從概念整合到深入應(yīng)用，用TSN＋5G實(shí)現(xiàn)確定性低延遲傳輸

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）TSN，Time-Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)新鮮的技術(shù)了，它從我們傳統(tǒng)的以太網(wǎng)當(dāng)中衍生出來，經(jīng)過這些年的應(yīng)用大家都對(duì)其有了相應(yīng)的了解。

書面一點(diǎn)形容，TSN是在非確定性的以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)確定性的最小時(shí)間延時(shí)的協(xié)議族，簡(jiǎn)單一點(diǎn)來說，TSN的時(shí)間敏感機(jī)制為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，確保數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、確定和可靠地傳輸。

從無(wú)到有的TSN

早前的音視頻傳輸，用的是傳統(tǒng)以太網(wǎng)或者分組交換網(wǎng)絡(luò)以及二者融合的同軸傳輸。這種傳輸會(huì)出現(xiàn)的問題大家都應(yīng)該遇到過，那就是延遲，視頻音頻并不同步。在這樣的背景下，IEEE 802.1工作組成立了AVB音視頻橋接任務(wù)組，該工作組的任務(wù)就是解決以太網(wǎng)中音頻視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸?shù)膯栴}。

從最早的時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)，到后來的流量整形以及隊(duì)列調(diào)度相關(guān)算法，該任務(wù)組慢慢解決了一些音視頻在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)出現(xiàn)的延遲問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)等一些新概念的出現(xiàn)，對(duì)這種確定性網(wǎng)絡(luò)的需求越來越多，AVB音視頻橋接任務(wù)組擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并正式更名為TSN工作組。TSN更加貼近工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及車載應(yīng)用，隨之而來，工作組也在其中加入了一些對(duì)時(shí)鐘或者時(shí)間要求更高的算法與機(jī)制。

目前常見的TSN協(xié)議有IEEE 802.1AS-rev、IEEE 802.1Qat、IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu等等。802.1AS-rev能夠達(dá)到微秒級(jí)甚至是納秒級(jí)的精度誤差，802.1Qat通過引入?yún)f(xié)商機(jī)制解決音視頻實(shí)時(shí)流量與普通異步數(shù)據(jù)流量之間的競(jìng)爭(zhēng)，802.1Qav將異步以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流和實(shí)時(shí)流做了排隊(duì)分配。TSN下還有不少協(xié)議發(fā)布也已經(jīng)提上了日程。

總的來看，TSN的確定性體現(xiàn)在它更關(guān)注傳輸?shù)南孪蕖Ｋ粫?huì)像傳統(tǒng)以太網(wǎng)里有較長(zhǎng)的拖尾會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的時(shí)延，這種延遲在公控或者車載以太網(wǎng)當(dāng)中都是很危險(xiǎn)的，TSN通過提高傳輸?shù)南孪拮屨麄€(gè)傳輸更確定，更可靠。

5G＋TSN，從概念整合到應(yīng)用

5G技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來說是具有顛覆性的技術(shù)變革，其諸多特性突破了傳統(tǒng)的技術(shù)界限。5G與TSN的整合可以說是雙劍合璧相得益彰。5G與TSN作為無(wú)線和有線領(lǐng)域的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，二者融合創(chuàng)新、協(xié)同部署，對(duì)于構(gòu)建高質(zhì)量的互聯(lián)網(wǎng)至關(guān)重要。

我們可以看到從5G R16開始，就開始提供了很多除開公網(wǎng)之外的協(xié)議，具體到TSN來講， R16 協(xié)議定義了很多關(guān)于TSN通信相關(guān)的一些協(xié)議，5G網(wǎng)絡(luò)跟TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互操作的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，還定義了5G網(wǎng)絡(luò)作為TSN網(wǎng)橋如何做同步機(jī)制的架構(gòu)，并且也做了很多冗余傳輸來保證傳輸?shù)目煽啃浴?br />
特別還定義了5G與TSN網(wǎng)絡(luò)通信的輔助信息，它會(huì)把TSN網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)換成5G網(wǎng)絡(luò)的需求，并將需求發(fā)給基站，基站會(huì)結(jié)合調(diào)度算法將需求實(shí)現(xiàn)到調(diào)度機(jī)制上，5G在TSN終端以及TSN網(wǎng)絡(luò)中間起到了橋梁的作用，進(jìn)一步保證低延時(shí)和高可靠性。而R17提出了TSN增強(qiáng)架構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)架構(gòu)增強(qiáng)，控制面設(shè)計(jì)支持TSN相關(guān)控制面功能，實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)確定性傳輸調(diào)度機(jī)制，而不依賴于外部TSN網(wǎng)絡(luò)。

在對(duì)傳輸有著十分嚴(yán)格的確定性要求的場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行性能優(yōu)化以及系統(tǒng)整體處理效率提升才可能實(shí)現(xiàn)端到端的極致高可靠低時(shí)延，TSN正好在現(xiàn)有的以太網(wǎng)QoS功能基礎(chǔ)上增加了包括時(shí)間調(diào)度、搶占、流監(jiān)控及過濾等一系列流量調(diào)度特性，可以確保流量的高質(zhì)量確定性傳輸。二者結(jié)合，可以更有效地確保端到端的超低延遲高可靠傳輸。目前，5G與TSN的融合大致分為拼接式融合、承載網(wǎng)融合以及深度融合，無(wú)論是哪種融合方式，其目的都是為了滿足場(chǎng)景內(nèi)極致的端到端確定性互聯(lián)。

5G＋TSN賦能工業(yè)自動(dòng)化是非常具有代表性的應(yīng)用，此前中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合華為、固高科技、思伯倫、金石機(jī)器人發(fā)布的全球首個(gè)5G+TSN智能倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)就是5G＋TSN深入應(yīng)用的縮影。工業(yè)場(chǎng)景機(jī)器人的應(yīng)用是非常典型的需要低延遲的閉環(huán)控制應(yīng)用，機(jī)器人能否同步幾乎完全取決于運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸延遲。華為提供的5G+TSN技術(shù)，通過5G核心網(wǎng)內(nèi)生TSN可以簡(jiǎn)化組網(wǎng)，一張5G網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步、確定性時(shí)延保障，并通過智能化調(diào)度，及時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，保障端到端的SLA。這種5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起的信息系統(tǒng)，能讓同一場(chǎng)景下不同功能的機(jī)器人實(shí)時(shí)連接在一起實(shí)現(xiàn)精密協(xié)作。隨著兩種技術(shù)的發(fā)展和融合，不只是工業(yè)場(chǎng)景，任何需要端到端確定性互聯(lián)的場(chǎng)景都會(huì)受益于5G＋TSN。

寫在最后

雖然5G＋TSN有著廣闊的應(yīng)用空間，但是二者融合的技術(shù)挑戰(zhàn)還是不少的，比如5G如何在無(wú)線側(cè)保證穩(wěn)定，比如二者不同的時(shí)間域該如何同步來消除不確定性等等，而且二者融合應(yīng)用起來也會(huì)涉及到大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制系統(tǒng)升級(jí)改造，不可能一蹴而就。5G與TSN想要深入應(yīng)用，還需要整個(gè)生態(tài)圈內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)共同努力。