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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工藝流程、人機(jī)交互等領(lǐng)域廣泛采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)智能化決策，達(dá)到提高生產(chǎn)效率、改進(jìn)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(jī)器、原料、方法、環(huán)境多要素的全面互聯(lián)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的靈活調(diào)配與優(yōu)化。隨著機(jī)器人、無人機(jī)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(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求越來越高。在此背景下，具有低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠的無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成為研究的焦點(diǎn)。

時(shí)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(huì)（IEEE）802.1 工作組提出，是對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)的增強(qiáng)，能夠提供高可靠和有界低時(shí)延的流傳輸服務(wù)［1］。其業(yè)務(wù)承載方式與時(shí)分多址復(fù)用（TDMA）類似，在設(shè)備時(shí)間同步的基礎(chǔ)上使用基于時(shí)間精準(zhǔn)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列控制方式，使不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)在“特定時(shí)間”獨(dú)占傳輸資源，通過這種有序的資源分配，可以保證端到端時(shí)延抖動(dòng)的有界性。其調(diào)度整形機(jī)制基于隊(duì)列和時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)包調(diào)度，將業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)不同的業(yè)務(wù)流映射到相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的出口隊(duì)列，減少了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)高優(yōu)先級(jí)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(xiàng)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)針對(duì)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(jìn)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(duì)二層機(jī)制的增強(qiáng)，其物理層機(jī)制仍然是以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，以時(shí)分的方式實(shí)現(xiàn)資源的復(fù)用。在控制層面，通過資源預(yù)留、時(shí)間感知整形調(diào)度、幀搶占、幀復(fù)制與刪除等機(jī)制來保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(diǎn)、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(duì)各自網(wǎng)絡(luò)功能的修改，并將TSN 確定性業(yè)務(wù)傳輸機(jī)制引入5G 網(wǎng)絡(luò)，是進(jìn)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(shí)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(dú)立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)模式、5G 獨(dú)立作為TSN鏈路模式（單TSN 域）、5G 作為TSN 網(wǎng)橋/交換機(jī)互聯(lián)多TSN域模式、TSN作為5G承載網(wǎng)絡(luò)模式［4］。

5G 獨(dú)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(gè)TSN 域內(nèi)的TSN 網(wǎng)絡(luò)的一部分鏈路，此時(shí)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(jī)接入多個(gè)TSN 域，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(shí)延保障。這4種模式對(duì)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(shí)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(gè)5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為一個(gè)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(shí)現(xiàn)與TSN 域交換機(jī)和終端站點(diǎn)的對(duì)接，從而減少協(xié)同架構(gòu)對(duì)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(duì)于5G核心網(wǎng)，主要新增和增強(qiáng)了如下功能。

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

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

c）增強(qiáng)接入與移動(dòng)管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)TSN 業(yè)務(wù)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話的管理以及與UE/DS-TT間的TSN參數(shù)和策略互通。

d）增強(qiáng)UPF：實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)TSN 流傳遞方向、流周期、傳輸時(shí)間預(yù)算、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)等參數(shù)向5G系統(tǒng)的傳遞。

b）與5G 核心網(wǎng)PCF、SMF 等實(shí)體交互，實(shí)現(xiàn)TSN業(yè)務(wù)流關(guān)鍵參數(shù)在5G 時(shí)鐘下的修正與傳遞，并結(jié)合TSN 業(yè)務(wù)流優(yōu)先級(jí)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(shí)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(shí)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(shí)方式和NW-TT 通過底層高精度時(shí)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(shí)鐘的同步。

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

1.2.2 增強(qiáng)網(wǎng)元

1.2.2.1 控制面——增強(qiáng)PCF、AMF、SMF

PCF 是5G 核心網(wǎng)的重要網(wǎng)元，是對(duì)多種業(yè)務(wù)流進(jìn)行差異化QoS 保障的功能實(shí)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(shí)間、周期、流向、優(yōu)先級(jí)、時(shí)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(jí)的用戶/業(yè)務(wù)分配合適的5G QoS 策略，如針對(duì)TSN 業(yè)務(wù)流、TSN 時(shí)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(huì)話和QoS流中，在5G系統(tǒng)內(nèi)實(shí)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(shí)延、與相鄰TSN 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系、端口配置信息），轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)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(qiáng)UPF

