1.1 引言/導(dǎo)讀
中國信息通信研究院作為工業(yè)和信息化部直屬科研事業(yè)單位，致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)研究工作，堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，圍繞制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略重點(diǎn)領(lǐng)域，積極推動(dòng)新興技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)深度融合和協(xié)同創(chuàng)新，中國信通院擁有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)新與測試驗(yàn)證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)試驗(yàn)與測評(píng)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步、支撐國內(nèi)企業(yè)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了有力保障。中國信通院在國內(nèi)很早就開展了TSN技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究，承擔(dān)了多項(xiàng)工信部智能制造專項(xiàng)、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)專項(xiàng)和工業(yè)創(chuàng)新工程專項(xiàng)，最早在國內(nèi)建設(shè)了TSN試驗(yàn)驗(yàn)證測試床并多次開展了TSN產(chǎn)品測試，多次發(fā)布TSN產(chǎn)業(yè)白皮書，有力的推動(dòng)了國內(nèi)TSN研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物全要素的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)則可以把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G的重要應(yīng)用場景之一，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是賦能智慧工廠數(shù)字化、無線化、智能化的重要方向。
5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高可靠特性，可以滿足工業(yè)設(shè)備的靈活移動(dòng)性和差異化業(yè)務(wù)處理能力需求，推動(dòng)各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）終端、Robot、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）、場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備等的無線化應(yīng)用，助力工廠柔性化生產(chǎn)大規(guī)模普及。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給5G帶來了廣泛的應(yīng)用場景，同時(shí)也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是5G URLLC業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延和可靠性提出了更高的需求，例如，遠(yuǎn)程駕駛要求在5ms用戶面時(shí)延下實(shí)現(xiàn)10-5的可靠性；電力分配系統(tǒng)的要求是2ms用戶面時(shí)延下實(shí)現(xiàn)10-6的可靠性；而工廠自動(dòng)化場景的要求2ms用戶面時(shí)延下實(shí)現(xiàn)10-6的可靠性。
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是工業(yè)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠和確定性傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)，統(tǒng)一擴(kuò)展時(shí)間同步、確定流調(diào)度、高可靠無縫冗余、網(wǎng)絡(luò)管控等功能，提供確定有界低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠流傳輸服務(wù)，支持多業(yè)務(wù)流高質(zhì)量共網(wǎng)傳輸。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用至工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、車輛內(nèi)通信、航空宇航系統(tǒng)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化有望解決工業(yè)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的異構(gòu)性和兼容性問題，實(shí)現(xiàn)有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一與互聯(lián)互通。
