5G 专网TSN 的关键技术分析

肖云杰，陈大卫

（国网上海信通公司，上海 200072）

0 引 言

以太网广泛服务各地、各行业的通信活动，作为一种局域网网络，以太网的应用范围较广。5G 专网模式下，其作用进一步放大，其信息传输的质量、稳定性也更突出，通信管理工作、网络建设工作的要求提升，以时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）技术为代表的现代信息技术，可以显著提升以太网的工作质量，进而用于5G 专网建设[1]。目前，我国对5G 专网、以太网建设只做框架性要求，具体工作方式、技术选用主要由建设者自行决定，为进一步提升5G 专网工作水平、发挥TSN 技术的技术优势，有必要对5G 专网TSN 搭建模式与关键技术进行分析。

1 5G 专网与TSN 概述

1.1 5G 专网

5G 专网是一个复合概念，即以5G 通信技术作为支持的专用网络。5G 专网的一般特点与其他专网相似，主要强调在互联网的地址架构中遵守RFC 1918 和RFC 4193 规范，在2 个主体之间建立实时性的通信连接，其他主体通常不能接入该网络。5G 模式下，专网具有了传输量大、速度快、延迟率低以及稳定性高的特点。上述特点虽然理论上共存，但如果专网建设时选用的技术不当、不完善，依然会出现稳定性和延迟率方面的波动，因此需要选用合适的技术模式进行5G 专网建设[2]。

1.2 TSN 概述

TSN 是IEEE 802.1 任务组开发的一套数据链路层协议规范，可用于以太网建设，主要作用是提升以太网的工作能力，尤其是提升其可靠性、稳定性[3]。在实时传输数据的过程中，以太网的常规工作不受影响，但可借助TSN 技术控制抖动问题，在组织之间进行重要信息的交互，传输时，较高的可靠性和稳定性更有助于保证传输质量。2002 年，TSN 技术被提出，其在数据传输方面的优势使该技术广泛应用于信息传输的各个领域，并在5G 专网建设活动中得到关注。

2 5G 专网对工作网络的需求

2.1 低延迟要求

5G 专网对工作网络的需求多样，除基本的硬件、软件配置和安全管理外，还需要保证信息传输效率，控制可能出现的延迟情况。从成因上看，信道通信能力、同步传输的信息总量等因素均会导致延迟，延迟通常不可避免，因一些异常因素导致延迟增加，从而影响通信活动效率和质量。5G 专网的理论通信能力：下行峰值速率应达到500 Mb/s 及以上，最高下载速率应能达到1 Gb/s左右，最高上行速率约为100 Mb/s[4]。延迟较高会影响通信活动，使下载速率出现下降，不利于专网内大规模的信息互通。

2.2 稳定性要求

通信稳定性，即5G 专网内信息传输速率是否能稳定保持在较高水平。原则上较高的速率能够提升通信效率，是5G 专网以及其他专网共同关注的焦点。由于通信延迟、通信干扰等因素的影响，各通信专网难以避免通信活动受到影响，当延迟反复变化、不可控时，专网内的通信活动质量会下降，这一情况被称为“抖动”，控制抖动、保证通性稳定是5G 专网建设的要求之一[5]。

2.3 多用户同步用网要求

在以太网作业模式下，以5G 技术支持专网建设，有助于保证以太网的通信效率，使得大量信息在短时间内可以完成交互。当专网内用网人数较多时，不同的通信指令、信息同时进入通信网络，要求系统能够敏锐完成感知，并分配信道、完成信息的传输以及下载等工作。5G 技术原则上提升了专网的信息交互处理能力，在此基础上，引入TSN技术，可发挥其可靠性、稳定性较高的优势，使指令同步处理、信息同步传输更稳定，减少抖动、延迟等因素的破坏，以提升5G专网的通信活动质量。

3 5G 专网TSN 搭建模式与技术分析

3.1 网络搭建模式

3.1.1 5G 专网与TSN 技术的融合

5G 专网与TSN 技术的融合需要搭建稳定的作业框架，尤其是关键网元的部署。在5G专网的核心区域，可对用户面网元、控制面进行设计变化，做必要的下沉处理，以控制延迟情况。如工业园区内的通信活动，以5G 专网支持通信管理，其设计模式如图1 所示。

图1 用户面网元、控制面的下沉模式

该工业园的用户总数较多，且通信需求较高，将向用户提供服务的各类设备下沉到网络内后，同步将服务网络下降到网络内，以保证业务质量的快速响应和通信的高效率。用户面主要强调用户功能面下沉，也即各类功能实体，服务端主要强调控制系统下沉。

按图1 模式，尝试以TSN 技术支持5G 专网建设，涉及的主要网元包括数据传输（DS-TT）、网络侧TSN 转换器（NW-TT）、网桥管理（TSN AF）等，DS-TT、NW-TT 主要服务于技术转换，使通信活动可以在5G 技术、TSN 技术之间切换，并能够根据系统工作需要随时进行调整，属于5G 专网的各类端口，具体功能有抖动控制、数据分析以及报告发送等，均需尝试5G 向TSN 的单项切换。TSN AF 可以在5G 桥管理、信息交换、配置分析等方面提供功能保证。5G 网桥管理可以保证不同技术之间的切换能够实时开展，信息交换可以在DS-TT、NW-TT 端口管理的支持下开展，集中网络控制器（Centralized Network Configuration，CNC）在此过程中提供的位置和报告信息，并以标准映射技术对通信实时感知，以确保时间敏感通信可以安全稳定的完成。

3.1.2 5G 专网与TSN 技术的实践方式

按照图1模式，5G专网与TSN技术共同完成搭建，当具体的信息进行传输时，需要以清晰的逻辑指令为基础，将信息传输分为4 个步骤，即预配置、转发和调度、网桥和端口管理、流量映射与配置。

