吳 越，黃 蓉，王友祥（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

1 概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)需要可靠、確定性地傳輸數(shù)據(jù)，對5G 網(wǎng)絡有極高的性能要求。整個5G 網(wǎng)絡系統(tǒng)（包括無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)在內(nèi)的各個環(huán)節(jié)）需要進行性能優(yōu)化才可能實現(xiàn)端到端的高可靠和低時延。在現(xiàn)有以太網(wǎng)QoS 功能基礎上，時間敏感網(wǎng)絡（TSN）技術增加了時間片調(diào)度、幀搶占、數(shù)據(jù)流監(jiān)控及過濾等一系列流量調(diào)度特性，確保了數(shù)據(jù)流的高可靠確定性傳輸。將TSN 技術與5G 網(wǎng)絡的傳輸過程進行融合，可以更有效地保證5G網(wǎng)絡端到端的高可靠低時延傳輸。

5G網(wǎng)絡和TSN的融合可以分為2類，一類是3GPP規(guī)定的把5G 系統(tǒng)作為TSN 橋，即TSN over 5G；另一類是5G 系統(tǒng)內(nèi)與承載網(wǎng)的融合，即5G over TSN，又可細分為：5G 前傳網(wǎng)絡融合TSN 和5G 回傳網(wǎng)絡融合TSN。本文主要探討5G前傳網(wǎng)絡融合TSN。

2 TSN技術

TSN 作為新一代以太網(wǎng)技術，IEEE 802.1 工作組負責其技術規(guī)范的制定。TSN 主要是層二橋接網(wǎng)絡，在保證節(jié)點間高精度時間同步的基礎上，實現(xiàn)了域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延和抖動的有界性及確定性。IEEE802.1 工作組對TSN 的架構(gòu)、時間同步、流量調(diào)度、整形及資源預留等多項關鍵技術進行了標準化，形成802.1 系列協(xié)議族，TSN 標準按功能分為同步、可靠性、時延、資源管理4 類，如圖1 所示。其中較為核心的功能協(xié)議有IEEE802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr、802.1Qci等。

圖1 TSN協(xié)議功能分類

3 移動前傳網(wǎng)絡

移動網(wǎng)絡包括了無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)，緊接其后的是互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心，如圖2 所示。5G 無線接入網(wǎng)又分為空口部分、前傳、中傳和回傳。移動前傳網(wǎng)絡是指DU 和RU 間的網(wǎng)絡，DU 和RU 間可為光纖直連、經(jīng)由HUB 連接或以太網(wǎng)組網(wǎng)連接。前傳接口劃分主要采用Option 8劃分或物理層內(nèi)劃分Option 7-2x。Option 8劃分下，前傳接口采用傳統(tǒng)的CPRI協(xié)議，Option 7-2x劃分下，前傳接口可以采用eCPRI協(xié)議。

隨著5G 技術的應用與發(fā)展，5G 時代新的網(wǎng)絡需求、mMIMO 技術的應用、CU/DU 云化池化等導致前傳網(wǎng)絡中連接的設備越來越多，前傳網(wǎng)絡越來越復雜。而傳統(tǒng)的前傳網(wǎng)絡由于采用Option 8 劃分方式，應用CPRI 協(xié)議，逐漸不能滿足容量、帶寬以及靈活性的需求，基于包交換的以太網(wǎng)技術開始引入前傳網(wǎng)絡，前傳網(wǎng)絡架構(gòu)也相應發(fā)生變化，為了降低前傳網(wǎng)絡帶寬需求而采用物理層內(nèi)劃分?；诎粨Q以太網(wǎng)的5G無線接入網(wǎng)將BBU 劃分為DU 和CU 2 個部分，實時功能下沉到DU，非實時功能上移到CU 集中部署。CU/DU 的靈活部署有利于實現(xiàn)移動網(wǎng)絡資源的按需配置，滿足不同場景的個性化需求，但同時對網(wǎng)絡性能提出了更高的時延和帶寬需求。

