5G-TSN協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵傳輸流程研究

吳思遠(yuǎn)，畢紫航，王健全，2，徐 浩，孫 雷，2（.北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 00000；2.北京科技大學(xué)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 00000）

0 引言

隨著工業(yè)4.0 等新概念的不斷提出，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為制造業(yè)的熱門話題，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為推動企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要信息通信基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的3個重要特征，其中，數(shù)字化是基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是關(guān)鍵，智能化是目標(biāo)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工藝流程、人機交互等領(lǐng)域廣泛采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)智能化決策，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、改進產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)能耗的目的。

未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要滿足智能工廠的人員、機器、原料、方法、環(huán)境多要素的全面互聯(lián)，進行全程多域的數(shù)據(jù)采集以滿足數(shù)字孿生工廠的構(gòu)建，從而實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的靈活調(diào)配與優(yōu)化。隨著機器人、無人機等智能化工業(yè)設(shè)備的廣泛使用，智能化工業(yè)業(yè)務(wù)對無線網(wǎng)絡(luò)的需求越來越高。在此背景下，具有低時延、低抖動、高可靠的無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成為研究的焦點。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Time-Sensitive Networking，TSN）由國際電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）802.1 工作組提出，是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)的增強，能夠提供高可靠和有界低時延的流傳輸服務(wù)［1］。其業(yè)務(wù)承載方式與時分多址復(fù)用（TDMA）類似，在設(shè)備時間同步的基礎(chǔ)上使用基于時間精準(zhǔn)的優(yōu)先級隊列控制方式，使不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)在“特定時間”獨占傳輸資源，通過這種有序的資源分配，可以保證端到端時延抖動的有界性。其調(diào)度整形機制基于隊列和時序進行數(shù)據(jù)包調(diào)度，將業(yè)務(wù)優(yōu)先級不同的業(yè)務(wù)流映射到相應(yīng)優(yōu)先級的出口隊列，減少了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的干擾，保障了業(yè)務(wù)的確定性傳輸。

賦能垂直行業(yè)是5G 的一項重要使命［2］。5G 不再僅僅滿足人與人之間的通信，更使工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更加便捷、靈活的網(wǎng)絡(luò)接入，滿足工業(yè)的無線化需求。然而，5G無線信道特性不利于工業(yè)控制業(yè)務(wù)的確定性傳輸，尤其涉及工業(yè)控制系統(tǒng)的場景，該場景對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求更高。如何在接入無線網(wǎng)絡(luò)的同時保證工業(yè)業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性，是5G深度賦能行業(yè)必須具備的關(guān)鍵技術(shù)能力。因此，5G-TSN 協(xié)同傳輸技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的熱點問題［3］。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與工業(yè)業(yè)務(wù)無線化需求，本文重點針對5G-TSN 協(xié)同傳輸架構(gòu)、網(wǎng)元功能及端到端數(shù)據(jù)傳輸流程進行研究，旨在為5G-TSN 協(xié)同傳輸關(guān)鍵技術(shù)的深化研究提供借鑒。

1 5G-TSN協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

TSN 是在以太網(wǎng)架構(gòu)上對二層機制的增強，其物理層機制仍然是以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，以時分的方式實現(xiàn)資源的復(fù)用。在控制層面，通過資源預(yù)留、時間感知整形調(diào)度、幀搶占、幀復(fù)制與刪除等機制來保證傳輸?shù)膶崟r性、確定性及可靠性。顯然，5G 與TSN 網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)特征、技術(shù)特點、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面存在顯著差異，網(wǎng)絡(luò)融合面臨諸多挑戰(zhàn)。如何在當(dāng)前5G 和TSN 網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)基礎(chǔ)上，最大限度地減少對各自網(wǎng)絡(luò)功能的修改，并將TSN 確定性業(yè)務(wù)傳輸機制引入5G 網(wǎng)絡(luò)，是進行5G-TSN協(xié)同傳輸架構(gòu)研究的關(guān)鍵技術(shù)難題。