以工業(yè)為代表的垂直行業(yè)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出了嚴(yán)苛的業(yè)務(wù)體驗(yàn)、效率及性能要求，TSN技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)使能5G網(wǎng)絡(luò)安全可靠的確定性數(shù)據(jù)傳輸，TSN與5G網(wǎng)絡(luò)融合將成為5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向確定化演進(jìn)的重要技術(shù)方向。目前，如何在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，對(duì)5G和TSN技術(shù)進(jìn)行融合部署，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、標(biāo)準(zhǔn)組織研究的熱點(diǎn)之一，3GPP已經(jīng)在R16/R17中開始了5G TSN的標(biāo)準(zhǔn)化工作，建立了基本的融合架構(gòu)，R17 5G+TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即將凍結(jié)。自2020年以來，國內(nèi)大力推廣5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)部署，5G在垂直行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，工信部多次發(fā)文，將5G及TSN技術(shù)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，并相關(guān)專項(xiàng)扶植產(chǎn)業(yè)。
基于上述現(xiàn)狀，5G TSN融合技術(shù)測試床旨在驗(yàn)證TSN架構(gòu)與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合部署演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，為TSN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中部署提供參考，為URLLC業(yè)務(wù)應(yīng)用于垂直行業(yè)提供參考解決方案，并推動(dòng)國際國內(nèi)相關(guān)5G TSN標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。
1.2 關(guān)鍵詞
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、5G、核心網(wǎng)、URLLC
1.3 測試床項(xiàng)目承接主體
1.3.1 發(fā)起公司和主要聯(lián)系人聯(lián)系方式
中國信息通信研究院，段世惠，18500465398，duanshihui@caict.ac.cn
中國信息通信研究院，朱瑾瑜，15313152798，zhujinyu@caict.ac.cn
1.3.2 合作公司
北京郵電大學(xué)
中國移動(dòng)通信集團(tuán)有限公司
中國電信集團(tuán)有限公司
華為技術(shù)有限公司
新華三技術(shù)有限公司
上海諾基亞貝爾股份有限公司
高通(中國)控股有限公司
英特爾（中國）有限公司
深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司
1.4 測試床項(xiàng)目目標(biāo)
結(jié)合國際上最新的研究進(jìn)展，本測試床主要研究5G與TSN融合技術(shù)的發(fā)展路線、關(guān)鍵技術(shù)以及在垂直行業(yè)應(yīng)用中的痛點(diǎn)問題，模擬現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種真實(shí)情況，對(duì)5G與TSN融合的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進(jìn)行驗(yàn)證測試，對(duì)各種新算法、新技術(shù)、新設(shè)備、新方案進(jìn)行測試，對(duì)多廠家設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通測試以評(píng)判組網(wǎng)性能，旨在于為5G技術(shù)在確定性要求嚴(yán)格的垂直行業(yè)場景中的應(yīng)用提供解決思路或者解決方案，為5G技術(shù)的應(yīng)用推廣提供必要的理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。
1.5 測試床方案架構(gòu)
1.5.1 測試床應(yīng)用場景
本測試床主要應(yīng)用于以下兩種場景：
1．TSN作為5G網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò)，即利用TSN保證5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸確定性，TSN網(wǎng)絡(luò)連接5G基站與UPF構(gòu)建高可靠低時(shí)延承載網(wǎng)絡(luò)，滿足TSN終端設(shè)備間確定低時(shí)延通信業(yè)務(wù)需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)中同相流的時(shí)間同步需求。現(xiàn)階段考慮把TSN應(yīng)用于5G RAN部分，尤其是前傳部分。
2．5G作為TSN網(wǎng)橋/交換機(jī)互聯(lián)多TSN域，即利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拉遠(yuǎn)傳輸，5G系統(tǒng)作為一個(gè)TSN橋，集成在TSN系統(tǒng)中。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉(zhuǎn)換器，用于TSN系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間用戶面的交互。5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能由終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）組成。
