面向時間敏感網絡的5G 無線網增強技術研究

信金燦，許森，張化，熊尚坤，許話

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

2019 年中國頒發5G 牌照后，我國已建成全球最大的5G 網絡，為公眾用戶和垂直行業用戶提供了更高速率、更低時延的業務體驗。隨著5G 部署的逐漸深入，5G 的應用場景逐步清晰，產業界的工作開始聚焦，跨行業的場景化需求也開始浮現，遠程控制、智能電網、工業制造、移動機器人等新興業務獲得了越來越多的關注。為了獲取更好的業務體驗，新興業務場景提出了微秒級端到端時延、時延抖動，以及99.999 9%以上可靠性的確定性傳輸需求，工業場景確定性指標要求見表1。然而，目前5G 商用網絡僅能支持增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）業務，實現4 ms 時延下99.9%的可靠性需求，無法滿足新興業務提出的確定性傳輸需求。因此，為了更好地支持垂直行業應用，能夠提供確定性傳輸的5G 確定性網絡逐漸成為新一代網絡通信體系的發展方向。

表1 工業場景確定性指標要求

5G 確定性網絡指在5G 網絡中引入確定性網絡技術后，利用5G 網絡資源打造的有確定性傳輸能力的傳輸專網[2]。其中，確定性網絡技術能夠提供具有確定性時延、確定性抖動、確定性帶寬、確定性/可靠性的實時數據傳輸和確定性承載服務[3]。確定性網絡技術包括以下3 種。

（1）時間敏感網絡技術

時間敏感網絡（time-sensitive networking，TSN）技術是由IEEE 802.1 工作組提出的一組基于以太網協議模型的標準協議，通過高精度時間同步、網絡流量整形和資源預留等機制，解決了2 層網絡的確定性保障問題[4]。

（2）確定網技術

確定網（deterministic networking，DetNet）技術由IETF 提出，通過資源預留、顯示路由、抖動消除等技術實現了終端業務流的三層確定性傳輸。通過將DetNet 與TSN 融合，可以打造一個二層和三層的通用確定性網絡架構[5]。

（3）時間敏感通信技術

時間敏感通信（time-sensitive communication，TSC）技術由3GPP 提出，通過TSN 與5G 網絡的融合網絡架構、精準時間同步、服務質量（quality of service，QoS）增強和以太網頭壓縮等技術，實現具有低時延、低抖動、高可用性和高可靠性需求的確定性通信[6]。

通過將上述3 種確定性網絡技術融合，可以實現一個能夠提供確定性通信服務的5G 確定性網絡。然而，基于現有標準，3 種技術無法很好地融合。因此，為了實現確定性傳輸目標，3GPP 標準開展了無線網增強技術研究，旨在通過TSN 和5G 網絡的融合，提供具有低時延、低抖動、高可靠和高可用的時間敏感通信服務。其中，TSN 作為實現時間敏感通信的關鍵標準技術，定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，TSN 中的時間敏感機制見表2，提高了數據傳輸的確定性和可靠性[7-8]。

表2 TSN 中的時間敏感機制

1 5G 網絡融合架構

IEEE 定義的3 種TSN 體系架構如圖1 所示，在TSN 中，集中式用戶配置（centralized userconfiguration，CUC）控制器基于應用系統的傳輸需求，負責網絡信息和設備配置的域間協同；集中式網絡配置（centralized network configuration，CNC）控制器負責設備監控管理、業務建模及調度模型下發等功能；TSN 網橋（TSN bridge）用于TSN 轉發、全網監控等功能；兩側的TSN 發言者（TSN talker）和TSN 監聽者（TSN listener）分別用于數據流的發送和接收。

在TSN 和5G 網絡融合的網絡架構中，如圖2所示，5G 系統作為一個邏輯網橋集成在具有全集中式模型的TSN 中，該網橋具體由支持網絡側TSN轉換器（network-side TSN translator，NW-TT）功能的用戶面功能（user plane function，UPF）側端口、用戶設備（user equipment，UE）和UPF 之間的用戶平面隧道以及設備側TSN 轉換器（device-side TSN translator，DS-TT）側端口組成，5G 系統通過DS-TT 和NW-TT 與TSN 進行交互。另外，5G 系統通過核心網的TSN 應用功能（TSN application function，TSNAF）實現與TSN CUC 的交互和協同管理，其中，TSNAF 存儲UE/DS-TT 側端口、UPF/NW-TT 側端口以及協議數據單元（protocol data unit，PDU）會話之間的綁定關系[9]。

圖2 TSN 與5G 網絡融合架構

2 時間敏感通信技術標準進展

為了支持工業互聯網業務，5G 新空口（new radio，NR）從Release 15（Rel-15）開始研究超可靠低時延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）技術，通過引入靈活的幀結構和高優先級傳輸等機制降低了傳輸時延，通過支持分組數據匯聚協議（packet data convergence protocol，PDCP）復制和多點傳輸/接收點（transmission/reception point，TRP）傳輸等機制提高了傳輸可靠性。為了滿足具有更低時延和更高可靠性的業務需求，NR 在Rel-16 中引入了免授權配置、UE 內優先級和復用，以及PDCP 復制增強等機制[10-11]。

