5G專網(wǎng)與TSN關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化制造、智能交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延精度和可靠性的要求日益提高。傳統(tǒng)的有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已難以滿足所有場(chǎng)景的需求，需要更加動(dòng)態(tài)、靈活和智能的連接方式給予支持，此時(shí)，5G專網(wǎng)與TSN的融合成為技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。5G專網(wǎng)憑借其高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)，成為加速傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型及培育新型業(yè)態(tài)的重要支撐，而TSN則以其高精度時(shí)間同步、低時(shí)延抖動(dòng)和高可靠性等特性，為工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的解決方案，因此，5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)研究和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于此，本文立足于5G專網(wǎng)與TSN，對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，旨在為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng)；TSN；關(guān)鍵技術(shù)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.010

中圖分類號(hào)：TN 929.5" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on Key Technologies of 5G Private Network TSN

XU Chengjie， YU Qian

（China United Network Communications Co.， Ltd. Jiangsu Branch， Nanjing 210019， China）

Abstract： With the rapid development of industrial Internet of Things， automated manufacturing， intelligent transportation and other fields， the requirements for network latency accuracy and reliability are increasingly increasing. Traditional wired industrial communication networks are no longer able to meet the needs of all scenarios. More dynamic， flexible， and intelligent connection methods are needed to support it. At this time， the integration of 5G private networks and TSN has become a new trend in technological development. 5G， with its advantages of high bandwidth and low latency， has become an important support for accelerating the transformation of traditional industries and cultivating new business models. TSN， with its high-precision time synchronization， low latency jitter， and high reliability， provides a reliable solution for industrial applications. Therefore， the research and application of 5G private network TSN technology have important practical significance. Based on this， this article focuses on the analysis of key technologies in 5G private networks and TSN， aiming to provide reference for related work.

Keywords： 5G private network; TSN; key technology

1" "5G專網(wǎng)與TSN

1.1 5G專網(wǎng)

5G專網(wǎng)，指利用第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）專為特定行業(yè)或區(qū)域定制的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提供高帶寬、低延遲、多接入等特性的通信服務(wù)，即在特定行業(yè)和區(qū)域的應(yīng)用延伸，運(yùn)營(yíng)商利用授權(quán)頻譜，基于專有網(wǎng)絡(luò)資源，包括無(wú)線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等，在專有覆蓋范圍內(nèi)，如局域、廣域等，為專有服務(wù)對(duì)象，如垂直行業(yè)，提供通信服務(wù)能力可定制和隔離度可定制的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)形式相對(duì)于公網(wǎng)而言，具有業(yè)務(wù)優(yōu)先可控、鋪設(shè)可控、安全性高、專用資源可調(diào)配等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。

隨著5G技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，其將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，如將更加注重與垂直行業(yè)的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)，同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，5G專網(wǎng)將提供更加靈活、高效、安全的通信服務(wù)，滿足不同行業(yè)的多樣化需求。

1.2 TSN

TSN（Time-Sensitive Networking）是一種在非確定性以太網(wǎng)上提供確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議族，為以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層提供一套通用的時(shí)間敏感機(jī)制，確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、確定和可靠地傳輸[2]。該技術(shù)主要由IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)支持，面向需要高實(shí)時(shí)性和低延遲通信的應(yīng)用場(chǎng)景，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等。TSN技術(shù)具有確定性、低延遲、高可靠性、靈活性的特點(diǎn)，能通過時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度和流量整形等機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延具有可預(yù)測(cè)性，且能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳輸協(xié)議，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間，滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用需求的同時(shí)，還能提供多種可靠性保障機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，并且運(yùn)用該技術(shù)后，用戶可以根據(jù)應(yīng)用的具體需求選擇相應(yīng)的協(xié)議組合，實(shí)現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡(luò)通信解決方案。

2" "5G專網(wǎng)與TSN關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 無(wú)線鏈路的低時(shí)延保障

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，通過前沿的邊緣計(jì)算部署與光纖直連技術(shù)，有效縮短了數(shù)據(jù)端到端的傳輸路徑，顯著降低了延遲。在接入側(cè)，面對(duì)實(shí)時(shí)性要求日益嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景，eMBB與uRLLC技術(shù)的深度融合成為突破瓶頸的關(guān)鍵，這些技術(shù)不僅增強(qiáng)了無(wú)線鏈路的帶寬能力，更在時(shí)延控制上展現(xiàn)出卓越性能，為各類應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)支撐[3]。