1.1 跨網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)

5G-TSN 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實現(xiàn)工業(yè)業(yè)務(wù)確定性承載的基礎(chǔ)，在融合架構(gòu)方面，存在多種協(xié)同模式。常見的有：5G 獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)模式、5G 獨立作為TSN鏈路模式（單TSN 域）、5G 作為TSN 網(wǎng)橋/交換機互聯(lián)多TSN域模式、TSN作為5G承載網(wǎng)絡(luò)模式［4］。

5G 獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)是指在TSN 終端與控制器之間接入5G系統(tǒng)，由5G系統(tǒng)提供全部TSN 功能；與之相區(qū)別的是5G 作為TSN 鏈路模式，此模式下5G 系統(tǒng)充當(dāng)一個TSN 域內(nèi)的TSN 網(wǎng)絡(luò)的一部分鏈路，此時5G需具備與TSN 有線網(wǎng)絡(luò)無縫融合、為TSN 網(wǎng)絡(luò)提供無線接入的功能；5G 系統(tǒng)作為邏輯TSN 網(wǎng)橋/交換機接入多個TSN 域，可以實現(xiàn)多個TSN 網(wǎng)絡(luò)的無線協(xié)同；TSN 作為5G 承載網(wǎng)絡(luò)是將TSN 作為5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元及接入網(wǎng)網(wǎng)元間通道的連接技術(shù)，為5G網(wǎng)元間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)提供確定性低時延保障。這4種模式對于網(wǎng)絡(luò)的影響不同、承載能力及應(yīng)用場景也各不相同。2020 年7月，3GPP 發(fā)布的Rel 16 定義了5G-TSN 協(xié)同架構(gòu)［5］，該架構(gòu)將5G 作為TSN 網(wǎng)橋，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)與多TSN 域的互通（見圖1）。

如圖1所示，在5G-TSN 協(xié)同架構(gòu)中，將整個5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一個TSN 網(wǎng)橋，包括設(shè)備側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（Device Side TSN Translator，UE/DS-TT）、5G 接入網(wǎng)（NG-RAN）、5G 核心網(wǎng)控制面、5G 核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）、網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（NeWork side TSN Translator，NW-TT）和TSN AF。在該協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，僅DSTT 與NW-TT 支持TSN 協(xié)議，實現(xiàn)與TSN 域交換機和終端站點的對接，從而減少協(xié)同架構(gòu)對5G網(wǎng)絡(luò)自身的影響。

圖1 3GPP R16提出的5G-TSN協(xié)同傳輸架構(gòu)

對于5G核心網(wǎng)，主要新增和增強了如下功能。

a）新增TSN-AF 功能，實現(xiàn)與TSN 網(wǎng)絡(luò)間的信令交互。

b）增強PCF 策略控制功能，實現(xiàn)對TSN 業(yè)務(wù)的策略決策和下發(fā)通知。

c）增強接入與移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management Function，UDM）等網(wǎng)元，實現(xiàn)對TSN 業(yè)務(wù)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會話的管理以及與UE/DS-TT間的TSN參數(shù)和策略互通。

d）增強UPF：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)UPF/NW-TT 與TSN 業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)間的TSN時鐘同步。

1.2 網(wǎng)元功能介紹

1.2.1 新增網(wǎng)元

1.2.1.1 控制面——TSN-AF

TSN-AF 作為5G 新增網(wǎng)元，主要具備3 個方面的功能。

a）與TSN 域中集中化網(wǎng)絡(luò)控制器（Centralized Network Configuration，CNC）交互，實現(xiàn)TSN 流傳遞方向、流周期、傳輸時間預(yù)算、業(yè)務(wù)優(yōu)先級等參數(shù)向5G系統(tǒng)的傳遞。

b）與5G 核心網(wǎng)PCF、SMF 等實體交互，實現(xiàn)TSN業(yè)務(wù)流關(guān)鍵參數(shù)在5G 時鐘下的修正與傳遞，并結(jié)合TSN 業(yè)務(wù)流優(yōu)先級配置相應(yīng)的5G QoS 模板，保障5G系統(tǒng)內(nèi)的QoS。

