uRLLC中TSC技术及相关应用研究

廖 敏，李 静（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

1 概述

ITU 在增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超可靠、低时延通信（uRLLC）［1］这三大应用场景上做出了相关规划。

时间敏感网络（TSN）是指IEEE 802.1 工作组中的TSN 任务组开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网的传输增加了确定性和可靠性，以确保其改造增强后能够为关键数据传输提供稳定一致的服务级别（见图1）。

图1 传统工业以太网改造

uRLLC R16 除了引入对工厂自动化、车联网以及智能电网场景的支持，还需要考虑支持工业互联网（IIOT——Industrial IoT），满足TSN 对接5GS。NR R16同意了5GS 可以对接TSN 网络，用于解决工厂无线连接的问题。新引入的时间敏感通信（TSC）支持高可靠性和高可用性的同步通信服务，为分组传输提供时延、丢失、抖动和可靠性的范围保证（见图2）。

图2 5G与TSN对接示例

2 工业互联网R16标准化TSC技术

3GPP 在R16 阶段对uRLLC 进行了全面增强，提出降低时延的新方案，同时，为了真正达到5G 使能工业网络的目的，在标准上深度讨论了时间同步和TSN支持问题。表1 为TSC 业务的场景和需求。工厂自动化的部分场景下，可靠性要求达到10-8，时延要求达到0.5 ms。

表1 TSC业务场景和需求

表2 为TSC 时钟同步的场景和需求，大部分场景下，时钟同步要求低于1 μs。

表2 TSC时钟同步场景和需求

2.1 精确的时间同步

工业自动化网络通常由2个不同的时间域组成。

a）全局时间域（global time domain）是指用于整体同步的时间，它用于按时间顺序对齐操作及事件。工业自动化使用术语“universal time domain”来指代它，在某些领域及标准中也被称为“wall clock”。典型时间精度要求为不超过1 μs，指定的时间标度为国际原子时（TAI——temps atomique international），基于PTP协议从1970 年1 月1 日00：00：00 开始。通常只存在一个全局时间，但有可能有多个全局时间域。全局时间域中的时钟同步适用于工业自动化的工业设备内的所有UE。

b）工作时钟域（working clock domain），一般范围受到限制，通常由一台机器或一组物理协作的相邻机器组成。与工作时钟的同步一般用于对齐生产线、生产单元或机器/功能单元。应用程序在工作时钟域内进行本地同步，允许与更高效的组件进行精确同步。

全局时间域通常包含多个工作时钟域（见图3）。

图3 全局时间域包含的工作时钟域

当不同工作时钟域的成员交互时有以下2 种选项，使用哪种取决于应用程序及相应的要求（见图4）。

图4 合并式与分离式交互的差异

a）合并式（Merge）：工作时钟域合并为一个。同步要求极其严格的应用会使用此选项，例如高精度机器人的交互。

b）分离式（Separate）：不同工作时钟域的成员在保持各自独立的时间同步的同时进行交互。同步要求不高的应用会使用此选项，例如AGV 从生产线收集成品。

TSN 中的同步由802.1AS/gPTP 消息执行，消息由TSN 主时钟（TSN Master Clock）负责生成，每个自动化端点充当802.1AS 客户端。5GS 以类似“黑盒”模式为TSN 提供时间敏感的中继，在802.1AS 术语中称为“分布式时间敏感中继（distributed time-aware relay）”。这种实现方式下整个5G 系统可以保持原样，因此对5G系统中的节点影响最小。位于5G 系统边缘的转换器/适配器负责所有802.1a 相关功能，例如：支持（g）PTP协议功能、时间戳、最优主时钟算法（Best Master Clock Algorithm）等。

来自TSN 工作域（外部时钟）的定时信息经由UE传送到终端站。5G 系统内部时钟（图5 中的黑色时钟）可以通过与无线帧的绝对定时相关的时间信息的信令（即类似LTE Rel-15 的基于SIB/RRC 的方法）向UE 提供。5G 系统作为TSN 系统的一个网元，需要接收从TSN 的时间源发送的同步消息（SYNC 消息），并根据数据包在5G 系统中处理和传输所消耗的时间延时来更新时间信息。