工業領域的時間敏感通信業務在低時延、高可靠需求的基礎上，對時延抖動和時間同步提出了更嚴苛的要求。為了滿足業務需求，Rel-16 研究了5G 網絡與TSN 的融合網絡架構，通過引入精確時鐘傳遞機制，控制了基站和終端間的時間同步誤差；通過配置多套免授權調度資源，解決了無線網配置資源與時間敏感業務周期不匹配的問題，降低了業務傳輸的時延和抖動[12]。在Rel-16中終端與基站時間同步機制的基礎上，工業互聯網中的終端到終端場景對時間同步和時延抖動提出了更高的要求，因此，Rel-17 引入了同步時延補償和QoS 增強等機制，進一步滿足了終端到終端場景的時間敏感通信需求[13]。

3 時間敏感通信關鍵技術

3.1 精準時間同步

在TSN 和5G 網絡融合的網絡架構中，包含兩個獨立的時間同步系統：5G 系統時間同步和TSN域時間同步。在5G 系統內，DS-TT、UE、5G 基站（next generation node B，gNB）、UPF 和NW-TT 需要與5G 內部主時鐘（5G grand master，5GGM）進行同步，其中，5G 系統邊緣的TSN 轉換器需要支持IEEE 802.1AS 相關功能。對于TSN 域同步，TSN終端需要與TSNGM 進行同步，時間同步系統如圖3 所示，首先，TSN 域用于時鐘同步的高精度時間同步協議（precision time protocol，(g)PTP）消息由TSN GM 傳遞到NW-TT，NW-TT 為其添加一個入口時間戳（TSi）；UPF 將(g)PTP 消息傳遞給gNB后，通過空口傳遞給終端，終端在收到(g)PTP 消息后將其轉發給DS-TT，DS-TT 為其創建出口時間戳（TSe），其中，TSe 和TSi 之間的差值即(g)PTP 消息在5G 系統中的駐留時間。隨后，DS-TT 將(g)PTP消息在5G 系統中的駐留時間轉化為TSN 域時間，通過在矯正字段中添加所計算駐留時間，降低5G系統時延對TSN 域終端的影響[14-15]。

圖3 時間同步系統

為了實現TSN 終端和TSNGM 時鐘之間的精確時間同步，需要控制5G 系統引入的時延誤差。3GPP Rel-16 提出主時鐘和終端時鐘間的時鐘誤差不超過1 μs，其中，5G 系統引入的時間同步誤差包含以下3 個因素。

（1）網絡側精度

網絡側精度指基站和TSNGM 時鐘之間的同步誤差。TSNGM 時鐘和基站之間的最大絕對時間誤差（TE）見表3，不同的同步源位置可以實現不同的同步精度。

表3 TSN GM 時鐘和基站之間的最大絕對時間誤差（TE）

（2）空口精度

空口精度指空口傳輸引入的同步誤差。不同站間距下的同步精度見表4，當終端到基站的距離較近時，無須空口傳輸時延補償即可滿足1 μs的同步精度需求；當終端到基站的距離較遠時，需要對空口傳輸進行時延補償，研究報告TR 38.825[12]指出，當終端應用傳播時延補償后，無須考慮站間距影響，在15 kHz 子載波間隔下均可以達到470～540 ns 的時間同步精度。

表4 不同站間距下的同步精度

（3）時鐘參考信息粒度

時鐘參考信息粒度指基站發送的時鐘參考信息粒度。空口高精度授時如圖4 所示，基站可通過廣播系統信息塊9（system information block type 9，SIB9）或單播無線資源控制（radio resource control，RRC）專用信令兩種方式將時鐘信息傳遞給終端，將5G 空口授時粒度提升至10 ns。

圖4 空口高精度授時

研究報告TR38.825[12]指出，當子載波間隔取15 kHz 且進行時延補償時，空口時間同步誤差最大為540 ns，此時，如果TSNGM 和基站間的時間同步誤差取100 ns、時鐘參考信息粒度誤差取25 ns，則時鐘源到終端時鐘之間的總同步誤差為665 ns，可以滿足Rel-16 提出的主時鐘和終端時鐘間的時鐘誤差小于或等于1 μs 的時間同步需求。

在Rel-16 研究的主時鐘與終端時鐘同步場景基礎上，Rel-17 進一步研究了控制到控制時間敏感業務的時間同步需求，終端到終端確定性通信如圖5 所示，在控制到控制場景中，主時鐘位于某個終端，其他終端從有主時鐘的終端上獲取時鐘，時間同步誤差不超過900 ns。考慮到時間同步消息需要由終端發往UPF 后，再由UPF 發送給另一個終端，時間同步過程將引入兩次5G 系統時延誤差，因此，單程時間同步誤差需要小于或等于450 ns[16]。

