1.1 引言/導讀
中國信息通信研究院作為工業和信息化部直屬科研事業單位，致力于工業互聯網領域技術研究工作，堅持創新驅動，圍繞制造強國、網絡強國戰略重點領域，積極推動新興技術與工業互聯網網絡新技術深度融合和協同創新，中國信通院擁有工業互聯網融合創新工業和信息化部重點實驗室、工業互聯網平臺創新與測試驗證重點實驗室、工業互聯網安全技術試驗與測評工業和信息化部重點實驗室等多個工信部重點實驗室，為加快工業互聯網產業發展和技術進步、支撐國內企業工業轉型升級提供了有力保障。中國信通院在國內很早就開展了TSN技術與標準的研究，承擔了多項工信部智能制造專項、工業轉型升級專項和工業創新工程專項，最早在國內建設了TSN試驗驗證測試床并多次開展了TSN產品測試，多次發布TSN產業白皮書，有力的推動了國內TSN研究與產業發展。
工業互聯網可以實現人、機、物全要素的網絡互聯。工業互聯網平臺則可以把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G是工業互聯網的關鍵使能技術，而工業互聯網是5G的重要應用場景之一，5G+工業互聯網是賦能智慧工廠數字化、無線化、智能化的重要方向。
5G網絡的大帶寬、低時延、高可靠特性，可以滿足工業設備的靈活移動性和差異化業務處理能力需求，推動各類增強現實（AR）/虛擬現實（VR）終端、Robot、自動導引運輸車（AGV）、場內產線設備等的無線化應用，助力工廠柔性化生產大規模普及。工業互聯網給5G帶來了廣泛的應用場景，同時也帶來了前所未有的挑戰，尤其是5G URLLC業務對時延和可靠性提出了更高的需求，例如，遠程駕駛要求在5ms用戶面時延下實現10-5的可靠性；電力分配系統的要求是2ms用戶面時延下實現10-6的可靠性；而工廠自動化場景的要求2ms用戶面時延下實現10-6的可靠性。
時間敏感網絡（TSN）是工業互聯實現低時延、高可靠和確定性傳輸的重要技術之一，時間敏感網絡基于以太網，統一擴展時間同步、確定流調度、高可靠無縫冗余、網絡管控等功能，提供確定有界低時延、低抖動、高可靠流傳輸服務，支持多業務流高質量共網傳輸。時間敏感網絡可應用至工業自動化系統、智能電網、車輛內通信、航空宇航系統、運營商網絡等領域。時間敏感網絡的標準化有望解決工業現場總線與工業以太網的異構性和兼容性問題，實現有線工業通信網絡的統一與互聯互通。
以工業為代表的垂直行業對5G網絡提出了嚴苛的業務體驗、效率及性能要求，TSN技術憑借其優勢使能5G網絡安全可靠的確定性數據傳輸，TSN與5G網絡融合將成為5G網絡系統向確定化演進的重要技術方向。目前，如何在工業互聯網中，對5G和TSN技術進行融合部署，已經成為產業界、學術界、標準組織研究的熱點之一，3GPP已經在R16/R17中開始了5G TSN的標準化工作，建立了基本的融合架構，R17 5G+TSN相關標準即將凍結。自2020年以來，國內大力推廣5G網絡的建設部署，5G在垂直行業的應用越來越廣泛，工信部多次發文，將5G及TSN技術作為工業互聯網重點發展技術，并相關專項扶植產業。
基于上述現狀，5G TSN融合技術測試床旨在驗證TSN架構與5G網絡系統融合部署演進的關鍵技術，為TSN技術在5G網絡中部署提供參考，為URLLC業務應用于垂直行業提供參考解決方案，并推動國際國內相關5G TSN標準的進展。
1.2 關鍵詞
時間敏感網絡（TSN）、5G、核心網、URLLC
1.3 測試床項目承接主體
1.3.1 發起公司和主要聯系人聯系方式
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
中國移動通信集團有限公司
中國電信集團有限公司
華為技術有限公司
新華三技術有限公司
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