TSN UE 与TSN GM 时钟之间的同步误差由3个因素决定：网络侧的精度、空口的精度以及时钟参考信息的粒度。

a）网络侧的精度。gNB 和TSN GM 时钟之间的同步精度可以远小于1 μs。根据选择的同步源的不同，能达到的精度如表3所示。

表3 TSN GM时钟和gNB之间的最大绝对时间误差（TE）

b）空口的精度。如果UE 不能补偿和gNB 之间的传播时延，可实现的时间同步精度取决于gNB 到UE的距离，同时SCS 越高则能达到的精度越高。在不同站间距（ISD）下的参考数据如表4所示。如果UE 有能力进行传播时延补偿，则不需要考虑站间距（ISD）。在15 kHz SCS 下能达到的精度为470 ns 至540 ns，同时SCS 越高则能达到的精度越高；如果需要达到1 μs的时间同步误差，对于密集部署的较小服务区域不需要由UE 进行传播延迟补偿；对于更大的服务区域或更稀疏的小区部署，TSN UE需要应用传播时延补偿。

表4 无时延补偿时的同步精度

c）时钟参考信息的粒度。复用LTE Rel-15 引入的时间精度方案，通过系统信息SIB9 或者专用信令DLInformationTransfer 来传递TSN 时钟参考信息，粒度从10 ms 进一步提升到10 ns。UE 收到单播信令指示的TSN 时钟参考信息后，在指定的帧边界对齐TSN 时钟。

综合考虑上述情况，假设UE 进行传播时延补偿且gNB 使用站内GNSS 接收机，在15 kHz SCS 下的同步误差大致为645 ns（540 ns+100 ns+10 ns/2）。

2.2 以太网头压缩

以太网头压缩（EHC）是一种减少以太网报头传输开销的方法。在基于以太网的工业物联网中通常有效负载在帧的总体大小中占比较小，因此EHC 将带来较大的收益。在5G 系统中以太网帧将在以太网类型的PDU会话中传输。

通用的以太网标准是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，以太网使用载波监听多路访问及冲突检测（CSMA/CD）技术可在多种类型的电缆上运行。以太网链路上的数据包被称作以太帧：起始部分由前导码（Preamble）和帧开始符（SFD）组成，前导码的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。其后紧跟一个以太网报头，以MAC 地址说明目的地址和源地址。帧的中部是负载的包含其他协议报头的数据包（例如IP 协议）。以太帧由一个32 位冗余校验码结尾（FCS——Frame Check Sequence），它用于检验数据传输是否出现损坏。帧间距指当一个帧发送出去之后，发送方在下次发送帧之前，需要再发送至少12个octet的空闲线路状态码。

3GPP R16 新引入的以太网头压缩只支持一种格式的以太帧头压缩，图6是以太帧格式的示例。

图6 IEEE 802.3 以太帧格式示例——802.1Q

802.1 Q 标签，指在以太网帧格式里MAC 源地址与以太网类型/长度之间添加的一个32 位的域，遵守如表5所示格式。

表5 802.1Q标签

a）标签协议识别符（TPID——Tag Protocol Identifier）：16 bit 的域，其数值被设置为0x8100，标识某个IEEE 802.1Q的帧成为“已被标注的”。

b）优先权代码点（PCP——Priority Code Point）：3 bit 的域，从0（最低）到7（最高），用于指示数据流（音频、视频、文件等）传输的优先级。

c）标准格式指示（Canonical Format Indicator，CFI）：1 bit 的域，又称为DEI（Drop Eligible Indicator），可以用来标识报文的丢弃优先级；

d）虚拟局域网识别符（VID——VLAN Identifier）：12 bit的域，用来标识帧是属于哪个VLAN。

802.1Q 标签以及其子域在传输中通常是固定的，因此可以考虑进行头压缩。Preamble、SFD 和FCS 将不会在5G 以太网类型的PDU 会话中传输，因此EHC不需要考虑这些域的压缩。最终确定的EHC 压缩域为：MAC 目标地址、MAC 源地址、802.1Q 标签及其子域（见图7）。

图7 EHC头位置

由于SDAP 头不会被加密，而EHC 头作为负荷将会被加密。EHC 头选择放在SDAP 头后面，PDCP 的加密会更容易实现。EHC 头包含3 个字段：Format、Context ID 和Reserved。其中Format 字段占用1 bit 指示EHC头的格式，Context ID 和Reserved的具体长度标准尚未确定。

