基于无线信道信息的5G 与TSN 联合调度机制研究

孙雷，王健全，林尚静，马彰超，李卫，Qilian Liang，黄蓉

（1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.北京邮电大学电子工程学院，北京 100876；3.北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083；4.美国得克萨斯大学阿灵顿分校电子工程系，得克萨斯 76019；5.中国联通研究院，北京 100048）

1 引言

5G 与工业互联网协同与融合成为当前学术研究热点[1-3]。因具备低时延、高可靠连接能力，5G赋能行业应用成为通信和产业界共同的需求。然而，工业业务对承载网络性能要求极为严格，不仅需要承载网络具备低时延、低抖动和高可靠性能，还应具备确定性时延保障的能力，对于工业控制系统而言，确定性时延是其系统安全可控的基础[4]。因此，如何提升5G 系统的确定性时延保障能力，成为5G 深度赋能工业核心环节的关键技术问题[5-6]。

时间敏感网络（TSN,time-sensitive networking）是由IEEE 802.1工作组在标准以太网基础上针对时间同步、资源管理、流量整形、网络配置等技术进行层二增强而形成的一系列标准规范[7-9]。在技术层面，TSN 在实现各节点间高精度时间同步的基础上，不仅能保证具有强实时需求的时间触发业务流端到端传输时延和抖动的有界性，还能实现非实时类业务及尽力而为型业务的“一网传输”。在组网层面，TSN 因兼容标准以太网协议，能够实现与异构工业现场通信协议的协同，前向兼容异构现场通信协议。然而，由于大量传感器在设备、车间及工厂中的部署，以及机器臂、移动机器人等智能化终端在生产线上的广泛使用，有线TSN 难以满足智能工厂终端接入及数据传输需求，5G 与TSN的融合协同不仅是5G 向工业领域延展的需求，更是智能工厂内生需求的驱动[10-11]。

2020 年7 月发布的3GPP R16 提出了5G TSN桥接网络架构，将5G 系统整体视为一个逻辑的TSN 网桥，分别在5G 系统的核心网侧和终端侧增加了支持TSN 时间同步和门控功能的实体，提供跨5G 与TSN 的端到端确定性传输保障，以更好地实现5G 对工业控制业务的承载[12]。

当前，针对5G 与TSN 协同传输的研究才刚起步，研究更多聚焦于网络架构、功能实体与网络接口层面[13-15]，针对5G 与TSN 联合调度算法、协同传输机制层面的研究则相对缺乏。因此，在3GPP 提出的5G-TSN 桥接网络架构基础上，本文针对时间触发业务流的跨域联合调度方面做了初步的研究探索，主要工作如下。

1) 基于3GPP R16 提出的5G TSN 桥接网络架构特征及新增网元功能，分析5G 支持IEEE 802.1Qbv 门控的数据转发机制，阐述5G-TSN 协同架构下的数据端到端传输流程。

2) 针对无线信道时变对5G-TSN 数据跨网传输带来的时延抖动影响，分析5G 系统传输时延预算对端到端数据确定性传输的重要性，将5G系统传输时延分为与信道相关和与信道无关的时延，对信道相关时延的影响因素进行建模。

3) 针对5G 与TSN 跨域协同传输需求，提出了一种基于无线信道质量信息的5G-TSN 联合优化机制，主要包含两方面：一方面，提出了TSN域中基于5G 信道质量信息的业务流两层处理架构，提升承载于较差信道质量无线资源上的工业业务流优先级，结合业务优先级、无线信道质量信息对不同工业业务流的TSN 域传输时延进行建模分析；另一方面，提出了基于重传因子的工业业务流5G 系统传输时延预算动态调节机制，分析不同信道质量下丢包率要求、无线资源数量与最大重传次数的关系，为承载于不同5G 空口资源的时间触发业务设置不同重传因子，消除数据包在5G 系统传输带来的时间抖动，从而为时间触发业务流提供确定性端到端时延保障。