c）TSN-AF 與UPF 及DS-TT 交互，實現(xiàn)5G TSN 網(wǎng)橋端口配置及管理功能［6］。

1.2.1.2 用戶面——DS-TT、NW-TT

新增TSN 轉(zhuǎn)換器NW-TT、DS-TT，支持IEEE802.1 AS、802.1AB 及802.1Qbv 等協(xié)議以實現(xiàn)TSN 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。IEEE802.1AS、IEEE802.1AB 協(xié)議允許DS-TT通過高精度授時方式和NW-TT 通過底層高精度時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）承載網(wǎng)的輔助，完成TSN網(wǎng)絡(luò)與5G時鐘的同步。

NW-TT 可以接收來自TSN 網(wǎng)絡(luò)的通用精確時間協(xié)議（general Precise Time Protocol，gPTP）報文，并在其中加上時間戳，經(jīng)過UPF 將gPTP 報文發(fā)送給DSTT；DS-TT根據(jù)接收到的gPTP報文時間以及時間戳信息，計算gPTP 報文在5G 系統(tǒng)內(nèi)的駐留時間，并設(shè)置gPTP 報文頭進行時延補償，完成本地和TSN 時鐘的同步以及TSN 時鐘到TSN 終端站的授時［7］。另外，通過IEEE802.1Qci提供的對入口流量進行每流過濾和管控（Per-Stream Filtering and Policying，PSFP）以 及IEEE802.1Qbv 對出口隊列進行的時間感知整形（Time-Aware Shaping，TAS）功能，實現(xiàn)對多種業(yè)務(wù)流量的有序映射和及時轉(zhuǎn)發(fā)，滿足多類別流量對網(wǎng)絡(luò)可用帶寬和不同的端到端時延要求。

1.2.2 增強網(wǎng)元

1.2.2.1 控制面——增強PCF、AMF、SMF

PCF 是5G 核心網(wǎng)的重要網(wǎng)元，是對多種業(yè)務(wù)流進行差異化QoS 保障的功能實體。在5G-TSN 協(xié)同傳輸架構(gòu)下，PCF 需要為來自TSN 的業(yè)務(wù)流制定相應(yīng)的5G QoS 模板。在接收到來自TSN-AF 提供的TSN 業(yè)務(wù)的QoS 需求參數(shù)（如：TSN 業(yè)務(wù)流特征、TSCAI 突發(fā)時間、周期、流向、優(yōu)先級、時延、帶寬等）后，PCF可以基于用戶的簽約和業(yè)務(wù)流特征，為不同等級的用戶/業(yè)務(wù)分配合適的5G QoS 策略，如針對TSN 業(yè)務(wù)流、TSN 時鐘同步消息流分別指定滿足各自傳輸需求的QoS策略。

SMF 和AMF 通過控制面信令交互，獲取PCF 下發(fā)的業(yè)務(wù)QoS 模板（如5QI），一方面由AMF 通過N2 接口將消息發(fā)送給基站，另一方面由SMF 通過N4 接口將其攜帶給UPF，由UPF和UE將不同QoS需求的業(yè)務(wù)流映射到合適的PDU會話和QoS流中，在5G系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)區(qū)分不同業(yè)務(wù)流的差異化QoS 調(diào)度。另外，SMF 可以通過PCF 與TSN-AF 建立連接，交互5G 網(wǎng)橋信息（包括時延、與相鄰TSN 節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系、端口配置信息），轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的UE和UPF，以保證業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸。

1.2.2.2 用戶面——增強UPF

UPF 增加了對5G 域和TSN 域時鐘信息交互及監(jiān)控功能，實現(xiàn)跨域的時鐘信息同步；在此基礎(chǔ)上，UPF需實現(xiàn)基于精準(zhǔn)時間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機制，并支持以太網(wǎng)PDU 會話類型，在UE 和TSN 域網(wǎng)絡(luò)之間承載以太網(wǎng)幀，提供橋接的二層服務(wù)，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)包處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2.3 集中化網(wǎng)絡(luò)控制器（CNC）

