5G专网可以应用在智能配电网、智慧医疗、智能制造等诸多行业，对确定性时延有较高要求，如智能配电网要求差动保护装置通信时延小于15 ms，工业自动化控制器间通信要求通信时延小于10 ms、抖动小于1 μs [1-2] 。

时间敏感网络技术具备传统以太网不具有的确定性方式，标准制定于IEEE 802.1中，比较成熟，包括流量调度、资源预留、时间同步等核心技术，具有确定性低时延的特点。因此，将5G专网与TSN技术融合，通过引入精准时钟和确定性转发机制，实现5G端到端网络转发数据的时延确定性，不但可以提高网络的灵活性，也可以提高网络的确定性，降低端到端时延。

5G专网与TSN融合的网络架构不仅能够满足工业4.0苛刻的网络指标需求 [3-4] ，也符合未来工厂智能化、数字化、集中化发展的要求，是工业未来网络发展的方向之一。5G专网与TSN融合后，利用5G无线通信的优势，可以灵活地部署5G系统架构，替代工厂内的有线网络，结合TSN确定性低时延的特点提供可行的端到端网络解决方案，满足工业互联网差异化业务的组网需求。例如，满足远程控制、AGV调度、远程医疗、远程维护、远程驾驶等业务的超低时延传输需求 [5] ；满足配用电网精准时钟同步授时、井下作业的远程控制等业务的高可靠传输需求；满足无人机巡检、移动办公、大规模集装箱作业、工厂视频监控信号的传输等业务的广域传输需求。5G专网与TSN融合具有极高的研究和实用价值。基于此，本文研究了5G专网与TSN的融合架构，并从关键网元、关键流程和典型应用场景三个方面对融合架构进行分析，然后还研究了5G专网与TSN融合的关键技术，包括流量映射与调度和协同管控，最后对未来5G专网与TSN融合可能面临的挑战及困难进行了讨论。

1 5G专网+TSN融合架构

1.1 融合架构和关键网元

工业场景中有多种类型的通信需求，通过5G专网与TSN的融合以及符合不同通信需求的网络架构，可以满足不同业务类型的需要，如超低时延、确定时延、精确控制等重点因素的差异化能力。

从5G专网与TSN融合后关键网元的部署角度分析，5G专网的核心网可通过用户面网元下沉以及控制面和用户面网元下沉的方式，以满足超低时延需求的通信。5G专网与TSN的融合架构如图1所示，园区1通过UPF（User Plane Function，用户面功能实体）下沉到园区网络，专用UPF的方式满足业务的端到端时延需求；园区2通过将5G轻量级核心网的控制面AMF/SMF网元以及用户面UPF网元下沉到园区网络，实现业务控制指令业务数据流的园区内流动，以达到业务传输需求及业务隔离性要求。

在5G专网与TSN融合架构中（见图1），关键网元还包括DS-TT、NW-TT和TSN AF [6] 。其中，DS-TT和NW-TT作为5G和TSN的转换器，向5G系统提供TSN的入口和出口端口，将5GC（5G Core，5G核心网）、RAN、无线链路等5G独有的东西向TSN透明化，助力5GS TSN网桥化。DS-TT、NW-TT具体功能包括：（1）保持和转发功能，以实现去抖动的目的；（2）每条数据流的过滤和警戒；（3）链路层连接到DS-TT和NW-TT的以太网设备的连接发现与报告（如果DS-TT不支持，则NW-TT代表其执行）。TSN AF支持5G与TSN融合的控制层翻译功能：（1）5G桥管理；（2）与DS-TT/NW-TT的端口管理、桥管理信息交换；（3）与CNC（Centralized Network Configuration，集中网络控制器）交互进行5GS网桥配置和报告；（4）通过基于IEEE标准映射TSN流来确定时间敏感通信援助容器和TSN QoS信息。三个网元在5G与TSN融合架构中发挥了关键作用，为5G域和TSN域的信息交互作出了重要贡献。

1.2 5G专网与TSN业务传输流程

根据3GPP R17中5G作为TSN逻辑网桥的网络架构，在5G专网与TSN融合时，控制面与数据面数据的传输也遵循相关标准。

从控制面的角度来看，信令传输过程可以分为：

（1）预配置：一方面，在5G专网的UPF中预配置网桥信息，即网桥ID、端口ID、网桥延迟、发送延迟以及网桥相关拓扑，再通过相关接口传输给CNC；另一方面，在TSN AF中预配置QoS映射表，包括流量分类及其与预配置的5G QoS配置文件的关系，如5GS网桥延迟、优先级。

（2）转发和调度规则的计算：TSN CNC通过与TSN AF的信令交互，计算每个桥的转发和调度规则，以满足CUC（Centralized User Configuration，集中用户配置中心）对TSN流的要求。