測試床適用于園區(qū)內(nèi)的工廠內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的TSN域之間使用5G連接、工廠外網(wǎng)使用5G橋接TSN域進(jìn)行廣域連接、5G RAN與CN使用TSN作為承載的多種場景。
1.5.2 測試床架構(gòu)
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的位置
本測試床是為了驗(yàn)證5G與TSN融合技術(shù)的結(jié)合，以保證5G網(wǎng)絡(luò)確定性技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在AII總體架構(gòu)中屬于網(wǎng)絡(luò)視圖中的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部分，即通過有線、無線方式，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系相關(guān)的人機(jī)物料法環(huán)以及企業(yè)上下游、智能產(chǎn)品、用戶等全要素連接，支撐業(yè)務(wù)發(fā)展的多要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)根據(jù)協(xié)議層次有底向上可以分為多方式接入、網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸層傳送。
多方式接入包括有線接入和無線接入，通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)PON、TSN等有線方式，以及5G/4G、WiFi/WiFi6、WIA、WirelessHART、ISA100.11a等無線方式，將工廠內(nèi)的各種要素接入工廠內(nèi)網(wǎng)，包括人員（如生產(chǎn)人員、設(shè)計(jì)人員、外部人員）、機(jī)器（如裝備、辦公設(shè)備）、材料（如原材料、在制品、制成品）、環(huán)境（如儀表、監(jiān)測設(shè)備）等；將工廠外的各要素接入工廠外網(wǎng)，包括用戶、協(xié)作企業(yè)、智能產(chǎn)品、智能工廠以及公共基礎(chǔ)支撐的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、安全系統(tǒng)、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)等；網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)工業(yè)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)管理等功能；傳輸層基于TCP、UDP等實(shí)現(xiàn)設(shè)備到系統(tǒng)的端到端數(shù)據(jù)傳輸功能。
5G TSN融合技術(shù)測試床將網(wǎng)絡(luò)體系中的實(shí)現(xiàn)多方式接入、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)和端到端數(shù)據(jù)傳輸功能，5G TSN融合技術(shù)測試床的在AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能視圖網(wǎng)絡(luò)體系框架中的位置如圖 1所示。
圖：5G TSN融合技術(shù)測試床在AII體系架構(gòu)2.0中的位置
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施框架的位置
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)框架中，本測試床內(nèi)容包含設(shè)備層的5G終端、5G RAN、邊緣和企業(yè)層的5G無線網(wǎng)絡(luò)、本地私有云等，如下圖所示：
圖：5G TSN融合技術(shù)測試床在AII體系架構(gòu)2.0中實(shí)施框架中的位置
1.5.3 測試床方案
5G TSN融合技術(shù)測試床嘗試建立一個(gè)具備端到端確定性的測試床。在本測試床中，按照網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)營的模式，仿真運(yùn)營體系和網(wǎng)絡(luò)體系，運(yùn)營體系負(fù)責(zé)對(duì)用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的配置和監(jiān)測，網(wǎng)絡(luò)體系負(fù)責(zé)對(duì)用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的實(shí)現(xiàn)。從用戶角度來看，用戶并不關(guān)注網(wǎng)絡(luò)體系的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，用戶對(duì)其業(yè)務(wù)給出具體需求后，由運(yùn)營體系將用戶的需求進(jìn)行SLA轉(zhuǎn)譯并配置對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)模板，該業(yè)務(wù)模板最終通過網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行全網(wǎng)端到端的下發(fā)和配置，在業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中，運(yùn)營體系收集網(wǎng)絡(luò)體系的網(wǎng)絡(luò)之類評(píng)估信息和業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估信息，根據(jù)所收集的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)整。
