5G TSN融合发展和应用方案探索

董秋丽，李 静（中国联通研究院，北京 100048）

0 引言

随着工业物联网、自动化制造、智能交通等领域的不断发展，对网络时延精度和可靠性的要求也越来越高。在这种背景下，5G TSN 技术应运而生，成为满足高时间精度、高可靠性应用的重要技术手段。5G TSN 技术将5G 网络和TSN 技术结合起来，实现对工业物联网、自动化制造、智能交通等领域中时延抖动和可靠性要求更高的应用的支持。5G TSN 技术可以提供更高的网络时间精度和可靠性，为相应的工业应用带来显著好处；通过5G 无线网络替代工厂内有线网络，解决工厂有线连接的问题，增加工业设备和网络部署的灵活性，让工业生产更加柔性化。5G TSN 打造全面互通灵活接入的确定性工业网络。TSN作为有线代表、5G 作为无线代表，二者融合是技术发展的趋势。本文旨在研究5G TSN 融合需求、标准演进进展，并对应用方案进行探索，为进一步推动5G TSN融合技术的发展做出贡献。

1 5G TSN融合需求

1.1 背景

TSN 是由以太网音视频桥接技术（Audio Video Bridging，AVB）网络演进而来，AVB工作组制定了一系列新的802.1 技术标准，对现有以太网进行功能扩充，包括带宽保持、限制延时和精确时钟同步，提供了高质量、低延时、时间同步的音视频局域网解决方案。之后，随着工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，在2012年，AVB 工作组更名为TSN 工作组，在已有技术的基础上，进一步针对实时通信应用场景，提出了更多可行的技术标准，借此在未来的工业和汽车等领域继续引领以太网技术的发展。然而，随着技术的演进，有线的工业通信网络已经不能适配所有场景的需求，工业4.0 需要网络破除僵化壁垒，提供更加动态、灵活和智能的连接。

1.2 行业需求推动

行业需求推进5G TSN 融合。垂直行业对网络提出了额外的要求：即时延敏感要求和灵活可靠的连接。例如工业领域的PLC 系统需要按特定顺序执行控制动作，系统内各设备甚至需要μs 级的时钟同步；运动控制通过定期向执行器传输请求的速度和位置值等来实时控制机器部件的运动和旋转，系统必须在特定时刻及时完成所有相关执行器的数据和所有传感器报告的传输，以实现精确运动，因此需要较低的时延。港口龙门吊场景通过远程控制可以避免高空作业的安全风险，需要较低的时延和灵活的网络部署。将5G网络和TSN技术结合起来，可实现对工业物联网、自动化制造、智能交通等领域中对网络时序精度和可靠性要求更高的应用的支持。表1所示为未来工厂的一些最重要应用领域的节点数量、周期时间和有效载荷大小的一些典型值。这些典型的需求反映了当前5G网络满足行业时延需求需要达到的指标。

表1 未来工厂典型场景业务需求

1.3 技术优势推动

5G 和TSN 融合在技术上具有优势。TSN 是以太网协议模型中第2 层（数据链路层）的一套协议标准。TSN 技术可以提供更高的网络时序精度和可靠性保障，包括精度时钟同步、低时延抖动、高可靠性等确定性服务。同时，基于通用标准构建工业以太网的数据链路层传输，打破封闭协议限制，提高连接性和通用性，使得工业互联网生态更开放。5G uRLLC功能提供了与TSN 功能的良好匹配，这2 种关键技术可以组合和集成以提供端到端的确定性连接。在时延方面，可实现最低空口时延1 ms 的目标；在此基础上，时间同步方面，通过UE、gNB 和UPF 之间的时钟同步，在5G作为TSN 网桥时，保障数据传输的确定性时延，5G 内时钟同步误差小于1 μs；通过传输时延补偿，5G 内时钟同步误差小于900 ns。5G TSN 融合将进一步增强网络的实时性能，满足实时控制和监测的需求。

2 5G TSN标准化进展

5G 系统是工业应用中无线通信的关键使能技术。3GPP从一开始就考虑了工业应用场景的超高可靠、超低延迟的技术特征。3GPP分别在SA和RAN开展TSN的研究，SA 侧首先从需求角度展开分析，开展垂直行业对除时延外的确定性要求研究；之后分别在SA2 和RAN 开展5G TSN 的研究；在R16 完成5G TSN 系统间拉通，完成基本与TSN系统的对接功能；在R17进行深度确定性增强，灵活的时间同步机制以及扩展的TSCAI 帮助RAN 调度；R18 进行广域扩充，包括支持DetNet，N3确定性以及时间同步增强。