4 TSN和前傳網(wǎng)絡架構(gòu)的融合

4.1 下一代前傳接口架構(gòu)

IEEE 1914.1（Packet-based Fronthaul Transport Network）對前傳網(wǎng)絡的概念進行了擴展，它定義了下一代前傳接口（NGFI——Next Generation Fronthaul Interface），如圖3所示。

圖2 移動網(wǎng)絡組成示意圖

圖3 NGFI網(wǎng)絡參考架構(gòu)

NGFI 網(wǎng)絡的參考架構(gòu)包括接入網(wǎng)（Access）、匯聚網(wǎng)（Aggregation）和核心網(wǎng)（Core）3 個主要網(wǎng)絡跨度。其中靠近無線電傳輸點的接入網(wǎng)將傳輸流量從基站（Cell site）匯聚到集線器站點（Hub site）進行集中處理，匯聚網(wǎng)進一步將集線器站點的流量匯聚到邊緣站點（Edge site），然后核心網(wǎng)從匯聚網(wǎng)收集流量。通過這些傳輸網(wǎng)絡基礎設施，4G/5G RAN 分割的功能實體（RU、DU 和CU）及其不同組合可以放在不同的站點，以支持不同功能分割選項下流傳輸?shù)腝oS需求。根據(jù)RU、DU 和CU 之間的部署位置，NGFI 分為Ⅰ級和Ⅱ級，NGFI-Ⅰ是連接RU 和DU 的下層接口，NGFI-Ⅱ是連接DU 和CU 的上層接口。NGFI-Ⅰ接口對應圖2 所示的前傳接口，具有嚴格的時延和數(shù)據(jù)速率要求，NGFI-Ⅱ接口對應圖2所示的中傳接口，時延要求相對寬松。這種架構(gòu)中的功能實體部署靈活，例如移動核心實體（4G 核心網(wǎng)EPC 和5G 核心網(wǎng)5GC）可根據(jù)移動服務的時延需求，靈活選擇邊緣站點或核心站點部署方案。

4.2 開放前傳接口架構(gòu)

為了實現(xiàn)基站設備的軟硬件解耦，接口開放，滿足不同廠商間DU 和RU 互聯(lián)互通的目標，O-RAN 聯(lián)盟WG4 開放前傳接口工作組定義了基于物理層內(nèi)劃分的開放前傳接口技術。O-RAN 把無線接入網(wǎng)劃分為O-RAN 控制單元（O-CU）、O-RAN 分布單元（ODU）和O-RAN 射頻單元（O-RU）。O-CU 與O-DU 間的接口稱為高層分離接口，即HLS 接口，O-DU 與ORU間的接口稱為底層分離接口，即LLS接口。開放前傳接口是指O-DU 與O-RU 間的接口，也就是LLS 接口，如圖4所示。

圖4 開放前傳接口架構(gòu)

開放前傳接口采用基于Option 7-2x 的物理層內(nèi)劃分，傳輸層是以太網(wǎng)，用戶面采用基于以太網(wǎng)包交換的eCPRI協(xié)議。當前開放前傳接口技術主要支持簡單組網(wǎng)模式，例如DU 和RU 直連，或通過FHM 設備相連，如果中間經(jīng)由交換機設備組網(wǎng)，則并不完全能保證端到端的時間同步和正確的時延處理。TSN技術將是開放前傳接口下一步需要考慮引入的關鍵技術之一。