2 研究现状与问题分析

2.1 5G-TSN 桥接网络架构

3GPP R16 定义的5G TSN 网桥架构如图1 所示，其在5G 核心网用户面和控制面增加了新的功能实体，实现跨域业务参数交互（时间信息、优先级信息、包大小及间隔、流方向等）、端口及队列管理、QoS 映射等功能，支持跨5G 与TSN 的时间触发业务流端到端确定性传输[16]。

图1 3GPP R16 定义的5G TSN 网桥架构

在控制面，5G TSN 新增了TSN 应用功能实体（TSN-AF,TSN-application function），主要完成三方面的功能：首先，与TSN 域中集中网络配置（CNC,centralized network configuration）实体的交互，实现TSN 流传递方向、流周期、传输时延预算、业务优先级等参数与5G 的交互与传递；其次，与5G核心网中策略控制功能（PCF,policy &control function）、会话管理功能（SMF,session management function）等实体的交互，实现TSN 业务流关键参数在5G 时钟下的修正与传递，并结合TSN 业务流优先级配置相应的5G 服务质量（QoS,quality of service）模板，实现5G内的QoS保障；最后，TSN-AF将与用户面功能（UPF,user plane function）网关及终端侧转换网关交互，实现5G TSN 网桥端口配置及管理功能。

在用户面，为避免TSN 协议对5G 新空口造成过多影响，5G 系统边界增加了协议转换网关：在UPF 中新增网络侧TSN 转换器（NW-TT,network TSN translator），在5G 终端侧增加了设备侧TSN转换器（DS-TT,device side TSN translator）。NW-TT和DS-TT 支持IEEE802.1AS、802.1AB 及802.1Qbv等TSN 的核心基础技术协议。UPF 增加了对5G 域和TSN 域时钟信息交互及监控功能，实现跨域的时钟信息同步；在此基础上，UPF 需实现基于精准时间的调度转发机制，提供桥接的二层服务，实现快速的数据包处理和转发。

IEEE802.1Qcc 集中式网络架构下的5G 逻辑网桥如图2 所示。从系统整体角度，5G 网络被视为一个逻辑的TSN 网桥，由DS-TT 和NW-TT 提供基于精准时间的TSN 数据流驻留和转发机制。

图2 IEEE802.1Qcc 集中式网络架构下的5G 逻辑网桥

2.2 5G-TSN 端到端数据确定性传输流程

IEEE802.1Qbv 提出了时间感知整形器（TAS,time aware shaping），基于业务流的优先级代码（PCP,priority code point）将数据包映射到不同的出口队列，通过预先设定的周期性门控列表（GCL,gate control list）对出口队列开/关进行控制，避免低优先级业务对高优先级业务的干扰，为高优先级业务传输提供确定性保障[17]。TAS 是为了更低时间粒度、更严苛工业控制应用而设计的调度机制，被工业自动化领域所采纳[18]，也是5G 系统中NW-TT与DS-TT 必须支持的关键核心协议。

5G-TSN 协同数据传输流程如图3 所示。ES1和ES2是可编程逻辑控制器（PLC,programmable logic controller），周期性产生控制指令，并将指令经由5G-TSN 协同网络发送给位于远端的执行器ES3。ES1 和ES2 将业务流信息（周期、包长度等）上报给集中化用户配置（CUC,centralized user configuration），CUC 将业务信息传递给CNC 进行路径规划与资源调度，并对传输链路中TSN 交换机（TSN SW,TSN switch）和5G 系统中DS-TT 的出口队列门控列表进行配置。

图3 5G-TSN 协同数据传输流程

如图3 中TSN SW 和DS-TT 下方列表所示，在t1时刻，TSN 交换机出口队列的门控列表设置为10000000，其中，1 代表相应队列的控制门为开，数据可以发送，而其他队列中的数据将继续等待；在t3时刻（t3＞t1），DS-TT 出口队列门控列表设置为10000000，经由UPF 和5G 空口发送到DS-TT的ES1业务流数据包将发送到ES3，则该ES1数据包到达ES3的时刻为

