5G与TSN发展现状、应用场景及关键技术有哪些？

近年来，关于将 5G 与 TSN 技术结合应用于垂直行业专网逐步成为业内热点，包括 3GPP、IEEE 在内的多个国际标准组织及各类研究机构都正在进行相关技术研究。

概括来讲，5G 与 TSN 技术有两个大的个方向，一是3GPPR16正式提出的，将 5G 系统实体化为一个TSN 域内部的网桥，来实现TSN 网络部署规模和范围的扩展，该方向在R17 阶段进行了技术细化，针对 TSN 与 5G 对接网关及 AF 如何实现5G 与TSN 系统的同步及QoS 协同进行了细化，为 5G TSN 端到端落地应用向前推动迈进了一大步。二是利用 TSN 技术提升承载网确定性，对5G uRLLC 进行增强。IEEE802.1CM 被率先提出将 TSN 技术应用于移动前传网络作为5G与TSN 融合部署的主要场景，并逐步引起业内关注。相较于消费互联网，工业互联网终端之间交互需求增长，网络部署需要更为灵活开放的架构，低时延高可靠的性能要求，因此确定性前传网络也将越来越受到关注，TSN、FlexE、SDN 技术在前传网络的融合应用将为其在新的场景下适应新的需求提供有力支撑。在工业互联网园区网络和 5G 工业专网的部署过程中，支持 TSN 的前传网络也有望成为新的部署方案。

在 2021 年 9 月 28 日举办的“2021 工业互联网网络创新大会”上中国信通院发起“5G+TSN 联合测试床”共同建设项目，由中国移动、华为、上海诺基亚贝尔、新华三、英特尔、高通及艾灵网络共同参与。该项目依据当前 5G TSN 技术现状及产业进展，结合工业互联网网络建设需求，从端到端系统、承载网及核心网多个维度开展5G TSN 融合部署技术及方案研究及验证工作，2022 年度重点对TSN与 5G 前传网络的融合部署于工业园区进行技术可行性及场景适应性开展验证工作。

工业园区是5G工业专网部署的重要载体。工业园区通常包括生产网、企业信息网、公共服务网、随着社会信息化的发展，信息化对生产效益的促进作用日渐明显，工业互联网园区网络建设成为焦点。工业互联网园区网络建设的目标是构建低延时、高可靠、广覆盖的网络基础设施，支持全区内各类信息和数据的交互和无缝传递，最终形成自动、智能、高效、安全的生产和服务体系。工业园区网络建设引入5G专网的建设，可以在一定程度上满足灵活接入、高性能承载、OT&IT融合及异构系统协同互通等需求。

工业园区5G专网的建设，会根据业务需求UPF下沉至园区甚至产线的需求，同时要考虑园区网络的融合部署：

场景一：车间内部终端与综合接入点的MEC 之间的业务通信，多为高确定性、高可靠性的生产控制类业务，此时前传为主要承载网络，传输范围为车间/楼宇内。

场景二：不同车间内终端之间的业务通信，如确定性、同步性要求高的生产协同类业务，此时前传为主要承载网络，传输范围为跨车间/楼宇。

场景三：园区内公共服务设施或车间内设备与园区综合接入机房MEC之间的业务通信，多为实时性监控业务，此时前传为主要承载网络，传输范围为园区内。

场景四：园区内个人终端或者园区物联网终端经园区核心机房5GC与园区云平台通信，多为非实时性数据业务，此时涉及前传和回传网络，传输范围为园区内。

综上所述，场景一到场景三中前传网络都作为5G承载工业园区应用的主要承载网络，利用基于分组的以太网作为前传网络的承载方式可以极大增加网络部署的灵活性，并可以作为数通网络与原有园区网络融合部署，叠加以TSN为代表的确定性网络技术，可以实现降低网络部署复杂度且满足工业园区网络高质量承载需求的综合达成。

3.1 开放前传接口

移动前传网络是指基带单元和无线单元间的网络，4G 时期及5G 建设初期，前传网络的部署主要以光纤直驱和无源WDM 方式为主。随着 5G 时代以 C-RAN 的建站方式成为主流，对前传网络在灵活组网能力、低时延高可靠提出了更高要求，典型的可选前传方案包括光纤直驱（单纤单向、单纤双向）、WDM（无源、有源、半有源）、微波、以太组网等方式。表格 1 汇总了各类典型的部署方案在组网形态，纤芯资源，接口类型，可靠性和传输距离方面的区别。

