《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.04.08.004©北京科技大学2020 工程科学学报DO: 面向工业自动化的5G与TSN协同关键技术 李卫13)，孙雷2,3网，王健全2)，马彰超2) 1)北京科技大学计算机与通信工程学院，北京1000832)北京科技大学自动化学院，北京1000833)北京科技大学工业互联网研究院，北 京100083 ☒通信作者，E-mail:sun lei(@ustb.edu.cn 摘要第五代移动通信网络(5G)与时间敏感网络(TSN)在工业自动化领域的应用成为新趋势。5G作为新一代移 动通信技术，具有大带宽、低时延、超高可靠的连接及多业务传输能力：TSN作为以朱网的演进方向，具备确定 性时延及可靠性保障能力。两种网络均被设计为支持多业务混合承载的基础网络，仁者的协同能够有效促进T与 OT的融合，成为工业互联网的重要网络关键技术，受到了产业界和学术界共同往。“5G+TSN”被认为是未来智 能工厂的基础共性网络，能够实现与多种工业现场通信技术的融合，并能保证业数据的端到端传输可靠性。然而 5G与TSN网络传输方式不一、资源协议各异、管控机制不同，如何 现5G与TSN互联互通及高效协同是当前研究 的热点和难点。本文面向工业制造领域数字化、网络化及智能化转型需球， 简要介绍了时间敏感网络的起源及发展现 状，并针对3GPP中5G支持TSN的标准研究进行了闸述，重点针对 5G与TSN协同面临的技术挑战进行了分析， 进一步阐述两种异构网络间协同所需的时间同步、连接增强及统资源管理等关键技术，最后给出5G-TSN协同网 络在智能工厂中的应用场景，旨在深化推动5G融入玉业控制领域，实现5G先进信息通信技术与工业应用的深入融 合。 关键词第五代移动通信网络：时间敏感网络：工业互联网：5G与TSN协同传输：智能工厂 分类号TN915.03/TP393.03 Key technologies to enable 5G and TSN Coordination for Industrial Automation LI Weis),SUN Leps WANG Jian-quan,MA Zhang-chao2.3) 1)School of Computer and Communication Engineering,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2) School of Engineering University of Science and Technoloy Beijing, Research Institute of Industrial Internet,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:sun_lei@ustb.edu.cn ABSTRACT The application of the fifth generation mobile communication networks(5G)and time sensitive networking (TSN)in the field of industrial automation has become a new trend,.As the new generation of mobile communication technology,5G is featured with large bandwidth,low latency,ultra-reliable connection and multi-service slicing capacit ies;as the evolution goal of industrial ethernet,TSN is featured with deterministic transmission with bounded latency and jitter and guaranteed high reliability.Both technologies have been designed to provide converged communication for a wide range of services on a common network infrastructure.The coordination of 5G and TSN can effectively promote the integration of Information Technology (IT)and Operation Technology (OT),which will be an key enabler of Industrial Internet.Therefore, 收稿日期：2021-04-08 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2020YFB1708800)及中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-MP-20- 37)
