6. 5G
5G 技术支持确定性通信. 基于集中式准入控制以及对无线资源的调度, 无论这些资源是授权频谱还是免授权频谱, 都可以保证服务质量 (Quality of Service, QoS), 例如延迟和可靠性. 5G 包含多项特性, 用于实现超可靠低延迟性能, 例如支持不同的 OFDM numerologies 和 slot durations, 同时也包含快速处理能力和冗余技术. 这些能力使 5G 能够达到低于 1 ms 的可实现延迟, 且置信度达到 99.999% 或更高.
5G 还包含支持工业 IoT 用例的特性, 例如通过 5G 与 TSN 的集成来实现. 这包括面向每个 TSN 组件, 延迟, 资源管理, 时间同步和可靠性的 5G 能力. 此外, 当 5G 被用作 DetNet 的子网技术时, 可以结合 TSN 或替代 TSN 来利用 5G 对 TSN 的支持, 其中 TSN 是 DetNet 的主要子网. 另外, 由于 TSN 和 DetNet 可靠性机制之间具有共性, 5G 通过使 DetNet 可靠性同样适用, 增加了对 TSN 可靠性集成的支持. 此外, 提供 IP 服务是 5G 的原生能力, 3GPP Release 18 为 5G 增加了对 DetNet 的直接支持.
总体而言, 5G 提供具有高可靠性和高可用性的调度式无线段. 此外, 5G 还包含与 IP 网络集成的能力. 这使 5G 成为适合应用 RAW 的技术.
6.1. 来源和文档 (Provenance and Documents)
第三代合作伙伴计划 (3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 汇集了许多业务与蜂窝网络运营以及网络设备和终端制造相关的公司. 所有代的 3GPP 技术都提供调度式无线段, 主要运行在授权频谱中, 这有利于可靠性和可用性.
2016 年, 3GPP 开始设计属于第五代 (5G) 蜂窝网络的新空口 (New Radio, NR) 技术. NR 从一开始就不仅面向智能手机或平板电脑等消费者设备的增强型移动宽带 (enhanced Mobile Broadband, eMBB) 服务, 也针对未来 IoT 通信和互联信息物理系统进行了定制. 除 eMBB 外, 3GPP 还定义了另外两类需求: 面向大量互联设备/传感器的大规模机器类型通信 (Massive Machine-Type Communication, M-MTC), 以及面向互联控制系统和关键通信的超可靠低延迟通信 (Ultra-Reliable Low-Latency Communications, URLLC), 如图 5 所示. 正是 URLLC 能力使 5G 成为可靠低延迟通信的优秀候选技术. 依托这 3 个基石, NR 是一个完整方案, 可同时支持消费者, 企业和公共部门在广域和局域 (例如室内) 部署中的连接需求. [TS38300] 提供了 NR 的总体概述.
enhanced
Mobile Broadband
^
/ \
/ \
/ \
/ \
/ 5G \
/ \
/ \
/ \
+-----------------+
Massive Ultra-Reliable
Machine-Type Low-Latency
Communication Communication
Figure 5: 5G Application Areas
首个 NR 规范于 2018 年发布 (Release 15). 此后, 多家公司已经证明 NR 是一种具备 URLLC 能力的技术, 能够在 1 ms 延迟预算内, 以 10^-5 的数据包错误率传送数据包 [TR37910]. 这些评估结果经过汇总后提交给 ITU, 纳入 [IMT2020] 相关工作.
为了理解垂直领域自动化的通信需求, 3GPP 研究了不同用例 [TR22804], 并发布了一份技术规范, 其中包含多种应用对可靠性, 可用性和延迟的要求 [TS22104].
作为 NR 的演进, 3GPP Release 16 范围内开展了多项关注无线方面的研究, 包括以下两项:
-
"Study on physical layer enhancements for NR ultra-reliable and low latency case (URLLC)" [TR38824]
-
"Study on NR industrial Internet of Things (IoT)" [TR38825]
这些研究促成了 NR 的进一步增强, 并在 3GPP Release 16 中标准化. 相关增强可见于 [TS38300], 并根据 [RP210854] 在 3GPP Release 17 标准化中继续推进.
此外, 系统架构层面也进行了多项增强, 这些增强体现在 "System architecture for the 5G System (5GS)" [TS23501] 中. 这些增强包括 Release 16 和 Release 17 中支持时间敏感通信 (Time-Sensitive Communications, TSC) 的多项特性. Release 18 提供了进一步改进, 例如对 DetNet [TR2370046] 的支持.