深圳艾靈網絡有限公司
1.4 測試床項目目標
結合國際上最新的研究進展，本測試床主要研究5G與TSN融合技術的發展路線、關鍵技術以及在垂直行業應用中的痛點問題，模擬現有網絡的各種真實情況，對5G與TSN融合的關鍵技術及解決方案進行驗證測試，對各種新算法、新技術、新設備、新方案進行測試，對多廠家設備進行互聯互通測試以評判組網性能，旨在于為5G技術在確定性要求嚴格的垂直行業場景中的應用提供解決思路或者解決方案，為5G技術的應用推廣提供必要的理論依據和標準依據。
1.5 測試床方案架構
1.5.1 測試床應用場景
本測試床主要應用于以下兩種場景：
1．TSN作為5G網絡的承載網絡，即利用TSN保證5G網絡系統的數據傳輸確定性，TSN網絡連接5G基站與UPF構建高可靠低時延承載網絡，滿足TSN終端設備間確定低時延通信業務需求，同時實現移動承載網絡中同相流的時間同步需求。現階段考慮把TSN應用于5G RAN部分，尤其是前傳部分。
2．5G作為TSN網橋/交換機互聯多TSN域，即利用5G網絡實現TSN網絡系統的拉遠傳輸，5G系統作為一個TSN橋，集成在TSN系統中。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉換器，用于TSN系統和5G系統之間用戶面的交互。5GS TSN轉換器功能由終端側TSN轉換器（DS-TT）和網絡側TSN轉換器（NW-TT）組成。
測試床適用于園區內的工廠內網與外網的TSN域之間使用5G連接、工廠外網使用5G橋接TSN域進行廣域連接、5G RAN與CN使用TSN作為承載的多種場景。
1.5.2 測試床架構
在工業互聯網體系架構的位置
本測試床是為了驗證5G與TSN融合技術的結合，以保證5G網絡確定性技術的實現。在AII總體架構中屬于網絡視圖中的網絡互聯部分，即通過有線、無線方式，將工業互聯網體系相關的人機物料法環以及企業上下游、智能產品、用戶等全要素連接，支撐業務發展的多要求數據轉發，實現端到端數據傳輸。網絡互聯根據協議層次有底向上可以分為多方式接入、網絡層轉發和傳輸層傳送。
多方式接入包括有線接入和無線接入，通過現場總線、工業以太網、工業PON、TSN等有線方式，以及5G/4G、WiFi/WiFi6、WIA、WirelessHART、ISA100.11a等無線方式，將工廠內的各種要素接入工廠內網，包括人員（如生產人員、設計人員、外部人員）、機器（如裝備、辦公設備）、材料（如原材料、在制品、制成品）、環境（如儀表、監測設備）等；將工廠外的各要素接入工廠外網，包括用戶、協作企業、智能產品、智能工廠以及公共基礎支撐的工業互聯網平臺、安全系統、標識系統等；網絡層轉發實現工業非實時數據轉發、工業實時數據轉發、網絡控制、網絡管理等功能；傳輸層基于TCP、UDP等實現設備到系統的端到端數據傳輸功能。
5G TSN融合技術測試床將網絡體系中的實現多方式接入、網絡轉發和端到端數據傳輸功能，5G TSN融合技術測試床的在AII工業互聯網功能視圖網絡體系框架中的位置如圖 1所示。
圖：5G TSN融合技術測試床在AII體系架構2.0中的位置
在工業互聯網實施框架的位置
在工業互聯網網絡實時框架中，本測試床內容包含設備層的5G終端、5G RAN、邊緣和企業層的5G無線網絡、本地私有云等，如下圖所示：
圖：5G TSN融合技術測試床在AII體系架構2.0中實施框架中的位置
1.5.3 測試床方案
5G TSN融合技術測試床嘗試建立一個具備端到端確定性的測試床。在本測試床中，按照網絡實際運營的模式，仿真運營體系和網絡體系，運營體系負責對用戶業務進行端到端的配置和監測，網絡體系負責對用戶業務進行端到端的實現。從用戶角度來看，用戶并不關注網絡體系的技術實現細節，用戶對其業務給出具體需求后，由運營體系將用戶的需求進行SLA轉譯并配置對應的業務模板，該業務模板最終通過網絡體系進行全網端到端的下發和配置，在業務運行過程中，運營體系收集網絡體系的網絡之類評估信息和業務質量評估信息，根據所收集的信息進行網絡動態調整。