（1）eMBB場(chǎng)景下的低時(shí)延優(yōu)化。針對(duì)非實(shí)時(shí)控制但帶寬需求高、數(shù)據(jù)傳輸需持續(xù)穩(wěn)定的場(chǎng)景，如高清直播、精密視頻監(jiān)控、高精度測(cè)繪等，通過集成一系列優(yōu)化策略，如縮短SR周期、MCS以適配低碼率傳輸，引入無(wú)線幀復(fù)制與FRER增強(qiáng)可靠性，以及利用本地分流與QoS保障機(jī)制，成功將傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)復(fù)用無(wú)線鏈路轉(zhuǎn)型為具備初步時(shí)延確定性的高效數(shù)據(jù)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與低時(shí)延，目標(biāo)時(shí)延控制在10 ms以內(nèi)。

（2）uRLLC技術(shù)助力高頻場(chǎng)景切換。在AR/VR、3D游戲及元宇宙等交互頻繁、對(duì)時(shí)延極度敏感的應(yīng)用場(chǎng)景中，為實(shí)現(xiàn)小于5 ms的極致時(shí)延體驗(yàn)，需采取更為精細(xì)化的時(shí)間管理策略，包括采用DS優(yōu)化的幀結(jié)構(gòu)、Mini-slot技術(shù)縮短數(shù)據(jù)傳輸單元，以及MO縮短監(jiān)控周期和subslot-level HARQ機(jī)制，顯著提升數(shù)據(jù)傳輸效率與響應(yīng)速度，有效減輕用戶眩暈感，保障應(yīng)用的沉浸式體驗(yàn)。

（3）重塑無(wú)線空口，追求超低時(shí)延。面對(duì)自動(dòng)駕駛、工業(yè)4.0、遠(yuǎn)程手術(shù)等極端低時(shí)延需求（小于1 ms），傳統(tǒng)接入方式已難以滿足要求，必須從根本上重新設(shè)計(jì)無(wú)線空口，這包括革新幀格式、優(yōu)化子載波間隔、調(diào)整雙工模式等，以構(gòu)建全新的彈性5G無(wú)線空口[4]。在sidelink與Uu接口上，通過優(yōu)化物理層結(jié)構(gòu)與資源配置，引入自包含幀結(jié)構(gòu)可大幅縮短消息反饋周期；同時(shí)，探索SCMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)免授權(quán)接入，簡(jiǎn)化上行接入流程，降低傳輸時(shí)延。此外，利用3GPP定義的inactive態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)短包數(shù)據(jù)的直接傳輸，無(wú)須額外空口信令，確保對(duì)終端設(shè)備的即時(shí)精準(zhǔn)操控，達(dá)到前所未有的低時(shí)延性能。

2.2 端到端QoS增強(qiáng)

2.2.1 端到端QoS智能編排策略

為應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)SLA的多樣性與網(wǎng)絡(luò)資源變動(dòng)的挑戰(zhàn)，技術(shù)人員應(yīng)設(shè)計(jì)基于業(yè)務(wù)特性與小區(qū)負(fù)載感知的雙閉環(huán)QoS調(diào)控機(jī)制，該機(jī)制的核心在于PCF的智能化決策，它依據(jù)具體應(yīng)用需求及客戶期望，制定并下發(fā)QoS策略至UPF和NE，通過UPF的實(shí)時(shí)QoS狀態(tài)反饋，結(jié)合AI驅(qū)動(dòng)的策略優(yōu)化，PCF能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，以最佳匹配業(yè)務(wù)SLA要求與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況，形成閉環(huán)調(diào)控體系[5]。

2.2.2 差異化QoS執(zhí)行與實(shí)時(shí)保障

在媒體層，利用DPI技術(shù)自動(dòng)識(shí)別各類業(yè)務(wù)流，實(shí)現(xiàn)差異化的QoS處理，極大地簡(jiǎn)化了管理復(fù)雜度。而此時(shí)通過為業(yè)務(wù)流分配唯一的FPI，能夠在RAN中實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的精細(xì)化調(diào)度，確保高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在資源緊張時(shí)獲得優(yōu)先處理，從而有效管控時(shí)延、帶寬及丟包率。

