uRLLC中TSC技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用研究

廖 敏，李 靜（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

1 概述

ITU 在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）、超可靠、低時(shí)延通信（uRLLC）［1］這三大應(yīng)用場(chǎng)景上做出了相關(guān)規(guī)劃。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是指IEEE 802.1 工作組中的TSN 任務(wù)組開(kāi)發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的傳輸增加了確定性和可靠性，以確保其改造增強(qiáng)后能夠?yàn)殛P(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級(jí)別（見(jiàn)圖1）。

圖1 傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)改造

uRLLC R16 除了引入對(duì)工廠自動(dòng)化、車聯(lián)網(wǎng)以及智能電網(wǎng)場(chǎng)景的支持，還需要考慮支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIOT——Industrial IoT），滿足TSN 對(duì)接5GS。NR R16同意了5GS 可以對(duì)接TSN 網(wǎng)絡(luò)，用于解決工廠無(wú)線連接的問(wèn)題。新引入的時(shí)間敏感通信（TSC）支持高可靠性和高可用性的同步通信服務(wù)，為分組傳輸提供時(shí)延、丟失、抖動(dòng)和可靠性的范圍保證（見(jiàn)圖2）。

圖2 5G與TSN對(duì)接示例

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)R16標(biāo)準(zhǔn)化TSC技術(shù)

3GPP 在R16 階段對(duì)uRLLC 進(jìn)行了全面增強(qiáng)，提出降低時(shí)延的新方案，同時(shí)，為了真正達(dá)到5G 使能工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的目的，在標(biāo)準(zhǔn)上深度討論了時(shí)間同步和TSN支持問(wèn)題。表1 為TSC 業(yè)務(wù)的場(chǎng)景和需求。工廠自動(dòng)化的部分場(chǎng)景下，可靠性要求達(dá)到10-8，時(shí)延要求達(dá)到0.5 ms。

表1 TSC業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求

表2 為TSC 時(shí)鐘同步的場(chǎng)景和需求，大部分場(chǎng)景下，時(shí)鐘同步要求低于1 μs。

表2 TSC時(shí)鐘同步場(chǎng)景和需求

2.1 精確的時(shí)間同步

工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)通常由2個(gè)不同的時(shí)間域組成。

a）全局時(shí)間域（global time domain）是指用于整體同步的時(shí)間，它用于按時(shí)間順序?qū)R操作及事件。工業(yè)自動(dòng)化使用術(shù)語(yǔ)“universal time domain”來(lái)指代它，在某些領(lǐng)域及標(biāo)準(zhǔn)中也被稱為“wall clock”。典型時(shí)間精度要求為不超過(guò)1 μs，指定的時(shí)間標(biāo)度為國(guó)際原子時(shí)（TAI——temps atomique international），基于PTP協(xié)議從1970 年1 月1 日00：00：00 開(kāi)始。通常只存在一個(gè)全局時(shí)間，但有可能有多個(gè)全局時(shí)間域。全局時(shí)間域中的時(shí)鐘同步適用于工業(yè)自動(dòng)化的工業(yè)設(shè)備內(nèi)的所有UE。

b）工作時(shí)鐘域（working clock domain），一般范圍受到限制，通常由一臺(tái)機(jī)器或一組物理協(xié)作的相鄰機(jī)器組成。與工作時(shí)鐘的同步一般用于對(duì)齊生產(chǎn)線、生產(chǎn)單元或機(jī)器/功能單元。應(yīng)用程序在工作時(shí)鐘域內(nèi)進(jìn)行本地同步，允許與更高效的組件進(jìn)行精確同步。

全局時(shí)間域通常包含多個(gè)工作時(shí)鐘域（見(jiàn)圖3）。

圖3 全局時(shí)間域包含的工作時(shí)鐘域

當(dāng)不同工作時(shí)鐘域的成員交互時(shí)有以下2 種選項(xiàng)，使用哪種取決于應(yīng)用程序及相應(yīng)的要求（見(jiàn)圖4）。

圖4 合并式與分離式交互的差異

a）合并式（Merge）：工作時(shí)鐘域合并為一個(gè)。同步要求極其嚴(yán)格的應(yīng)用會(huì)使用此選項(xiàng)，例如高精度機(jī)器人的交互。

b）分離式（Separate）：不同工作時(shí)鐘域的成員在保持各自獨(dú)立的時(shí)間同步的同時(shí)進(jìn)行交互。同步要求不高的應(yīng)用會(huì)使用此選項(xiàng)，例如AGV 從生產(chǎn)線收集成品。