多个组织促进了 5G 的采用和使用. 例如, 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) 汇集了范围广泛的 5G 利益相关方, 包括信息和通信技术 (Information and Communication Technology, ICT) 参与者以及运营技术 (Operational Technology, OT) 公司, 例如工业自动化企业, 机器制造商和最终用户. 另一个例子是 5G Automotive Association (5GAA), 该组织连接 ICT 和汽车技术公司, 以开发面向未来移动出行和运输服务的端到端解决方案.
6.2. 一般特性 (General Characteristics)
5G 无线接入网络 (5G Radio Access Network, 5G RAN) 及其 NR 接口包含多项特性, 用于实现服务质量 (Quality of Service, QoS), 例如为选定数据流保证低延迟, 或保证可容忍的数据包错误率. 确定性通过集中式准入控制以及对无线频率资源的调度来实现, 这些资源通常是分配给网络运营商的授权频段.
NR 在无线子帧中支持较短的传输 slot, 这有利于低延迟应用. NR 还引入了 mini-slot, 优先级较高的传输无需等待 slot 边界即可启动, 从而进一步降低延迟. 为了向 URLLC 流量提供优先级和更快的无线接入, NR 引入了抢占机制, 其中 URLLC 数据传输可以抢占正在进行的非 URLLC 传输. 此外, NR 采用非常快速的处理机制, 即使在较短的延迟边界内也能进行重传.
NR 为数据和控制无线信道定义了额外稳健的传输模式, 以提高可靠性. 各种技术进一步提高了可靠性, 例如多天线传输, 并行使用多个频率载波, 以及通过独立无线链路进行数据包复制. NR 还提供完整的移动性支持. 对于移动中的设备以及位于变化环境中的设备而言, 这都是重要的可靠性因素.
网络切片 (network slicing) 被视为 5G 的关键特性之一, 使垂直行业能够利用 5G 网络和服务. 网络切片指的是将公共陆地移动网络 (Public Land Mobile Network, PLMN) 从单一网络转变为一个创建了逻辑分区的网络, 这些分区具有适当的网络隔离, 资源, 优化拓扑和特定配置, 用于满足不同服务需求. 运营商可以根据客户的不同需求, 配置和管理移动网络, 以支持 5G 所支持的各种服务类型, 例如 eMBB 和 URLLC.
Release 16 [TS23501] 增加了向 3GPP 域外的网络或应用程序暴露 5G 系统能力的功能. 应用程序可以通过暴露接口访问 5G 能力, 例如通信服务监测和网络维护.
对于多代移动网络, 3GPP 一直考虑通信系统如何在拥有数十亿用户的全球规模上工作, 同时兼顾弹性, 隐私监管, 数据保护, 加密, 接入和核心网络安全以及互连等方面. 随着对可信性的要求提高, 安全要求也在演进. 例如, 这促成了 5G 中增强隐私保护特性的引入. 5G 还采用强安全算法, 流量加密, 信令保护和接口保护.
移动网络的一项特别优势是认证 (authentication). 该能力基于经过充分验证的算法, 并与全球身份管理基础设施紧密结合. 自 3G 起, 移动网络还支持双向认证, 允许网络认证设备, 也允许设备认证网络. 另一项优势是安全的密钥存储和分发方案, 这些方案满足监管要求并支持国际漫游. 当连接到 5G 时, 用户面对的是整个通信系统, 其中安全性是标准化, 产品安全, 部署, 运营, 管理以及事件处理能力共同作用的结果. 移动网络以相当协调的方式处理整体系统, 这有利于安全性.
6.3. 部署和频谱 (Deployment and Spectrum)
5G 系统允许在很宽的频谱范围内部署, 可同时面向广域网络和局域网络中的用例. 此外, 5G 可以配置为公共接入和非公共接入.
在频谱方面, NR 允许结合多个频段的优势, 例如毫米波 (millimeter waves, mmWaves) 在局部提供极高容量的高带宽, 以及中低频段面向广域场景时提供的广覆盖. URLLC 可以在所有这些频段中实现. 频谱可以是授权的, 这意味着许可证持有者是该频谱范围内唯一获得授权的用户; 也可以是免授权的, 这意味着任何希望使用该频谱的人都可以使用.
关键通信的前提是性能可预测性, 这可以通过对频谱接入的完全控制来实现, 而 5G 提供了这种能力. 授权频谱保证系统能够控制频谱使用, 因此是关键通信的优选方案. 然而, 免授权频谱可以为非关键通信的扩展提供额外资源. 虽然 NR 最初是为使用授权频谱而开发的, 但 3GPP Release 16 引入了同时接入免授权频谱的功能. 此外, Release 17 [RP210854] 增强了 URLLC 特性, 使其更适用于免授权频谱.
