2024年5G-TSN技术发展白皮书

中国联通5G-TSN技术 发展白皮书 中国联通 英特尔公司、香港应用科技研究院2024年6月 版权声明 本报告版权属于中国联合网络通信有限公司研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国联通研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 目录 前言1 一、概述3 二、技术现状及挑战4 2.1TSN标准及产业发展4 2.25G-TSN标准化演进6 2.35G-TSN发展挑战7 三、基于云原生技术的5G-TSN解决方案9 3.1DS-TT11 3.2NW-TT14 3.3测试验证15 3.4实践成效16 四、应用场景16 4.1工业互联网17 4.2车联网18 五、展望19 缩略语21 前言 随着工业数字化和智能化的推进，工业网络中大量存在的AGV、机器人、运动协作、物流、柔性化生产等场景提出了确定性的移动网络服务需求。 5G-TSN定义了5G网络中的确定性通信服务能力，使5G网络能够以与业务同步的节拍传输数据，提供有边界的业务保证能力，包括传输时延、抖动、丢包率、可靠性等SLA指标，从而为工业生产提供确定性的服务保障。 然而5G-TSN产业目前尚处于发展初期，目前网络不具备齐套部署条件，客户侧业务配置导入困难。中国联通一直致力于推动5G-TSN产业化。2023年成立5G-TSN联合攻关实验室，与产业合作伙伴积极开展了一系列技术实践。近期，携手推出云原生、轻量化的端到端5G-TSN解决方案：基于标准协议实现了5G-TSN跨域精准时间同步与门控调度，并基于标准化接口实现对业务流的精确编排与调度；支持标准容器平台，优先打通5G-TSN数据面功能，更易于现阶段业务落地。 5G-TSN技术正在向工业核心生产纵深发展，中国联通希望与合作伙伴携手共进，持续推进5G-TSN标准化解决方案，共同推动5G-TSN技术发展，赋能行业发展，加速工业智能化进程。 编写组成员（排名不分先后）： 中国联通：魏进武、黄蓉、王友祥、裴郁杉、李先达、李瑞华、庞博、陈瑶华、吴越、刘珊、黄倩、周伟、刘欢欢、常瀚文 英特尔：赵骞理、高纪明、曾红李、张可、张海亮、王虎文香港应用科技研究院：范世君、曾佑佑、张建军、董亮、夏 亮、李伟、刘敏 一、概述 5G凭借在高带宽、低延时等方面的关键网络能力，成为加速传统行业转型，以及培育新型业态的重要支撑。对于工业智能化、智能交通调度等时延敏感型应用而言，5G专网仍需要在超低时延、时延抖动、可靠性、可用性等方面进行进一步提升，以满足实际场景的严苛要求。 在此背景下，5G和TSN的协同创新成为5G专网实现能力跃升的重要方向。5G-TSN有助于将5G网络跨域时钟传输抖动从几十毫秒级降至微秒（us）量级，平均传输时延从几十毫秒级下降至毫秒（ms）量级，从而满足更多行业应用的严苛要求，为行业用户带来更加高效、稳定的网络服务。 随着5G-A（5G-Advanced）标准被正式冻结，5G-A技术的商用版图正式展开，这也给5G-TSN技术带来了广阔的应用前景。5G-A的强大网络能力与TSN低时延、高确定性能力的结合，可以支撑沉浸实时、工业互联、通感一体、千亿物联等应用场景对于网络的需求。 本白皮书提出了一种云原生、轻量化的5G-TSN技术解决方案，形成了集成终端侧TSN转换器（DS-TT）、网络侧TSN转换器 （NW-TT）在内的端到端5G-TSN平台，实现低至10ms的网络时延，可有效满足工业生产、车联网等应用场景的严苛要求。该方案可 实现端到端一体化交付，有助于用户节约在部署、调试、优化方案方面的成本，加快5G-TSN商用。 二、技术现状及挑战 2.1TSN标准及产业发展 TSN作为新一代以太网技术，是一组基于标准以太网络的IEEE标准、规范和功能的集合，用于支持时间敏感应用和精确的时间同步、数据的及时传输和流量调度。