圖：5G TSN融合技術測試床體系架構
隨著3GPP R16/R17/R18以及IEEE 802.3 TSN等系列標準的發展以及相關設備的研發，本測試床將在現有基礎上不斷進行補充完善，最終實現用戶業務驅動的端到端確定性網絡。基于現有設備的成熟度和研發進度（目前上市的設備基本上都是R15階段的設備），本測試床擬分為兩個階段，兩個階段對應于前述的兩個應用場景。
（1）第一階段
第一階段，本測試床主要考慮利用TSN保證5G網絡系統的數據傳輸確定性，尤其是在5G承載網部分，最終實現從RRU到核心網端到端的5G TSN融合，實現高可靠性，高精度，低延遲的確定性網絡傳輸。測試床計劃部署方案如下圖所示：
在第一階段中，本測試床主要以5G承載網在各個部分和TSN的融合。主要可劃分為：5G前傳+TSN的結合；5G回傳+TSN的結合；5G核心網+TSN的結合。
（2）第二階段
在第二階段中，5G系統作為一個TSN橋，集成在TSN系統中，具體架構參見下圖。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉換器（TT），用于TSN系統和5G系統之間用戶面的交互。5GS TSN轉換器功能由終端側TSN轉換器（DS-TT）和網絡側TSN轉換器（NW-TT）組成，當前市面上尚無成熟的TSN轉換器產品。
5GS網元可作為TSN網絡的一個或多個TSN網橋。5GS網橋由單個UPF（即PSA）側的端口、UE和UPF之間的用戶平面隧道以及DS-TT側的端口組成。對于TSN網絡的每個5GS網橋，NW-TT上的端口都支持與TSN網絡的連接，DS-TT側的端口與PDU會話相關聯，從而提供了與TSN網絡的連接。
1.5.4 方案重點技術
1. 5G系統與TSN系統時鐘同步
TSN采用gPTP協議實現時間同步，5G系統有自身的時鐘同步技術，5G網絡和TSN有各自的主時鐘（GM）。5G網絡中的各網元設備，包括用戶設備（UE）、5G基站（gNB）、UPF、NW-TT和DS-TT與5G GM同步（即5G內部系統時鐘）。如何實現5G與TSN融合系統的跨域時間同步是關鍵技術挑戰之一。目前的時間同步方法主要有透明時鐘法,整個端到端的5G系統可視為IEEE 802.1AS“時間感知系統”，只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS協議，并與工業互聯網保持時鐘同步，執行與IEEE 802.1AS相關的所有功能，例如gPTP、時間戳、最佳主時鐘算法（BMCA）、rateRatio等。針對大規模網絡中數量繁多的交換設備往往會帶來較大的時間積聚誤差問題，基于透明時鐘法不需要維持主從時鐘狀態，也不需要進行時鐘同步操作。TSN作為主時鐘，通過UPF/UE預測5G入口和出口的時間延遲，將消息的時間戳填入gPTP事件消息的修正字段，TSN網絡設備時鐘收到gPTP消息后可根據駐留時間對積聚誤差進行誤差補償，從而實現5G系統與TSN跨網時間同步。5G系統各組成部分使用5G系統內部時鐘，通過NW-TT與DS-TT實現5G系統時鐘與TSN系統時鐘的轉換。因此，DS-TT和NW-TT需要同時支持5G網絡和TSN兩種時鐘，并需要計算兩種時鐘的偏差。當TSN業務需要DS-TT和NW-TT通過門控進行流量調度以消除5G網絡的時延抖動時，通知給5G網絡的報文達到時間和周期時間將以TSN的時鐘為基準。因此，5G網絡收到調度設置請求后，調度周期需要先轉化為以5G時鐘為基準的時間,然后進行流量門控的調度。