基于IEEE802.1Qcc 的集中化配置模型［8］，CNC 掌握網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各個網(wǎng)橋節(jié)點能力的完整信息，對復(fù)雜的業(yè)務(wù)信息集中計算并決策出對應(yīng)于業(yè)務(wù)流的調(diào)度信息（傳輸路徑、資源需求和調(diào)度參數(shù)），CNC 還可配置交換設(shè)備。5G 系統(tǒng)作為透明網(wǎng)橋，其自身相關(guān)信息需要上報TSN網(wǎng)絡(luò)，由CNC統(tǒng)一配置。

一方面，CNC需要接收5G網(wǎng)橋的必要信息，比如：網(wǎng)橋ID、DS-TT 和NW-TT 端口上的預(yù)定流量配置信息、5G 網(wǎng)橋的出口端口、流量類別及其優(yōu)先級等。此外，5G 系統(tǒng)還需要提供端口管理信息容器（Port Management Information Container，PMIC），在該容器中有DS-TT/NW-TT 端口進行TSN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的配置需求，用于支持TSN AF 和DS-TT/NW-TT 之間的傳輸標(biāo)準(zhǔn)化與特定部署的端口管理信息。

另一方面，CNC 向5G 系統(tǒng)提供配置信息，特別是與IEEE 802.1Q 相關(guān)的信息。在CNC 從5G 網(wǎng)橋接收到必要的信息之后就開始計算這些配置信息，且最終在網(wǎng)橋中設(shè)置對應(yīng)的5G QoS 配置文檔。例如：CNC 根據(jù)接收的PSFP 信息計算最大流比特率，由TSN AF 提供給PCF，PCF 對照5QI 的平均窗口可以選擇GBR，通過這種方式調(diào)整最大流比特率，得到5G QoS 配置文檔中的GBR 參數(shù)；CNC 還可以通過TSN AF 向PCF 提供業(yè)務(wù)類別中聚合的時間敏感流的最大突發(fā)大小，便于PCF導(dǎo)出5G QoS配置文檔的最大數(shù)據(jù)突發(fā)量值（Maximum Data Burst Volumn，MDBV）。

總之，與建立端到端連接相關(guān)的所有信息都可以由CNC 通過5G 核心網(wǎng)的接口進行交互和配置（需要對5G網(wǎng)橋進行預(yù)配置）。

1.3 5G空口調(diào)度策略增強

對于跨5G-TSN 的端到端確定性傳輸而言，空口無疑是整個數(shù)據(jù)傳輸流程中最具挑戰(zhàn)的一部分。為了讓空口部分更好地為時間敏感業(yè)務(wù)流提供可靠的資源保障，5G 核心網(wǎng)將從TSN 域接收到的信息進行轉(zhuǎn)化后，形成時延敏感通信輔助信息（Time-Sensitive Communication Associate Information，TSCAI）［9］，通 過N2接口傳遞給基站，從而有利于基站有效地調(diào)度空口資源，能夠為周期性的TSN 業(yè)務(wù)進行半靜態(tài)調(diào)度（SPS），在保障TSN 業(yè)務(wù)流QoS的同時，提升5G 系統(tǒng)對多業(yè)務(wù)的支持。

TSCAI主要包含如下3類參數(shù)。

a）突發(fā)到達(dá)時間。用于指示在給定流向（UL 為DS-TT，DL 為NW-TT）下5GS 入口端口的突發(fā)到達(dá)時間，有利于在5G網(wǎng)絡(luò)上傳輸確定性流。

b）周期時間。用于指示突發(fā)之間的時間間隔，協(xié)助5G網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性流。

c）流方向。指示上述參數(shù)對應(yīng)的業(yè)務(wù)流是上行方向還是下行方向。

2 5G-TSN跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程

2.1 5G-TSN網(wǎng)橋系統(tǒng)