图1 所示为TSN 标准研究的主要内容。以下就R16、R17、R18 的研究课题和主要研究内容进行了进一步的介绍。

2.1 5G TSN网桥阶段

即R16 5G TSN 阶段，主要连通两端的TSN 网络，5G 作为TSN 网桥，保障端到端网络的确定性。TSN 在5G 顶层集成，最大限度减少对现有5G 网络内部机制的影响，需要完成TSN 网桥能力上报、配置信息下发以及QoS 映射等功能。首先，将5G 充当TSN 网络的1个或多个网桥集成在TSN 系统中。TSN 在5G 顶层集成，并通过TSN 转换器（TSN translator，TT）进行系统间拉通。

5G 系统与TSN 网络系统在技术上融合创新并协同部署。通过支持802.1Qci 和802.CB 协议和5G Delay Critical GBR QoS management 功能，同时在控制面引入TSN AF，用户面引入NW-TT（UPF 侧）和DS-TT（UE 侧），对相关端口、协议数据单元以及QoS 机制进行UE 和业务系统间的映射，支持TSN 相关流量调度特性。一方面，通过TSN 转换器（NW-TT 和DS-TT）解决5G 与TSN 网络的对接；另一方面，完成业务能力的适配，即以太网转发功能、增强的QoS和高精度时间同步。5G TSN 融合进一步满足时间同步、低时延、高可靠、资源管理等功能需求。

R16 支持的5G TSN 关键功能包括高精度时间同步、确定性转发、TSN 管理协同、网络拓扑发现和Ethernet类型的PDU Session。

5G TSN 网桥阶段是5G 与TSN 早期系统拉通的解决方案。时间同步作为其操作的重要组成部分嵌入到5G 蜂窝无线系统，主要应用在5G 与传统网络共存、不同域协作的场景。5G TSN 网桥阶段版本是5G TSN融合早期版本，它提供了基本思路和框架。

2.2 确定性增强阶段

5G 增强确定性功能，一方面新增网元管理5G 系统内TSN 相关模块功能，另一方面通过灵活配置同步主控，增强时间同步的灵活性，更加适配工业场景如UE-UE 通信。通过全面引入相关的TSN 特性以支持更高要求的工业网络，提升了确定性网络能力，保障UE-UE 的确定性通信，适配工业非TSN 网络，为外部提供时钟源；保障更多的确定性网络能力。R17 对5G TSN 进行了增强以支持TSC，并分别在SA2 和RAN（IIoT）开展研究，进一步扩展了时间敏感通信，提升内生确定性网络能力，保障UE-UE 的确定性通信，适配工业非TSN 网络，为外部提供时钟源；保障更多的确定性网络能力。

R17支持的5G TSN主要包括如下功能。

a）引入survival time，优化RAN侧调度。

b）新增网元TSC TSF（Time Sensitive Communication and Time Synchronization function），支持更广泛的时钟同步服务。

c）支持UE-UE 通信。确定性增强阶段从5G 系统内部提升时间感知能力，时间同步机制更加灵活，是5G 系统内部具备TSN 能力的阶段。特别是UE-UE的确定性通信能力，可以更好地匹配行业需求。

2.3 广域确定性阶段

5G 支持IETF 确定性网络（DetNet），保障更广域的确定性能力。5GS 和回传网络的TSN 互通，是在回传网络已经支持TSN 的基础上，回传网络和5GS 互通可以提供端到端的确定性转发能力。TSN 与5G 承载网融合提升传输网络的确定性，就是提升N3接口上的确定性。其好处是使得N3接口的组网更加灵活，可以把TSN 网络部署在更大的范围内。同时，除了TSN 网桥外，支持与CNC 交互，完成TSN 功能，面向CNC 的交互和相关功能配置标准化，实现“TSN in 5G”。

R18计划进行功能提升（与DetNET 互通），保障更广域的确定性能力，主要包含如下研究项目和内容。

a）FS_DetNet 项目。主要研究3GPP 网络如何支持IETF 确定性网络（DetNet），该项目目前还在研究阶段。

b）FS_5TRS_uRLLC 项目。主要研究时间同步增强、时间同步能力开放增强、5GC和支持TSN的回传网络互通等内容。

广域确定性是5G确定性能力的进一步增强，通过N3 确定性研究进一步提升系统低时延能力。通过弹性授时提出5G时间即服务的概念，除传统意义上的速率可靠性指标，5G 满足诸如电网、金融等行业的授时需求。