其中，l1为ES1发送业务流数据包长度。在包长度及网络速率一定的情况下，由于DS-TT 侧设置的发送时间t3是确定的，因此也是一个确定值。由于门控列表是周期性设置，假设门控列表周期为则 ES1业务流到达 ES3的时间为从而保证时间触发业务流传输时延的确定性。

2.3 空口不确定性对端到端数据传输影响分析

5G-TSN 协同面临的最大挑战在于5G 空口时变特性对确定性数据传输造成的不可控影响[19]。图4 和图5 分析了5G 空口变化带来的影响。

空口变化造成数据包顺序紊乱如图4 所示。数据包1～数据包3 为具有同等优先级的业务流，然而，在5G 空口传输部分，由于数据包1 被分配的无线资源信道状况较差，出现了丢包，需要对该数据包进行重传，这将导致在接收端出现数据包顺序的紊乱，出现时延抖动。

图4 空口变化造成数据包顺序紊乱

空口变化造成数据包丢失如图5 所示，数据包A 和数据包B 是不同优先级的业务流，将被映射到不同的出口队列中。然而，数据包B 在空口传输时出现信道状况极差的情景，出现多次重传，最终导致超时发生丢包，造成接收端收到数据的不完整。

图5 空口变化造成数据包丢失

2.4 5G 系统传输时延预算

在5G TSN 网桥架构中，3GPP 仅定义了在两侧的边缘网关NW-TT 及DS-TT 支持TSN 协议。为了降低有效的空口变化对数据传输造成的时延抖动，本文定义了工业业务流的5G 系统传输时延预算，即时间触发业务流数据包进入 5G 入口（NW-TT/DS-TT）与离开5G 出口（DS-TT/NW-TT）之间的时间差。5G-TSN 协同架构下端到端数据传输如图6 所示。

图6 5G-TSN 协同架构下端到端数据传输

以ES1发送的时间触发业务流为例，数据包从DS-TT 的发送时刻t3由5G 系统传输时延预算决定，即

因此，5G 系统传输时延预算对于消除5G 系统的不确定性，保障5G-TSN 端到端数据确定性传输性能具有十分重要的作用。

3 5G-TSN 联合时间调度机制

3.1 系统模型与问题分析

5G-TSN协同网络架构如图7 所示，主要由TSN域交换机、5G 核心网网元、5G 基站、移动终端及支持TSN 的终端站点构成。设V为网络设备节点的集合，其中，swi是TSN 中的交换机节点，分别为发送和接收终端节点的集合；esi为TSN 终端节点，，假设所有的TSN 终端节点均支持接入5G 网络和TSN。

图7 5G-TSN 协同网络架构

其中，ess和esd为该业务流的源节点和目的节点；Ti为数据包发送周期，对于非周期业务而言，该值为空，并假设周期性业务流在一个周期内仅产生一个数据包；Di为该业务流的时延要求，对于时间触发业务流而言，D i=Ti；li为该业务流数据包大小（单位为B）；pi为该业务流的优先级，时间触发业务流优先级高于其他非实时类业务优先级。对于2 个时间触发业务流fi和fj，若Ti＜Tj，则pi＞pj。本文重点针对具有周期及时间触发特征的工业业务流的联合时间调度机制开展研究。其端到端时延及业务QoS 要求可表示为

其中，为TSN 域时间，包含处理时延和排队时延；为5G 系统传输时延预算；Nhop为该业务流经过的TSN 交换机节点的跳数，5G 被看作一个逻辑网桥设备；为有线链路传输时延，RTSN为以太网的传输速率；为保障时间触发业务流的QoS 要求。