（3）网桥和端口管理信息的传递：TSN AF通过将网桥和端口管理信息转发到SMF，再通过SMF将其传递给DS-TT/NW-TT。

（4）流量映射与配置：TSN AF根据QoS映射表对TSN流量类别到TSN QoS和时延需求进行映射，PCF可以触发PDU会话修改流程来建立新的5G QoS流，或者根据选择的QoS策略和TSN AF流量需求，对请求的流量类别使用5G QoS流预配置的5QI。

2 关键技术

2.1 流量映射与调度机制

（1）流量调度技术

5G专网与TSN融合异构网络端到端的低时延、低抖动、高可靠的确定性传输还需要先进的调度技术。目前，对5G专网与TSN融合的流量调度问题有以下两类方法 [7-8] ：

1）以帧为调度对象：基于时间触发以太网的调度对象，通过计算每一帧流经的所有出口端口的队列及传输开始时刻，把控整个5G专网与TSN融合异构网络的流量调度进程；

2）以时间窗口为调度对象：以IEEE 802.1 Qbv规定的流量调度的门控列表为基础，计算各TSN交换机时间窗口打开和关闭的时间列表，进而控制5G专网与TSN融合异构网络的流量调度进程。

此外，以帧为调度对象的调度结果可直接转化为以时间窗口为调度对象的结果；反之，则不成立。因为以帧为调度对象的方式更加精确，通过队列中所有帧传输的起始时刻和帧长，可以推导出该队列传输帧的时间窗口，而反过来由时间窗口不能推导出帧的具体开始传输时间和帧长。由此可见，第一类流量调度方法更加精确，CNC调度时应主要考虑此类调度问题。

流量调度的最终目标是实现数据包传输过程中的端到端确定性低时延，对实时流量占用队列数、总传输时长、帧缓存时间等参数的优化与确定化。常用的流量调度方法有：基于ILP的流量调度算法、基于启发式算法的流量调度算法、基于SMT/OMT的流量调度算法、基于元启发算法的流量调度算法、基于GRASP的流量调度算法、基于复合方法的流量调度算法等。

（2）5GS中的TSN流量调度

对于5GS网桥的TSN流量处理配置，TSN AF根据IEEE 802.1Qcc [9-10] 与3GPP TS 23.501 [4] 和TS 23.502 [11] 中规定的CNC进行交互， 如图2所示：

1）预配置：在5GS的UPF中预配置网桥信息，包括5GS网桥的网桥ID和NW- TT端口号。在TSN AF上预配置QoS映射表，包括流量分类及其与预配置的5G QoS配置文件的关系，如5GS网桥延迟、优先级。

2）5GS网桥的能力报告：5GS桥接和端口管理信息上报给TSN AF，网桥相关信息（如网桥名称、地址、端口号）和端口相关信息（如端口号、端口地址）。SMF（Session Management Function，会话管理功能）通过PCF向TSN AF提供与PDU会话相关的信息。TSN AF获取上述信息，生成一个5GS桥报告供TSN CNC使用。

3）网桥配置：5GS通过TSN AF接收TSN配置，配置包括IEEE 802.1Qbv [12] 中指定的调度信息、IEEE 802.1Qci [12] 中指定的PSFP信息和流量转发信息。

（3）QoS需求及QoS映射

目前，由于5G专网业务模型的多样性，其QoS需求也存在差异性。 表1所示为4种典型的业务模型及其QoS需求 [13-15] 。当5G专网与TSN融合时，需要将5G专网的业务模型及其QoS特征与5G QoS模型及TSN域的优先级调度机制相映射匹配。不同工业场景对业务的需求也有所差异，面对不同工业场景,要针对其具体需求灵活调整。

5G专网与TSN融合的异构网络中，由于不同的网络具有不同的QoS模型，且QoS分类粒度不一致，异构网络间平滑的QoS类映射存在挑战 [16-17] 。为实现异构网络之间灵活的QoS类映射，保证业务端到端QoS且最大限度地利用网络资源，需要考虑的关键因素包括QoS参数映射模型和映射方法。

5G专网与TSN融合中的QoS映射和异构网络的相似，具体来说，映射方法如下：

1）在5G专网或TSN已有的业务分类中选择一种适当的分类粒度，并基于此分类粒度，根据时延、带宽等QoS参数，将另一种网络的业务类别与之进行映射，进而间接地实现全网络业务映射，如图3所示：

2）整体权衡5G专网和TSN中已有的业务分类，根据不同的业务需求制定统一的QoS映射机制，形成统一的QoS映射表，实现5G专网和TSN网络的QoS的查表转换功能。

最终，通过映射模型和映射方法，将业务定位分别定位到TSN和5G模型上，适用于保证5G专网与TSN融合网络同一业务的服务质量，为用户提供点对点的QoS保证服务。

2.2 协同管控

IEEE 802.1Qcc [18] 为TSN提供了三种控制管理模型：完全分布式、集中式网络/分布式用户和完全集中式模型。为符合未来网络发展的需求，5G专网与TSN融合选用的是完全集中式模型， 如图4所示：