2.2.3 QoS監(jiān)控與閉環(huán)調(diào)優(yōu)

為進(jìn)一步增強(qiáng)QoS的實(shí)時(shí)保障能力，可以設(shè)計(jì)以下兩種關(guān)鍵場(chǎng)景下的優(yōu)化策略：其一，直接QoS保障場(chǎng)景：UPF針對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)，直接啟動(dòng)實(shí)時(shí)QoS保障機(jī)制，通過DPI識(shí)別業(yè)務(wù)流后，依據(jù)PCF策略執(zhí)行QoS策略，并為各業(yè)務(wù)流打上FPI標(biāo)簽，RAN據(jù)此進(jìn)行差異化隊(duì)列映射與調(diào)度，確保資源高效分配。其二，應(yīng)用側(cè)觸發(fā)的QoS監(jiān)控與調(diào)優(yōu)：由AF發(fā)起QoS監(jiān)控請(qǐng)求，觸發(fā)UPF與RAN之間的端到端時(shí)延監(jiān)控[6]。基于監(jiān)控結(jié)果，AF可靈活調(diào)整QoS優(yōu)先級(jí)，通過SMF傳遞至無(wú)線側(cè)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化。這一過程不僅提升了故障響應(yīng)速度，還促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置與業(yè)務(wù)性能的最優(yōu)化。

2.2.4 硬件加速技術(shù)強(qiáng)化QoS保障

鑒于硬件加速在性能提升上的顯著優(yōu)勢(shì)，筆者探索了多種自研加速硬件，如FPGA、NEO卡、智能網(wǎng)卡、GPU的應(yīng)用，以多維度提升云資源性能與邊緣計(jì)算能力。例如，F(xiàn)PGA智能網(wǎng)卡在媒體面流量卸載方面的應(yīng)用有效減輕了CPU負(fù)擔(dān)，顯著降低了邊緣轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；而NEO卡則通過卸載計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)及管理任務(wù)至專用硬件，減少了虛擬化開銷，提升了云主機(jī)性能。對(duì)于需要高并發(fā)處理能力的渲染場(chǎng)景，GPU的引入更是提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力支持。

2.3 端到端網(wǎng)絡(luò)高可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1 雙連接驅(qū)動(dòng)的端到端用戶面路徑冗余

鑒于無(wú)線環(huán)境的不確定性，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)基于雙連接的端到端用戶面路徑冗余方案[7]。此方案允許終端在5G網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)建立兩個(gè)獨(dú)立的PDU會(huì)話，這些會(huì)話通過不同的基站與UPF連接，且用戶面路徑嚴(yán)格分離，以避免單點(diǎn)故障。基站層面則采用雙連接或CU/DU分離技術(shù)，確保數(shù)據(jù)通過多樣化的物理路徑傳輸，極大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3.2 N3/N9接口冗余傳輸機(jī)制

針對(duì)無(wú)線回傳網(wǎng)絡(luò)的可靠性挑戰(zhàn)，技術(shù)人員可以實(shí)施N3/N9接口的冗余傳輸策略。通過在錨點(diǎn)UPF/i-UPF與RAN之間部署兩條獨(dú)立的N3/N9隧道，并關(guān)聯(lián)至同一PDU會(huì)話，實(shí)現(xiàn)傳輸層的雙重保障。為確保兩條隧道的路徑不重疊，SMF或錨點(diǎn)UPF需智能配置不同的路由信息，映射至物理上不相交的傳輸路徑，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的整體魯棒性。

2.3.3 雙模終端與雙發(fā)選收技術(shù)

為進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸路徑的可靠性，還應(yīng)引入雙CPE+雙無(wú)線備份方案，包含終端、基站、傳輸網(wǎng)絡(luò)及UPF在內(nèi)的雙鏈路架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的“雙發(fā)選收”，通過配置兩個(gè)CPE，每個(gè)CPE接入不同的5G基站，并利用獨(dú)立的承載在基站與UPF之間建立兩條并行鏈路。這種設(shè)計(jì)確保了即使單一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，業(yè)務(wù)也能無(wú)縫切換至備用路徑，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

2.3.4 5G/Wi-Fi/有線異構(gòu)多路徑融合

為了最大化數(shù)據(jù)通道的可靠性，技術(shù)人員還應(yīng)設(shè)計(jì)5G/Wi-Fi/有線異構(gòu)多路徑疊加方案。該方案在5G終端或模組的基礎(chǔ)上，靈活疊加Wi-Fi數(shù)據(jù)通道或有線數(shù)據(jù)通道，形成多路徑傳輸?shù)膹?fù)合體系，而這種異構(gòu)多路徑設(shè)計(jì)不僅拓寬了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐愤x擇，還通過路徑間的互補(bǔ)性顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的整體可靠性。在任一路徑出現(xiàn)波動(dòng)或故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換至其他可用路徑，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩o(wú)阻。