圖：5G TSN融合技術(shù)測試床體系架構(gòu)
隨著3GPP R16/R17/R18以及IEEE 802.3 TSN等系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展以及相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，本測試床將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善，最終實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)。基于現(xiàn)有設(shè)備的成熟度和研發(fā)進(jìn)度（目前上市的設(shè)備基本上都是R15階段的設(shè)備），本測試床擬分為兩個(gè)階段，兩個(gè)階段對(duì)應(yīng)于前述的兩個(gè)應(yīng)用場景。
（1）第一階段
第一階段，本測試床主要考慮利用TSN保證5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸確定性，尤其是在5G承載網(wǎng)部分，最終實(shí)現(xiàn)從RRU到核心網(wǎng)端到端的5G TSN融合，實(shí)現(xiàn)高可靠性，高精度，低延遲的確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸。測試床計(jì)劃部署方案如下圖所示：
在第一階段中，本測試床主要以5G承載網(wǎng)在各個(gè)部分和TSN的融合。主要可劃分為：5G前傳+TSN的結(jié)合；5G回傳+TSN的結(jié)合；5G核心網(wǎng)+TSN的結(jié)合。
（2）第二階段
在第二階段中，5G系統(tǒng)作為一個(gè)TSN橋，集成在TSN系統(tǒng)中，具體架構(gòu)參見下圖。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉(zhuǎn)換器（TT），用于TSN系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間用戶面的交互。5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能由終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT）組成，當(dāng)前市面上尚無成熟的TSN轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。
5GS網(wǎng)元可作為TSN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)或多個(gè)TSN網(wǎng)橋。5GS網(wǎng)橋由單個(gè)UPF（即PSA）側(cè)的端口、UE和UPF之間的用戶平面隧道以及DS-TT側(cè)的端口組成。對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)5GS網(wǎng)橋，NW-TT上的端口都支持與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接，DS-TT側(cè)的端口與PDU會(huì)話相關(guān)聯(lián)，從而提供了與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接。
1.5.4 方案重點(diǎn)技術(shù)
1. 5G系統(tǒng)與TSN系統(tǒng)時(shí)鐘同步
TSN采用gPTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，5G系統(tǒng)有自身的時(shí)鐘同步技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)和TSN有各自的主時(shí)鐘（GM）。5G網(wǎng)絡(luò)中的各網(wǎng)元設(shè)備，包括用戶設(shè)備（UE）、5G基站（gNB）、UPF、NW-TT和DS-TT與5G GM同步（即5G內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘）。如何實(shí)現(xiàn)5G與TSN融合系統(tǒng)的跨域時(shí)間同步是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。目前的時(shí)間同步方法主要有透明時(shí)鐘法,整個(gè)端到端的5G系統(tǒng)可視為IEEE 802.1AS“時(shí)間感知系統(tǒng)”，只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS協(xié)議，并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)保持時(shí)鐘同步，執(zhí)行與IEEE 802.1AS相關(guān)的所有功能，例如gPTP、時(shí)間戳、最佳主時(shí)鐘算法（BMCA）、rateRatio等。針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量繁多的交換設(shè)備往往會(huì)帶來較大的時(shí)間積聚誤差問題，基于透明時(shí)鐘法不需要維持主從時(shí)鐘狀態(tài)，也不需要進(jìn)行時(shí)鐘同步操作。TSN作為主時(shí)鐘，通過UPF/UE預(yù)測5G入口和出口的時(shí)間延遲，將消息的時(shí)間戳填入gPTP事件消息的修正字段，TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘收到gPTP消息后可根據(jù)駐留時(shí)間對(duì)積聚誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與TSN跨網(wǎng)時(shí)間同步。