TSN技术相应基础共性标准主要由IEEE802.1TSN工作组研究制定。TSN关键的特性之一是提供确定可靠的消息传递，主要通过时间同步和流量调度来保障，具体过程分别由IEEE802.1AS和IEEE802.1Qbv等标准实现。TSN的另一个关键特性是支持开放的、独立于供应商的网络配置，因此可以由任何供应商的任何标准兼容设备组成，并且可以由任何符合标准的网络配置软件来配置。 表1.IEEETSN任务组标准示例 IEEE标准 描述 信息 IEEE802.1AS 定时与同步 定义以太网时间同步的相关协议，用于确保满足时间敏感应用的同步要求。 IEEE802.1Qbv 时间感知整形器 定义了一种时间感知整形器（TimeAwareShaper，TAS），支持Qbv协议的交换机可以按照配置好的门控列表来打开/关闭交换机出口队列，从而为周期型的重要数据提供确定性延迟保障。 IEEE802.1Qbu 帧抢占 旨在降低数据流延迟的同时，最大限度地提升数据链路的有效带宽 IEEE802.1CB 帧复制和消除 定义了网桥和终端创建、消除重复帧的程序、管理对象和协议，用于提高数据传输的可靠性。 目前，TSN网络技术已成为包括芯片厂商、通信设备厂商、自动化厂商、相关行业组织以及各类研究机构在内的产业链各个组成环节关注的热点。在芯片领域，以太网芯片开发厂商纷纷推出TSN工业以太网芯片，面向实时应用场景的CPU也逐步增加了对TSN功能的支持，这些芯片能够与现有标准以太网交换芯片兼容，同时有效地实现了TSN功能。通过搭载具备TSN功能的芯片，并支持关键的IEEETSN标准，TSN交换机成为构建TSN网络的关键设备之一，已经广泛应用于各种实时性要求较高的场景。 2.25G-TSN标准化演进 5G与TSN协同可提供更好的移动性、灵活性、业务编排能力，并有效降低运维成本，能够进一步扩大5G网络和TSN技术的应用场景。其具备端到端的时间/频率同步、高可靠性、低延迟和抖动，提供了超越普通5G网络方案的确定性，从而能够解决智能制造、智慧交通等垂直行业中，柔性制造、远程设备控制、设备协作、现场辅助组装、质量控制和安全监控等应用在网络确定性和延迟方面的挑战。 目前，多个行业组织都启动了对5G-TSN的标准研究与制定工作。其中，3GPP在3GPPRelease16（R16）、3GPPRelease17 （R17）和3GPPRelease18（R18）等多个版本的标准规范中，提出了多项5G-TSN的相关标准。 3GPP5GR16标准提出了5G与TSN网络的协同，5GURLLC能力的逐步成熟为实现5G与TSN的融合提供了低延迟、高可靠保障。3GPP5GR17版本引入了无需外接TSN网络的5G内生确定性通信，覆盖了更多更灵活的应用场景。3GPP5GR18版本增强了5G网络的开放能力，增强了5GS对时钟源故障的感知和处理机制，增强了时间同步功能的高可靠机制，并引入广域网和三层网络的确定性，进一步扩大了5G-TSN的应用场景。 图1.3GPP在不同版本引入5G-TSN的主要功能 2.35G-TSN发展挑战 围绕5G-TSN的技术创新与实践，行业开展了卓有成效的探索。2023年，中国联通携手合作伙伴共同成立“中国联通5G-TSN联合攻关实验室”，发布了5G-TSN确定性工业网络创新系列设备，包括5G智算工业网关、5G工业一体基站、5G工业核心网等，纵深推进5G进入工业生产环节。但是要推动5G-TSN在行业领域的深入应用，仍有许多的挑战亟待解决，包括： 5G-TSN协议架构复杂，需要5G网络全面升级：5G-TSN新增了TSN应用功能实体，能够与TSN域中集中网络配置 实体、5G核心网中策略控制功能、会话管理功能、终端侧TSN转换器（DS-TT）及网络侧TSN转换器（NW-TT）等交互，这涉及到大量的修改，需要终端、基站、核心网进行全面升级，目前不具备齐套规模部署条件。 