专用于移动通信的授权频谱已经分配给移动服务提供商, 也就是由世界各国的国家主管机构以较长期许可证的形式发放. 这些许可证通常与覆盖要求相关联, 并覆盖整个国家或大片区域. 除此之外, 当配置为非公共网络 (Non-Public Network, NPN) 部署时, 5G 还可以向非运营商定义的组织及其场所提供网络服务, 例如工厂部署. 借助这种隔离, 可以满足 QoS 要求以及安全要求. 如果需要, 也可以与公共网络集成. 因此, 非公共 (本地) 网络可以与公共网络互连, 允许设备在这些网络之间漫游.
在另一种模式中, 一些国家正在将部分 5G 频谱分配给行业本地使用. 这些非服务提供商随后可以选择自行申请本地许可证并运营自己的网络, 也可以选择与公共网络运营商或服务提供商合作.
6.4. 对确定性流的适用性 (Applicability to Deterministic Flows)
6.4.1. 系统架构 (System Architecture)
5G 系统 [TS23501] 包括终端侧的用户设备 (User Equipment, UE), 包含作为无线基站节点的 gNodeB (gNB) 的无线接入网络 (Radio Access Network, RAN), 以及连接到外部数据网络 (Data Network, DN) 的核心网络 (Core Network, CN). CN 基于服务化架构, 具有以下核心功能: 接入和移动性管理功能 (Access and Mobility Management Function, AMF), 会话管理功能 (Session Management Function, SMF) 和用户面功能 (User Plane Function, UPF), 如图 6 所示. (注意, 本文档只解释关键功能; 但图 6 提供了更详细的视图, [SYSTOVER5G] 汇总了这些功能, 并提供了图中所用缩写的完整定义.)
gNB 的主要职责是无线资源管理, 包括准入控制和调度, 移动性控制以及无线测量处理. AMF 处理 UE 的连接状态和安全性, SMF 控制 UE 的数据会话. UPF 处理用户面流量.
SMF 可以为 UE 实例化多种分组数据单元 (Packet Data Unit, PDU) 会话, 每个会话都与一组 QoS flow 相关联, 即与不同的 QoS profile 相关联. 这些会话也可以隔离; 例如, 可以在 RAN 和 CN 中定义资源隔离 (slicing).
+----+ +---+ +---+ +---+ +---+ +---+
|NSSF| |NEF| |NRF| |PCF| |UDM| |AF |
+--+-+ +-+-+ +-+-+ +-+-+ +-+-+ +-+-+
| | | | | |
Nnssf| Nnef| Nnrf| Npcf| Nudm| Naf|
| | | | | |
---+------+-+-----+-+------------+--+-----+-+---
| | | |
Nausf| Nausf| Nsmf| |
| | | |
+--+-+ +-+-+ +-+-+ +-+-+
|AUSF| |AMF| |SMF| |SCP|
+----+ +++-+ +-+-+ +---+
/ | |
/ | |
/ | |
N1 N2 N4
/ | |
/ | |
/ | |
+--+-+ +--+--+ +--+---+ +----+
| UE +---+(R)AN+--N3--+ UPF +--N6--+ DN |
+----+ +-----+ ++----++ +----+
| |
+-N9-+
Figure 6: 5G System Architecture
为支持 UE 跨 cell/gNB 移动, NR 支持切换 (handover) 机制. 对于已建立的连接 (即 connected mode mobility), gNB 可以配置 UE 周期性地或基于事件上报自身及相邻 cell 的接收信号强度和质量测量结果. 基于这些测量报告, gNB 决定将 UE 切换到另一个目标 cell/gNB. 在触发切换之前, 源 gNB 会基于网络信令与目标 gNB 进行握手. 随后向 UE 发送切换命令, UE 将其连接切换到目标 cell/gNB. UE 的分组数据汇聚协议 (Packet Data Convergence Protocol, PDCP) 可以配置为在该过程中避免数据丢失, 即在需要时处理重传. 源 gNB 与目标 gNB 之间也可以进行数据转发. 为进一步提升移动性性能, 即避免因切换过晚而导致连接失败, Release 16 规范引入了条件切换机制. 在该机制中, 可以在 UE 进入切换场景之前, 向 UE 发送定义触发点的条件切换命令. Release 16 引入的另一项改进是双活动协议栈 (Dual Active Protocol Stack, DAPS), 其中 UE 在连接到目标 cell 的同时保持与源 cell 的连接. 通过这种方式, 可以完全避免数据包交付中的潜在中断.