5G系統(tǒng)各組成部分使用5G系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘，通過NW-TT與DS-TT實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)時(shí)鐘與TSN系統(tǒng)時(shí)鐘的轉(zhuǎn)換。因此，DS-TT和NW-TT需要同時(shí)支持5G網(wǎng)絡(luò)和TSN兩種時(shí)鐘，并需要計(jì)算兩種時(shí)鐘的偏差。當(dāng)TSN業(yè)務(wù)需要DS-TT和NW-TT通過門控進(jìn)行流量調(diào)度以消除5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延抖動(dòng)時(shí)，通知給5G網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文達(dá)到時(shí)間和周期時(shí)間將以TSN的時(shí)鐘為基準(zhǔn)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)收到調(diào)度設(shè)置請(qǐng)求后，調(diào)度周期需要先轉(zhuǎn)化為以5G時(shí)鐘為基準(zhǔn)的時(shí)間,然后進(jìn)行流量門控的調(diào)度。
2. 數(shù)據(jù)平面QoS映射
5G QoS機(jī)制主要負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)的角度進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和提供業(yè)務(wù)的差異性，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體根據(jù)不同的質(zhì)量需求來處理不同業(yè)務(wù)，涉及QoS的主要參數(shù)有資源類型（GBR、delay critical GBR和Non-GBR）、優(yōu)先級(jí)、分組時(shí)延、分組錯(cuò)誤率、平滑窗大小、最大數(shù)據(jù)量等，和URLLC密切相關(guān)的是時(shí)延關(guān)鍵GBR（delay critical GBR）。
如何將TSN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量QoS準(zhǔn)確的映射至5G流量QoS，進(jìn)行相應(yīng)處理并保證時(shí)間敏感流量的性能尤為關(guān)鍵。在5G系統(tǒng)中，通過時(shí)延關(guān)鍵GBR(DC-GBR)，結(jié)合時(shí)間敏感通信輔助信息(TSCAI)對(duì)無線資源進(jìn)行預(yù)約，保證時(shí)延性能需求。5QI(5G QoS indicator)是5G系統(tǒng)定義的服務(wù)質(zhì)量QoS指標(biāo)。對(duì)于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中高實(shí)時(shí)周期性同步流，如運(yùn)動(dòng)控制，將采用5QI提高在無線側(cè)調(diào)度的優(yōu)先級(jí)，降低傳輸時(shí)延。同時(shí)，采用TSCAI來描述流量特征，包括：通信模式（周期與非周期）、流量方向（上行與下行）、流量的時(shí)間（到達(dá)與上界）等。根據(jù)業(yè)務(wù)流特征和模型，采用相應(yīng)協(xié)同的流量調(diào)度策略，減少時(shí)延抖動(dòng)，同時(shí)保證時(shí)間同步。5G TSN支持電IEEE 802.1Qbv中定義的流量調(diào)度的保持和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，其數(shù)據(jù)包僅需在預(yù)定的周期上，打開門控以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，就可以控制報(bào)文經(jīng)過5G TSN的時(shí)延。
3. 網(wǎng)絡(luò)管控與資源協(xié)同
5G系統(tǒng)控制平面的網(wǎng)絡(luò)暴露功能(NEF)通過應(yīng)用功能AF模塊與TSN集中網(wǎng)絡(luò)配置器(CN)實(shí)現(xiàn)通信。通信可以基于802.1AB的數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)與鏈路信息交互。
TSN流的需求信息將映射為5G的流量QoS信息，通過配置5G系統(tǒng)以滿足流量需求。因此，為了確保5G系統(tǒng)與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)無縫融合，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)也需要融合。5G虛擬TSN網(wǎng)橋需要支持SNMP代理功能，通過連接UE和UPF的DS-TT和NW-TT以太網(wǎng)端口，收集連接設(shè)備與端口的相關(guān)狀態(tài)信息，特別是端口狀態(tài)的管理。同時(shí)，5G虛擬TSN網(wǎng)橋通過端口和LLDP收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，保存至SMNP MIB庫，任何端口狀態(tài)變化或端口間連接變化，都需通知集中網(wǎng)絡(luò)配置器CNC，以便重新配置該虛擬網(wǎng)橋。