圖5 終端到終端確定性通信

為了提高時間同步精度，需要考慮定時同步信息顆粒度引入的±5 ns 的同步誤差，在此基礎上，將5G 系統引入的時間同步誤差分為如表5所示的3 個部分[17]。

表5 時間同步誤差

在Rel-16 中，為了降低空口傳輸引入的同步開銷，采用定時提前量（timing advance，TA）的1/2 的傳播時延補償機制[18]。然而，當子載波取15 kHz 時，TA 粒度將引入±260 ns 的時間同步誤差，無法滿足控制到控制場景提出的空口時間同步精度需求，因此，Rel-17 需要對時間同步機制進行增強。

為了進一步滿足時間敏感通信業務的時間同步精確度需求，Rel-17 重點研究了基于往返時延（round-trip time，RTT）的傳播時延補償方案[19]，通過計算終端和基站側的發送接收時間差獲取傳播時延，基于RTT 的時延補償如圖6 所示，總的傳播時延表示為 1/2((t2-t1)+(t4-t3)) = 1/2((t4-t1)-(t3-t2))，該方案包括以下兩種類型。

圖6 基于RTT 的時延補償

· 終端側時延補償：終端測量終端側的發送接收時間差，通過下行傳輸信令獲取基站側的發送接收時間差，計算傳播時延并補償接收到的參考定時信息。

· 基站側時延預補償：終端將終端側的發送接收時間差發送給基站，基站測量基站側的發送接收時間差，并在發送給終端之前對參考定時信息進行預補償；為了避免終端側和基站側的重復時延補償，基站可以通過專用信令控制終端側的時延補償。

3.2 QoS 和調度增強

在工業互聯網的智能電網、遠程控制和未來工廠等應用場景中，業務周期以赫茲為單位，其長度可能不是NR 支持的半持續調度（semi-persistent scheduling，SPS）或配置授權（configured grant，CG）資源的整數倍；而且，單個終端可能會同時收到多個具有不同周期、不同關鍵優先級的周期性數據流，部分時間敏感業務提出了端到端時延小于0.5 ms、可靠性達到99.99%到99.999 9%的需求。在NR Rel-15 標準中，針對單個終端，每個小區的每個帶寬部分（bandwidth part，BWP）只能支持一個SPS 和/或CG 配置，而且，SPS 周期的最小粒度為10 ms，無法滿足時間敏感業務的需求。

為了滿足時間敏感業務需求，3GPP Rel-16 提出了配置更短 SPS/CG 周期，同時配置多套SPS/CG 資源等方法，解決了時間敏感業務周期與配置資源周期不匹配問題。另外，核心網為基站下發時間敏感通信輔助信息，其中包括時間敏感業務周期、數據包到達時間等業務特性，輔助基站下發更合理、高效的資源配置。

為了保證時間敏感通信業務的可用性，Rel-17引入了一個新的QoS 參數——生存時間，該參數用于反映周期性業務的可用性，具體表示從故障中恢復的可用時間。生存時間如圖7 所示，當接收端在生存時間定時器超時前沒有收到下一個數據包時，認為該無線過程失敗。為了輔助無線側更好地支持生存時間參數，核心網通過時間敏感通信輔助信息將生存時間參數信息發送給無線側，基站和終端利用該輔助信息，提高相應鏈路的可靠性以滿足生存時間需求[20]。

圖7 生存時間

3.3 以太網頭壓縮

在時間敏感網絡中，數據需要封裝為以太網幀進行傳輸。為了在5G 網絡中支持工業互聯網應用，以太網幀在5G 系統中以以太網類型的PDU會話傳輸。一般來說，工廠自動化、電力分布等業務數據包有效載荷較小，以太網幀頭在整個數據包中占比較大，降低了數據傳輸效率。因此，3GPP Rel-16 協議提出了以太網頭壓縮方法，通過壓縮以太幀頭中的源地址、目標地址、長度/類型以及802.1Q標簽等靜態配置降低了以太網報頭開銷，IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q）見表6。研究表明，以太網幀越小，以太網頭壓縮技術的增益越大，當以太網幀大小為64 byte 時，可以獲得20%～27%的增益。

表6 IEEE 802.3 以太幀格式示例（802.1Q），單位：八字節（octet）

4 結束語

5G 確定性網絡技術是當前產業界正在積極推動的全新工業通信技術，通過TSN、DetNet 和TSC技術的融合，可以實現跨廣域通信和端到端的極致確定性體驗。為了逐步實現5G 確定性網絡，優先開展了TSN和5G網絡融合后的時間敏感通信技術研究。時間敏感通信技術引入高精度時間同步和傳輸時延補償機制，降低了業務傳輸的時延和時延抖動。引入新的QoS 參數和調度增強機制，配置了更可靠的無線資源，提高了業務傳輸的可用性和可靠性。另外，考慮頻譜資源的稀缺性，引入以太網幀頭壓縮技術，降低了開銷，提高了時間敏感通信業務的數據傳輸效率。未來，隨著技術的發展，考慮將確定性技術與移動邊緣服務器進行融合，將通信和計算等資源分配給具有時間敏感通信需求的終端和網絡，改善無線側時間敏感通信業務的服務質量。