当承载TSC（Time Sensitive Communication，时间敏感通信）业务时，控制面的协商与配置功能由5G核心网的TSNAF、TSCTSF、NEF、PCF、SMF等控制面网元共同协助，最终将配置和策略信息下发给无线侧、终端以及UPF。在5G系统作为TSN逻辑网桥的场景下，由TSN AF承担控制面适配器功能，负责5G系统与TSN域CNC的控制面信息交互，获取并上报TSC流配置，且通过PCF和SMF与用户面交互。

（1）从5G的网络管控角度：TSN AF作为一个控制器功能，通过SMF收集5GS的网桥信息，包括网桥ID、端口ID、网桥延迟、发送延迟、网桥相关拓扑；再通过UNI传给CNC，以实现与TSN网络互通。

（2）从TSN的网络管控角度：由于CNC维护TSN网络中每个TSN桥的能力和网络的拓扑结构。基于此，CNC计算每个桥的转发和调度规则，以满足CUC对TSN流的要求，CUC从终端站收集TSN流的要求，以实现完全集中的模式。

2.3 适应性分析

针对5G专网与TSN融合网络架构中流量映射与调度技术以及协同管控技术的研究，既需要考虑5G专网的特性，也需要考虑TSN的技术特点，如5G专网与TSN的优先级分类粒度差异、管控机制差异等。其中：

（1）流量映射与调度技术旨在研究5G专网与TSN的异构网络中不同业务分类粒度映射，以及满足不同业务要求的流量调度方案，适用于5G专网与TSN融合网络架构。

（2）协同管控技术旨在研究通过TSN CNC与5GS的AF模块之间的通信，将5G专网与TSN的管控面进行融合，符合异构网络集中管控的需要，适应内生统一网络管控机制的发展需求。

3 挑战与困难

虽然5G专网与TSN的融合网络具有灵活性、确定性和低时延的优势，但是在实际的网络部署以及融合后关键技术的应用方面还面临着许多困难与挑战，具体如下：

（1）5G核心网网元下沉部署的困难，如UPF，关键在于部署在园区网络的UPF与SMF之间接口的打通以及运营的成本和安全问题。

（2）5G专网与TSN融合网络的时间同步。5G域和TSN域都有各自的时钟 [19-20] ，多TSN域还存在多个时钟，如何优化现有主时钟选择算法，研究多工作域场景下的时钟同步机制，并保证各设备时间同步，是实现流量调度策略、保证确定性低时延的基础。此外，随着工业场景中的业务逐步复杂多样，也存在大规模网络场景下的时间同步复杂度高的问题，需在性能基本不受损失的情况下，降低计算复杂度及算法的运行时间。

（3）5G专网与TSN融合网络的工业互联网部署环境。在工厂实际环境中，不是所有的设备都支持TSN协议，还需要进行与工业以太网、工业总线协议的互联互通算法与验证等技术研究。

（4）5G专网与TSN协同管控时，由于信息不对等造成的资源配置过度供应问题。TSN和5G专网系统端到端融合的一个基本困难是信息传递流程的内在差异。一方面，在TSN流建立之前，TSN需要获取关于底层设备的基础信息，包括链接速度和延迟等。相比之下，在网络连接建立后5GS才能提供此类信息。通过过度供应5GS的性能，可以克服两个网络之间的这种差异。然而，这种方法对5GS的需求会增加，造成资源浪费和成本增加。未来还需要一个有效的方案，基于对用户及其需求和特征的信息以及对5GS网络的全面了解，以期实现抵消上文描述的过度供应。

4 结束语

针对工业互联网对不同业务场景的需求，本文首先对5G专网与TSN融合架构的背景和意义进行分析；然后对3GPP R17中5G与TSN融合增强架构进行研究；再从关键网元、关键业务流程以及典型应用场景分析5G专网与TSN的融合架构，并重点对流量映射与调度机制、协同管控等关键技术进行分析总结；最后讨论5G专网与TSN融合需要面临的困难与挑战。

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★原文发表于《 移动通信》2022年第8期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.006

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2022)08-0030-06

引用格式：李鹤,张恒升,朱瑾瑜,等. 5G专网融合时间敏感网络架构技术[J]. 移动通信, 2022,46(8): 30-35.

作者简介

张恒升：高级工程师，硕士毕业于电信科学技术研究院，现任职于中国信息通信研究院，主要研究方向为工业互联网、数据通信、未来网络等。

朱瑾瑜：工程师，硕士毕业于武汉理工大学，现任职于中国信息通信研究院，主要研究方向为工业互联网、数据通信、未来网络等。

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