5G TSN網(wǎng)絡(luò)體系中TSN AF除了受TSN系統(tǒng)集中管理控制，對(duì)上還可承接網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維所需的配置管理，對(duì)下能通過能力開放NEF與5G系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)QoS參數(shù)協(xié)同。結(jié)合終端側(cè)的業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和研判，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)QoS策略，實(shí)現(xiàn)由業(yè)務(wù)體驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)和流量調(diào)度。
1.5.5 方案自主研發(fā)性、創(chuàng)新性及先進(jìn)性
本測試床方案是中國信息通信研究院基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合體系架構(gòu)，將TSN技術(shù)應(yīng)用于到5G網(wǎng)絡(luò)中以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全程端到端的確定性為目標(biāo)開展的研究和技術(shù)驗(yàn)證。測試床的實(shí)施方案經(jīng)過需求分析、關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和可行性分析后得出。相關(guān)軟硬件系統(tǒng)由聯(lián)合體單位自主研發(fā)，以上工作均體現(xiàn)了本測試床方案的自主研發(fā)性。
目前，國內(nèi)并沒有完整的5G TSN的融合系統(tǒng)的測試床，大部分對(duì)于5G TSN融合的應(yīng)用還停留在部分承載網(wǎng)部分或理論和模擬仿真中，作為當(dāng)前5G確定性技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向之一，5G TSN融合測試床可以有效驗(yàn)證該方向技術(shù)融合的成熟度，為5G確定性技術(shù)提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并推動(dòng)5G確定性技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的落地應(yīng)用，具有較大的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。
1.5.6 方案安全風(fēng)險(xiǎn)控制
在建設(shè)初期，本測試床將在封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)行，不接入公共互聯(lián)網(wǎng)，使用各種儀表來仿真真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以確保本測試床設(shè)備和數(shù)據(jù)運(yùn)行的安全性。
在建設(shè)后期，本測試床將形成特定的解決方案，后續(xù)將考慮在現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行過程中遇到的各種安全問題并采用5G網(wǎng)絡(luò)中成熟的安全技術(shù)來保障本測試床特定解決方案在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的安全性。
1.6 測試床實(shí)施部署
1.6.1 測試床實(shí)施規(guī)劃
時(shí)間 | 任務(wù) | 具體工作 | 輸出內(nèi)容 |
2021.1-2021.2 | 第一階段需求分析 | 確認(rèn)第一階段測試床的具體需求 | 第一階段測試床建設(shè)需求表 |
2021.2-2021.3 | 第一階段方案制定 | 完成第一階段測試床建設(shè)方案 | 第一階段測試床建設(shè)方案 |
2021.3-2021.4 | 第一階段測試床建設(shè) | 完成測試床的第一階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè) | 第一階段的測試床 |
2021.5-2021.12 | 第一階段測試床驗(yàn)證 | 對(duì)第一階段測試床開展各種技術(shù)驗(yàn)證 | 第一階段技術(shù)驗(yàn)證報(bào)告 |
2021.7-2021.8 | 第二階段需求分析 | 確認(rèn)第二階段測試床的具體需求 | 第二階段測試床建設(shè)需求表 |
2021.9-2021.10 | 第二階段方案制定 | 完成第二階段測試床建設(shè)方案 | 第二階段測試床建設(shè)方案 |
2021.11-2021.12 | 第二階段測試床建設(shè) | 完成測試床的第二階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè) | 第二階段的測試床 |
2022.1-2022.6 | 第二階段測試床驗(yàn)證 | 對(duì)第二階段測試床開展各種技術(shù)驗(yàn)證 | 第二階段技術(shù)驗(yàn)證報(bào)告 |
2022.7-2022.12 | 解決方案驗(yàn)證及測試床總結(jié) | 針對(duì)特定行業(yè)形成特定的行業(yè)解決方案并驗(yàn)證 梳理并總結(jié)測試床 | 特定解決方案 測試床總結(jié)報(bào)告 |
1.6.2 測試床實(shí)施的技術(shù)支撐及保障措施
本測試床參與方分工協(xié)作，共同支撐與保障本測試床的實(shí)施工作：
中國信息通信研究院負(fù)責(zé)與各家聯(lián)合體成員單位協(xié)商完成測試床的設(shè)計(jì)、部署和驗(yàn)證方案，由中國信息通信研究院完成測試床的部署實(shí)施。
本測試床由中國信息通信研究院及各家聯(lián)合體成員單位提供技術(shù)支撐，并聯(lián)合行業(yè)客戶進(jìn)行應(yīng)用場景落地及驗(yàn)證。
1.6.3 測試床實(shí)施的自主可控性