TSN 中的同步由802.1AS/gPTP 消息執(zhí)行，消息由TSN 主時(shí)鐘（TSN Master Clock）負(fù)責(zé)生成，每個(gè)自動(dòng)化端點(diǎn)充當(dāng)802.1AS 客戶端。5GS 以類似“黑盒”模式為TSN 提供時(shí)間敏感的中繼，在802.1AS 術(shù)語(yǔ)中稱為“分布式時(shí)間敏感中繼（distributed time-aware relay）”。這種實(shí)現(xiàn)方式下整個(gè)5G 系統(tǒng)可以保持原樣，因此對(duì)5G系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)影響最小。位于5G 系統(tǒng)邊緣的轉(zhuǎn)換器/適配器負(fù)責(zé)所有802.1a 相關(guān)功能，例如：支持（g）PTP協(xié)議功能、時(shí)間戳、最優(yōu)主時(shí)鐘算法（Best Master Clock Algorithm）等。

來(lái)自TSN 工作域（外部時(shí)鐘）的定時(shí)信息經(jīng)由UE傳送到終端站。5G 系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘（圖5 中的黑色時(shí)鐘）可以通過(guò)與無(wú)線幀的絕對(duì)定時(shí)相關(guān)的時(shí)間信息的信令（即類似LTE Rel-15 的基于SIB/RRC 的方法）向UE 提供。5G 系統(tǒng)作為TSN 系統(tǒng)的一個(gè)網(wǎng)元，需要接收從TSN 的時(shí)間源發(fā)送的同步消息（SYNC 消息），并根據(jù)數(shù)據(jù)包在5G 系統(tǒng)中處理和傳輸所消耗的時(shí)間延時(shí)來(lái)更新時(shí)間信息。

TSN UE 與TSN GM 時(shí)鐘之間的同步誤差由3個(gè)因素決定：網(wǎng)絡(luò)側(cè)的精度、空口的精度以及時(shí)鐘參考信息的粒度。

a）網(wǎng)絡(luò)側(cè)的精度。gNB 和TSN GM 時(shí)鐘之間的同步精度可以遠(yuǎn)小于1 μs。根據(jù)選擇的同步源的不同，能達(dá)到的精度如表3所示。

表3 TSN GM時(shí)鐘和gNB之間的最大絕對(duì)時(shí)間誤差（TE）

b）空口的精度。如果UE 不能補(bǔ)償和gNB 之間的傳播時(shí)延，可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步精度取決于gNB 到UE的距離，同時(shí)SCS 越高則能達(dá)到的精度越高。在不同站間距（ISD）下的參考數(shù)據(jù)如表4所示。如果UE 有能力進(jìn)行傳播時(shí)延補(bǔ)償，則不需要考慮站間距（ISD）。在15 kHz SCS 下能達(dá)到的精度為470 ns 至540 ns，同時(shí)SCS 越高則能達(dá)到的精度越高；如果需要達(dá)到1 μs的時(shí)間同步誤差，對(duì)于密集部署的較小服務(wù)區(qū)域不需要由UE 進(jìn)行傳播延遲補(bǔ)償；對(duì)于更大的服務(wù)區(qū)域或更稀疏的小區(qū)部署，TSN UE需要應(yīng)用傳播時(shí)延補(bǔ)償。

表4 無(wú)時(shí)延補(bǔ)償時(shí)的同步精度

c）時(shí)鐘參考信息的粒度。復(fù)用LTE Rel-15 引入的時(shí)間精度方案，通過(guò)系統(tǒng)信息SIB9 或者專用信令DLInformationTransfer 來(lái)傳遞TSN 時(shí)鐘參考信息，粒度從10 ms 進(jìn)一步提升到10 ns。UE 收到單播信令指示的TSN 時(shí)鐘參考信息后，在指定的幀邊界對(duì)齊TSN 時(shí)鐘。

綜合考慮上述情況，假設(shè)UE 進(jìn)行傳播時(shí)延補(bǔ)償且gNB 使用站內(nèi)GNSS 接收機(jī)，在15 kHz SCS 下的同步誤差大致為645 ns（540 ns+100 ns+10 ns/2）。

2.2 以太網(wǎng)頭壓縮

以太網(wǎng)頭壓縮（EHC）是一種減少以太網(wǎng)報(bào)頭傳輸開(kāi)銷的方法。在基于以太網(wǎng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中通常有效負(fù)載在幀的總體大小中占比較小，因此EHC 將帶來(lái)較大的收益。在5G 系統(tǒng)中以太網(wǎng)幀將在以太網(wǎng)類型的PDU會(huì)話中傳輸。