6.4.2. 无线协议栈概述 (Overview of the Radio Protocol Stack)
NR 的协议架构由第 1 层物理层 (Physical, PHY) 以及第 2 层中的多个子层组成, 包括介质访问控制 (Medium Access Control, MAC), 无线链路控制 (Radio Link Control, RLC), 分组数据汇聚协议 (Packet Data Convergence Protocol, PDCP) 和服务数据适配协议 (Service Data Adaption Protocol, SDAP).
PHY 层处理与信号处理相关的操作, 例如数据和控制 bit 的编码/解码, 调制, 天线预编码以及映射.
MAC 子层处理逻辑信道 (与 QoS flow 相关联) 到用于 PHY 传输的 transport block 的复用和优先级处理, 以及调度信息上报和通过混合自动重传请求 (Hybrid Automated Repeat Request, HARQ) 进行的纠错.
RLC 子层处理高层数据包的序列编号, 在配置时通过自动重传请求 (Automated Repeat Request, ARQ) 进行重传, 以及分段, 重组和重复检测.
PDCP 子层包含针对高层数据包的加密/解密, 完整性保护/验证, 重排序和按序交付, 复制和重复处理等功能. 该子层还充当支持切换的锚定协议.
SDAP 子层提供服务, 将 5G 核心网络建立的 QoS flow 映射到 5G RAN 中使用的数据无线承载 (与逻辑信道相关联).
此外, 在 RAN 中, 无线资源控制 (Radio Resource Control, RRC) 协议处理上述协议层的接入控制和配置信令. RRC 消息被视为第 3 层消息, 因此也通过这些无线协议层传输.
为了在一条传输链路上提供低延迟和高可靠性, 即通过一个载波传输一个无线承载的数据或控制信令, 用户面协议中的 PHY 和第 2 层引入了多项特性, 如下所述.
6.4.3. 无线 (PHY)
NR 在设计上原生支持天线阵列, 可利用波束成形, 多 MIMO 层传输以及支持有效干扰抵消的高级接收机算法所带来的优势. 这些天线技术是获得高信号质量和提高频谱使用效率的基础. NR 支持空间分集, UL 中最多支持 4 个 MIMO 层, DL 中最多支持 8 个 MIMO 层. 与空域复用结合时, 天线阵列可以将功率聚焦到期望方向以形成波束. NR 支持波束管理机制, 用于在 UE 初始接入和移动过程中寻找最合适的波束. 此外, gNB 可以通过回传网络协调各自的下行 (downlink, DL) 和上行 (uplink, UL) 传输, 将干扰保持在合理低水平, 甚至可以从多个点进行传输或接收 (multi-TRP). multi-TRP 可用于在时间, 频率或多个 MIMO 层上重复一个数据包, 从而进一步提高可靠性.
任何到 UE 的 DL 传输都始于物理下行控制信道 (Physical Downlink Control Channel, PDCCH) 上的资源分配信令. 如果成功接收该信令, UE 将获知已调度的传输, 并可以通过物理下行共享信道 (Physical Downlink Shared Channel, PDSCH) 接收数据. 如果根据 HARQ 方案需要重传, 则会涉及在物理上行控制信道 (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) 上发送否定确认 (negative acknowledgement, NACK) 信令, 随后发送 PDCCH 与 PDSCH 传输 (可能带有额外冗余 bit), 并与之前接收的 bit 进行软合并. 否则, 如果未收到用于调度数据的有效控制信令, 则 PUCCH 上不会发送任何内容 (discontinuous transmission, DTX); 基站检测到 DTX 后, 将重传初始数据.
UL 传输通常始于调度请求 (Scheduling Request, SR), 这是 UE 通过 PUCCH 向基站发送的信令消息. 一旦调度器获知 UE 中存在缓冲数据 (例如通过 SR), UE 就会在物理上行共享信道 (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH) 上发送数据包. 不依赖 SR 的预调度也是可能的 (见第 6.4.4 节).