本測試床所涉及的網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)施均由聯(lián)合體成員單位自主生產(chǎn)和提供，具有自主可控性。
1.7 測試床預(yù)期成果
1.7.1 測試床的預(yù)期可量化實(shí)施結(jié)果
1.關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證
針對(duì)5G與TSN融合過程中的時(shí)鐘同步、QoS映射、網(wǎng)絡(luò)管控與資源協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證并形成技術(shù)驗(yàn)證報(bào)告以及相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)草案、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、專利和軟著。
2.端到端確定性實(shí)施方案
針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)對(duì)于確定性的差異化要求，給出具體實(shí)施方案，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)模板、網(wǎng)絡(luò)資源配置等方面，最終形成可實(shí)施的方案。
1.7.2 測試床的商業(yè)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益
目前TSN技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本上較為成熟，5G系統(tǒng)從3GPP R14開始到目前的R17,基本框架也基本上已經(jīng)確定，R15設(shè)備已經(jīng)在市場上銷售了，因此，未來1-2年時(shí)間內(nèi)不存在頻繁更新軟硬件額帶來復(fù)雜高昂的設(shè)備及維護(hù)成本。然而，在兩項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟的情況下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域卻并沒有對(duì)兩者結(jié)合進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。建成本測試床將有效加速該融合技術(shù)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)落地的速度。
本測試床構(gòu)建后，將積極開展5G TSN融合技術(shù)方面的研究和驗(yàn)證工作，在各個(gè)聯(lián)合體成員單位的合作之下，一方面大力推動(dòng)5G TSN融合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，另一方面加速5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中對(duì)于確定性要求嚴(yán)苛場景的落地實(shí)施應(yīng)用，促進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)企業(yè)深度應(yīng)用。
1.7.3 測試床的社會(huì)價(jià)值
本測試床建成后，將有力推動(dòng)5G TSN融合應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，積極響應(yīng)國家大力推廣5G的戰(zhàn)略部署，在網(wǎng)絡(luò)層面自主拓展前沿技術(shù)研究，助力工業(yè)及通信行業(yè)蓬勃發(fā)展。
1.7.4 測試床初步推廣應(yīng)用案例
本測試床初步建成后，首先考慮將聯(lián)合體各個(gè)成員單位的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入到測試床，結(jié)合發(fā)起單位采購的各種網(wǎng)絡(luò)測試儀表，充分模擬各種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)測試床各項(xiàng)指標(biāo)和所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行充分測試，輸出成果將考慮轉(zhuǎn)化為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。
其次，本測試床后續(xù)將陸續(xù)接入國內(nèi)其他廠家的5G相關(guān)設(shè)備，結(jié)合各個(gè)成員單位的行業(yè)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，在本測試床基礎(chǔ)上搭建各種行業(yè)特色模擬網(wǎng)絡(luò)，對(duì)行業(yè)典型5G應(yīng)用場景進(jìn)行驗(yàn)證，輸出成果將考慮轉(zhuǎn)化為行業(yè)典型解決方案并向企業(yè)進(jìn)行宣傳推廣。
1.8 測試床成果驗(yàn)證
1.8.1 測試床成果驗(yàn)證計(jì)劃
本測試床部署在中國信息通信研究院內(nèi)，根據(jù)3GPP、IEEE、IETF等國際標(biāo)準(zhǔn)組織的最新進(jìn)展，并結(jié)合現(xiàn)有的在售5G和TSN產(chǎn)品，按照兩個(gè)階段搭建測試床，并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，具體時(shí)間計(jì)劃見測試床實(shí)施規(guī)劃時(shí)間表。
1.8.2 測試床成果驗(yàn)證方案
測試床成果驗(yàn)證主要分為基礎(chǔ)技術(shù)驗(yàn)證、第一階段驗(yàn)證、第二階段驗(yàn)證、整體網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，相關(guān)驗(yàn)證內(nèi)容如下：