通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)使用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)（CSMA/CD）技術(shù)可在多種類型的電纜上運(yùn)行。以太網(wǎng)鏈路上的數(shù)據(jù)包被稱作以太幀：起始部分由前導(dǎo)碼（Preamble）和幀開(kāi)始符（SFD）組成，前導(dǎo)碼的作用是使接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備。其后緊跟一個(gè)以太網(wǎng)報(bào)頭，以MAC 地址說(shuō)明目的地址和源地址。幀的中部是負(fù)載的包含其他協(xié)議報(bào)頭的數(shù)據(jù)包（例如IP 協(xié)議）。以太幀由一個(gè)32 位冗余校驗(yàn)碼結(jié)尾（FCS——Frame Check Sequence），它用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否出現(xiàn)損壞。幀間距指當(dāng)一個(gè)幀發(fā)送出去之后，發(fā)送方在下次發(fā)送幀之前，需要再發(fā)送至少12個(gè)octet的空閑線路狀態(tài)碼。

3GPP R16 新引入的以太網(wǎng)頭壓縮只支持一種格式的以太幀頭壓縮，圖6是以太幀格式的示例。

圖6 IEEE 802.3 以太幀格式示例——802.1Q

802.1 Q 標(biāo)簽，指在以太網(wǎng)幀格式里MAC 源地址與以太網(wǎng)類型/長(zhǎng)度之間添加的一個(gè)32 位的域，遵守如表5所示格式。

表5 802.1Q標(biāo)簽

a）標(biāo)簽協(xié)議識(shí)別符（TPID——Tag Protocol Identifier）：16 bit 的域，其數(shù)值被設(shè)置為0x8100，標(biāo)識(shí)某個(gè)IEEE 802.1Q的幀成為“已被標(biāo)注的”。

b）優(yōu)先權(quán)代碼點(diǎn)（PCP——Priority Code Point）：3 bit 的域，從0（最低）到7（最高），用于指示數(shù)據(jù)流（音頻、視頻、文件等）傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。

c）標(biāo)準(zhǔn)格式指示（Canonical Format Indicator，CFI）：1 bit 的域，又稱為DEI（Drop Eligible Indicator），可以用來(lái)標(biāo)識(shí)報(bào)文的丟棄優(yōu)先級(jí)；

d）虛擬局域網(wǎng)識(shí)別符（VID——VLAN Identifier）：12 bit的域，用來(lái)標(biāo)識(shí)幀是屬于哪個(gè)VLAN。

802.1Q 標(biāo)簽以及其子域在傳輸中通常是固定的，因此可以考慮進(jìn)行頭壓縮。Preamble、SFD 和FCS 將不會(huì)在5G 以太網(wǎng)類型的PDU 會(huì)話中傳輸，因此EHC不需要考慮這些域的壓縮。最終確定的EHC 壓縮域?yàn)椋篗AC 目標(biāo)地址、MAC 源地址、802.1Q 標(biāo)簽及其子域（見(jiàn)圖7）。

圖7 EHC頭位置

由于SDAP 頭不會(huì)被加密，而EHC 頭作為負(fù)荷將會(huì)被加密。EHC 頭選擇放在SDAP 頭后面，PDCP 的加密會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)。EHC 頭包含3 個(gè)字段：Format、Context ID 和Reserved。其中Format 字段占用1 bit 指示EHC頭的格式，Context ID 和Reserved的具體長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)尚未確定。

EHC 壓縮側(cè)和解壓側(cè)均將一個(gè)Context ID 關(guān)聯(lián)到以太幀頭的內(nèi)容上：發(fā)送側(cè)傳輸攜帶完整幀頭的以太幀以及Context ID，以便于解壓側(cè)建立EHC 上下文；解壓側(cè)建立一條上下文后通過(guò)PDCP control PDU 向壓縮側(cè)指示feedback，其中攜帶Context ID 信息。壓縮側(cè)接收到解壓側(cè)指示的feedback 后，相應(yīng)Context ID 對(duì)應(yīng)的EHC上下文可以用于以太幀頭壓縮操作。

以太網(wǎng)通信中PCP/DE 組合可能隨優(yōu)先級(jí)而變化，因此所有Q-TAG 中的每個(gè)不同PCP/DE 值組合都與一個(gè)獨(dú)立的Context ID關(guān)聯(lián)。

2.3 針對(duì)TSC業(yè)務(wù)的調(diào)度增強(qiáng)

為了給TSC 業(yè)務(wù)提供確定性傳輸，標(biāo)準(zhǔn)引入了TSC 輔助信息（TSCAI——TSC assistance information），描述5G 系統(tǒng)中使用的TSC 流量特性（見(jiàn)表6）。獲知輔助信息后，gNB 可以通過(guò)配置授權(quán)CG、半持續(xù)調(diào)度（SPS——Semi-Persistent Scheduling）更有效地調(diào)度周期性、確定性的業(yè)務(wù)流。當(dāng)TSN 數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，不需要通過(guò)調(diào)度請(qǐng)求從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取資源，從而降低了等待資源的時(shí)間。