從第1 章的介紹可以看出，3GPP 提出的5G-TSN協(xié)同傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是將5G網(wǎng)絡(luò)作為TSN的網(wǎng)橋系統(tǒng)。如圖2 所示，在該協(xié)同架構(gòu)下，5G 網(wǎng)絡(luò)中新增的NWTT、DS-TT 2 個邊界網(wǎng)關(guān)被納入TSN 網(wǎng)絡(luò)CNC 的管理范疇［3］。CNC 與TSN AF 基于數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（link layer discovery protocol，LLDP）進行通信，使得5G網(wǎng)橋的信息全部上報，由CNC 集中決策并對TSN 網(wǎng)橋進行配置。DS-TT、NW-TT 支持TSN 數(shù)據(jù)流的保持和轉(zhuǎn)發(fā)機制，可以通過門控在預(yù)定的傳輸時延將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的NW-TT和DS-TT端口。

圖2 5G在協(xié)同傳輸架構(gòu)中的位置與角色示意圖

圖3 為5G 網(wǎng)橋系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖，每個5G 網(wǎng)橋由UE/DS-TT 側(cè)的端口、UE 與UPF 之間的用戶面隧道（PDU 會話）以及UPF/NW-TT 側(cè)的端口組成。其中UE/DS-TT 側(cè)的端口與PDU 會話綁定，UPF/NW-TT 側(cè)的端口支持與外部TSN 網(wǎng)絡(luò)連接。UE/DS-TT 側(cè)的每個端口可以綁定一個PDU 會話，連接在一個UPF 的所有PDU 會話共同組成一個網(wǎng)橋；在UPF 側(cè)，每個網(wǎng)橋在UPF 內(nèi)有單個NW-TT 實體，每個NW-TT 包含多個端口。5G 系統(tǒng)可以充當(dāng)多個網(wǎng)橋，用UPF 區(qū)分，網(wǎng)橋ID與UPF的ID具有關(guān)聯(lián)關(guān)系［5］。

圖3 5G-TSN網(wǎng)橋系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

在該系統(tǒng)中，控制面功能TSN AF 接收5G 網(wǎng)橋的信息，將信息注冊或更新到TSN 網(wǎng)絡(luò)并在CNC 進行集中配置。5G網(wǎng)橋的配置信息包括以下內(nèi)容。

a）5G系統(tǒng)網(wǎng)橋ID。

b）DS-TT 和NW-TT 端口上的預(yù)定流量的配置信息。

c）5G 系統(tǒng)網(wǎng)橋的出口端口，例如DS-TT 和NWTT上的端口。

d）流量類別及其優(yōu)先級。

e）端口管理信息容器（PMIC）。

2.2 跨5G與TSN的業(yè)務(wù)傳輸流程

2.2.1 控制面信令流程

要研究跨5G與TSN的業(yè)務(wù)傳輸過程，必須先了解其網(wǎng)元之間的通信流程，另外業(yè)務(wù)端到端的傳輸能有條不紊地進行也依賴信令傳達(dá)的準(zhǔn)確性。實現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目刂泼嫘帕钸^程主要分為4 個部分，一是TSN AF 預(yù)配置網(wǎng)橋；二是TSN AF 與CNC 進行信令交互獲取業(yè)務(wù)的特征信息，并經(jīng)SMF 導(dǎo)出TSCAI 信息傳輸?shù)交?，為TSN 流量的發(fā)送和接收執(zhí)行調(diào)度；三是TSN AF與DS-TT/NW-TT 之間通信交換網(wǎng)橋和端口管理信息；四是PCF 根據(jù)PCF 映射表進行TSN QoS 與5G 系統(tǒng)QoS關(guān)聯(lián)。圖4為信令傳輸?shù)牧鞒獭?/p>