1. 基礎(chǔ)技術(shù)驗(yàn)證
? 時(shí)鐘同步技術(shù)驗(yàn)證
? 網(wǎng)絡(luò)QoS映射技術(shù)驗(yàn)證
? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理技術(shù)驗(yàn)證
? 其他技術(shù)驗(yàn)證
2. 第一階段驗(yàn)證
? 前傳網(wǎng)絡(luò)確定性驗(yàn)證
? 5G RAN確定性驗(yàn)證
? 5G核心網(wǎng)確定性驗(yàn)證
? 端到端業(yè)務(wù)確定性的驗(yàn)證
3. 第二階段驗(yàn)證
? 5G內(nèi)生確定性驗(yàn)證
? TT設(shè)備功能和性能驗(yàn)證
? 端到端業(yè)務(wù)確定性驗(yàn)證
4. 整體網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證
? 特定場景確定性驗(yàn)證
1.9 與已存在AII測試床的關(guān)系
本測試床和之前已經(jīng)審批的測試床無關(guān)聯(lián)。
1.10 測試床成果交付
1.10.1 測試床成果交付件
最終交付成果應(yīng)包含：
1. 一套5G TSN融合技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證的成功標(biāo)準(zhǔn)是可以在平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的5G TSN融合方案并通過系統(tǒng)的測試來驗(yàn)證平臺(tái)的各項(xiàng)指標(biāo)。
2. 3份以上測試報(bào)告，包括兩個(gè)階段的整體測試報(bào)告以及各種關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的測試報(bào)告。
3. 形成2項(xiàng)以上專利，基于5G TSN融合技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用方面的專利。
4. 形成2項(xiàng)以上行業(yè)/團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，基于5G TSN融合技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)，考慮在CCSA、AII、中國通信學(xué)會(huì)等組織開展標(biāo)準(zhǔn)研究。
5. 形成1項(xiàng)以上的行業(yè)解決方案。
1.10.2 測試床可復(fù)制性
本測試床可以應(yīng)用于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多個(gè)場景中，尤其是對(duì)于端到端確定性有明確要求的場景，例如工廠生產(chǎn)線控制、AGV控制、自動(dòng)駕駛等場景，也可以用于5G作為工業(yè)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)車間的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。隨著5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，本測試床可以應(yīng)用的場景將進(jìn)一步拓展擴(kuò)大。
1.10.3 測試床開放性
本測試床是對(duì)5G TSN技術(shù)融合方案的一種測試驗(yàn)證，與現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)，如ERP、MES等完全獨(dú)立，沒有耦合性。可以在各企業(yè)部署并完成測試驗(yàn)證，因此具有很高的開放性。目前，本測試床現(xiàn)在已經(jīng)包含多設(shè)備商的設(shè)備，后續(xù)將繼續(xù)開放給更多設(shè)備商、運(yùn)營商和制造企業(yè)共同參與測試床驗(yàn)證與推廣工作。
1.11 其他信息
1.11.1 測試床使用者
中國信息通信研究院負(fù)責(zé)具體組織測試床方案設(shè)計(jì)與部署、后續(xù)運(yùn)營技術(shù)支持等工作。歡迎所有的AII成員企業(yè)參與和使用本測試床項(xiàng)目，需要參加單位對(duì)測試床的建設(shè)提供必要的驗(yàn)證設(shè)備或必要的驗(yàn)證場景，這些企業(yè)可以基于測試床開展相關(guān)研究工作。在初始階段，由于試驗(yàn)站點(diǎn)的訪問權(quán)限有限，本測試床將僅限于現(xiàn)有的聯(lián)合體成員單位。之后，本測試床將逐步開放給更多AII成員企業(yè)使用。
1.11.2 測試床知識(shí)產(chǎn)權(quán)說明
中國信息通信研究院與聯(lián)合體成員對(duì)測試床的建設(shè)、運(yùn)營以及使用擁有權(quán)。
1.11.3 測試床運(yùn)營及訪問使用
本測試床將部署于中國信息通信研究院內(nèi)，由中國信息通信研究院運(yùn)營，并提供相關(guān)技術(shù)支持。對(duì)測試床的訪問使用需經(jīng)過申請(qǐng)同意，并通過付費(fèi)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)共享等多種方式有條件使用。
1.11.4 測試床資金
測試床的資金將來自于測試床參與單位。
1.11.5 附加信息
本測試床的建設(shè)面向5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用，計(jì)劃逐步應(yīng)用5G URLLC的典型場景，未來將考慮推廣至工業(yè)專網(wǎng)中，為5G在確定性要求明確的場景中應(yīng)用提供全新的解決方案，充分促進(jìn)5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。