工程科学学报 DOI: 面向工业自动化的 5G 与 TSN 协同关键技术 李 卫 1,3)，孙 雷 2,3) ，王健全 2,3) ，马彰超 2,3) 1) 北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学自动化学院，北京 100083 3) 北京科技大学工业互联网研究院，北 京 100083 通信作者，E-mail:sun_lei@ustb.edu.cn 摘 要 第五代移动通信网络（5G）与时间敏感网络（TSN）在工业自动化领域的应用成为新趋势。5G 作为新一代移 动通信技术，具有大带宽、低时延、超高可靠的连接及多业务传输能力；TSN 作为工业以太网的演进方向，具备确定 性时延及可靠性保障能力。两种网络均被设计为支持多业务混合承载的基础网络，二者的协同能够有效促进 IT 与 OT 的融合，成为工业互联网的重要网络关键技术，受到了产业界和学术界共同关注。“5G+TSN”被认为是未来智 能工厂的基础共性网络，能够实现与多种工业现场通信技术的融合，并能保证工业数据的端到端传输可靠性。然而 5G 与 TSN 网络传输方式不一、资源协议各异、管控机制不同，如何实现 5G 与 TSN 互联互通及高效协同是当前研究 的热点和难点。本文面向工业制造领域数字化、网络化及智能化转型需求，简要介绍了时间敏感网络的起源及发展现 状，并针对 3GPP 中 5G 支持 TSN 的标准研究进行了阐述，重点针对 5G 与 TSN 协同面临的技术挑战进行了分析， 进一步阐述两种异构网络间协同所需的时间同步、连接增强及统一资源管理等关键技术，最后给出 5G-TSN 协同网 络在智能工厂中的应用场景，旨在深化推动 5G 融入工业控制领域，实现 5G 先进信息通信技术与工业应用的深入融 合。 关键词 第五代移动通信网络；时间敏感网络；工业互联网；5G 与 TSN 协同传输；智能工厂 分类号 TN915.03/TP393.03 Key technologies to enable 5G and TSN Coordination for Industrial Automation LI Wei1,3) , SUN Lei2,3) , WANG Jian-quan2,3) , MA Zhang-chao2,3) 1) School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Automation and Electronical Engineering, University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083, China 3) Research Institute of Industrial Internet, University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail:sun_lei@ustb.edu.cn ABSTRACT The application of the fifth generation mobile communication networks (5G) and time sensitive networking (TSN) in the field of industrial automation has become a new trend,. As the new generation of mobile communication technology, 5G is featured with large bandwidth, low latency, ultra-reliable connection and multi-service slicing capacit ies; as the evolution goal of industrial ethernet, TSN is featured with deterministic transmission with bounded latency and jitter and guaranteed high reliability. Both technologies have been designed to provide converged communication for a wide range of services on a common network infrastructure. The coordination of 5G and TSN can effectively promote the integration of Information Technology (IT) and Operation Technology (OT), which will be an key enabler of Industrial Internet. Therefore, 收稿日期:2021-04-08 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2020YFB1708800)及中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-MP-20- 37) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.08.004 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
