TSN与移动网络前传架构融合研究

吴 越，黄 蓉，王友祥（中国联通研究院，北京 100176）

1 概述

工业互联网、车联网等垂直行业需要可靠、确定性地传输数据，对5G 网络有极高的性能要求。整个5G 网络系统（包括无线接入网、承载网和核心网在内的各个环节）需要进行性能优化才可能实现端到端的高可靠和低时延。在现有以太网QoS 功能基础上，时间敏感网络（TSN）技术增加了时间片调度、帧抢占、数据流监控及过滤等一系列流量调度特性，确保了数据流的高可靠确定性传输。将TSN 技术与5G 网络的传输过程进行融合，可以更有效地保证5G网络端到端的高可靠低时延传输。

5G网络和TSN的融合可以分为2类，一类是3GPP规定的把5G 系统作为TSN 桥，即TSN over 5G；另一类是5G 系统内与承载网的融合，即5G over TSN，又可细分为：5G 前传网络融合TSN 和5G 回传网络融合TSN。本文主要探讨5G前传网络融合TSN。

2 TSN技术

TSN 作为新一代以太网技术，IEEE 802.1 工作组负责其技术规范的制定。TSN 主要是层二桥接网络，在保证节点间高精度时间同步的基础上，实现了域内数据传输的时延和抖动的有界性及确定性。IEEE802.1 工作组对TSN 的架构、时间同步、流量调度、整形及资源预留等多项关键技术进行了标准化，形成802.1 系列协议族，TSN 标准按功能分为同步、可靠性、时延、资源管理4 类，如图1 所示。其中较为核心的功能协议有IEEE802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr、802.1Qci等。

图1 TSN协议功能分类

3 移动前传网络

移动网络包括了无线接入网、承载网和核心网，紧接其后的是互联网、数据中心，如图2 所示。5G 无线接入网又分为空口部分、前传、中传和回传。移动前传网络是指DU 和RU 间的网络，DU 和RU 间可为光纤直连、经由HUB 连接或以太网组网连接。前传接口划分主要采用Option 8划分或物理层内划分Option 7-2x。Option 8划分下，前传接口采用传统的CPRI协议，Option 7-2x划分下，前传接口可以采用eCPRI协议。

随着5G 技术的应用与发展，5G 时代新的网络需求、mMIMO 技术的应用、CU/DU 云化池化等导致前传网络中连接的设备越来越多，前传网络越来越复杂。而传统的前传网络由于采用Option 8 划分方式，应用CPRI 协议，逐渐不能满足容量、带宽以及灵活性的需求，基于包交换的以太网技术开始引入前传网络，前传网络架构也相应发生变化，为了降低前传网络带宽需求而采用物理层内划分。基于包交换以太网的5G无线接入网将BBU 划分为DU 和CU 2 个部分，实时功能下沉到DU，非实时功能上移到CU 集中部署。CU/DU 的灵活部署有利于实现移动网络资源的按需配置，满足不同场景的个性化需求，但同时对网络性能提出了更高的时延和带宽需求。

4 TSN和前传网络架构的融合

4.1 下一代前传接口架构

IEEE 1914.1（Packet-based Fronthaul Transport Network）对前传网络的概念进行了扩展，它定义了下一代前传接口（NGFI——Next Generation Fronthaul Interface），如图3所示。