UPF 增加了對(duì)5G 域和TSN 域時(shí)鐘信息交互及監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)跨域的時(shí)鐘信息同步；在此基礎(chǔ)上，UPF需實(shí)現(xiàn)基于精準(zhǔn)時(shí)間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，并支持以太網(wǎng)PDU 會(huì)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(shí)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(gè)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)能力的完整信息，對(duì)復(fù)雜的業(yè)務(wù)信息集中計(jì)算并決策出對(duì)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(bào)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(jí)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(jìn)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(jì)算這些配置信息，且最終在網(wǎng)橋中設(shè)置對(duì)應(yīng)的5G QoS 配置文檔。例如：CNC 根據(jù)接收的PSFP 信息計(jì)算最大流比特率，由TSN AF 提供給PCF，PCF 對(duì)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(shí)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(jìn)行交互和配置（需要對(duì)5G網(wǎng)橋進(jìn)行預(yù)配置）。

1.3 5G空口調(diào)度策略增強(qiáng)

對(duì)于跨5G-TSN 的端到端確定性傳輸而言，空口無疑是整個(gè)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(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)化后，形成時(shí)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?yàn)橹芷谛缘腡SN 業(yè)務(wù)進(jìn)行半靜態(tài)調(diào)度（SPS），在保障TSN 業(yè)務(wù)流QoS的同時(shí)，提升5G 系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(shí)間，有利于在5G網(wǎng)絡(luò)上傳輸確定性流。

b）周期時(shí)間。用于指示突發(fā)之間的時(shí)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(duì)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(gè)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(jìn)行通信，使得5G網(wǎng)橋的信息全部上報(bào)，由CNC 集中決策并對(duì)TSN 網(wǎng)橋進(jìn)行配置。DS-TT、NW-TT 支持TSN 數(shù)據(jù)流的保持和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，可以通過門控在預(yù)定的傳輸時(shí)延將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)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(gè)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(huì)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(huì)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(gè)端口可以綁定一個(gè)PDU 會(huì)話，連接在一個(gè)UPF 的所有PDU 會(huì)話共同組成一個(gè)網(wǎng)橋；在UPF 側(cè)，每個(gè)網(wǎng)橋在UPF 內(nèi)有單個(gè)NW-TT 實(shí)體，每個(gè)NW-TT 包含多個(gè)端口。5G 系統(tǒng)可以充當(dāng)多個(gè)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(cè)或更新到TSN 網(wǎng)絡(luò)并在CNC 進(jìn)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(jí)。

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(jìn)行也依賴信令傳達(dá)的準(zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目刂泼嫘帕钸^程主要分為4 個(gè)部分，一是TSN AF 預(yù)配置網(wǎng)橋；二是TSN AF 與CNC 進(jìn)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?qǐng)?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(jìn)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(gè)方面，一方面5G 網(wǎng)橋根據(jù)自身存儲(chǔ)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(huì)話選擇適當(dāng)?shù)腢PF，同時(shí)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(duì)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(huì)話中每個(gè)業(yè)務(wù)類別的最大最小延遲〕和TSN 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)。