the collaborative transmission of 5G and TSN has become a focus for both industry and academia society."5G+TSN"is envisioned to be the basic communication network for the future smart factory,which can enable the integration of various field level industrial communication technologies and ensure end-to-end industrial data transmission reliability.However,5G and TSN networks are quite different with regard to transmission methods,protocols,control and management mechanisms, etc.How to realize the efficient inter-connection and coordination of 5G and TSN is a hot topic and difficult task currently. Following the general requirements of digital manufacturing,digital-networked manufacturing,and new-generation intelligent manufacturing.this article firstly introduces the state-of-the-art of time-sensitive networks,and it also elaborates on the standardization progress of 5G supporting TSN in 3GPP.Then,it emphasizes the main challenges for the coordinated transmission of 5G and TSN networks,and analyzes the key technologies such as time synchronization,connection enhancement,and unified resource management to support the coordination of 5G and TSN heterogeneous networks.Finally, the application scenarios of"5G+TSN"in the smart factory are given,which aims to deepen the inte ration of 5G into the industrial control and flourish 5G-based industrial applications. KEY WORDS The 5th Generation Mobile Communication System;Time Sensitive Nety ial Internet;5G and TSN coordination;Smart Factory 1概述 工业制造业是5G的重要应用领域，如何利用5G先进信息通信技术打造组织灵活、生产高效的 智能工厂，助力制造业数字化、智能化升级转型，成为当前产业界及学术界共同关注的热点话题 习。然而，工业业务对传输时延、抖动及可靠性等具有严格的要求，尤其是工业控制类业务，需由支 持有界的时延和抖动、极其严苛的丢包率和可靠性保证的网络承载。网络具有确定性时延这一特征对 工业业务传输尤为重要，意味着整个系统的可行与可靠，是工业系统安全可控的基础。虽然5G在 R16版本中针对低时延和超高可靠技术方面做了较女提升，但在满足工业实时类、工业自动控制类 业务确定性传输需求方面仍面临诸多挑战46。/ 时间敏感网络(TSN,Time-Sensitive Networking)由国际电子电气工程师协会(EEE,Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.1玉作组在802.3标准以太网及802.lQ虚拟局域网基础上对 媒体接入控制层机制进行增强的系例标准协议忉。T$N是二层桥接网络，在实现节点间高精度时 间同步基础上，实现域内数据传输的时延和抖动的有界性及确定性：此外，由于T$N能兼容以太 网协议，因此受到了工业航关电子及音视频传输领域的广泛关注，成为了工业网络的重要趋势之 一，诸多工业企业对在不内部入时间敏感网络技术表现出极大的兴趣，西门子等工业巨头也纷 纷开展了时间敏感网络实验床的建设验证工作。 本文基于工业联网中信息技术(IT,Information Technology)与生产技术(OT,Operation Technology)融会需求，面向构建统一、开放工业网络目标，重点针对构建5G与TSN协同的端到端 确定性网络所面临的挑战、关键技术体系、时间同步机制、联合资源管理模型等进行了阐述，并结合 5G-TSN协同网络在智能工厂中的应用场景进行了介绍。文章组织结构如下：第2部分重点介绍时间 敏感网络技术及5G+TSN的标准化现状：第3部分主要介绍5G+TSN的关键技术特征，并对当前研 究面临的挑战进行分析：第4部分简要介绍5G+TSN在工业领域的应用场景：第5部分对全文进行 了总结。 2研究现状 2.1时间敏感网络标准现状 TSN并不是近年兴起的新技术和新网络，只是随着近年来工业互联网的普及而被通信领域所熟 知。IEEE802.1工作组围绕TSN的架构、时间同步、流管控、流整形及资源预留等多项关键技术进行