2.4 閉環(huán)協(xié)同管理技術(shù)創(chuàng)新

2.4.1 閉環(huán)協(xié)同管理，建立5GTSN網(wǎng)絡(luò)的智能引擎

為了確保網(wǎng)絡(luò)資源的精準(zhǔn)分配與高效利用，5GTSN網(wǎng)絡(luò)亟須構(gòu)建一套從終端直抵業(yè)務(wù)核心的全方位監(jiān)控與協(xié)同機(jī)制。這一機(jī)制不僅涵蓋端到端的切片管理服務(wù)，為業(yè)務(wù)SLA提供堅(jiān)實(shí)支撐，還通過終端-網(wǎng)絡(luò)-業(yè)務(wù)的深度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的按需定制與靈活調(diào)配。

2.4.2 制定感知-決策-優(yōu)化閉環(huán)控制的邏輯鏈條

閉環(huán)協(xié)同管理機(jī)制的核心在于構(gòu)建一個(gè)“感知-決策-優(yōu)化”的閉環(huán)控制體系，通過實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量及調(diào)度效果等多維度數(shù)據(jù)，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，快速識(shí)別網(wǎng)絡(luò)瓶頸與潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨后，基于這些數(shù)據(jù)洞察，系統(tǒng)能夠智能決策，動(dòng)態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)調(diào)度策略，以最優(yōu)化的方式應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化，確保業(yè)務(wù)流的持續(xù)穩(wěn)定與高效傳輸。

2.4.3 通過5G專網(wǎng)與TSN的深度融合發(fā)揮CNC管理系統(tǒng)的橋梁作用

作為TSN邏輯網(wǎng)橋的關(guān)鍵角色，5G專網(wǎng)與TSN網(wǎng)絡(luò)的CNC管理系統(tǒng)緊密協(xié)作，共同承擔(dān)起網(wǎng)絡(luò)資源管理與調(diào)度的重任。5G網(wǎng)絡(luò)不僅負(fù)責(zé)向CNC實(shí)時(shí)上報(bào)其狀態(tài)信息、能力參數(shù)及組網(wǎng)拓?fù)涞汝P(guān)鍵數(shù)據(jù)，還接收來自CNC的TSN業(yè)務(wù)流資源需求與調(diào)度指令，確保兩者之間的無(wú)縫對(duì)接與高效協(xié)同。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)遭遇狀態(tài)變化或異常情況時(shí)，系統(tǒng)能夠即時(shí)觸發(fā)CNC的響應(yīng)機(jī)制，共同制定并實(shí)施應(yīng)對(duì)策略，以保障網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定與可靠。

2.4.4 實(shí)現(xiàn)QoE、AI與E2E協(xié)同的力量多維優(yōu)化

為了進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能與用戶體驗(yàn)，技術(shù)人員可以引入QoE感知、AI智能分析、E2E協(xié)同優(yōu)化及按需能力定制等先進(jìn)技術(shù)手段。這些策略旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)TSN終端、業(yè)務(wù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、RAN、UPF等端到端各節(jié)點(diǎn)的全面監(jiān)控與深度優(yōu)化，而通過綜合運(yùn)用這些技術(shù)手段，還能夠精準(zhǔn)識(shí)別并解決網(wǎng)絡(luò)中的各類問題并面對(duì)各種挑戰(zhàn)，打造出一個(gè)業(yè)務(wù)流暢通無(wú)阻、資源利用率極高的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3" "結(jié)束語(yǔ)

總之，5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)作為滿足工業(yè)應(yīng)用嚴(yán)苛要求的重要技術(shù)手段，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。技術(shù)人員應(yīng)通過深入研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)景及挑戰(zhàn)等問題，為推動(dòng)5G專網(wǎng)與TSN技術(shù)的發(fā)展提供有力的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介：徐成杰（1984-），男，漢族，江蘇南通人，工程師，本科，研究方向?yàn)樾乱淮畔⑼ㄐ偶夹g(shù)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

于" " 謙（1989-），男，漢族，江蘇南京人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)樾乱淮ㄐ偶夹g(shù)、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能。