基于式(4)分析，由于业务流及网络拓扑信息已知，且有线链路传输时延是固定的，因此，可将式(4)业务的QoS 要求进一步改写为

3.2 基于5G 信道信息的TSN 域队列管理

在5G 系统中，移动终端会周期测量无线信道质量，并上报信道质量指示（CQI,channel quality information），以实现动态调度和链路自适应适配。在5G-TSN 协同传输网络中，由于不同业务流在5G中所分配的无线资源不同，无线信道状况也存在差异，因此需要对TSN 域中业务流处理机制进行改进。基于5G 信道信息的TSN 队列管控架构如图8所示。TSN 交换机中提出了基于无线信道信息的优先级队列两层管控架构：第一层为业务流优先级映射，根据业务优先级将工业业务进行分类；第二层为同一优先级下基于5G 信道信息的队列选择，优先选择承载于较差信道质量无线资源上的工业业务流数据包进行处理。

图8 基于5G 信道信息的TSN 队列管控架构

假设当前业务流为fi，当前周期内业务优先级比fi高的业务流数目为Nm；而在与fi同等优先级的业务流中，CQI 比fi低的业务流数目为Ns。由于TSN SW 与NW-TT 间仅有一条链路，当前包需要等待前一个数据包完全发送后才能发送，由此，可表示为

由式(6)可以看出，业务流优先级越高，其在TSN 域时间就越短，无线信道质量越差，在TSN域中将会越先得到处理，即

3.3 基于信道信息的5G 系统传输时延预算设置

根据5G 系统构成，针对∀f i∈F，可以将5G系统传输时延预算分为两部分，即

其中，γ i为该业务流的信干噪比；τ(γi)为空口信道相关的时延，包括基站因调度发生的排队时延、发送时延及因重传造成的重传时延，这些因素均与信道质量相关；φ i为空口传输无关的时延，包括核心网、基站、终端处理时延和核心网传输时延，这些时延与设备软硬件结构、传输网拓扑结构、数据包大小等因素相关，而不受无线信道质量的影响。

存在最大不确定性的τ(γi)可进一步分解为

其中，d表示终端设备与5G 基站之间的距离，且δ=35 m 是最小距离约束。小尺度衰落hf服从均值为0、方差为的瑞利分布。在uRLLC 中，小尺度衰落的相关时间大于上行链路的帧周期，所以本文需考虑快衰落对信道造成的影响。uRLLC 中链路的容量可以表示为

其中，ni(ni≤Nmax)为分配给业务流fi的资源块（RB,resource block）数目，Nmax为系统最大RB 数目，BRB为资源块频带宽度，Ptx为发射功率，N0为单边噪声谱密度。ni的取值由业务流fi的数据包大小li及传输块（TBS,transfer block size）决定，即ni=li/TBSi。

TBS 与调制编码方式（MCS,modulation and coding scheme）等级有关，而MCS 等级又进一步由业务流信道质量决定。具体而言，首先，将承载业务流fi的无线资源的信道状况γi采用非线性映射CQIi=f（γi）；然后，查询MCS 和CQI 的映射表，得到业务流fi数据包所采用的调制编码等级MCSi；最后，根据TBS 与MCS 的映射表，得到当前MCS 等级下单位资源块能够传输的数据量TBSi。

为了保证数据传输的可靠性，5G 系统采用了混合自动重传请求（HARQ,hybrid automatic repeat request）。然而，重传需等待通信对端的ACK/NACK消息，并遵循5G HARQ 的调度时序，因此，在式(9)中，将数据包每一次重传时延定义为dretx。考虑到在5G uRLLC 空口采用半持续调度（SPS,semi-persistent schedule）方式承载业务流fi，业务流fi的重传将和初次传输使用相同的资源及MCS等级。

Ki定义业务流fi在5G 系统中的最大传输次数。按照3GPP 协议要求，通常是采用半静态预设，若超出最大传输次数门限仍不能实现数据的正确接收，则该数据包被丢弃。本文对最大传输次数的取值采用阶梯函数，其定义如式(12)所示。

