从概念整合到深入应用，用TSN＋5G实现确定性低延迟传输

电子发烧友网报道（文/李宁远）TSN，Time-Sensitive Networking，时间敏感网络现在已经不是一个新鲜的技术了，它从我们传统的以太网当中衍生出来，经过这些年的应用大家都对其有了相应的了解。
 
书面一点形容，TSN是在非确定性的以太网中实现确定性的最小时间延时的协议族，简单一点来说，TSN的时间敏感机制为标准以太网增加了确定性和可靠性，确保数据能够实时、确定和可靠地传输。
 
从无到有的TSN
 
早前的音视频传输，用的是传统以太网或者分组交换网络以及二者融合的同轴传输。这种传输会出现的问题大家都应该遇到过，那就是延迟，视频音频并不同步。在这样的背景下，IEEE 802.1工作组成立了AVB音视频桥接任务组，该工作组的任务就是解决以太网中音频视频数据实时同步传输的问题。
 
从最早的时钟同步标准，到后来的流量整形以及队列调度相关算法，该任务组慢慢解决了一些音视频在网络转发出现的延迟问题。随着物联网等一些新概念的出现，对这种确定性网络的需求越来越多，AVB音视频桥接任务组扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并正式更名为TSN工作组。TSN更加贴近工业互联网以及车载应用，随之而来，工作组也在其中加入了一些对时钟或者时间要求更高的算法与机制。
 
目前常见的TSN协议有IEEE 802.1AS-rev、IEEE 802.1Qat、IEEE 802.1Qav、IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu等等。802.1AS-rev能够达到微秒级甚至是纳秒级的精度误差，802.1Qat通过引入协商机制解决音视频实时流量与普通异步数据流量之间的竞争，802.1Qav将异步以太网数据流和实时流做了排队分配。TSN下还有不少协议发布也已经提上了日程。
 
总的来看，TSN的确定性体现在它更关注传输的下限。它不会像传统以太网里有较长的拖尾会产生较长的时延，这种延迟在公控或者车载以太网当中都是很危险的，TSN通过提高传输的下限让整个传输更确定，更可靠。
 
5G＋TSN，从概念整合到应用
 
5G技术的出现对于移动互联网来说是具有颠覆性的技术变革，其诸多特性突破了传统的技术界限。5G与TSN的整合可以说是双剑合璧相得益彰。5G与TSN作为无线和有线领域的关键网络技术，二者融合创新、协同部署，对于构建高质量的互联网至关重要。
 
我们可以看到从5G R16开始，就开始提供了很多除开公网之外的协议，具体到TSN来讲， R16 协议定义了很多关于TSN通信相关的一些协议，5G网络跟TSN网络进行互操作的网络架构，还定义了5G网络作为TSN网桥如何做同步机制的架构，并且也做了很多冗余传输来保证传输的可靠性。
 
特别还定义了5G与TSN网络通信的辅助信息，它会把TSN网络的信息转换成5G网络的需求，并将需求发给基站，基站会结合调度算法将需求实现到调度机制上，5G在TSN终端以及TSN网络中间起到了桥梁的作用，进一步保证低延时和高可靠性。而R17提出了TSN增强架构，即实现5G核心网架构增强，控制面设计支持TSN相关控制面功能，实现5G核心网确定性传输调度机制，而不依赖于外部TSN网络。
 
在对传输有着十分严格的确定性要求的场景下，5G网络系统的各个环节需要进行性能优化以及系统整体处理效率提升才可能实现端到端的极致高可靠低时延，TSN正好在现有的以太网QoS功能基础上增加了包括时间调度、抢占、流监控及过滤等一系列流量调度特性，可以确保流量的高质量确定性传输。二者结合，可以更有效地确保端到端的超低延迟高可靠传输。目前，5G与TSN的融合大致分为拼接式融合、承载网融合以及深度融合，无论是哪种融合方式，其目的都是为了满足场景内极致的端到端确定性互联。
 
5G＋TSN赋能工业自动化是非常具有代表性的应用，此前中国移动联合华为、固高科技、思伯伦、金石机器人发布的全球首个5G+TSN智能仓储物流系统就是5G＋TSN深入应用的缩影。工业场景机器人的应用是非常典型的需要低延迟的闭环控制应用，机器人能否同步几乎完全取决于运动数据的传输延迟。华为提供的5G+TSN技术，通过5G核心网内生TSN可以简化组网，一张5G网络就可以实现时钟同步、确定性时延保障，并通过智能化调度，及时优化网络性能，保障端到端的SLA。这种5G网络构建起的信息系统，能让同一场景下不同功能的机器人实时连接在一起实现精密协作。随着两种技术的发展和融合，不只是工业场景，任何需要端到端确定性互联的场景都会受益于5G＋TSN。
 
写在最后
 
虽然5G＋TSN有着广阔的应用空间，但是二者融合的技术挑战还是不少的，比如5G如何在无线侧保证稳定，比如二者不同的时间域该如何同步来消除不确定性等等，而且二者融合应用起来也会涉及到大量现场设备和控制系统升级改造，不可能一蹴而就。5G与TSN想要深入应用，还需要整个生态圈内的各个环节共同努力。