4.3 前傳網(wǎng)絡和TSN技術

基于以太網(wǎng)的前傳網(wǎng)絡由DU、RU 和之間的交換機組網(wǎng)形成，為了保證用戶面數(shù)據(jù)在天線空口精準發(fā)送和接收需要滿足3GPP 定義的空口時間同步要求。在簡單組網(wǎng)的情況下，例如DU 和RU 直連或通過HUB相連，DU 和RU 上的前傳功能部分可以預先或動態(tài)地算出用戶面數(shù)據(jù)需要提前發(fā)送和接收的時間量。這個時間量或時間窗口的測量不僅包含了DU 和RU 自身內(nèi)部的處理時延，還包括DU 和RU 間的傳輸時延，若傳輸網(wǎng)絡中包含交換機組網(wǎng)，則意味著所有經(jīng)過交換機處理及緩存的時間都要計算在內(nèi)。

如果前傳網(wǎng)絡融合TSN，交換機需要支持TSN 協(xié)議，DU 和RU 的前傳網(wǎng)口部分也需要支持TSN 協(xié)議。融合了TSN 技術的前傳網(wǎng)絡如圖5所示，其中eREC 表示DU，eRE表示RU。

圖5 支持TSN的前傳傳輸網(wǎng)絡

5 關鍵技術

5.1 時間同步

時間同步是TSN 網(wǎng)絡實現(xiàn)精準時延轉(zhuǎn)發(fā)及時延有界性的基礎，TSN 網(wǎng)絡需要支持時間同步協(xié)議IEEE802.1AS。IEEE802.1AS 在1588V2 基礎上采用通用精準時間協(xié)議gPTP，通過在主時鐘與從時鐘之間傳遞時間事件消息（帶有精準時間戳的消息），并通過計算點對點的鏈路傳輸時延、駐留時延等信息后完成時間補償，從而實現(xiàn)2個節(jié)點間的時鐘同步。

5G系統(tǒng)需要支持時間同步協(xié)議IEEE1588 PTPv2。5G 系統(tǒng)時間同步和TSN 網(wǎng)絡時間同步這2 個過程可以是彼此獨立的，但是當5G 系統(tǒng)和TSN 集成時，5G 系統(tǒng)需要使能TSN時間同步。5G系統(tǒng)作為802.1AS的兼容實體，使能TSN 時間同步，如圖6 所示，即5G 系統(tǒng)作為TSN 橋，被建模成802.1AS“time aware system”支持TSN時間同步。

前傳網(wǎng)絡的端點是DU和RU，作為5G系統(tǒng)的一部分，DU 可以通過本地GNSS 或上游PTP 分組包進行時間同步。RU 可以由DU 或某個中間網(wǎng)絡節(jié)點（如某一個交換機）作為PTP master 對RU 進行時間同步，或者RU 本地直連GNSS 進行時間同步。對前傳網(wǎng)絡的整體同步要求可參考IEEE802.1CM（TSN for fronthaul），802.1CM 為前傳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)定義了端到端的傳輸時延要求和時間同步要求，基于以太的前傳網(wǎng)絡時間同步如圖7 所示，其中eREC/REC 表示DU，eRE/RE 表示RU。前傳網(wǎng)絡引入TSN技術后，需要DU、RU和它們之間的以太網(wǎng)絡各交換機都支持TSN協(xié)議。

5.2 資源管理

TSN 的IEEE802.1Qcc 協(xié)議定義了TSN 控制平面的架構(gòu)，分為全分布式、集中式網(wǎng)絡控制/分布式用戶、全集中式3種模型，當前主要采用全集中式模型，如圖8 所示。CUC 是中心化用戶配置，相當于編排器，負責采集端點業(yè)務的帶寬時延抖動等網(wǎng)絡服務質(zhì)量需求，并將其轉(zhuǎn)換后通過北向接口發(fā)給CNC，CNC 是中心化網(wǎng)絡控制，相當于控制器，包含計算拓撲路徑等網(wǎng)絡功能、并通過南向接口下發(fā)更新門控列表等配置信息給TSN交換機。

圖6 5G系統(tǒng)作為IEEE 802.1AS“time aware system”