the collaborative transmission of 5G and TSN has become a focus for both industry and academia society. "5G+TSN" is envisioned to be the basic communication network for the future smart factory, which can enable the integration of various field level industrial communication technologies and ensure end-to-end industrial data transmission reliability. However, 5G and TSN networks are quite different with regard to transmission methods, protocols, control and management mechanisms, etc. How to realize the efficient inter-connection and coordination of 5G and TSN is a hot topic and difficult task currently. Following the general requirements of digital manufacturing, digital-networked manufacturing, and new-generation intelligent manufacturing, this article firstly introduces the state-of-the-art of time-sensitive networks, and it also elaborates on the standardization progress of 5G supporting TSN in 3GPP. Then, it emphasizes the main challenges for the coordinated transmission of 5G and TSN networks, and analyzes the key technologies such as time synchronization, connection enhancement, and unified resource management to support the coordination of 5G and TSN heterogeneous networks. Finally, the application scenarios of “5G+TSN” in the smart factory are given, which aims to deepen the integration of 5G into the industrial control and flourish 5G-based industrial applications. KEY WORDS The 5th Generation Mobile Communication System; Time Sensitive Networking; Industrial Internet; 5G and TSN coordination; Smart Factory 1 概述 工业制造业是 5G 的重要应用领域，如何利用 5G 先进信息通信技术打造组织灵活、生产高效的 智能工厂，助力制造业数字化、智能化升级转型，成为当前产业界及学术界共同关注的热点话题[1- 3]。然而，工业业务对传输时延、抖动及可靠性等具有严格的要求，尤其是工业控制类业务，需由支 持有界的时延和抖动、极其严苛的丢包率和可靠性保证的网络承载。网络具有确定性时延这一特征对 工业业务传输尤为重要，意味着整个系统的可行与可靠，是工业系统安全可控的基础。虽然 5G 在 R16 版本中针对低时延和超高可靠技术方面做了较大提升，但在满足工业实时类、工业自动控制类 业务确定性传输需求方面仍面临诸多挑战[4-6]。 时间敏感网络(TSN, Time-Sensitive Networking)由国际电子电气工程师协会(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.1 工作组在 802.3 标准以太网及 802.1Q 虚拟局域网基础上对 媒体接入控制层机制进行增强的一系列标准协议[7]。