其中，α0＜α1＜α2。根据承载业务流的无线资源信道质量信息来确定最大重传的次数，具体如下。当f(γi)低于最小阈值时，预判该信道状况较差，因此，增大Ki，增加5G 系统传输时延预算，避免因重传而导致的DS-TT 门控列表状态的变化；当预判信道质量较好时，发生重传的概率较低，则降低Ki取值；当预判信道质量极好时，进一步降低Ki值。

本文假设5G 采用增量冗型HARQ，发送端每次发送完整数据包，接收端合并多次接收的数据，实现冗余增益的目的。业务流fi数据包在5G 中成功概率为

其中，业务流fi数据包在5G 系统中第k次传输时的小尺度衰落为有

假设业务流fi的丢包率最低要求为θ，当Psuc≥θ时才能满足业务流fi的QoS 需求。

结合TSN 域和5G 域的传输时延分析可得

为了保证端到端数据传输QoS 要求，式(11)中各变量的取值规划需满足式(7)的要求，即；若当前因重传次数导致5G 系统传输时延预算超过了式(7)的要求，则将5G 系统传输时延修改为

其中，o i为一个微小的时间偏移量，确保满足式(7)的端到端时延约束条件。根据式(17)与式(8)，可以得到当前5G 系统传输时延规划下空口的传输时延约束，并根据式(9)可以得到允许的最大重传次数。结合业务所需要的丢包率指标，将上述已知最大重传次数和成功概率值代入式(15)，可得到所需的时频传输资源数量，从而通过降低MCS 等级，以资源有效性换取时间约束条件下的传输可靠度。

统筹考虑业务流端到端时延，为保证在DS-TT到ES3 的链路上不发生“碰撞”，还需对相邻业务流数据包间的发送间隔做出要求。假设f i和fi+1分别表示当前发送的流和下一帧发送的流，则2 个流数据包间的间隔应满足

4 仿真分析

4.1 仿真参数设置

根据3GPP TS38.214 的定义，针对uRLLC 的CQI 采用4 bit 定义，编号为0～15，只采用QPSK，16QAM 和64QAM 的调制方式。5G 与TSN 系统仿真参数如表1 所示；在业务参数设置方面，本文仅考虑具有周期性及时间触发特性的工业业务流，相关业务参数如表2 所示。

表1 5G 与TSN 系统仿真参数

表2 时间触发业务流参数

4.2 仿真结果及分析

空口最大的不确定性来源于信道变化带来的数据包传输成功率的不确定性。图9 展示了不同信号解调门限ξth、不同最大传输次数Ki设置场景下，终端与基站距离d和数据包正确接收概率的关系。从图9 中可以看到，随着重传次数增加，数据包传输成功率提高，当最大传输次数较小时，随着距离增加，信号衰减增大，信道越不稳定，数据包成功传输概率与终端基站间距离成反比。当最大传输次数较大时，信道变化对数据成功传输概率影响不大，由于多次信号合并增益，数据成功接收概率与数据包传输次数成正比。因此，5G 系统传输时延预算中考虑数据传输次数的设置，有助于消除信道带来的不确定性。

图9 终端与基站距离和数据包正确接收概率的关系

图10 展示了5G 空口资源分配与数据包正确接收概率之间的关系。当Ki=2 时，随着空口传输资源的增加，数据包正确接收概率也会随之增加，用效率低但可靠度高的低等级MCS 方式，保证数据传输的可靠性；当资源数目增长到一定阶段时，已经无法通过降低MCS 获得数据传输成功率增益。随着最大传输次数门限的不断提升，可以看到增加资源数目的效果已经不明显，此时重传带来的多次信号合并增益提升了数据包传输正确概率，已不需要通过牺牲资源的有效性换取数据包传输可靠性。此外，在满足业务流丢包率指标情况下，如满足99.9%数据传输成功概率，可通过降低重传次数、降低MCS 等级但增加空口资源数量的方式降低空口传输时延，满足式(17)所提场景。

