5G+TSN联合测试床：5G Over TSN前传网络发展及验证报告

5G+TSN联合测试床： 5GOverTSN前传网络发展及验证报告 （2022年版） 工业互联网产业联盟2023年9月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 编写说明 随着5G在千行百业的广泛应用，工业互联网逐渐成为5G应用的蓝海市场。相较于消费互联网，终端之间交互需求增长，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，时间敏感网络（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。为了更好建立工业互联网时间敏感网络产业生态，了解TSN应用于移动前传网络当前技术落地现状水平，2020年起工业互联网联盟（AII）启动了5GTSN融合部署的技术及产业研究工作，积极开展时间敏感网络与5G在工业领域融合部署的可行性调研及评估，并于2021年10月正式启动“5G+TSN联合测试床项目”，该项目于2022年9月完成了国内首次5GoverTSN前传网络技术及方案验证工作。 本次验证工作旨在针对基于分组传送的时间敏感网络用于部署5G前传网络的技术发展及相关技术指标进行验证，验证这一技术方向在工业5G专网承载网部署及作为工业园区网络综合承载方案中落地的可行性，为工业园区网络设计、规划及建设提供新的建设思路，推动工业网络创新发展。 组织单位：工业互联网产业联盟牵头单位：中国信息通信研究院 参与单位（排名不分先后）：上海诺基亚贝尔、思博伦通信公司、是德科技 目录 第一部分：背景说明1 1.发展现状1 2.场景说明2 3.关键技术5 第二部分：技术方案验证9 1.5G业务质量对比测试9 2.前传网络能力测试26 3.综合承载方案验证33 附录测试设备介绍37 1.5G系统37 2.前传设备39 3.仪表40 第一部分：背景说明 5G作为新一代移动互联网技术，除了将为消费互联网带来更好的业务体验，还将为产业互联网（工业互联网、车联网等）提供技术支撑。相比消费互联网上的应用，工业互联网业务的传输对于网络安全性、可靠性、确定性有更严格的要求，这将对5G的网络架构及技术实现提出新的挑战。 TSN技术在现有的以太网基础上增加或者增强了时间同步，流量调度等能力，可以差异化对不同业务流量实现高质量确定性传输。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。 5G与TSN的融合部署及应用为进一步满足工业互联网新型应用需求提供了可选方案。 1.发展现状 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5GTSN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5GuRLLC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5GTSN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5GTSN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。 2.场景说明 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，如下图所示： 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。 图15G用户面及基带模块部署在综合接入点场景 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。 图25G用户面及基带模块部署在综合接入机房场景 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。 图35G用户面及基带模块部署于园区综合机房场景 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。 图45G基带模块与用户面设备分设场景 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.关键技术 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。 表格1主流前传方案对比表 类别 光纤直驱 无源WDM 半有源 WDM 有源WDM 以太网 组网形态 点到点 点到点 链/环/点到 点 链/环/点到 点 网/链/环/点到点 纤芯资源 6~12 1 1 1 2/1 接口类型 25G白光 25G彩光 25G彩光 25G彩光 以太接口 可靠性 无保护 无保护 1+1保护 1+1保护 手段丰富 传输距离 - <10km >10km >10km >10km 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Option6、Option7和 Option8。其中的Option7是物理层内切分，又可细分为Option7-1,Option7-2和Option7-3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。 图5AAU-DU底层分离的切分选择示意 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Option8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。 图6CPRI和eCPRI切分方式的演进趋势 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5GNR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。如下图所示： 图7帧抢占机制原理示意图 第二