TSN 是二层桥接网络，在实现节点间高精度时 间同步基础上，实现域内数据传输的时延和抖动的有界性及确定性；此外，由于 TSN 能兼容以太 网协议，因此受到了工业、航天电子及音视频传输领域的广泛关注，成为了工业网络的重要趋势之 一，诸多工业企业对在工厂内部引入时间敏感网络技术表现出极大的兴趣，西门子等工业巨头也纷 纷开展了时间敏感网络实验床的建设验证工作[8]。 本 文 基 于 工 业 互 联 网 中 信 息 技 术 (IT, Information Technology) 与 生 产 技 术 (OT, Operation Technology)融合需求，面向构建统一、开放工业网络目标，重点针对构建 5G 与 TSN 协同的端到端 确定性网络所面临的挑战、关键技术体系、时间同步机制、联合资源管理模型等进行了阐述，并结合 5G-TSN 协同网络在智能工厂中的应用场景进行了介绍。文章组织结构如下：第 2 部分重点介绍时间 敏感网络技术及 5G+TSN 的标准化现状；第 3 部分主要介绍 5G+TSN 的关键技术特征，并对当前研 究面临的挑战进行分析；第 4 部分简要介绍 5G+TSN 在工业领域的应用场景；第 5 部分对全文进行 了总结。 2 研究现状 2.1 时间敏感网络标准现状 TSN 并不是近年兴起的新技术和新网络，只是随着近年来工业互联网的普及而被通信领域所熟 知。IEEE 802.1 工作组围绕 TSN 的架构、时间同步、流管控、流整形及资源预留等多项关键技术进行 录用稿件，非最终出版稿
了标准化，形成802.1系列协议族，其目的是意图构建一个开放、统一的物理层和数据链路层协议， 并通过标准化为不同应用领域的实时数据传输提供网络协议支持。其中， IEEE802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE802.1Qbu、802.3Qbr、802.1Qci等是TSN较为基础核心协议 9-。 时间同步是TSN实现精准时延转发及时延有界性的基础，EEE802.1AS在1588V2基础上采用 通用精准时间协议(gPTP,general Precise Time Protocol),通过在主时钟与从时钟之间传递时间事件 消息（带有精准时间戳的消息），并通过计算点对点的链路传输时延、驻留时延等信息后完成时间补 偿，从而实现两个节点间的时钟同步2)。 IEEE802.1Qcc提出了中心化配置模式，网络中由1个或多个集中用户配置中心(CUC, Centralized User Configuration)和l个集中网络控制器(CNC,Centralized Network Configuration)组成。 当接收到来自CUC的数据传输需求后，CNC基于各节点时间同步信息的基础，完成资源预留、 调度等决策，并将相关信息配置到相应交换节点，基于集中式的TSN架构如图1所示。此外， IEEE802.1Qcc也支持分布式的TSN网络结构41。 最终出版 CUC User Netwvork Interface Service Configuration Network Paramete Configura TSN TSN TSN End Station Switch End Station 图1IEEE802Qcc集中管理架构图 Fig.1.IEEE 802.1Qcc Centralized Management Architecture IEEE802.1Qbⅴ是在多业务环境下保障强实时需求时延敏感业务传输需求的业务流调度增强机 制。8O2.IQbv提出了时间感知整形器(TAS,Time Aware Shaper),使TSN交换机能够来控制队列流量， 通过时间感知门，只有在规定时向窗回才能传输相应队列的报文，保证了高优先级队列的传输将不 会被突发性的低优先级业务所打断实现端到端传输的确定性。 IEEE802.1Qbu/802.3Qbr是针对高优先级业务传输的队列转发保障机制，提出了帧抢占机制， 允许在数据传输过程中，人可让高犹先级的数据帧打断低优先级的帧，优先发送高优先级队列数据， 最大限度地降低高优先级信息流的延迟7。 IEEE802.1Qc提剂基于TSN流的入口过滤与监管，能够用来防止出现因数据重传及DDOS 攻击等造成的火务过载情祝，从而提升网络的健壮性)。 EEE针对SN的标准还在不断的演进及扩展，现有标准为工业数据的传输、TSN网络的部署 及配置提供了多样化的功能选择，从而支持在已有工业以太网等工业网络基础上实现确定时延及可 靠性的数据传输1。 2.25G+TSN标准化现状 如图2所示，该图是3GPPR16定义的5G支持TSN的网络架构o。在该架构中，将5G系统看 作是TSN交换机，嵌入到IEEE802.1Qcc的TSN集中化管控整体架构下。为了使得5G网络能够支 持TSN的基本协议，5G核心网及终端侧对用户面和控制面两个层面进行了相应的功能增强2。 在用户面，在UPF中扩展支持网络侧TSN转换器(NW-TT,Network TSN Translator)、在5G终端 侧增加了设备侧TSN转换器(DS-TT,Device Side TSN Translator)功能，NW-TT及DS-TT支持 IEEE802.1AS、802.1AB及802.1Qbv协议，实现了将TSN功能暴露给5G网络而不对现有5G系统内 部网元造成影响。另一方面，在时间同步基础上，5G用户面功能UPF需实现TSN基于精准时间的