EHC 压缩侧和解压侧均将一个Context ID 关联到以太帧头的内容上：发送侧传输携带完整帧头的以太帧以及Context ID，以便于解压侧建立EHC 上下文；解压侧建立一条上下文后通过PDCP control PDU 向压缩侧指示feedback，其中携带Context ID 信息。压缩侧接收到解压侧指示的feedback 后，相应Context ID 对应的EHC上下文可以用于以太帧头压缩操作。

以太网通信中PCP/DE 组合可能随优先级而变化，因此所有Q-TAG 中的每个不同PCP/DE 值组合都与一个独立的Context ID关联。

2.3 针对TSC业务的调度增强

为了给TSC 业务提供确定性传输，标准引入了TSC 辅助信息（TSCAI——TSC assistance information），描述5G 系统中使用的TSC 流量特性（见表6）。获知辅助信息后，gNB 可以通过配置授权CG、半持续调度（SPS——Semi-Persistent Scheduling）更有效地调度周期性、确定性的业务流。当TSN 数据包到达时，不需要通过调度请求从网络侧获取资源，从而降低了等待资源的时间。

表6 TSC辅助信息

SMF 从TSN AF（Application Function）获取TSN 流的业务特性，并根据业务特性设置TSCAI。TSCAI 通过QoS Flow建立过程从SMF发送给5G-AN，TSN和5G时钟发生漂移时，由UPF 向SMF 更新偏差，SMF 可以触发PDU Session Modification 过程，触发TSCAI更新。

为了支持工业互联网的多种业务需求，匹配不同业务的发送时间规律，R16 支持为UE 的一个BWP 配置多个半持续调度和配置授权。

对于CG，一个BWP 上至多支持同时配置和激活12套CG配置，支持通过DCI对CG type2进行独立的激活操作，或联合或独立去激活操作。CG 引入了整数N以下的任意整数倍slot 的周期，其中N和SCS 有关：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz，5 120 for 120 kHz。在HARQ 进程ID 计算时，为每套CG配置参数harq-procID-offset，实现不同CG 使用的HARQ进程错开（见图8）。

图8 同一个BWP的多个配置授权

对于SPS，一个BWP 上至多支持同时配置和激活8 套SPS 配置。支持通过DCI 对SPS 进行独立的激活操作，或联合或独立去激活操作。SPS 引入了整数N以下的任意整数倍slot 的周期，其中N和SCS 有关：N=640 for 15 kHz，1 280 for 30 kHz，2 560 for 60 kHz and 5 120 for 120 kHz。在HARQ 进程ID 计算时，为每套SPS可以配置参数harq-procID-offset，实现不同SPS 使用的HARQ进程错开。

3 典型应用

典型的uRLLC 应用主要用于工业工厂室内的工控，根据5G 工业自动化联盟的研究，一个典型的应用场景为工厂自动化（Factory automation）场景，这类场景有两大典型的需求：一是极致时延，二是极高的时钟同步能力，也就是TSN（Time-Sensitive Networking）。

图9 给出了5G 工业自动化的应用领域。表7 为5G工业自动化联盟的研究给出的性能要求。

表7 5G工业应用的服务需求

图9 5G工业自动化的应用领域

面向工业应用的方案中，无线方面通过加载5G uRLLC 技术来降低时延并提升可靠性。架构上尽可能少的引入网络跳点，从而使时延绝对数值及抖动数值能够得到控制（见图10）。

图10 极简5G网络替代部分工业有线连接的架构

如应用边缘DC 与BBU 共存，大幅减少网络跳数；可以实现UPF 功能下沉、边缘应用服务等典型功能，通过更新、加载新的uRLLC 技术以满足工业领域的时延、可靠性、安全性要求。

4 结束语

uRLLC 技术在高可靠、低时延等方面的特性使其成为传统通信切入垂直行业的重要突破口。虽然3GPP 制定了多种针对性的技术和方法来支持uRLLC的特性，但仍然无法解决TDD系统帧结构的上行/下行转换所造成的额外的数据等待时延，所以TDD 系统对uRLLC 的适应性不足。因此，建议uRLLC 业务部署在FDD 系统上，uRLLC 业务在FDD 系统中拥有更为广阔的应用前景，而具体的部署方式还有待进一步地探讨和研究。