由于数据包传输需要使用控制信道和数据信道, 因此有多种方法可以维持所需可靠性. NR 对数据信道使用低密度奇偶校验 (Low Density Parity Check, LDPC) 码, 对 PDCCH 使用 polar codes, 对 PUCCH 使用正交序列和 polar codes. 对于数据信道的超高可靠性, NR 引入了非常稳健 (低频谱效率) 的调制与编码方案 (Modulation and Coding Scheme, MCS) 表, 其中包含非常低 (低至 1/20) 的 LDPC 码率, 并使用二进制相移键控 (Binary Phase-Shift Keying, BPSK) 或正交相移键控 (Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK). 此外, PDCCH 和 PUCCH 信道支持多种码率, 包括用于增强信道稳健性的非常低码率.
已连接的 UE 通过 PUCCH 发送信道状态信息 (Channel State Information, CSI) 报告, 向 gNB 上报 DL 质量; UL 质量则由 gNB 直接测量. 对于 UL 和 DL, gNB 都会选择所需的 MCS 编号, 并通过 PDCCH 信道上的下行控制信息 (Downlink Control Information, DCI) 将其通知 UE. 对于 URLLC 服务, UE 可以建议 gNB 使用以 10^-5 块错误率 (Block Error Rate, BLER) 为目标的 MCS, 从而协助 gNB. 在给定延迟边界下, 稳健的链路自适应算法可以维持所需可靠性水平.
PHY 层的低延迟由短传输时长提供, 这可以通过使用较大的子载波间隔 (Subcarrier Spacing, SCS) 以及只分配一个或少量正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 符号来实现. 例如, 根据 [TR37910] 第 5.7.1 节, 最坏情况下的最短延迟在 DL 中为 0.23 ms, 在 UL 中为 0.24 ms. 此外, 如果初始传输失败, 可以快速提供 HARQ feedback 并调度 HARQ 重传.
为了高效使用系统资源并最大化系统容量, 非常需要对与不同服务相关的数据进行动态复用. eMBB 的资源分配通常使用常规 (较长) 传输 slot 完成, 这可能阻塞低延迟服务. 为克服阻塞, eMBB 资源可以被抢占并重新分配给 URLLC 服务. 通过这种方式, 可以在保证 eMBB 频谱高效分配的同时, 提供确保 URLLC 服务有界延迟所需的灵活性. 在 DL 中, gNB 可以在抢占发生后通知 eMBB UE; 在 UL 中, 有两种抢占机制: 用于取消 eMBB 传输的特殊信令, 以及用于抑制 eMBB 传输的 URLLC 动态功率提升.
6.4.4. 调度和 QoS (Scheduling and QoS, MAC)
5G 系统的一个组成部分是服务质量 (Quality of Service, QoS) 框架 [TS23501]. 5G 系统为特定 IP 或 Ethernet 数据包流建立 QoS flow, 使每个 flow 的数据包获得相同的转发处理, 即在调度和准入控制中获得相同处理. 例如, QoS flow 可以与不同的优先级, 数据包延迟预算和可容忍的数据包错误率相关联. 由于 NR 中的无线资源由集中方式调度, 准入控制功能可以确保只接纳能够达到 QoS 目标的 QoS flow.
NR 中的 UL 和 DL 传输都由 gNB 调度 [TS38300]. 这确保无线资源效率和用户资源使用公平性, 并使系统能够根据用户数据流的 QoS 目标对这些流进行差异化处理. 在 NR RAN 调度中, 这些 QoS flow 被作为数据无线承载或逻辑信道处理.
gNB 可以动态地向用户分配 DL 和 UL 无线资源, 并通过控制信道向 UE 指示这些资源是 DL assignment 还是 UL grant. 无线资源被定义为频域和时域中的 OFDM symbol 块. 时域中支持不同长度, 即多个 slot 或 mini-slot 长度. 多个频率载波上的资源可以聚合, 并联合调度给 UE.
调度决策可以基于多种因素, 例如在参考信号上测得并由 UE 上报的信道质量 (参见用于 DL 信道质量的周期性 CSI report). 传输可靠性可以在调度算法中选择, 也就是通过链路自适应来选择, 其中根据 UE 的无线信道条件选择适当的传输格式, 例如调制和编码方案的稳健性, 受控 UL 功率. 基于 HARQ feedback 的重传也由调度器控制. HARQ loop 中的反馈传输会引入延迟, 但可以通过使用短传输格式,sub-slot feedback reporting 和 PUCCH carrier switching 等方法将其最小化. 如果需要避免 HARQ 往返时间延迟, 也可以预先调度重复传输, 代价是频谱效率降低.