圖4 信令傳輸流程圖

2.2.1.1 TSN AF預(yù)配置網(wǎng)橋

網(wǎng)橋預(yù)配置分為2 個方面，一方面5G 網(wǎng)橋根據(jù)自身存儲的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（Data Network Name，DNN）、流量類別、虛擬局域網(wǎng)（Virtual Local Area Network，VLAN）信息為承載當(dāng)前TSN 業(yè)務(wù)的PDU 會話選擇適當(dāng)?shù)腢PF，同時UPF 確定網(wǎng)橋ID 和UPF/NW-TT 側(cè)端口；另一方面，TSN AF 預(yù)先配置QoS 映射表，該映射表包括TSN 業(yè)務(wù)類別、預(yù)先配置的網(wǎng)橋延遲〔特指UE 和UPF/NW-TT 之間延遲（網(wǎng)橋端口對不同、業(yè)務(wù)類型不同，需要預(yù)先配置的網(wǎng)橋延遲也不同）和UPF 確定的PDU 會話中每個業(yè)務(wù)類別的最大最小延遲〕和TSN 業(yè)務(wù)優(yōu)先級。

2.2.1.2 TSN AF與CNC信令傳輸

a）網(wǎng)橋信息上報。PDU 會話建立期間，UE 將在UE 和DS-TT 內(nèi)、UE 和DS-TT 端口之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所用的UE-DS-TT 駐留時間傳遞給TSN AF，TSN AF 根據(jù)DS-TT 以太網(wǎng)端口端口號和NW-TT 以太網(wǎng)端口端口號確定端口對，并根據(jù)預(yù)先配置的網(wǎng)橋時延和駐留時間更新預(yù)先配置的網(wǎng)橋延遲。TSN AF 將更新后的網(wǎng)橋延遲、網(wǎng)橋的特定信息（比如網(wǎng)橋名稱、地址、端口數(shù)）、端口的特定信息（例如端口號、端口地址）注冊或更新到CNC。

b）TSN AF 計算TSN QoS 參數(shù)。TSN AF 根據(jù)從CNC接收PSFP信息和傳輸門控調(diào)度參數(shù)，計算業(yè)務(wù)模式參數(shù)（例如參考入口端口的突發(fā)到達(dá)時間、周期性和流向）。TSN AF 建立映射表來決定TSN QoS 參數(shù)，該映射表包括每個端口的流量類別及其優(yōu)先級、TSN流的TSC 突發(fā)大小、每個端口對的網(wǎng)橋延遲和流量類別、每個端口的傳輸延遲和UE-DS-TT 駐留時間。TSN AF 將TSN QoS 信息與相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流描述相關(guān)聯(lián)，并提供給PCF。如果TSN流屬于同一業(yè)務(wù)類別、使用相同的出口端口、周期性相同、突發(fā)到達(dá)時間兼容，TSN AF 為這些TSN 流計算出一組參數(shù)和一個容器，使其具有相同的QoS 參數(shù)并聚合到相同的QoS 流。此時，TSN AF 為聚集的TSN 流創(chuàng)建一個時間敏感通信（Time-Sensitive Communication，TSC）輔助容器，并將TSC輔助容器中的參數(shù)通過PCF轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。

c）SMF 導(dǎo) 出TSCAI 信息。PCF 從TSN AF 接收TSN QoS 參數(shù)之后執(zhí)行QoS 映射，輸出PCC 規(guī)則給SMF。SMF 觸發(fā)PDU 會話修改過程以建立或修改QoS流，基于QoS 容器計算QoS 流的TSCAI 參數(shù)并將它們發(fā)送到基站?；赥SCAI 信息，基站為TSN 流量的發(fā)送和接收執(zhí)行調(diào)度。