表6 TSC輔助信息

SMF 從TSN AF（Application Function）獲取TSN 流的業(yè)務(wù)特性，并根據(jù)業(yè)務(wù)特性設(shè)置TSCAI。TSCAI 通過(guò)QoS Flow建立過(guò)程從SMF發(fā)送給5G-AN，TSN和5G時(shí)鐘發(fā)生漂移時(shí)，由UPF 向SMF 更新偏差，SMF 可以觸發(fā)PDU Session Modification 過(guò)程，觸發(fā)TSCAI更新。

為了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多種業(yè)務(wù)需求，匹配不同業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)間規(guī)律，R16 支持為UE 的一個(gè)BWP 配置多個(gè)半持續(xù)調(diào)度和配置授權(quán)。

對(duì)于CG，一個(gè)BWP 上至多支持同時(shí)配置和激活12套CG配置，支持通過(guò)DCI對(duì)CG type2進(jìn)行獨(dú)立的激活操作，或聯(lián)合或獨(dú)立去激活操作。CG 引入了整數(shù)N以下的任意整數(shù)倍slot 的周期，其中N和SCS 有關(guān)：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz，5 120 for 120 kHz。在HARQ 進(jìn)程ID 計(jì)算時(shí)，為每套CG配置參數(shù)harq-procID-offset，實(shí)現(xiàn)不同CG 使用的HARQ進(jìn)程錯(cuò)開(kāi)（見(jiàn)圖8）。

圖8 同一個(gè)BWP的多個(gè)配置授權(quán)

對(duì)于SPS，一個(gè)BWP 上至多支持同時(shí)配置和激活8 套SPS 配置。支持通過(guò)DCI 對(duì)SPS 進(jìn)行獨(dú)立的激活操作，或聯(lián)合或獨(dú)立去激活操作。SPS 引入了整數(shù)N以下的任意整數(shù)倍slot 的周期，其中N和SCS 有關(guān)：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz and 5 120 for 120 kHz。在HARQ 進(jìn)程ID 計(jì)算時(shí)，為每套SPS可以配置參數(shù)harq-procID-offset，實(shí)現(xiàn)不同SPS 使用的HARQ進(jìn)程錯(cuò)開(kāi)。

3 典型應(yīng)用

典型的uRLLC 應(yīng)用主要用于工業(yè)工廠室內(nèi)的工控，根據(jù)5G 工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟的研究，一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景為工廠自動(dòng)化（Factory automation）場(chǎng)景，這類場(chǎng)景有兩大典型的需求：一是極致時(shí)延，二是極高的時(shí)鐘同步能力，也就是TSN（Time-Sensitive Networking）。

圖9 給出了5G 工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用領(lǐng)域。表7 為5G工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟的研究給出的性能要求。

表7 5G工業(yè)應(yīng)用的服務(wù)需求

圖9 5G工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用領(lǐng)域

面向工業(yè)應(yīng)用的方案中，無(wú)線方面通過(guò)加載5G uRLLC 技術(shù)來(lái)降低時(shí)延并提升可靠性。架構(gòu)上盡可能少的引入網(wǎng)絡(luò)跳點(diǎn)，從而使時(shí)延絕對(duì)數(shù)值及抖動(dòng)數(shù)值能夠得到控制（見(jiàn)圖10）。

圖10 極簡(jiǎn)5G網(wǎng)絡(luò)替代部分工業(yè)有線連接的架構(gòu)

如應(yīng)用邊緣DC 與BBU 共存，大幅減少網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)；可以實(shí)現(xiàn)UPF 功能下沉、邊緣應(yīng)用服務(wù)等典型功能，通過(guò)更新、加載新的uRLLC 技術(shù)以滿足工業(yè)領(lǐng)域的時(shí)延、可靠性、安全性要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

uRLLC 技術(shù)在高可靠、低時(shí)延等方面的特性使其成為傳統(tǒng)通信切入垂直行業(yè)的重要突破口。雖然3GPP 制定了多種針對(duì)性的技術(shù)和方法來(lái)支持uRLLC的特性，但仍然無(wú)法解決TDD系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的上行/下行轉(zhuǎn)換所造成的額外的數(shù)據(jù)等待時(shí)延，所以TDD 系統(tǒng)對(duì)uRLLC 的適應(yīng)性不足。因此，建議uRLLC 業(yè)務(wù)部署在FDD 系統(tǒng)上，uRLLC 業(yè)務(wù)在FDD 系統(tǒng)中擁有更為廣闊的應(yīng)用前景，而具體的部署方式還有待進(jìn)一步地探討和研究。