2.2.1.2 TSN AF與CNC信令傳輸

a）網(wǎng)橋信息上報(bào)。PDU 會(huì)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(shí)間傳遞給TSN AF，TSN AF 根據(jù)DS-TT 以太網(wǎng)端口端口號(hào)和NW-TT 以太網(wǎng)端口端口號(hào)確定端口對(duì)，并根據(jù)預(yù)先配置的網(wǎng)橋時(shí)延和駐留時(shí)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(hào)、端口地址）注冊(cè)或更新到CNC。

b）TSN AF 計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)端口的流量類別及其優(yōu)先級(jí)、TSN流的TSC 突發(fā)大小、每個(gè)端口對(duì)的網(wǎng)橋延遲和流量類別、每個(gè)端口的傳輸延遲和UE-DS-TT 駐留時(shí)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(shí)間兼容，TSN AF 為這些TSN 流計(jì)算出一組參數(shù)和一個(gè)容器，使其具有相同的QoS 參數(shù)并聚合到相同的QoS 流。此時(shí)，TSN AF 為聚集的TSN 流創(chuàng)建一個(gè)時(shí)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(huì)話修改過程以建立或修改QoS流，基于QoS 容器計(jì)算QoS 流的TSCAI 參數(shù)并將它們發(fā)送到基站。基于TSCAI 信息，基站為TSN 流量的發(fā)送和接收?qǐng)?zhí)行調(diào)度。

2.2.1.3 TSN AF與DS-TT/NW-TT進(jìn)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(qǐng)求的PDU 會(huì)話建立過程或PDU 會(huì)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(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給TSN AF。NW-TT 向UPF提供PMIC，UPF 觸發(fā)N4 會(huì)話級(jí)報(bào)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(hào)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(huì)話報(bào)告的MAC 地址（即與PDU 會(huì)話相關(guān)的DS-TT 端口的MAC 地址）和以太網(wǎng)端口的端口號(hào)，以便通過使用AF 會(huì)話級(jí)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(hào)與DS-TT以太網(wǎng)端口相關(guān)，請(qǐng)求PDU 會(huì)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(huì)話選擇PCFAF 會(huì)話，并向PCF 提供PMIC 和相關(guān)NW-TT 端口號(hào)。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(hào)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(huì)話修改程序?qū)⑾嚓P(guān)端口號(hào)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(duì)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(jī)制對(duì)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(huì)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(diǎn)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(shí)間、周期性和流的方向。

（c）TSN QoS信息，即優(yōu)先級(jí)、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(hào)。

（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(huì)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(jí)（ARP）、保證流比特率（GFBR）、最大流比特率（MFBR）、5G QoS標(biāo)識(shí)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(huì)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(gè)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(huì)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(huì)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(shí)，如何減小無線信道的變化對(duì)業(yè)務(wù)確定性傳輸?shù)挠绊?，是需要考慮的關(guān)鍵問題。IEEE802.1Qbv 定義的時(shí)間感知整形機(jī)制（Time Aware Shaping，TAS），通過將業(yè)務(wù)按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行編碼，并映射在不同優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，使用預(yù)先設(shè)置的周期性門控列表（Gate Control List，GCL）對(duì)出口隊(duì)列進(jìn)行開關(guān)控制［9］，從而減小了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的干擾，保證了高優(yōu)先級(jí)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(gè)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(duì)其門控信息進(jìn)行配置，可以有效減小數(shù)據(jù)在空口傳輸?shù)亩秳?dòng)。

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(shí)間、周期時(shí)間、流方向和控制面確定的流量調(diào)度策略，可以對(duì)業(yè)務(wù)在空口的傳輸時(shí)延預(yù)先設(shè)置一個(gè)值，基于該預(yù)設(shè)值和業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間、周期時(shí)間計(jì)算得出業(yè)務(wù)在空口的預(yù)算時(shí)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(shí)延到達(dá)出口端口時(shí)，此時(shí)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(shí)，未到門控打開時(shí)間，數(shù)據(jù)包持續(xù)等待到下一個(gè)門控打開時(shí)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(dòng)，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(jìn)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(shí)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。基于此背景，本文開展了5G-TSN 協(xié)同傳輸?shù)难芯?，重點(diǎn)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(duì)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(jī)制、調(diào)度機(jī)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(jìn)展，但是目前標(biāo)準(zhǔn)方面還有待進(jìn)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(shí)延和高可靠連接保障的問題。隨著工業(yè)對(duì)無線化需求的凸顯，5G-TSN 提供的確定性傳輸機(jī)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(jìn)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)。