在动态 DL 调度中, 当 gNB 中有 DL 数据可用时, 可以立即发起传输. 然而, 对于动态 UL 调度, 当数据可用但尚无 UL 资源可用时, UE 通过 UL 控制信道中的 (single bit) 调度请求消息向 gNB 指示对 UL 资源的需求. 当 UL 资源被调度后, UE 可以传输其数据, 并可以包含缓冲区状态报告, 该报告指示每个逻辑信道仍需发送的确切数据量. 随后可以相应调度更多 UL 资源. 为避免调度请求 loop 引入的延迟, 也可以预先调度 UL 无线资源.
特别是对于周期性流量模式, 预调度可以依赖 DL 半持续调度 (DL Semi-Persistent Scheduling, SPS) 和 UL 配置授权 (UL Configured Grant, CG) 这两项调度特性. 借助这些特性, 可以在 DL 和 UL 中分配周期性重复出现的资源. 为服务同一 UE 的多个并行流量流, 支持这些配置的多个并行实例.
为了在具有不同 QoS 要求的混合流量场景中支持 QoS 执行, 最近引入了多项特性. 这些特性允许同一 UE 同时服务不同的周期性关键 QoS flow 和 best-effort 传输. 这些特性包括:
-
UL 逻辑信道传输限制, 允许特定 QoS 的逻辑信道只映射到特定频率载波,slot 长度或 CG 配置中预期的 UL 资源.
-
intra-UE preemption and multiplexing, 允许关键 UL 传输抢占非关键传输, 或在保持不同可靠性目标的同时与非关键传输复用.
当聚合多个频率载波时, 可以采用重复的并行传输 (除了在一个载波上的重复传输之外). 这可在载波聚合 (Carrier Aggregation, CA) 架构中实现, 其中这些载波来自同一 gNB; 也可在双连接 (Dual Connectivity, DC) 架构中实现, 其中载波来自不同 gNB, 即此时 UE 连接到两个 gNB. 在这两种情况下, 这种提供频率分集的方式都会提高传输可靠性.
除授权频谱外, 5G 系统还可以利用免授权频谱来分流非关键流量. 这一 NR 版本称为 NR-U, 是 3GPP Release 16 的一部分. 集中式调度方法同样适用于免授权无线资源, 并且 NR-U 支持免授权频谱所必需的信道接入机制, 例如先听后说 (Listen Before Talk, LBT). 通过这种方式, 运营商使用 NR 时可以拥有并控制对授权和免授权频率资源的访问.
6.4.5. 时间敏感通信 (Time-Sensitive Communications, TSC)
近期 3GPP release 引入了多项特性, 用于支持时间敏感通信 (Time-Sensitive Communication, TSC) 的多个方面, 包括时间敏感网络 (Time-Sensitive Networking, TSN) 以及更广泛的能力, 如本节所述.
TSN 的主要目标是在有保证的时间窗口内提供有保证的数据交付, 即有界低延迟. IEEE 802.1 TSN [IEEE802.1TSN] 是一组开放标准, 提供在标准 IEEE 802.3 Ethernet [IEEE802.3] 上实现确定性通信的特性. TSN 标准可以被视为用于流量整形, 资源管理, 时间同步和可靠性的工具箱.
TSN stream 是从一个 end station (talker) 到另一个 end station (listener) 的数据流. 在集中式配置模型中, TSN bridge 由中央网络控制器 (Central Network Controller, CNC) [IEEE802.1Qcc] 配置, 以通过网络为 TSN stream 提供确定性连接. 可以使用 scheduled traffic [IEEE802.1Qbv] 提供的基于时间的流量整形来实现有界低延迟. TSN 的时间同步工具是广义精确时间协议 (generalized Precision Time Protocol, gPTP) [IEEE802.1AS], 该协议提供可靠的时间同步, 可供 end station 和其他 TSN 工具使用, 例如 scheduled traffic [IEEE802.1Qbv]. 作为超高可靠性的结果, 帧复制与消除以实现可靠性 (Frame Replication and Elimination for Reliability, FRER) 机制 [IEEE802.1CB] 为数据流提供高可用性.