2. 數據平面QoS映射
5G QoS機制主要負責從網絡的角度進行業務管理和提供業務的差異性，網絡實體根據不同的質量需求來處理不同業務，涉及QoS的主要參數有資源類型（GBR、delay critical GBR和Non-GBR）、優先級、分組時延、分組錯誤率、平滑窗大小、最大數據量等，和URLLC密切相關的是時延關鍵GBR（delay critical GBR）。
如何將TSN網絡業務流量QoS準確的映射至5G流量QoS，進行相應處理并保證時間敏感流量的性能尤為關鍵。在5G系統中，通過時延關鍵GBR(DC-GBR)，結合時間敏感通信輔助信息(TSCAI)對無線資源進行預約，保證時延性能需求。5QI(5G QoS indicator)是5G系統定義的服務質量QoS指標。對于工業網絡中高實時周期性同步流，如運動控制，將采用5QI提高在無線側調度的優先級，降低傳輸時延。同時，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）、流量的時間（到達與上界）等。根據業務流特征和模型，采用相應協同的流量調度策略，減少時延抖動，同時保證時間同步。5G TSN支持電IEEE 802.1Qbv中定義的流量調度的保持和轉發機制，其數據包僅需在預定的周期上，打開門控以進行數據傳送，就可以控制報文經過5G TSN的時延。
3. 網絡管控與資源協同
5G系統控制平面的網絡暴露功能(NEF)通過應用功能AF模塊與TSN集中網絡配置器(CN)實現通信。通信可以基于802.1AB的數據鏈路層發現協議(LLDP)實現鄰居發現與鏈路信息交互。
TSN流的需求信息將映射為5G的流量QoS信息，通過配置5G系統以滿足流量需求。因此，為了確保5G系統與時間敏感網絡無縫融合，網絡管理系統也需要融合。5G虛擬TSN網橋需要支持SNMP代理功能，通過連接UE和UPF的DS-TT和NW-TT以太網端口，收集連接設備與端口的相關狀態信息，特別是端口狀態的管理。同時，5G虛擬TSN網橋通過端口和LLDP收集網絡拓撲與網絡狀態信息，保存至SMNP MIB庫，任何端口狀態變化或端口間連接變化，都需通知集中網絡配置器CNC，以便重新配置該虛擬網橋。
5G TSN網絡體系中TSN AF除了受TSN系統集中管理控制，對上還可承接網絡運維所需的配置管理，對下能通過能力開放NEF與5G系統通信實現QoS參數協同。結合終端側的業務質量評估數據和網絡側的網絡指標進行大數據分析和研判，進一步優化系統QoS策略，實現由業務體驗驅動的網絡和流量調度。
1.5.5 方案自主研發性、創新性及先進性
本測試床方案是中國信息通信研究院基于5G+工業互聯網融合體系架構，將TSN技術應用于到5G網絡中以實現5G網絡實現全程端到端的確定性為目標開展的研究和技術驗證。測試床的實施方案經過需求分析、關鍵技術驗證和可行性分析后得出。相關軟硬件系統由聯合體單位自主研發，以上工作均體現了本測試床方案的自主研發性。
目前，國內并沒有完整的5G TSN的融合系統的測試床，大部分對于5G TSN融合的應用還停留在部分承載網部分或理論和模擬仿真中，作為當前5G確定性技術研究的熱點方向之一，5G TSN融合測試床可以有效驗證該方向技術融合的成熟度，為5G確定性技術提供必要的實驗數據和理論依據，并推動5G確定性技術在工業互聯網中的落地應用，具有較大的創新性和先進性。
1.5.6 方案安全風險控制
在建設初期，本測試床將在封閉的實驗環境中運行，不接入公共互聯網，使用各種儀表來仿真真實的網絡環境，以確保本測試床設備和數據運行的安全性。
在建設后期，本測試床將形成特定的解決方案，后續將考慮在現網運行過程中遇到的各種安全問題并采用5G網絡中成熟的安全技術來保障本測試床特定解決方案在現網中應用的安全性。
