面向时间敏感网络的5G无线网增强技术研究

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2022085

电信科学 ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (5): 18-25.doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2022085

面向时间敏感网络的5G无线网增强技术研究

信金灿, 许森, 张化, 熊尚坤, 许话

中国电信股份有限公司研究院，北京 102209

修回日期:2022-05-12 出版日期:2022-05-20 发布日期:2022-05-01
作者简介:信金灿（1994- ），女，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为5G/6G无线网架构和关键技术
许森（1982- ），男，博士，中国电信股份有限公司研究院高级工程师，主要研究方向为5G/6G无线网架构和关键技术
张化（1994- ），女，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为5G/6G无线网架构和关键技术
熊尚坤（1977- ），男，博士，中国电信股份有限公司研究院高级工程师，主要研究方向为5G移动通信、无线网络演进
许话（1997- ），女，中国电信股份有限公司研究院工程师，主要研究方向为5G/6G无线信道测量与建模
基金资助:
国家重点研发计划项目(2020YFB1806700)

Study on 5G wireless network enhancement technology for time sensitive networks

Jincan XIN, Sen XU, Hua ZHANG, Shangkun XIONG, Hua XU

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

Revised:2022-05-12 Online:2022-05-20 Published:2022-05-01
Supported by:
The National Key Research and Development Program of China(2020YFB1806700)

摘要/Abstract

摘要：

5G 确定性网络是目前产业界正在积极推动的全新工业通信技术。为了逐步实现确定性传输，3GPP引入了时间敏感通信技术，与超可靠低时延通信技术相比，进一步在时延抖动和时间同步方面对5G网络进行了增强，从而实现端到端的时间敏感通信服务。介绍了时间敏感通信技术特点和标准进展，时间敏感通信技术以时间敏感网络与5G网络融合的网络架构为基础，通过精确时间同步机制提高时间同步精度，通过服务质量和调度增强机制降低业务时延、提高传输可靠性，通过以太网头压缩技术提高传输效率。

关键词: 5G确定性网络, 时间敏感网络, 时间敏感通信, 精准时间同步, 服务质量增强

Abstract:

5G deterministic network is a new type of industrial communication technology vigorously promoted by the international industry.3GPP had introduced the time-sensitive communication technology to facilitate deterministic transmission.Compared with ultra-reliable and low-latency communication technology, time-sensitive communication technology further enhanced the 5G network in terms of delay jitter and time synchronization to realize the end-to-end time sensitive communication.Characteristics of time sensitive communication technology were analyzed.Based on the time-sensitive networking and 5G network converged architecture, the time-sensitive communication technology reduces the time synchronization error through the accurate time synchronization mechanism.Additionally, the scheduling enhancement mechanism was introduced to reduce the transmission delay.Furthermore, the Ethernet header compression mechanism was proposed to improve transmission efficiency.

Key words: 5G deterministic network, time-sensitive networking, time-sensitive communication, accurate time syn-chronization, quality of service enhancement

中图分类号:

TN929.5

信金灿, 许森, 张化, 熊尚坤, 许话. 面向时间敏感网络的5G无线网增强技术研究[J]. 电信科学, 2022, 38(5): 18-25.

Jincan XIN, Sen XU, Hua ZHANG, Shangkun XIONG, Hua XU. Study on 5G wireless network enhancement technology for time sensitive networks[J]. Telecommunications Science, 2022, 38(5): 18-25.

图/表 13

表1

表2

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表4

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图6

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表6

参考文献 19

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用户场景	E2E时延	抖动	可靠性	时间同步需求	传输间隔	服务区域
闭环控制	<10 ms	0.5 ms	99.999 9%	<1 μs	10 ms	100 m×100 m×50 m
运动控制	<0.5 ms	0.5 μs	99.999 9%	<1 μs	0.5 ms	50 m×10 m×10 m
移动机器人	<10 ms	2.5 ms	99.999 9%	<1 μs	10 ms	<1 km²
移动控制面板	≤10 ms	2.5 ms	99.999 9%	<1 μs	/	50 m×10 m×4 m
注：数据来源于3GPP SA1 TS22.104^[1]

机制	IEEE标准	实现功能
时间同步机制	802.1 AS	亚微秒级时间同步
网络流量整形机制	802.1Qav, Qbv, Qch, Qcr	确定性传输时延
资源预留机制	802.1 Qat	时间敏感流量优先调度
配置TSN流量	802.1Q	高效路径冗余、动态流量管理

同步源	同步精度
本地站内GNSS接收机（GPS作为TSN GM时钟）	\|TE\| = 100 ns
本地站内TSN GM时钟	TE可忽略
使用支持PTP的级联传输网络连接的远程TSN GM时钟	\|TE\|~N×40 ns，其中，N等于PTP的跳数

站间距/m	空口精度/ns
10	130～376
20	215～506
60	315
114	355
250	1 080

时间同步误差源	同步误差开销
网络部分：主时钟到基站之间的同步误差	±240～±400 ns
设备部分：设备实现引入的时间同步误差	±50～±100 ns
空口部分：终端与基站间的时间同步误差	±145～±275 ns
空口部分=（总误差-2倍网络部分-2倍设备部分）/2

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前导码	帧开始符	MAC 目标地址	MAC 源地址	802.1Q标签（可选）	以太类型/长度	负载	冗余校验
7 octet	1 octet	6 octet	6 octet	（4 octet）	2 octet	42～1 500 octet	4 octet

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