集成一系列優(yōu)化策略，如縮短SR周期、MCS以適配低碼率傳輸，引入無線幀復制與FRER增強可靠性，以及利用本地分流與QoS保障機制，成功將傳統(tǒng)統(tǒng)計復用無線鏈路轉(zhuǎn)型為具備初步時延確定性的高效數(shù)據(jù)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與低時延，目標時延控制在10 ms以內(nèi)。

（2）uRLLC技術(shù)助力高頻場景切換。在AR/VR、3D游戲及元宇宙等交互頻繁、對時延極度敏感的應用場景中，為實現(xiàn)小于5 ms的極致時延體驗，需采取更為精細化的時間管理策略，包括采用DS優(yōu)化的幀結(jié)構(gòu)、Mini-slot技術(shù)縮短數(shù)據(jù)傳輸單元，以及MO縮短監(jiān)控周期和subslot-level HARQ機制，顯著提升數(shù)據(jù)傳輸效率與響應速度，有效減輕用戶眩暈感，保障應用的沉浸式體驗。

（3）重塑無線空口，追求超低時延。面對自動駕駛、工業(yè)4.0、遠程手術(shù)等極端低時延需求（小于1 ms），傳統(tǒng)接入方式已難以滿足要求，必須從根本上重新設計無線空口，這包括革新幀格式、優(yōu)化子載波間隔、調(diào)整雙工模式等，以構(gòu)建全新的彈性5G無線空口[4]。在sidelink與Uu接口上，通過優(yōu)化物理層結(jié)構(gòu)與資源配置，引入自包含幀結(jié)構(gòu)可大幅縮短消息反饋周期；同時，探索SCMA技術(shù)實現(xiàn)免授權(quán)接入，簡化上行接入流程，降低傳輸時延。此外，利用3GPP定義的inactive態(tài)特性，實現(xiàn)短包數(shù)據(jù)的直接傳輸，無須額外空口信令，確保對終端設備的即時精準操控，達到前所未有的低時延性能。

2.2 端到端QoS增強

2.2.1 端到端QoS智能編排策略

為應對業(yè)務SLA的多樣性與網(wǎng)絡資源變動的挑戰(zhàn)，技術(shù)人員應設計基于業(yè)務特性與小區(qū)負載感知的雙閉環(huán)QoS調(diào)控機制，該機制的核心在于PCF的智能化決策，它依據(jù)具體應用需求及客戶期望，制定并下發(fā)QoS策略至UPF和NE，通過UPF的實時QoS狀態(tài)反饋，結(jié)合AI驅(qū)動的策略優(yōu)化，PCF能夠動態(tài)調(diào)整策略，以最佳匹配業(yè)務SLA要求與當前網(wǎng)絡資源狀況，形成閉環(huán)調(diào)控體系[5]。

2.2.2 差異化QoS執(zhí)行與實時保障

在媒體層，利用DPI技術(shù)自動識別各類業(yè)務流，實現(xiàn)差異化的QoS處理，極大地簡化了管理復雜度。而此時通過為業(yè)務流分配唯一的FPI，能夠在RAN中實現(xiàn)基于優(yōu)先級的精細化調(diào)度，確保高優(yōu)先級業(yè)務在資源緊張時獲得優(yōu)先處理，從而有效管控時延、帶寬及丟包率。

2.2.3 QoS監(jiān)控與閉環(huán)調(diào)優(yōu)

為進一步增強QoS的實時保障能力，可以設計以下兩種關(guān)鍵場景下的優(yōu)化策略：其一，直接QoS保障場景：UPF針對高優(yōu)先級業(yè)務，直接啟動實時QoS保障機制，通過DPI識別業(yè)務流后，依據(jù)PCF策略執(zhí)行QoS策略，并為各業(yè)務流打上FPI標簽，RAN據(jù)此進行差異化隊列映射與調(diào)度，確保資源高效分配。其二，應用側(cè)觸發(fā)的QoS監(jiān)控與調(diào)優(yōu)：由AF發(fā)起QoS監(jiān)控請求，觸發(fā)UPF與RAN之間的端到端時延監(jiān)控[6]?；诒O(jiān)控結(jié)果，AF可靈活調(diào)整QoS優(yōu)先級，通過SMF傳遞至無線側(cè)，實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化。這一過程不僅提升了故障響應速度，還促進了網(wǎng)絡資源的靈活配置與業(yè)務性能的最優(yōu)化。