3GPP Release 16 包含 5G 与 TSN 的集成, 即规定 5G System (5GS) 用于交付 TSN stream 的功能, 使这些 stream 的 QoS 要求得到满足. 该集成的一个关键方面是, 从网络其他部分看, 5GS 表现为一组 TSN bridge, 特别是在用户面上每个用户面功能 (User Plane Function, UPF) 对应一个虚拟 bridge. 5GS 包含 TSN Translator (TT) 功能, 用于将 5GS 适配到 TSN bridged network, 并隐藏 5GS 内部过程. 5GS 提供以下组件:
-
面向 TSN controller 的接口, 按 [IEEE802.1Qcc] 用于完全集中式配置模型
-
通过接收和发送 gPTP PDU [IEEE802.1AS] 实现时间同步
-
低延迟, 允许与 scheduled traffic [IEEE802.1Qbv] 集成
-
可靠性, 允许与 FRER [IEEE802.1CB] 集成
3GPP Release 17 [TS23501] 引入了增强功能, 将 TSC 支持泛化到 TSN 之外. 这包括用于提供时间敏感服务的 IP 通信, 例如面向专业应用的视频, 成像和音频 (Video, Imaging, and Audio for Professional Applications, VIAPA). Release 16 中 5G 作为 "TSN bridge" 的系统模型被复用, 以支持 5GS 在更通用意义上作为 "TSC node" 运行, 其中包括 TSN bridge 和 IP node. 对于不涉及 TSN 的 TSC, 需求通过暴露接口给出, 控制面则基于来自应用功能 (Application Function, AF) 的 QoS 和时间同步请求提供服务.
图 7 展示了 5G-TSN 集成的示意, 其中工业控制器 (Ind Ctrlr) 通过 5G 连接到工业输入/输出设备 (I/O dev). 自 Release 15 起, 5GS 可以直接传输 Ethernet frame; 因此可提供端到端 Ethernet 连接. 5GS 实现面向 TSN controller 功能 (例如 CNC) 的必要接口, 从而适配 TSN 网络的设置. 5G 用户面虚拟 bridge 互连 TSN bridge, 或连接 end station, 例如将 I/O 设备连接到 TSN 网络. TT, 即 UE 侧的 Device-Side TSN Translator (DS-TT) 和 UPF 侧的 Network-Side TSN Translator (NW-TT), 在互连中发挥关键作用. 注意, 5G 的引入在多个方面带来了灵活性, 例如更灵活的网络拓扑, 因为一个无线跳可以替代多个有线跳, 从而显著减少端到端跳数. [TSN5G] 更深入地讨论了 5G 与 TSN 的集成.
+------------------------------+
| 5G System |
| +---+|
| +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ |TSN||
| | | | | | | | | | | |AF |......+
| +++ +++ +++ +++ +++ +-+-+| .
| | | | | | | | .
| -+---+---++--+-+-+--+-+- | .
| | | | | | +--+--+
| +++ +++ +++ +++ | | TSN |
| | | | | | | | | | |Ctrlr+.......+
| +++ +++ +++ +++ | +--+--+ .
| | . .
| | . .
| +..........................+ | . .
| . Virtual Bridge . | . .
+---+ | . +--+--+ +---+ +---+--+ . | +--+---+ .
|I/O+----------------+DS|UE+---+RAN+-+UPF|NW+------+ TSN +----+ .
|dev| | . |TT| | | | | |TT| . | |bridge| | .
+---+ | . +--+--+ +---+ +---+--+ . | +------+ | .
| +..........................+ | . +-+-+-+
| | . | Ind |
| +..........................+ | . |Ctrlr|
| . Virtual Bridge . | . +-+---+
+---+ +------+ | . +--+--+ +---+ +---+--+ . | +--+---+ |
|I/O+--+ TSN +------+DS|UE+---+RAN+-+UPF|NW+------+ TSN +----+
|dev| |bridge| | . |TT| | | | | |TT| . | |bridge|
+---+ +------+ | . +--+--+ +---+ +---+--+ . | +------+
| +..........................+ |
+------------------------------+
<----------------- end-to-end Ethernet ------------------->
Figure 7: 5G - TSN Integration
NR 支持 1 µs 精度级别的准确参考时间同步. 由于 NR 是调度式系统, NR UE 和 gNB 与其 OFDM symbol 结构紧密同步. 可以通过 broadcast 或 unicast signaling 向 UE 提供 5G 内部参考时间, 将已知 OFDM symbol 与该参考时钟关联起来. 5G 内部参考时间可以在 5G 网络内共享, 即在无线和核心网络组件之间共享. Release 16 引入了面向多个时域的 gPTP 互通, 其中 5GS 充当虚拟 gPTP time-aware system, 并支持通过 5G 用户面 TT 在 end station 和 bridge 之间转发 gPTP 时间同步信息. 这些机制会计入 5GS 在时间同步过程中的驻留时间. 一种特殊选项是 5GS 内部参考时间不仅在 5GS 内部使用, 还提供给部署中的其他设备, 包括已连接的 TSN bridge 和 end station. Release 17 包含进一步改进, 即 RAN 中用于传播延迟补偿的方法, 进一步提高空口时间同步的准确性, 并支持 TSN grandmaster clock 位于 UE 侧. 时间同步服务还增加了更多扩展和灵活性, 使其对 TSC 具有通用性, 并在 TSN 使用的 time-aware system 之外, 为其他类型的时钟和时间分发提供额外支持, 例如 boundary clock 和 transparent clock (peer-to-peer 和 end-to-end 两种). 此外, 可以使用内部 access stratum signaling 来分发定时, 而不是使用通常的 (g)PTP 消息; 所需准确度可以由 AF [TS23501] 提供. 预计 Release 18 将进一步扩展和增强同一时间同步服务, 以支持定时弹性 (Timing Resiliency, 根据 study item [SP211634]), 其中 5G 系统可以在垂直行业使用的本地 GNSS 源 (或其他主定时源) 失效时, 提供备份或替代定时源.