圖7 基于以太的前傳網(wǎng)絡時間同步

圖8 TSN控制平面全集中式模型

實現(xiàn)TSN 基于精準時間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機制，是前傳網(wǎng)絡支持TSN 功能的核心功能。TSN 交換機提供TSN數(shù)據(jù)流的駐留和轉(zhuǎn)發(fā)機制，遵循IEEE 802.1Qbv 標準。為了對TSN 數(shù)據(jù)流進行更有效的調(diào)度，需要考慮CUC/CNC 在前傳網(wǎng)絡中的部署。支持TSN 的前傳網(wǎng)絡使得前傳時間敏感數(shù)據(jù)的低時延和確定性傳輸更有保障。前傳網(wǎng)絡引入TSN 后的控制平面架構(gòu)如圖9 所示。

6 融合應用的幾點思考

圖9 TSN在前傳網(wǎng)絡中的控制平面架構(gòu)

TSN 和前傳網(wǎng)絡的融合部署可能更適用于復雜、混合的網(wǎng)絡。例如DRAN 和CRAN 共用傳輸基礎設施的網(wǎng)絡、CU/DU 池化網(wǎng)絡和采用前傳網(wǎng)關FHGW 的網(wǎng)絡等。這種網(wǎng)絡可能會承載各種不同類型的流量，如：CU 和DU 間的中傳數(shù)據(jù)，DU 和RU 間的前傳數(shù)據(jù)、管理面數(shù)據(jù)、同步面數(shù)據(jù)等。各種不同類型的數(shù)據(jù)需要不同等級的QoS 策略，這時可以考慮應用TSN 幀搶占、流量調(diào)度、隊列整形、優(yōu)先級調(diào)度等功能來滿足各種類型流量不同的QoS 需求。例如，對前傳用戶面數(shù)據(jù)（時延敏感流），可以考慮應用TSN 的端到端的帶寬分配和資源預留功能、入端口流量過濾功能、出端口流量門控隊列調(diào)度整形功能等，能基本保證時延敏感流的確定性時延和抖動需求。

TSN 時間同步和前傳網(wǎng)絡時間同步的融合。TSN應用IEEE 802.1AS，即gPTP 協(xié)議，進行網(wǎng)絡時間同步，而基于eCPRI 的前傳網(wǎng)絡應采用IEEEE 1588 PTPv2協(xié)議。802.1AS定義了一個基于1588的特定配置并提高時間精度，PTPv2并不可以代替gPTP。引入TSN后，前傳網(wǎng)絡時間同步需要考慮如何融合802.1AS 和1588。

TSN控制管理平面和基站管理面功能的融合?；竟芾砻尕撠熐皞骶W(wǎng)絡相關的配置管理，引入TSN 之后，需要考慮基站管理面和TSN 控制管理平面功能的融合，需要考慮如何在基站管理面上實現(xiàn)TSN 的CUC、CNC 等網(wǎng)絡功能，基站管理面要能通過Netconf等南向接口對TSN 交換機下發(fā)流表和配置。如果考慮到核心網(wǎng)UPF和MEC下沉，和CU/DU共站，則基站、MEC 和TSN 需要整體考慮管理面和控制面的部署問題，例如是否可以統(tǒng)一部署到MEC平臺。

7 結(jié)束語

本文介紹了TSN 與移動前傳網(wǎng)絡融合的背景，基于以太的前傳網(wǎng)絡新架構(gòu)，探討了TSN 與前傳網(wǎng)絡融合需要用到的關鍵技術，并對融合部署可能遇到的問題進行了分析。作為新一代以太網(wǎng)技術，當前TSN 技術仍在持續(xù)發(fā)展中，在3GPP 層面更多的考量是把5G系統(tǒng)作為一個整體，當作一個邏輯TSN 橋，而在5G 系統(tǒng)內(nèi)部，尤其是在前傳網(wǎng)絡中如何有效地利用TSN 技術達到DU 和RU 間時間敏感數(shù)據(jù)高可靠低時延的傳輸和網(wǎng)絡資源的靈活配置還有待于更進一步的研究。