2.2.4 硬件加速技術(shù)強化QoS保障

鑒于硬件加速在性能提升上的顯著優(yōu)勢，筆者探索了多種自研加速硬件，如FPGA、NEO卡、智能網(wǎng)卡、GPU的應用，以多維度提升云資源性能與邊緣計算能力。例如，F(xiàn)PGA智能網(wǎng)卡在媒體面流量卸載方面的應用有效減輕了CPU負擔，顯著降低了邊緣轉(zhuǎn)發(fā)時延；而NEO卡則通過卸載計算、存儲、網(wǎng)絡及管理任務至專用硬件，減少了虛擬化開銷，提升了云主機性能。對于需要高并發(fā)處理能力的渲染場景，GPU的引入更是提供了強大的計算能力支持。

2.3 端到端網(wǎng)絡高可靠性設計

2.3.1 雙連接驅(qū)動的端到端用戶面路徑冗余

鑒于無線環(huán)境的不確定性，技術(shù)人員在設計的過程中，應基于雙連接的端到端用戶面路徑冗余方案[7]。此方案允許終端在5G網(wǎng)絡中同時建立兩個獨立的PDU會話，這些會話通過不同的基站與UPF連接，且用戶面路徑嚴格分離，以避免單點故障?；緦用鎰t采用雙連接或CU/DU分離技術(shù)，確保數(shù)據(jù)通過多樣化的物理路徑傳輸，極大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3.2 N3/N9接口冗余傳輸機制

針對無線回傳網(wǎng)絡的可靠性挑戰(zhàn)，技術(shù)人員可以實施N3/N9接口的冗余傳輸策略。通過在錨點UPF/i-UPF與RAN之間部署兩條獨立的N3/N9隧道，并關(guān)聯(lián)至同一PDU會話，實現(xiàn)傳輸層的雙重保障。為確保兩條隧道的路徑不重疊，SMF或錨點UPF需智能配置不同的路由信息，映射至物理上不相交的傳輸路徑，從而增強網(wǎng)絡的整體魯棒性。

2.3.3 雙模終端與雙發(fā)選收技術(shù)

為進一步提升數(shù)據(jù)傳輸路徑的可靠性，還應引入雙CPE+雙無線備份方案，包含終端、基站、傳輸網(wǎng)絡及UPF在內(nèi)的雙鏈路架構(gòu)，實現(xiàn)同一業(yè)務數(shù)據(jù)的“雙發(fā)選收”，通過配置兩個CPE，每個CPE接入不同的5G基站，并利用獨立的承載在基站與UPF之間建立兩條并行鏈路。這種設計確保了即使單一節(jié)點發(fā)生故障，業(yè)務也能無縫切換至備用路徑，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

2.3.4 5G/Wi-Fi/有線異構(gòu)多路徑融合

為了最大化數(shù)據(jù)通道的可靠性，技術(shù)人員還應設計5G/Wi-Fi/有線異構(gòu)多路徑疊加方案。該方案在5G終端或模組的基礎上，靈活疊加Wi-Fi數(shù)據(jù)通道或有線數(shù)據(jù)通道，形成多路徑傳輸?shù)膹秃象w系，而這種異構(gòu)多路徑設計不僅拓寬了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐愤x擇，還通過路徑間的互補性顯著提升了網(wǎng)絡的整體可靠性。在任一路徑出現(xiàn)波動或故障時，系統(tǒng)能自動切換至其他可用路徑，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩o阻。