IETF DetNet 是支持 IP 层时间敏感通信的技术. 3GPP Release 18 包含一项关于 5G 和 DetNet 互通的研究 [TR2370046]. 沿用 Release 17 引入的 TSC 框架, 5GS 作为 DetNet node 来支持 DetNet; 参见 [TR2370046] 中的 Figure 7.1-1. 该研究详细说明了 5GS 如何由时间敏感通信和时间同步功能 (Time Sensitive Communication and Time Synchronization Function, TSCTSF) 以每 UPF 粒度作为 router 暴露给 DetNet controller, 类似于图 7 中所示的每 UPF Virtual TSN Bridge 粒度. 特别是, 该研究列出了 TSCTSF 提供给 DetNet controller 的参数. 该研究还包括 TSCTSF 如何将 DetNet flow 参数映射到 5G QoS 参数. 注意, TSN 是 DetNet 的主要子网技术. 因此, 可以通过 5G 内建的 TSN 支持来利用 DetNet over TSN 相关工作, 例如 [RFC9023].
为了抵御无线链路或 RAN 与核心网络中节点的任何类型故障, 规范定义了冗余架构以提供可靠性. 可以基于双连接架构提供冗余用户面路径, 其中 UE 朝向同一数据网络建立两个 PDU session, 5G 系统使这两个 PDU session 的路径彼此独立, 如图 8 所示. 该方案涉及两个 PDU session: 第一个从 UE 经由 gNB1 到 UPF1, UPF1 作为第一个 PDU session anchor; 第二个从 UE 经由 gNB2 到 UPF2, UPF2 作为第二个 PDU session anchor.
这些独立路径可以继续延伸到 3GPP 网络之外. 冗余处理功能 (Redundancy Handling Functions, RHF) 部署在 5GS 外部, 即 Host A (设备) 和 Host B (网络) 中. RHF 可以按照 [IEEE802.1CB] 实现复制和消除功能, 或实现 IETF DetNet [RFC8655] 的数据包复制, 消除和排序功能 (Packet Replication, Elimination, and Ordering Functions, PREOF).
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. Device . +------+ +------+ +------+
. . + gNB1 +--N3--+ UPF1 |--N6--+ |
. ./+------+ +------+ | |
. +----+ / | |
. | |/. | |
. | UE + . | DN |
. | |\. | |
. +----+ \ | |
. .\+------+ +------+ | |
+........+ + gNB2 +--N3--+ UPF2 |--N6--+ |
+------+ +------+ +------+
Figure 8: Reliability with Single UE
另一种方案是每台设备使用多个 UE 来实现用户面冗余, 如图 9 所示. 每个 UE 建立一个 PDU session. 5GS 确保不同 UE 的 PDU session 在 5GS 内部被独立处理. 该方案不存在单点故障, 并且也包含 5G 系统外部的 RHF, 例如按照 FRER [IEEE802.1CB] 或 PREOF [RFC8655] 规范实现.
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. Device .
. .
. +----+ . +------+ +------+ +------+
. | UE +-----+ gNB1 +--N3--+ UPF1 |--N6--+ |
. +----+ . +------+ +------+ | |
. . | DN |
. +----+ . +------+ +------+ | |
. | UE +-----+ gNB2 +--N3--+ UPF2 |--N6--+ |
. +----+ . +------+ +------+ +------+
. .
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Figure 9: Reliability with Dual UE
注意, RHF 提供的抽象以及 RHF 位于 5G 系统外部这一点, 允许 5G 支持同时与 TSN FRER [IEEE802.1CB] 和 DetNet PREOF [RFC8655] 进行可靠性集成, 因为二者都依赖相同的概念.