1.6 測試床實施部署
1.6.1 測試床實施規劃
時間 | 任務 | 具體工作 | 輸出內容 |
2021.1-2021.2 | 第一階段需求分析 | 確認第一階段測試床的具體需求 | 第一階段測試床建設需求表 |
2021.2-2021.3 | 第一階段方案制定 | 完成第一階段測試床建設方案 | 第一階段測試床建設方案 |
2021.3-2021.4 | 第一階段測試床建設 | 完成測試床的第一階段網絡建設 | 第一階段的測試床 |
2021.5-2021.12 | 第一階段測試床驗證 | 對第一階段測試床開展各種技術驗證 | 第一階段技術驗證報告 |
2021.7-2021.8 | 第二階段需求分析 | 確認第二階段測試床的具體需求 | 第二階段測試床建設需求表 |
2021.9-2021.10 | 第二階段方案制定 | 完成第二階段測試床建設方案 | 第二階段測試床建設方案 |
2021.11-2021.12 | 第二階段測試床建設 | 完成測試床的第二階段網絡建設 | 第二階段的測試床 |
2022.1-2022.6 | 第二階段測試床驗證 | 對第二階段測試床開展各種技術驗證 | 第二階段技術驗證報告 |
2022.7-2022.12 | 解決方案驗證及測試床總結 | 針對特定行業形成特定的行業解決方案并驗證 梳理并總結測試床 | 特定解決方案 測試床總結報告 |
1.6.2 測試床實施的技術支撐及保障措施
本測試床參與方分工協作，共同支撐與保障本測試床的實施工作：
中國信息通信研究院負責與各家聯合體成員單位協商完成測試床的設計、部署和驗證方案，由中國信息通信研究院完成測試床的部署實施。
本測試床由中國信息通信研究院及各家聯合體成員單位提供技術支撐，并聯合行業客戶進行應用場景落地及驗證。
1.6.3 測試床實施的自主可控性
本測試床所涉及的網絡軟硬件設施均由聯合體成員單位自主生產和提供，具有自主可控性。
1.7 測試床預期成果
1.7.1 測試床的預期可量化實施結果
1.關鍵技術驗證
針對5G與TSN融合過程中的時鐘同步、QoS映射、網絡管控與資源協同、網絡拓撲協同等關鍵技術進行驗證并形成技術驗證報告以及相關國際標準草案、國內標準、專利和軟著。
2.端到端確定性實施方案
針對工業互聯網中不同業務對于確定性的差異化要求，給出具體實施方案，包括網絡架構、業務模板、網絡資源配置等方面，最終形成可實施的方案。
1.7.2 測試床的商業價值、經濟效益
目前TSN技術及其標準已經基本上較為成熟，5G系統從3GPP R14開始到目前的R17,基本框架也基本上已經確定，R15設備已經在市場上銷售了，因此，未來1-2年時間內不存在頻繁更新軟硬件額帶來復雜高昂的設備及維護成本。然而，在兩項技術已經比較成熟的情況下，相關產業領域卻并沒有對兩者結合進行商業應用。建成本測試床將有效加速該融合技術在相關產業落地的速度。
本測試床構建后，將積極開展5G TSN融合技術方面的研究和驗證工作，在各個聯合體成員單位的合作之下，一方面大力推動5G TSN融合技術標準化進程，另一方面加速5G技術在工業互聯網中對于確定性要求嚴苛場景的落地實施應用，促進5G+工業互聯網在工業企業深度應用。
1.7.3 測試床的社會價值
本測試床建成后，將有力推動5G TSN融合應用技術的發展，積極響應國家大力推廣5G的戰略部署，在網絡層面自主拓展前沿技術研究，助力工業及通信行業蓬勃發展。
1.7.4 測試床初步推廣應用案例
本測試床初步建成后，首先考慮將聯合體各個成員單位的網絡設備接入到測試床，結合發起單位采購的各種網絡測試儀表，充分模擬各種網絡運行環境，對測試床各項指標和所涉及的關鍵技術進行充分測試，輸出成果將考慮轉化為國內外標準。