图2 移动网络组成示意图

图3 NGFI网络参考架构

NGFI 网络的参考架构包括接入网（Access）、汇聚网（Aggregation）和核心网（Core）3 个主要网络跨度。其中靠近无线电传输点的接入网将传输流量从基站（Cell site）汇聚到集线器站点（Hub site）进行集中处理，汇聚网进一步将集线器站点的流量汇聚到边缘站点（Edge site），然后核心网从汇聚网收集流量。通过这些传输网络基础设施，4G/5G RAN 分割的功能实体（RU、DU 和CU）及其不同组合可以放在不同的站点，以支持不同功能分割选项下流传输的QoS需求。根据RU、DU 和CU 之间的部署位置，NGFI 分为Ⅰ级和Ⅱ级，NGFI-Ⅰ是连接RU 和DU 的下层接口，NGFI-Ⅱ是连接DU 和CU 的上层接口。NGFI-Ⅰ接口对应图2 所示的前传接口，具有严格的时延和数据速率要求，NGFI-Ⅱ接口对应图2所示的中传接口，时延要求相对宽松。这种架构中的功能实体部署灵活，例如移动核心实体（4G 核心网EPC 和5G 核心网5GC）可根据移动服务的时延需求，灵活选择边缘站点或核心站点部署方案。

4.2 开放前传接口架构

为了实现基站设备的软硬件解耦，接口开放，满足不同厂商间DU 和RU 互联互通的目标，O-RAN 联盟WG4 开放前传接口工作组定义了基于物理层内划分的开放前传接口技术。O-RAN 把无线接入网划分为O-RAN 控制单元（O-CU）、O-RAN 分布单元（ODU）和O-RAN 射频单元（O-RU）。O-CU 与O-DU 间的接口称为高层分离接口，即HLS 接口，O-DU 与ORU间的接口称为底层分离接口，即LLS接口。开放前传接口是指O-DU 与O-RU 间的接口，也就是LLS 接口，如图4所示。

图4 开放前传接口架构

开放前传接口采用基于Option 7-2x 的物理层内划分，传输层是以太网，用户面采用基于以太网包交换的eCPRI协议。当前开放前传接口技术主要支持简单组网模式，例如DU 和RU 直连，或通过FHM 设备相连，如果中间经由交换机设备组网，则并不完全能保证端到端的时间同步和正确的时延处理。TSN技术将是开放前传接口下一步需要考虑引入的关键技术之一。

4.3 前传网络和TSN技术

基于以太网的前传网络由DU、RU 和之间的交换机组网形成，为了保证用户面数据在天线空口精准发送和接收需要满足3GPP 定义的空口时间同步要求。在简单组网的情况下，例如DU 和RU 直连或通过HUB相连，DU 和RU 上的前传功能部分可以预先或动态地算出用户面数据需要提前发送和接收的时间量。这个时间量或时间窗口的测量不仅包含了DU 和RU 自身内部的处理时延，还包括DU 和RU 间的传输时延，若传输网络中包含交换机组网，则意味着所有经过交换机处理及缓存的时间都要计算在内。

如果前传网络融合TSN，交换机需要支持TSN 协议，DU 和RU 的前传网口部分也需要支持TSN 协议。融合了TSN 技术的前传网络如图5所示，其中eREC 表示DU，eRE表示RU。

图5 支持TSN的前传传输网络

5 关键技术

5.1 时间同步

时间同步是TSN 网络实现精准时延转发及时延有界性的基础，TSN 网络需要支持时间同步协议IEEE802.1AS。IEEE802.1AS 在1588V2 基础上采用通用精准时间协议gPTP，通过在主时钟与从时钟之间传递时间事件消息（带有精准时间戳的消息），并通过计算点对点的链路传输时延、驻留时延等信息后完成时间补偿，从而实现2个节点间的时钟同步。

5G系统需要支持时间同步协议IEEE1588 PTPv2。5G 系统时间同步和TSN 网络时间同步这2 个过程可以是彼此独立的，但是当5G 系统和TSN 集成时，5G 系统需要使能TSN时间同步。5G系统作为802.1AS的兼容实体，使能TSN 时间同步，如图6 所示，即5G 系统作为TSN 桥，被建模成802.1AS“time aware system”支持TSN时间同步。

前传网络的端点是DU和RU，作为5G系统的一部分，DU 可以通过本地GNSS 或上游PTP 分组包进行时间同步。RU 可以由DU 或某个中间网络节点（如某一个交换机）作为PTP master 对RU 进行时间同步，或者RU 本地直连GNSS 进行时间同步。对前传网络的整体同步要求可参考IEEE802.1CM（TSN for fronthaul），802.1CM 为前传网络数据定义了端到端的传输时延要求和时间同步要求，基于以太的前传网络时间同步如图7 所示，其中eREC/REC 表示DU，eRE/RE 表示RU。前传网络引入TSN技术后，需要DU、RU和它们之间的以太网络各交换机都支持TSN协议。