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

2.4.1 閉環(huán)協(xié)同管理，建立5GTSN網(wǎng)絡的智能引擎

為了確保網(wǎng)絡資源的精準分配與高效利用，5GTSN網(wǎng)絡亟須構(gòu)建一套從終端直抵業(yè)務核心的全方位監(jiān)控與協(xié)同機制。這一機制不僅涵蓋端到端的切片管理服務，為業(yè)務SLA提供堅實支撐，還通過終端-網(wǎng)絡-業(yè)務的深度協(xié)同，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的按需定制與靈活調(diào)配。

2.4.2 制定感知-決策-優(yōu)化閉環(huán)控制的邏輯鏈條

閉環(huán)協(xié)同管理機制的核心在于構(gòu)建一個“感知-決策-優(yōu)化”的閉環(huán)控制體系，通過實時采集網(wǎng)絡狀態(tài)、業(yè)務體驗質(zhì)量及調(diào)度效果等多維度數(shù)據(jù)，運用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，快速識別網(wǎng)絡瓶頸與潛在風險。隨后，基于這些數(shù)據(jù)洞察，系統(tǒng)能夠智能決策，動態(tài)調(diào)整業(yè)務調(diào)度策略，以最優(yōu)化的方式應對網(wǎng)絡變化，確保業(yè)務流的持續(xù)穩(wěn)定與高效傳輸。

2.4.3 通過5G專網(wǎng)與TSN的深度融合發(fā)揮CNC管理系統(tǒng)的橋梁作用

作為TSN邏輯網(wǎng)橋的關(guān)鍵角色，5G專網(wǎng)與TSN網(wǎng)絡的CNC管理系統(tǒng)緊密協(xié)作，共同承擔起網(wǎng)絡資源管理與調(diào)度的重任。5G網(wǎng)絡不僅負責向CNC實時上報其狀態(tài)信息、能力參數(shù)及組網(wǎng)拓撲等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還接收來自CNC的TSN業(yè)務流資源需求與調(diào)度指令，確保兩者之間的無縫對接與高效協(xié)同。當5G網(wǎng)絡遭遇狀態(tài)變化或異常情況時，系統(tǒng)能夠即時觸發(fā)CNC的響應機制，共同制定并實施應對策略，以保障網(wǎng)絡的整體穩(wěn)定與可靠。

2.4.4 實現(xiàn)QoE、AI與E2E協(xié)同的力量多維優(yōu)化

為了進一步提升網(wǎng)絡性能與用戶體驗，技術(shù)人員可以引入QoE感知、AI智能分析、E2E協(xié)同優(yōu)化及按需能力定制等先進技術(shù)手段。這些策略旨在實現(xiàn)對TSN終端、業(yè)務、傳輸網(wǎng)絡、RAN、UPF等端到端各節(jié)點的全面監(jiān)控與深度優(yōu)化，而通過綜合運用這些技術(shù)手段，還能夠精準識別并解決網(wǎng)絡中的各類問題并面對各種挑戰(zhàn)，打造出一個業(yè)務流暢通無阻、資源利用率極高的最優(yōu)網(wǎng)絡架構(gòu)。

3" "結(jié)束語

總之，5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)作為滿足工業(yè)應用嚴苛要求的重要技術(shù)手段，具有廣闊的發(fā)展前景和應用空間。技術(shù)人員應通過深入研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、應用場景及挑戰(zhàn)等問題，為推動5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)的發(fā)展提供有力的理論支持和實踐指導。

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作者簡介：徐成杰（1984-），男，漢族，江蘇南通人，工程師，本科，研究方向為新一代信息通信技術(shù)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

于" " 謙（1989-），男，漢族，江蘇南京人，工程師，碩士研究生，研究方向為新一代通信技術(shù)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能。