工业互联网 — 5G TSN
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文章目录
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5G TSN 在3CPP标准下的规范定义
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TSN在5C技术协同部署中的解决方案
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拼接式的网络架构设计：基于TSN技术实现的全网无缝对接机制
- 承载网协同优化方案
- 深度集成策略：基于TSN技术实现的高阶网络功能扩展模式
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5G TSN 的技术架构
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5G TSN 的挑战
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5G TSN 的 3GPP 标准
在 3GPP R16 标准第23.501卷中已正式纳入 TSN 技术至 5G 标准体系内，并旨在服务于提升 5G 网络承载端的高可靠性与确定性需求。该技术通过与 uRLLC 形成技术衔接关系共同构建确定性的传输框架。相较于现有技术而言，在可靠性和时延保障方面形成了差异化优势的基础上同时，在降低时延抖动和实现精确时间同步方面对网络性能进行了全方位优化提升
参照该标准的相关规定
参照该标准的相关规定
在R16版本中，3GPP推出了TSC（Time-Sensitive Communication）架构，并制定了TSN技术与5G网络的融合部署方案。该方案旨在为构建功能灵活、高效且安全可靠的工业互联网网络打下坚实基础。
3GPP R17 提出了 TSN 增强架构，即：
- 通过强化5G核心网架构来提升其整体性能；
- 该系统可通过独立于外部TSN网络的方式实现场频业务的关键功能管理；
- 借助UPF技术来确保终端间的确定性传输得以实现；
- 通过强化相关功能来提高系统的可靠性保障水平；
- 支持...的工业以太网协议对接；
- 具备多时钟源技术的支持能力。
TSN 与 5G 融合部署的方案
拼接式融合方案：5G 网络与 TSN 技术无缝拼接
借助 5G 网络技术实现工业设备的无线连接至现有 wired networks中，并且其技术特点可使 TSN 实现无需电缆支持的稳定数据传输
5G和TSN网络之间的互联具体而言就是将现有具备时间敏感特性（如工业控制网络、车载网络等）的业务系统与其进行融合连接，并通过优化流量调度机制实现资源分配的一致性管理，在分段传输的基础上提升端到端的服务质量
在该方案中，将整个业务系统视为一个UE，在时间敏感网络中实现了流量分类与5G网络系统业务类型间的映射关系的同时，需保留TSN对流量配置相关的标记信息。在经历5G网络系统的远程传输后去除其封装层，在协同业务系统中仍需依据TSN的流量调度类型进行确定性传输。
本方案的核心在于TSN网络与5G网络边缘区域应合理配置对应节点的部署位置，并根据具体部署位置可分为：第一类为TSN网络与蜂窝无线网络间UE端的专用网关；第二类为TSN网络与5G核心网间的专用节点网关。
TSN与5G融合部署网关应在业务系统网络侧的接口处应具备时间敏感网络的关键特性功能，在整合阶段能够实现将业务系统数据和带有TSN特性的以太网包体面整合到5G传输单元中，并且在封装过程中还应确保相关业务流量标识与5G网络传输架构对应起来。此外，在UE侧网关部分还应具备有线转无线的能力。
承载网融合方案
5G 系统不仅提出了新型空口 NR 标准以及革新性的核心网架构设计, 在承载网络领域同样面临着重要的技术革新需求。就目前而言, 该系统的承载网络构建工作主要聚焦于将现有资源进行优化配置, 其中一个关键的技术点在于如何实现资源的最佳分配效率, 为此, 我们可以通过将资源分配过程拆解为前传与回传两个独立的部分来实现系统性能的最大化提升, 如下图所示
从3G时代起，移动通信系统中的回传网络一般采用包转发机制进行基站与核心网之间的流量承载。其中最具代表性的方案包括IPRAN和PTN两种体系架构，在这些标准下通过MPLS标签技术和相关协议实现了业务流量的转发与调度，并支持保护性倒换功能。整体承载能力较为完善且稳定可靠。
5G时代下的回传网络通过整合SDN与NFV技术体系实现了智能化发展进程；而其内在具备能力支撑下能够确保利用MPLS Over TSN这一确定性网络技术实现业务传输过程中的极低延迟和稳定性
TSN 技术与 5G 承载网深度融合不仅包含支撑 TSN 技术实现确定性传输的核心需求 同时也涵盖了从回传链路到前传链路 最后延伸至中传链路全方位部署 TSN 技术的技术基础 TSN 技术与 5G 承载网络融合部署方案旨在将确定性传输方案从基于业务系统 TSN 网络与 5G URLLC 的拼接模式 转向嵌入式地融入 5G 网络系统内部承载网架构的方向
深度融合方案：5G 网络与 TSN 深度集成
旨在确保数据在5G网络全路径上达到预定的最大时延限制。通过整合以太网时间敏感网络技术来实现这一目标的过程中,将提升其整体可靠性和稳定性.优化上行链路的数据流量调度策略,并加快同步过程.