需要进一步优化混合流业务编排：在数据面层面，5G-TSN 涉及到复杂的混合流业务，这些业务如果得不到高效、精心的编排管理，将影响5G-TSN的实现效果。目前，行业更 多地采用自研业务编排管理系统，将其部署在业务服务器中，不利于管理系统的统一整合。 5G与TSN需要进一步提升协同能力：要在5G-TSN协同 网络中实现强实时业务的确定性传输，需要实现5G与TSN的高度协同，这要求克服无线信道时变带来的不确定性，提升5G网络中核心网及基站的时间感知能力、实现基于精准时间的资源调度与数据转发，并通过5G与TSN系统之间的协同和融合实现网络拓扑配置与信息交换。 DS-TT与NW-TT对于芯片算力有着较高要求：在5G-TSN 网络中，DS-TT与NW-TT在算力、稳定性等方面有着较高要求。TSN在5G顶层集成，并通过TSN转换器（TT）进行系统间拉通。这意味着DS-TT与NW-TT需要承载网络对接、流量调度、业务系统映射等负载，满足时间同步、低时延、高可靠、资源管理等功能需求，要求强大且高度确定性的算力进行支持。 5G-TSN部署带来较高的成本与门槛：5G-TSN网络的部 署需要DS-TT与NW-TT的引入，以及业务能力的适配，通常意味着复杂的部署与适配过程，导致较高的成本支出。用户需要可以一站式部署的5G-TSN轻量化部署方案，以实现更高的敏捷性、灵活性。 三、基于云原生技术的5G-TSN解决方案 基于云原生技术的5G-TSN解决方案打造了端到端的5G-TSN平台。该方案支持标准容器平台，包括基于容器的5GgNB、5G核心网网元（5GC），以及5G商用终端（5GCPE）。相较于传统方案，该方案通过软硬件的协同优化与创新，可支持5G-TSN的端到端部署，实现小于600ns的同步精度和低至10ms的网络时延，为工业智能化、车联网等应用提供了5G确定性网络支撑。 图2.5G-TSN解决方案架构 完整的端到端5G-TSN网络拓扑由TSN终端、DS-TT、基站、核心网和TSN服务端组成。以工业PLC这一常见的确定性业务为例，机械臂作为TSN终端，通过网线接入DS-TT，接收来自运行在远端的PLC指令并执行；PLC控制器运行在数据中心，通过N6接入核心网，为TSN终端提供服务。基站和核心网为TSN提供了网络连接 基础。 DS-TT和NW-TT是5G与TSN的融合点。NW-TT位于UPF和TSN服务端之间，DS-TT位于TSN终端与基站之间，提供5G入网和对5G流量的TSN协议处理。 本方案中，优先开发了DS-TT和NW-TT的数据面功能，实现了5G与TSN跨域时钟传递与同步、QoS协同、混流业务编排等TSN基础功能，为业界确定性业务的落地提供实践参考。 表2.DS-TT与NW-TT功能支持 DS-TT功能支持 NW-TT功能支持 以太网PDU会话：支持2层TSN协议报文的传递SIB9：协议解析空口授时信令双时间域处理：实现5G时间域与TSN时间域双时间 域处理 802.1AS：TSN域时钟同步802.1Qbv：下行门控802.1Qbu：基于优先级的 双时间域处理：实现5G时间域与TSN时间域双时间 域处理 TSN流的QoS与5GSQoS之间的协同 802.1AS：TSN域时钟同步802.1Qbv：上行门控 802.1Qbu：基于优先级的帧抢占机制 帧抢占机制 3.1DS-TT DS-TT位于UE端，需要实现TSN网络与5G时钟的同步，网络侧TSN域时钟的同步，以及与TSN终端站的时间同步。另一方面，需要支持IEEE802.1Qbv、Qbu调度转发机制，以满足多种类别流量对网络可用带宽和端到端时延的不同要求，采用时延关键类保证比特率（GBR，GuaranteedBitRate）来保障端到端的低时延。 在本方案中，DS-TT的软硬件架构如图3所示。其硬件部分包括报文时间戳处理、时钟系统、IEEE802.1Qbu、IEEE802.1Qbv和硬件B码同步处理模块等，以及包含增强I/O的CPU芯片和TSN网卡芯片，能够为各种软件功能提供可