其次，本測試床后續將陸續接入國內其他廠家的5G相關設備，結合各個成員單位的行業實踐和經驗，在本測試床基礎上搭建各種行業特色模擬網絡，對行業典型5G應用場景進行驗證，輸出成果將考慮轉化為行業典型解決方案并向企業進行宣傳推廣。
1.8 測試床成果驗證
1.8.1 測試床成果驗證計劃
本測試床部署在中國信息通信研究院內，根據3GPP、IEEE、IETF等國際標準組織的最新進展，并結合現有的在售5G和TSN產品，按照兩個階段搭建測試床，并進行關鍵技術驗證，具體時間計劃見測試床實施規劃時間表。
1.8.2 測試床成果驗證方案
測試床成果驗證主要分為基礎技術驗證、第一階段驗證、第二階段驗證、整體網絡驗證，相關驗證內容如下：
1. 基礎技術驗證
? 時鐘同步技術驗證
? 網絡QoS映射技術驗證
? 網絡協同管理技術驗證
? 其他技術驗證
2. 第一階段驗證
? 前傳網絡確定性驗證
? 5G RAN確定性驗證
? 5G核心網確定性驗證
? 端到端業務確定性的驗證
3. 第二階段驗證
? 5G內生確定性驗證
? TT設備功能和性能驗證
? 端到端業務確定性驗證
4. 整體網絡驗證
? 特定場景確定性驗證
1.9 與已存在AII測試床的關系
本測試床和之前已經審批的測試床無關聯。
1.10 測試床成果交付
1.10.1 測試床成果交付件
最終交付成果應包含：
1. 一套5G TSN融合技術試驗驗證平臺，驗證的成功標準是可以在平臺中實現兩個階段的5G TSN融合方案并通過系統的測試來驗證平臺的各項指標。
2. 3份以上測試報告，包括兩個階段的整體測試報告以及各種關鍵技術、關鍵設備的測試報告。
3. 形成2項以上專利，基于5G TSN融合技術及實際應用方面的專利。
4. 形成2項以上行業/團體標準，基于5G TSN融合技術及實際應用方面的標準，考慮在CCSA、AII、中國通信學會等組織開展標準研究。
5. 形成1項以上的行業解決方案。
1.10.2 測試床可復制性
本測試床可以應用于5G+工業互聯網的多個場景中，尤其是對于端到端確定性有明確要求的場景，例如工廠生產線控制、AGV控制、自動駕駛等場景，也可以用于5G作為工業無線傳輸網絡連接多個車間的園區網絡內。隨著5G在工業互聯網領域的深入應用，本測試床可以應用的場景將進一步拓展擴大。
1.10.3 測試床開放性
本測試床是對5G TSN技術融合方案的一種測試驗證，與現有的企業內部系統，如ERP、MES等完全獨立，沒有耦合性。可以在各企業部署并完成測試驗證，因此具有很高的開放性。目前，本測試床現在已經包含多設備商的設備，后續將繼續開放給更多設備商、運營商和制造企業共同參與測試床驗證與推廣工作。
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責具體組織測試床方案設計與部署、后續運營技術支持等工作。歡迎所有的AII成員企業參與和使用本測試床項目，需要參加單位對測試床的建設提供必要的驗證設備或必要的驗證場景，這些企業可以基于測試床開展相關研究工作。在初始階段，由于試驗站點的訪問權限有限，本測試床將僅限于現有的聯合體成員單位。之后，本測試床將逐步開放給更多AII成員企業使用。
1.11.2 測試床知識產權說明
中國信息通信研究院與聯合體成員對測試床的建設、運營以及使用擁有權。
1.11.3 測試床運營及訪問使用
本測試床將部署于中國信息通信研究院內，由中國信息通信研究院運營，并提供相關技術支持。對測試床的訪問使用需經過申請同意，并通過付費、知識產權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
本測試床的建設面向5G在工業互聯網中應用，計劃逐步應用5G URLLC的典型場景，未來將考慮推廣至工業專網中，為5G在確定性要求明確的場景中應用提供全新的解決方案，充分促進5G在工業互聯網中的應用。