3 应用方案探索

3.1 关键问题

5G 系统与TSN 网络融合需要在技术上的融合创新以及在方案上的协同部署。当前产业链发展还不够成熟，相应产品仍处于早期阶段，同时系统间接口缺乏统一规范，接口适配工作较大，融合推进需要分步进行。应用方案针对以下3个关键问题逐步推进。

a）应以具备TSN 能力为基础，使得5G 网络本身具备TSN能力。在低时延、高可靠的基础上，针对周期性业务流更进一步降低转发调度时延、精准的时延控制和抖动控制。

b）提升5G 网络N3 确定性。5G 网络端到端确定性涉及业务系统网络、无线网络、承载网、核心网等多段网络，但是N3 接口即承载网部分尚未进行标准化，亟需提升该部分的保障能力。

c）与外部TSN 网络的对接能力。如通过DS-TT、NW-TT与外部网络对接，逐步实现与工业应用无缝融合，拓展5G网络应用场景。

3.2 基础能力提升

相比传统业务，垂直业务需要确定性能力要求，如图2 所示。因此，5G 具备TSN 功能是首先要解决的关键问题，这也是3GPP标准R16/R17阶段所研究的内容。

图2 相比toC业务，toB业务具有能力增强要求

a）5G 实现TSN 精确时间同步的能力。采用高精度时钟同步技术，如IEEE 1588v2、GPS、北斗卫星等，实现μs 级时钟同步。通过5G 系统分发外部时钟；通过SIB9和UAI配置实现5G网络时钟同步。

b）5G 实现TSN 流调度业务保障能力。TSN 中的流量分类与5G网络的业务类型建立映射关系，同时保留TSN 对于流量配置的相关标记。流量在经过5G 网络的传输后剥离5G 封装，进入业务系统，仍然按照TSN流量调度类型进行确定性传输。5G网络通过QoS为TSN 数据包分配优先级，保障TSN 数据包的优先级和可靠性。

c）5G 实现有界确定时延和抖动的能力。通过Delay Critical GBR、TSCAI 调度、预调度等技术降低空口时延；在抖动方面，基于802.1Qbv 精准门控的优化调度、低MCS等技术，消除抖动。

d）5G 实现TSN 帧复制和帧消除的高可靠能力。通过双UE、双连接、帧复制和帧消除等机制提升系统可靠性。

3.3 承载网增强

N3 确定性是5G 端到端确定性的重要组成部分。目前实现上可以通过本地分流方案，或者通过网络切片、FlexE等方式提升承载网能力。

5G 本地数据分流是指在5G 网络中，将用户设备产生的数据流量分流到本地网络中处理，而不是全部发送到核心网络中处理。可以通过UPF 下沉或者基站侧数据分流的方式实现。本地数据分流可以将数据处理分配到距离用户更近的边缘设备上，从而减少数据在网络中的传输距离和时间，降低网络时延。同时还能保障园区数据不外流，使得企业数据得到保护，节省防火墙的配置。5G 本地数据分流是一种有效的网络优化手段，可以提高网络性能和用户体验，同时也可以减轻核心网的压力，提高网络资源利用率，从而支持更多的应用场景（见图3）。

图3 本地分流方案

FlexE 技术是一种灵活以太网（FlexEthernet）技术，它可以将以太网接口的带宽拆分成更小的部分，从而提高以太网的灵活性和可扩展性。FlexE 技术的主要作用是在提供高带宽网络连接的同时保证服务质量（QoS）。网络切片是可以为TSN 应用划分独立的网络切片，提供可靠的网络资源保障。

同时，也可以通过在N3接口部署TSN设备的方式进行互通。但是该方案还处于R18 课题研究阶段，需要标准化的支持。

3.4 协同部署方式

在当前的工厂中，对时间要求严格的设备（例如控制器和现场设备）都是通过有线连接。无线对有线的替换需要逐步渗透，完成有线和无线的无缝对接是必须要解决的问题。因此需要打通系统间接口，形成统一的网络，实现网业协同。目前，标准支持通过DSTT 和NW-TT 完成5G 与TSN 对 接。DS-TT/NW-TT 可作为用户面网桥的入口/出口，支持802.1Qbv定义的门控机制执行保持和转发缓冲功能，实现确定性转发时延。控制面通过TSN AF适配5GS接口与TSN 协议，实现与TSN CNC 的CP 交互。同时，通过工业网关实现5G 与原有工业协议的适配，完成不同协议层的转换也是一个可行的解决方案。

4 结束语

5G 与TSN 融合，本质是5GS 实现TSN 网络部分网元的功能，达成无线的TSN网络能力。精准授时、确定性保障、管理协同等为工业互联网提供低时延、低抖动的确定性通信，助力工业互联网的无线化和柔性制造。应用方案结合5G TSN 标准演进情况，从5G 本身出发使能确定性能力，注重基础能力提升。之后再打通系统间接口，实现网业协同。TSN 为5G 注入了新活力，在传统维度上新增了确定性能力，同时新增时间服务作为能力指标提供给外部设备。但是5G TSN 的实际部署尚处于起步阶段，应用较少，未来还应探索更多实际应用助力5G TSN技术越来越成熟。