5.2 资源管理

TSN 的IEEE802.1Qcc 协议定义了TSN 控制平面的架构，分为全分布式、集中式网络控制/分布式用户、全集中式3种模型，当前主要采用全集中式模型，如图8 所示。CUC 是中心化用户配置，相当于编排器，负责采集端点业务的带宽时延抖动等网络服务质量需求，并将其转换后通过北向接口发给CNC，CNC 是中心化网络控制，相当于控制器，包含计算拓扑路径等网络功能、并通过南向接口下发更新门控列表等配置信息给TSN交换机。

图6 5G系统作为IEEE 802.1AS“time aware system”

图7 基于以太的前传网络时间同步

图8 TSN控制平面全集中式模型

实现TSN 基于精准时间的调度转发机制，是前传网络支持TSN 功能的核心功能。TSN 交换机提供TSN数据流的驻留和转发机制，遵循IEEE 802.1Qbv 标准。为了对TSN 数据流进行更有效的调度，需要考虑CUC/CNC 在前传网络中的部署。支持TSN 的前传网络使得前传时间敏感数据的低时延和确定性传输更有保障。前传网络引入TSN 后的控制平面架构如图9 所示。

6 融合应用的几点思考

图9 TSN在前传网络中的控制平面架构

TSN 和前传网络的融合部署可能更适用于复杂、混合的网络。例如DRAN 和CRAN 共用传输基础设施的网络、CU/DU 池化网络和采用前传网关FHGW 的网络等。这种网络可能会承载各种不同类型的流量，如：CU 和DU 间的中传数据，DU 和RU 间的前传数据、管理面数据、同步面数据等。各种不同类型的数据需要不同等级的QoS 策略，这时可以考虑应用TSN 帧抢占、流量调度、队列整形、优先级调度等功能来满足各种类型流量不同的QoS 需求。例如，对前传用户面数据（时延敏感流），可以考虑应用TSN 的端到端的带宽分配和资源预留功能、入端口流量过滤功能、出端口流量门控队列调度整形功能等，能基本保证时延敏感流的确定性时延和抖动需求。

TSN 时间同步和前传网络时间同步的融合。TSN应用IEEE 802.1AS，即gPTP 协议，进行网络时间同步，而基于eCPRI 的前传网络应采用IEEEE 1588 PTPv2协议。802.1AS定义了一个基于1588的特定配置并提高时间精度，PTPv2并不可以代替gPTP。引入TSN后，前传网络时间同步需要考虑如何融合802.1AS 和1588。

TSN控制管理平面和基站管理面功能的融合。基站管理面负责前传网络相关的配置管理，引入TSN 之后，需要考虑基站管理面和TSN 控制管理平面功能的融合，需要考虑如何在基站管理面上实现TSN 的CUC、CNC 等网络功能，基站管理面要能通过Netconf等南向接口对TSN 交换机下发流表和配置。如果考虑到核心网UPF和MEC下沉，和CU/DU共站，则基站、MEC 和TSN 需要整体考虑管理面和控制面的部署问题，例如是否可以统一部署到MEC平台。

7 结束语

本文介绍了TSN 与移动前传网络融合的背景，基于以太的前传网络新架构，探讨了TSN 与前传网络融合需要用到的关键技术，并对融合部署可能遇到的问题进行了分析。作为新一代以太网技术，当前TSN 技术仍在持续发展中，在3GPP 层面更多的考量是把5G系统作为一个整体，当作一个逻辑TSN 桥，而在5G 系统内部，尤其是在前传网络中如何有效地利用TSN 技术达到DU 和RU 间时间敏感数据高可靠低时延的传输和网络资源的灵活配置还有待于更进一步的研究。