了标准化，形成 802.1 系列协议族，其目的是意图构建一个开放、统一的物理层和数据链路层协议， 并 通 过 标 准 化 为 不 同 应 用 领 域 的 实 时 数 据 传 输 提 供 网 络 协 议 支 持 。 其 中 ， IEEE802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1 Qbu、802.3Qbr、802.1Qci 等是 TSN 较为基础核心协议 [9-11]。 时间同步是 TSN 实现精准时延转发及时延有界性的基础，IEEE 802.1AS 在 1588V2 基础上采用 通用精准时间协议(gPTP, general Precise Time Protocol)，通过在主时钟与从时钟之间传递时间事件 消息(带有精准时间戳的消息)，并通过计算点对点的链路传输时延、驻留时延等信息后完成时间补 偿，从而实现两个节点间的时钟同步[12-13]。 IEEE802.1Qcc 提出了中心化配置模式，网络中由 1 个或多个集中用户配置中心(CUC, Centralized User Configuration)和 1 个集中网络控制器(CNC, Centralized Network Configuration)组成。 当接收到来自 CUC 的数据传输需求后，CNC 基于各节点时间同步信息的基础上，完成资源预留、 调度等决策，并将相关信息配置到相应交换节点，基于集中式的 TSN 架构如图 1 所示。此外， IEEE802.1Qcc 也支持分布式的 TSN 网络结构[14-15]。 图 1 IEEE802.1 Qcc 集中管理架构图 Fig.1. IEEE 802.1Qcc Centralized Management Architecture IEEE802.1Qbv 是在多业务环境下保障强实时需求时延敏感业务传输需求的业务流调度增强机 制。802.1Qbv 提出了时间感知整形器 (TAS, Time Aware Shaper)，使 TSN 交换机能够来控制队列流量， 通过时间感知门，只有在规定时间窗口才能传输相应队列的报文，保证了高优先级队列的传输将不 会被突发性的低优先级业务所打断，实现端到端传输的确定性[16]。 IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr 是针对高优先级业务传输的队列转发保障机制，提出了帧抢占机制， 允许在数据传输过程中，可让高优先级的数据帧打断低优先级的帧，优先发送高优先级队列数据， 最大限度地降低高优先级信息流的延迟[17]。 IEEE802.1Qci 提出了基于 TSN 流的入口过滤与监管，能够用来防止出现因数据重传及 DDOS 攻击等造成的业务过载情况，从而提升网络的健壮性[18]。 IEEE 针对 TSN 的标准还在不断的演进及扩展，现有标准为工业数据的传输、TSN 网络的部署 及配置提供了多样化的功能选择，从而支持在已有工业以太网等工业网络基础上实现确定时延及可 靠性的数据传输[19]。 2.2 5G+TSN 标准化现状 如图 2 所示，该图是 3GPP R16 定义的 5G 支持 TSN 的网络架构[20]。在该架构中，将 5G 系统看 作是 TSN 交换机，嵌入到 IEEE 802.1 Qcc 的 TSN 集中化管控整体架构下。为了使得 5G 网络能够支 持 TSN 的基本协议，5G 核心网及终端侧对用户面和控制面两个层面进行了相应的功能增强[21-25]。 在用户面，在 UPF 中扩展支持网络侧 TSN 转换器(NW-TT, Network TSN Translator)、在 5G 终端 侧增加了设备侧 TSN 转换器(DS-TT, Device Side TSN Translator)功能，NW-TT 及 DS-TT 支持 IEEE802.1AS、802.1AB 及 802.1Qbv 协议，实现了将 TSN 功能暴露给 5G 网络而不对现有 5G 系统内 部网元造成影响。另一方面，在时间同步基础上，5G 用户面功能 UPF 需实现 TSN 基于精准时间的 录用稿件，非最终出版稿
调度转发机制，这是5G网络支持TSN的最核心功能。5G系统作为TSN网络中的透明桥梁，由DS- TT和NW-TT提供TSN数据流的驻留和转发机制。 图23GPPR16定义的5GTSN网桥架构 Fig.2 5G TSN Bridge Architecture defined by 3GPP R16 在控制面，提出了TSN应用功能实体(TSN-AE,TSN-Application Function),与5G核心网中策 略控制功能(PCF,Policy Control Function)、会话管理功能(SMF,Session Management Function)等实体 模块的交互，实现TSN业务流关键参数在5G时钟下的修正与传递，让5G基站实现对TSN业务流 确定性时间要求的感知，实现5G网络中对于TSN业务数据的精准时延传输：另一方面，TSN-AF 与5G边界网关用户面功能实体(UPF,User Plane Function及 染端侧转换网关DS-TT交互，实现5G TSN网桥端口配置管理等功能。 35G与TSN协同传输关键技术 在3GPP提出的5GTSN桥接网络架构基础上，/本节将针对跨5G与TSN端到端确定性传输需 求，对5G与TSN协同传输面临的技术挑战进行分析，结合当前业界在该领域的研究现状，重点阐 述时间同步机理、5G超高可靠低时延连接模型、5G与TSN联合调度算法与资源映射模型等方面的 关键技术方案进行了探讨。 