2.2.1.3 TSN AF與DS-TT/NW-TT進行端口配置

TSN AF和DS-TT/NW-TT 之間在端口管理信息容器內(nèi)分別透明地傳輸標(biāo)準(zhǔn)化和部署特定的端口管理信息。其中，端口管理信息容器（Port Management Information Container，PMIC）的傳輸包括如下2 種流程［5］。

a）端口管理信息從DS-TT/NW-TT 傳送到TSN AF。DS-TT 向UE 提 供PMIC 和DS-TT 端 口MAC 地址，其包括PMIC 作為N1 SM 容器的可選信息元素，并觸發(fā)UE請求的PDU 會話建立過程或PDU 會話修改過程以將PMIC轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。SMF將PMIC和相關(guān)DS-TT以太網(wǎng)端口的端口號轉(zhuǎn)發(fā)給TSN AF。NW-TT 向UPF提供PMIC，UPF 觸發(fā)N4 會話級報告程序，將PMIC 轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。SMF依次將PMIC和相關(guān)NW-TT以太網(wǎng)端口的端口號轉(zhuǎn)發(fā)給TSN AF。

b）端口管理信息從TSN AF 傳輸?shù)紻S-TT/NWTT。TSN AF 提供PMIC、為PDU 會話報告的MAC 地址（即與PDU 會話相關(guān)的DS-TT 端口的MAC 地址）和以太網(wǎng)端口的端口號，以便通過使用AF 會話級過程來管理PCF。PCF使用SM策略關(guān)聯(lián)修改過程，基于MAC地址將信息轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。SMF 認(rèn)證端口號與DS-TT以太網(wǎng)端口相關(guān)，請求PDU 會話修改過程將PMIC 轉(zhuǎn)發(fā)給DS-TT。TSN AF 為網(wǎng)橋相關(guān)PDU 會話選擇PCFAF 會話，并向PCF 提供PMIC 和相關(guān)NW-TT 端口號。PCF使用SM 策略關(guān)聯(lián)修改過程將從TSN AF接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給SMF。SMF 通過檢測端口號與NW-TT 以太網(wǎng)端口是否相關(guān)來確定所包括的信息是否需要被傳送到NW-TT，然后使用N4 會話修改程序?qū)⑾嚓P(guān)端口號與NW-TT連接。

2.2.1.4 PCF執(zhí)行QoS映射

PCF 根據(jù)映射表執(zhí)行QoS 映射并輸出PCC 規(guī)則到SMF，SMF將PCC 規(guī)則對應(yīng)到5G QoS配置信息（QoS規(guī)則、QoS 配置文件、數(shù)據(jù)包檢測規(guī)則），從而將TSN QoS與5G QoS機制對齊。PCF執(zhí)行QoS映射的過程如下。

a）CNC 經(jīng)由TSN AF 向PCF 發(fā)起的AF 會話中包含分配給5G 網(wǎng)橋的TSN QoS 需求和TSN 調(diào)度參數(shù)，PCF接收的相關(guān)信息有：

（a）以太網(wǎng)包過濾器的流描述，例如：以太網(wǎng)PCP、VLAN ID、TSN流終點MAC地址。

（b）TSN QoS 參數(shù)，即TSC 輔助容器信息，包括突發(fā)到達(dá)時間、周期性和流的方向。

（c）TSN QoS信息，即優(yōu)先級、最大TSC突發(fā)大小、網(wǎng)橋延遲和最大流比特率。

（d）端口管理信息容器及相關(guān)端口編號。

（e）網(wǎng)橋管理容器信息。

b）PCF 接收到上述信息之后根據(jù)PCF 映射表設(shè)置5G QoS配置文件，并觸發(fā)PDU會話修改過程建立新的QoS流。

c）5G QoS 配置文件包含分配和保留優(yōu)先級（ARP）、保證流比特率（GFBR）、最大流比特率（MFBR）、5G QoS標(biāo)識符（5QI）等參數(shù)。其中ARP被設(shè)置為預(yù)配置值，MFBR 和GFBR 可由5GS 網(wǎng)橋接收的PSFP信息導(dǎo)出。

d）PCF 使用DS-TT 端口MAC 地址綁定PDU 會話，基于TSN QoS 信息導(dǎo)出5QI。根據(jù)TSN AF、導(dǎo)出的5QI、ARP 提供的描述業(yè)務(wù)流的信息，PCF 生成一個PCC 規(guī)則（其中包含服務(wù)數(shù)據(jù)流過濾器、GBR 和MBR以及從AF 會話接收的TSC 輔助容器信息），PCF 將這些規(guī)則提供給SMF，從而觸發(fā)PDU 會話修改過程建立或修改QoS 流，以滿足TSN業(yè)務(wù)需求。