在TSN与5G深度融合阶段中,整个5G网络系统的架构将升级为一种支持实时性传输的桥梁式架构,该架构将负责传输来自业务系统的实时数据的远程确定性传输.如3CPP R16标准文档中的23.501卷所明确提出的方案,如图所示.
5G覆盖范围不仅包含终端设备、无线接入点、承载平台以及核心网络系统，在传输层安全规范（TSN）框架下充当了一个关键的逻辑网桥角色。借助TSN转换器功能实现用户界面与业务面之间的高效切换与互联互通机制。在该系统架构中，5G TSN转换器被划分为设备侧与网络侧两类配置模式：其中设备端点配置对应的转接口名称定义为DS-TT（终端侧），而网络管理层面的转接口则以NW-TT（网关侧）命名并部署。值得注意的是，在这一过程中，5G主干网对TSN协议本身实现了高度的通透性保障，并通过相应的转接口配置实现了入站与出站端口的有效对接。
在深度融合的架构下，在5G网络中将TSN交换机视为一个封闭组件，并支持集中式架构和时钟同步机制；通过构建新的QoS模型框架（流向参数、帧周期、突发到达间隔）来精确实现多维度流量调度策略；确保UE与UPF间的多种业务流量以确定性方式进行高质量共网传输。
5G TSN 的技术架构
如图所示，在集成到TSN系统中后将TSC视为一个TSN桥接设备能够实现以下功能：具备高精度的时间同步能力确保数据传输过程中的确定性和通过TSN管理实现各子系统的协同工作同时能够完成网络拓扑结构的自动识别与优化。这种技术方案特别适用于固网部署困难或者需要满足移动节点高性能需求的企业场景能够在保障服务质量的同时有效支撑TSN网络的服务运行并最终实现可靠且确定性的网络传输服务
5GC CP 与 TSN AF 进行连接 ：
- TSN 利用 NEF N33 实现了 5G 网络的开放功能。
- TSN 采用 PCF N5 支持 TSN 关联会议的配置策略。
在 5GC UP 方面，UPF 发挥了TSN桥接器的作用。由于TSN被视为一种增强型具备实时特性的网络架构，在其基础上引入NW-TT功能（即Network-Side TSN翻译器）。该设备通过NW-TT实现了对TSN网络的有效连接，并负责处理相关的LLDP配置、时钟同步以及报文时间戳管理等工作。此外，在CNC控制下完成相应的QoS调度任务也是其主要功能之一。
此外，在工业互联网领域中通常采用工业以太网作为通信协议的标准。因此，UPF（统一 packet format）处理的PDU（packet data unit）Session Type被配置为Ethernet类型；基于策略执行相应的QoS（quality of service）优化措施。
5G TSN 的挑战
运营商在引入 TSN 时需考虑技术成熟度、部署难度和产业支持情况。
在技术层方面
在部署层面 。TSN 技术对时间同步有高度依赖性，在广域范围内需要应对大规模数据传输、远距离通信以及复杂的网络架构等挑战。为了确保 TSN 技术能够实现低延迟传输，在广域场景下用户端设备必须部署至现场位置，并对运营商的组网架构及运营成本提出更高要求。
就产业支持而言 ，需产业界共同推进 TSN 相关的工业网络建设 以及终端设备与芯片的完善化发展 。