3.1问题与挑战 时间敏感网络要确保传输路径上所有节点都在同一时间基准上，并且能“感知”信息的传输时 间，从而确保信息在一个精礁的、确定的、可预测的时间范围内从源节点发送到目标节点。然而， TSN基于以太网架构，采用有线的方式进行信息传输，有线信道变化较小，信道特征对于信息传输 时间的影响较小，具有较的“可控性”，而5G蜂窝移动通信系统重要的特征是空口无线传输， 因此，如何在5G与S协同网络中实现强实时业务的确定性传输，面临如下的关键技术难题： 首先，如何克服无线信道时变带来的不确定性。无线信道是时变信道，并且由于无线终端的移 动特性，无线道中快衰落和慢衰落同时存在，这对数据传输的可靠性造成了极大的影响。终端移 动、无线信道变化会带来数据的丢失，并进而带来数据重传，这将对确定性低时延、低抖动等指标的 实现带来挑战。 其次，如何提升5G网络中核心网设备及基站设备的时间感知能力，实现基于精准时间的资源 调度与数据转发。传统蜂窝移动通信系统中的资源分配是基于业务优先级、队列情况等进行综合调度， 虽然也强调对实时业务传输时延的优化，但并未严苛的按照精准时间进行资源调度及数据发送。如 何在5G网络中将TSN的机制进行引入增强，成为5G与TSN协同传输面临的另一个挑战。 最后，跨5G与TSN网络的联合资源优化难题。混合工业业务环境下如何统筹跨网状态信息以 针对TSN业务进行端到端资源优化决策，实现跨网跨域的确定性调度。在当前3GPP提出的5GTSN 桥接方案中，是通过在终端和网络侧构建网关，将TSN的参数特性传递给5G网络：但对于端到端 的优化传输来说，如何让TSN中的决策节点了解5G网络信息，从而实现端到端的资源优化决策
调度转发机制，这是 5G 网络支持 TSN 的最核心功能。5G 系统作为 TSN 网络中的透明桥梁，由 DSTT 和 NW-TT 提供 TSN 数据流的驻留和转发机制。 图 2 3GPP R16 定义的 5G TSN 网桥架构 Fig.2 5G TSN Bridge Architecture defined by 3GPP R16 在控制面，提出了 TSN 应用功能实体(TSN-AF, TSN-Application Function)，与 5G 核心网中策 略控制功能(PCF, Policy Control Function)、会话管理功能(SMF, Session Management Function)等实体 模块的交互，实现 TSN 业务流关键参数在 5G 时钟下的修正与传递，让 5G 基站实现对 TSN 业务流 确定性时间要求的感知，实现 5G 网络中对于 TSN 业务数据的精准时延传输；另一方面，TSN-AF 与 5G 边界网关用户面功能实体(UPF, User Plane Function)及终端侧转换网关 DS-TT 交互，实现 5G TSN 网桥端口配置管理等功能。 3 5G 与 TSN 协同传输关键技术 在 3GPP 提出的 5G TSN 桥接网络架构基础上，本节将针对跨 5G 与 TSN 端到端确定性传输需 求，对 5G 与 TSN 协同传输面临的技术挑战进行分析，结合当前业界在该领域的研究现状，重点阐 述时间同步机理、5G 超高可靠低时延连接模型、5G 与 TSN 联合调度算法与资源映射模型等方面的 关键技术方案进行了探讨。 3.1 问题与挑战 时间敏感网络要确保传输路径上所有节点都在同一时间基准上，并且能“感知”信息的传输时 间，从而确保信息在一个精准的、确定的、可预测的时间范围内从源节点发送到目标节点[20]。然而， TSN 基于以太网架构，采用有线的方式进行信息传输，有线信道变化较小，信道特征对于信息传输 时间的影响较小，具有较好的“可控性”，而 5G 蜂窝移动通信系统重要的特征是空口无线传输， 因此，如何在 5G 与 TSN 协同网络中实现强实时业务的确定性传输，面临如下的关键技术难题： 首先，如何克服无线信道时变带来的不确定性。无线信道是时变信道，并且由于无线终端的移 动特性，无线信道中快衰落和慢衰落同时存在，这对数据传输的可靠性造成了极大的影响。终端移 动、无线信道变化会带来数据的丢失，并进而带来数据重传，这将对确定性低时延、低抖动等指标的 实现带来挑战。 其次，如何提升 5G 网络中核心网设备及基站设备的时间感知能力，实现基于精准时间的资源 调度与数据转发。传统蜂窝移动通信系统中的资源分配是基于业务优先级、队列情况等进行综合调度， 虽然也强调对实时业务传输时延的优化，但并未严苛的按照精准时间进行资源调度及数据发送。如 何在 5G 网络中将 TSN 的机制进行引入增强，成为 5G 与 TSN 协同传输面临的另一个挑战。 最后，跨 5G 与 TSN 网络的联合资源优化难题。混合工业业务环境下如何统筹跨网状态信息以 针对 TSN 业务进行端到端资源优化决策，实现跨网跨域的确定性调度。在当前 3GPP 提出的 5G TSN 桥接方案中，是通过在终端和网络侧构建网关，将 TSN 的参数特性传递给 5G 网络；但对于端到端 的优化传输来说，如何让 TSN 中的决策节点了解 5G 网络信息，从而实现端到端的资源优化决策。 录用稿件，非最终出版稿