预配置主要是根据本网络的工作需要，分析通信活动的需求，完成网桥延迟、网桥端口ID 以及发送延迟等方面的预配置，将其提供给TSN 管理范围下的网络集中配置中心。与此同时，网桥管理同步做安全管理配置，包括流量的预分析和资源预分配等，重点强调区分通信优先级，控制延迟。

转发和调度的重点在于完成规则分析，在CNC和网桥交互过程中，所有指令根据系统工作需要进行预设，具体工作中则需要根据具体的通信需求进行计算，保证集中用户配置中心的工作需求，以确保TSN模式下的通信效率、质量以及稳定性，避免出现信息过量进入信道、资源闲置等情况。

网桥和端口管理主要关注信息的具体处理，通过系统分析了解不同信息的传递方向和指令要求，再通过网桥完成配置，传输给不同信道。

流量映射与配置则关注信息处理的具体情况，如是否存在流量过大、信息通信服务能力不足、安全性异常等问题，通过必要的安全信息映射表等进行管理。

3.2 技术选择

3.2.1 流量映射与调度机制

流量映射与调度技术可以提升5G 专网与TSN 技术融合后的工作稳定性，主要强调减少延迟、控制抖动，以必要的实施调度改善系统流量管理能力。一般的5G 专网可采用2 种方式引入流量映射与调度机制：一是了解工作时间窗口，二是分析帧参数。

第一种方式主要通过默认程序进行时间窗口分析，以系统默认的工作参数为基础，判断TSN 运行模式下（包括与5G 技术的切换）交换机时间窗口打开和关闭的具体时间，做流量的固定调度进程管理。第二种方式重视实时信息的分析，在以太网投入工作中，对每一帧参数进行分析，计算其在端口的传输情况，分析以太网内的实施信息交互情况，完成调度进程管理。

通常情况下，进行时间窗口分析时，系统工作的模式固定，即按照预设的程序进行管理，可能带来以太网内信息传输实际情况与管理情况不完全匹配的问题，虽然此问题发生率不高且影响较小，但是依然会影响通信质量。在分析帧参数的模式下，工作的关键在于实时进行信息收集，工作准确性高，系统的设计、建设复杂性提升，运维成本也更高。从流量调度的角度出发，第二种方式的适用性更高。如果专网对通信质量的要求较低，可选择第一种方法。

3.2.2 协同管控

协同管理的主要作用是5G 专网与TSN 技术进行融合后，以更大范围、更高质量的管理活动保证其控制效果。主要管理模式分为3 种，即完全集中式、完全分布式以及集中式网络/分布式用户，考虑到系统建设的复杂性，很难在所有用户端提供对应等级的新网络，5G 专网与TSN 技术融合后形成的工作网络一般采用完全集中式管理模式，如图2 所示。

图2 完全集中式管理模式

该模式下，所有主要管理工作集中到一处，由网络服务的提供者或整体网络的管理端负责，各类网元均以物理或虚拟方式，连接到控制系统中接受远程控制。通信质量下达后，有管理端通过内部分析予以处理，完成与用户的交互，或服务用户之间的交互。从特点上看，此模式的建设成本较低，管理端的工作负荷较大，需要配置充裕的宽带资源和软件硬件，用于专网通信管理以及技术切换管理。完全分布式管理模式的管理端只提供基础的连接服务，技术切换和网桥搭建等各类工作则在用户端完成，此模式便于用户获取更高质量的通信服务，但建设成本较高。集中式网络/分布式用户则考虑对管理工作进行拆分，一部分由专网网络管理人员负责，另一部分分布在用户端，此模式对设计思路和建设方法的要求更高，目前较少应用。

4 5G 专网TSN 的发展趋势

4.1 降低成本

利用TSN 技术支持5G 专网建设，关注二者融合，以发挥不同技术的优势提升专网作业能力。根据上文论述可知，优势技术的引入使专网设计更复杂，虽然提升了通信能力、质量，但也增加了工作成本。如果在选取协同管理技术时，引入了完全分布式管理模式，以改善用户端的管理主动性，那么即便管理端出现技术问题和功能异常，用户端依然可以保证通信效率。然而，此模式的建设成本较高，设法降低成本是5G技术、TSN 技术在专网中融合的基本趋势。

4.2 提升安全性

安全性的提升包括一般意义上的网络风险防范，也包括5G技术、TSN技术融合后专网面临的作业风险。前者以防火墙、安全软件提供支持，保证技术兼容性即可；后者则关注不同用户与服务端做信息交互时存在的安全隐患，目前研究人员认为可通过实时监控的方式杜绝安全问题，但实时监控进一步增加了系统建设支出，且管理端的监控难以覆盖用户端，如何保证通信安全是5G 技术、TSN 技术联用面临的主要问题之一。

4.3 控制过度供应

过度供应主要是指信道、网络资源的共度供应。在5G 技术、TSN 技术融合后，需要考虑其通信服务效率，因此在设计上需要提供充裕的网络资源和通信信道。未来工作中，此问题主要通过大数据分析、实时自适应技术进行应对，前者提供管理依据，后者收集实时信息，以保证资源提供满足通信需求，不会出现浪费和闲置情况。

5 结 论

5G 专网以TSN 技术为支持，可提升工作能力，符合5G 专网低时延和稳定性等方面的要求。原则上应关注技术选取的匹配性，根据5G 专网建设需要以及TSN 技术的特点，搭建能够保证前者工作的基本框架，以保证技术运用质量为目标，借助流量映射与调度、协同管控等关键技术。从发展的角度上看，TSN 技术支持5G 专网建设呈现出成本控制和安全性提升等新趋势，过度供应的问题也得到关注，有助于促进5G 专网建设和TSN 技术的运用。