3GPP 定义了 AAU-DU 底层分离（LLS）不同方式的协议栈功能划分，与前传接口有关的划分选项包括Option 6、Option7和Option 8。其中的 Option 7 是物理层内切分，又可细分为Option7-1, Option 7-2 和 Option 7-3 等。不同的物理层切分方式对前传接口带宽有不同的要求，物理层切分越靠近MAC 层对前传接口带宽的要求越低，物理层越靠近 RU 对前传接口带宽的要求越高。

由于 5G 业务所需频谱带宽显著增加且基站功能架构重新划分处理功能重新分割等因素，前传典型接口由4G 基站基带处理单元BBU和远端射频单元 RRU 之间的 10Gbit/s 速率CPRI（通用公共无线接口）向 25Gbit/s 的 eCPRI(演进型 CPRI)接口演进，如图6 所示。CPRI 协议基于 Option 8 方式划分，物理层功能全部位于DU，前传接口带宽要求高；eCPRI 协议中在物理层内部进行划分（Option7-2），PHY-high 和 PHY-low 分别位于 DU 和AAU,降低了前传接口，逐步成为主流技术。

3.2 高精度时间同步

时间同步是基站之间业务协同的基础，也是时间敏感网络实现精准流量调度的前提。因此在TSN应用于5G前传网络中时，首先对二者的时间同步方案进行协同整合。 基站之间的时间同步技术主要采用直接外接时钟的同步技术和基于网络传递的同步技术两大类， 2G~4G阶段主要以直接外接时钟的同步技术实现，但其存在失效率高、可维护性及安全性差的问题。以IEEE1588v2技术为代表的基于网络的同步传递技术逐步发展起来，但是由于需要逐跳支持、双向光纤等长等部署限制，也未在4G时代大规模应用起来。

由于5G NR基本业务普遍采用TDD制式，即同频点分时区分不同时隙报文收发，若基站之间时间不同步，则严重影响业务的移动性。而时间敏感网络由于需要对流量按照时隙进行精准调度，网元之间也需要精准的时间同步。因此在考虑TSN与移动承载网络融合部署的时候要首先考虑时间同步的协同。 前传网络以射频单元AAU及基带单元DU为边缘节点，由于承载在5G网络之上的TSN业务本身就要支持逐跳的高精度时间同步，因此可以考虑利用TSN的前传系统为5G网络提供时钟同步传递能力。前传组网的时间同步方案考虑时钟源接入点及信号传递方向，主要有如下三钟方案：

1) 时钟信号从基站基带模块（BBU/DU）处接入,可直接从外接或内置的时钟源处获取同步信息，也可以从中传或者回传网络中获取，通过前传网络向射频模块（AAU/RRU）传递同步信号； 2) 时钟信号从前传网络桥设备接入产生，通过时间敏感网络同时向 RRU 和 DU 传递同步信息；3) 时钟信号从射频模块（RRU/AAU）处接入，即射频模块内置或外接相应的时钟源，通过前传网络向基带模块输出同步信息。

本次测试采用方案（1），具体而言，可以一个TSN域作为时钟域，以DU直连BITS或者承接上游的IEEE1588v2时钟信号（取决于上游网络是否支持PTP），利用TSN网络逐跳向下传递同步时钟信号，从而实现高精度的时间同步。

3.3 帧抢占技术

相对于传统前传网络的点对点连接，基于包转发的前传网络可以提供多点对多点连接，同时前传网络对于数据传输的延时和丢包率有严格要求，AAU 到 DU 之间的 IQ 数据端到端单向时延不能高于100μs，丢包率应低于10 −7；控制管理数据（C&M），丢包率应低于10 −6。在基于桥接技术的前传网络中，可将不同种类流量规划到不同 VLAN 中或者相同 VLAN 的不同优先级中，来实现业务的差异化质量保证。在桥接网络的承载方式下可以通过引入TSN 的抢占（preemption）满足高优先级流量的时延和丢包要求。帧抢占是指在恢复可抢占帧的传输之前暂停可抢占帧的传输，以允许传输一个或多个快速帧。将数据流按照其实时性要求标记为快速流量和可抢占流量，高优先级实时流量可以打断正在传输的低优先级流量，而低优先级流量则分片，待实时流量传输完成后进行重组。这样既保证了高优先队列的实时性传输，也兼顾了低优先队列数据的有效传输。