2.2.2 用戶面數(shù)據(jù)通道

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在用戶面通道傳輸時，如何減小無線信道的變化對業(yè)務(wù)確定性傳輸?shù)挠绊懀切枰紤]的關(guān)鍵問題。IEEE802.1Qbv 定義的時間感知整形機制（Time Aware Shaping，TAS），通過將業(yè)務(wù)按照優(yōu)先級進行編碼，并映射在不同優(yōu)先級的隊列，使用預(yù)先設(shè)置的周期性門控列表（Gate Control List，GCL）對出口隊列進行開關(guān)控制［9］，從而減小了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的干擾，保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。作為業(yè)務(wù)經(jīng)過5G 系統(tǒng)的2 個網(wǎng)關(guān)，DS-TT 與NW-TT都支持此協(xié)議，在5G-TSN 協(xié)同傳輸架構(gòu)下允許CNC對其門控信息進行配置，可以有效減小數(shù)據(jù)在空口傳輸?shù)亩秳印?/p>

如圖5 所示，TSN 業(yè)務(wù)通過5G 網(wǎng)橋需要經(jīng)過DSTT、NW-TT 網(wǎng)關(guān)，根據(jù)TSCAI 信息描述業(yè)務(wù)流的到達(dá)時間、周期時間、流方向和控制面確定的流量調(diào)度策略，可以對業(yè)務(wù)在空口的傳輸時延預(yù)先設(shè)置一個值，基于該預(yù)設(shè)值和業(yè)務(wù)的到達(dá)時間、周期時間計算得出業(yè)務(wù)在空口的預(yù)算時延，從而在出口端口（DS-TT/NW-TT）設(shè)置周期性的門控列表。當(dāng)數(shù)據(jù)包按照預(yù)算的時延到達(dá)出口端口時，此時的門控打開，傳輸不受影響；當(dāng)數(shù)據(jù)包由于信道變化提前到達(dá)出口端口時，未到門控打開時間，數(shù)據(jù)包持續(xù)等待到下一個門控打開時間。通過這種方式就消除了由于數(shù)據(jù)包提前到達(dá)引起的傳輸抖動，保障了傳輸?shù)拇_定性［10］。然而，5G系統(tǒng)門控設(shè)置方法仍需進一步研究。

圖5 5G-TSN跨網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程示意圖

3 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)的信道特性是業(yè)務(wù)確定性傳輸?shù)淖畲筇魬?zhàn)，時間敏感網(wǎng)絡(luò)的高可靠特性與5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合可以提升5G網(wǎng)絡(luò)的確定性業(yè)務(wù)承載能力?；诖吮尘?，本文開展了5G-TSN 協(xié)同傳輸?shù)难芯浚攸c研究了5G TSN 協(xié)同傳輸架構(gòu)、網(wǎng)元功能以及端到端跨網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程，并從控制面和用戶面對業(yè)務(wù)傳輸流程做了深入的闡述和分析，為跨域數(shù)據(jù)傳輸機制、調(diào)度機制等后續(xù)技術(shù)的研究提供了框架和流程基礎(chǔ)。

當(dāng)前，雖然5G-TSN 協(xié)同傳輸已經(jīng)取得了一些進展，但是目前標(biāo)準(zhǔn)方面還有待進一步完善，在設(shè)備方面還存在uRLLC芯片模組缺乏，5G難以提供低時延和高可靠連接保障的問題。隨著工業(yè)對無線化需求的凸顯，5G-TSN 提供的確定性傳輸機制將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深化發(fā)展中發(fā)揮重要作用，也是促進5G和工業(yè)垂直行業(yè)應(yīng)用深入融合的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。