32跨网高精度时间同步机制 网络中设备节点间的时间同步是实现确定性时延传输的基础和关键。然而，5G和TSN属于不 同的时间域，两个网络均有各自域内的主时钟，因此，如何实现两者的时间同步成为5G与TSN协 同传输的首要关键问题6。 对于如何实现跨网时间同步，主要有两种方案，一种是边界时钟补偿方案，另外一种就是时钟 信息透明传输方案。两种方案的示意图如图3和图4所示。 G TSN Brifpe 服启 图3边界时钟补偿方案示意图 3G TSN Bndpe LPENW.TT 图4时钟信息透明传输方案示意图 Fig.4 Mechanism of Transparent Mode of Clock Information 对于边界时钟补偿方案，5G网络中终端侧及网络侧的网关处将能同时感知到两个时间域的时 钟消息，边界网关将对两个时钟向的误差进行测量，通过将测量值补偿到5G时钟信息上，使得5G 和TSN两个不同的网络能够处同样的时间基础，实现5G核心网设备及基站设备的精准时延转发 功能。对于该方案而言，两时钟间误差测量的精度及误差更新的频度，成为跨网时钟同步的关键。 对于时钟信息透明传输>将TSN域内时间同步消息，即PTP消息，在5G域内进行透明传 输。但是，在传输链路上经过每一个节点时，都需要将在该节点的停留时间进行标记，即记录进入 该节点入口和离该节点出口时的时间戳，并将时间戳消息填入PTP事件消息的修正字段，TSN 网络设备时钟收到PT消息后可根据驻留时间对积聚误差进行误差补偿，从而实现5G-TSN跨网时 间同步。对牙C网络而言，空口时间同步的精度将影响其时间戳的精度，进而影响端到端时间同 步的精度。因此，目前在跨5G-TSN的时间同步方案研究中，仍然以边界时钟补偿方案为主。 3.3适配TSN的5G高可靠连接增强技术 终端移动及无线信道时变是5G与TSN协同传输面临的首要关键难题。在R15和R16版本中， 针对低时延和高可靠保证，5G在支持更大子载波间隔配置、mii-slot设置、更低频谱效率的MCS等 物理层技术及免授权调度、快速接入、双连接等高层协议等方面做了较多的增强和改进，进一步降低 无线网络接入时延和调度等待时延-29。文献[30]针对无线网络中的时延敏感通信业务流的资源分配 机制进行了研究，基于物理层信道质量信息(CQL,Channel Quality Indicator),对5G无线接入网的半 静态调度(SPS,Semi-Persistent Scheduling)和动态分组调度机制(DPS,Dynamic Packet Scheduling)支 持时延敏感通信业务流数目的情况进行了分析。 为了让5G无线接入网更有效的适配确定性传输机制，5G引入了时延敏感通信辅助信息
3.2 跨网高精度时间同步机制 网络中设备节点间的时间同步是实现确定性时延传输的基础和关键。然而，5G 和 TSN 属于不 同的时间域，两个网络均有各自域内的主时钟，因此，如何实现两者的时间同步成为 5G 与 TSN 协 同传输的首要关键问题[26]。 对于如何实现跨网时间同步，主要有两种方案，一种是边界时钟补偿方案，另外一种就是时钟 信息透明传输方案。两种方案的示意图如图 3 和图 4 所示。 图 3 边界时钟补偿方案示意图 Fig.3 Mechanism of Boundary Time Synchronization 图 4 时钟信息透明传输方案示意图 Fig.4 Mechanism of Transparent Mode of Clock Information 对于边界时钟补偿方案，5G 网络中终端侧及网络侧的网关处将能同时感知到两个时间域的时 钟消息，边界网关将对两个时钟间的误差进行测量，通过将测量值补偿到 5G 时钟信息上，使得 5G 和 TSN 两个不同的网络能够处于同样的时间基础，实现 5G 核心网设备及基站设备的精准时延转发 功能。对于该方案而言，两个时钟间误差测量的精度及误差更新的频度，成为跨网时钟同步的关键。 对于时钟信息透明传输方案，将 TSN 域内时间同步消息，即 PTP 消息，在 5G 域内进行透明传 输。但是，在传输链路上经过每一个节点时，都需要将在该节点的停留时间进行标记，即记录进入 该节点入口和离开该节点出口时的时间戳，并将时间戳消息填入 PTP 事件消息的修正字段，TSN 网络设备时钟收到 PTP 消息后可根据驻留时间对积聚误差进行误差补偿，从而实现 5G-TSN 跨网时 间同步。对于 5G 网络而言，空口时间同步的精度将影响其时间戳的精度，进而影响端到端时间同 步的精度。因此，目前在跨 5G-TSN 的时间同步方案研究中，仍然以边界时钟补偿方案为主。 3.3 适配 TSN 的 5G 高可靠连接增强技术 终端移动及无线信道时变是 5G 与 TSN 协同传输面临的首要关键难题。在 R15 和 R16 版本中， 针对低时延和高可靠保证，5G 在支持更大子载波间隔配置、mini-slot 设置、更低频谱效率的 MCS 等 物理层技术及免授权调度、快速接入、双连接等高层协议等方面做了较多的增强和改进，进一步降低 无线网络接入时延和调度等待时延[27-29]。文献[30]针对无线网络中的时延敏感通信业务流的资源分配 机制进行了研究，基于物理层信道质量信息(CQI, Channel Quality Indicator)，对 5G 无线接入网的半 静态调度(SPS, Semi-Persistent Scheduling)和动态分组调度机制(DPS, Dynamic Packet Scheduling)支 持时延敏感通信业务流数目的情况进行了分析。 为了让 5G 无线接入网更有效的适配确定性传输机制，5G 引入了时延敏感通信辅助信息 录用稿件，非最终出版稿