图10 5G 空口资源分配与数据包正确接收概率关系

信道质量与重传时延关系如图11 所示，其中，数据包成功解调的信干噪比阈值为5 dB。随着信道质量变好，不同最大传输次数对应的空口时延均呈现阶梯下降的情况。当信道质量较差（信干噪比低于2 dB）时，需多次重传才能满足信号合并增益达到解调门限。当信道质量较好时，由于数据包均能实现成功解调，发生数据包重传概率极低。因此，对于承载于不同信道质量空口资源上的数据包，应给予不同的最大传输次数设置。

图11 信道质量与重传时延关系

结合上述针对5G 系统的仿真结果可以看出，最大传输次数的设置对数据包成功接受率影响最大，因此基于CQI 信息的Ki值设置为

基于上述5G 系统最大传输次数门限的设置规则，图12 展示了ES1业务流在不同信道质量下5G 系统传输时延预算与5G 系统实际传输时延的关系。

由图 12 中可以看到，在一般信道质量（3 ≤CQI ＜14）和较差信道质量CQI ＜ 3的情况下，随着信道质量变差，重传发生的概率也会逐步增加，从而造成数据包5G 系统真实传输时延发生“突变”，但由于5G 系统采用了uRLLC 功能，避免了数据多次重传的出现。此外，由于已根据信道质量进行数据包最大传输次数的预设，因此，业务流真实传输时延并未超过5G 系统传输时延预算，通过DS-TT 出口处门控列表机制的控制，消除了5G 无线信道变化导致的传输时延抖动，实现了跨网数据传输时延的确定性。

图12 不同信道质量下的5G 系统传输时延预算与实际传输时延的关系

本文所提5G 与TSN 联合时间调度机制对TSN域中的队列管理进行了改进，根据分配给业务流的5G 空口资源信道状况优劣对其排队优先级进行定义。图13 给出了具有相同业务优先级（即业务周期相同）的3 个业务流在TSN 域传输时延，可以看出，由于5G 空口资源信道状况差的业务流在TSN 域会被优先处理，因此其TSN 域的时延会相对较低。

图13 不同信道质量情况下TSN 域时延分析

下面对比本文所提机制的端到端时延性能，对比机制在TSN域不考虑业务流在5G承载无线资源的信道质量。如图14 所示，对于未考虑5G 信道质量的机制，数据包在TSN 域根据FIFO 的原则进行排队，由于不同业务流数据包到达具有一定随机性，因此承载于最差信道质量的业务流在TSN 域的处理顺序具有一定不确定性。随着同一优先级业务流数目的增加，本文所提机制考虑了5G 信道质量影响，其端到端时延性能优于未考虑5G 信道质量信息的对比机制。

图14 不同机制端到端时延性能对比

5 结束语

针对5G 赋能工业垂直领域需求，本文首先对5G 与TSN 协同传输的必要性和迫切性进行了分析；然后对3GPP R16 中提出的5G TSN 桥接网络架构、跨域数据传输流程及5G 空口对确定性传输机制的影响进行了阐述，分析了5G 系统传输时延预算在跨域确定性数据传输中的重要性，并提出了一种基于无线信道信息的5G 与TSN 联合调度机制，重点对TSN 域时延和5G 系统时间预算规划机制进行了阐述。仿真结果表明，本文所提联合时间调度机制通过5G 信道质量信息向TSN 域的共享，使承载于信道质量较差无线资源上的业务流能够获得更低的TSN 域时延；并能够通过合理设置5G系统传输时延预算，有效消除空口变化对确定性传输机制的影响，为时间触发业务流提供端到端确定性时延传输保障。

本文重点在于探讨无线信道变化对于5G 系统整体传输时延的影响，并未深入探讨针对多时间敏感业务流并发条件下无线资源分配和差异化QoS保障策略。因为未来智能工厂中不仅存在时间敏感类业务、还存在视频、传感器数据采集等多种类型业务，如何在无线资源受限条件下构建满足时间敏感业务流确定性传输需求、并同时支持其他5G 业务传输的资源分配与协同管理机制，将是5G 与TSN 联合实时调度需要进一步考虑的研究问题。