5G上的时敏网络：带有IEEE 802.1Qbv流量的混合5G和TSN系统的实验评估

论文标题：Time-Sensitive Networking over 5G: Experimental Evaluation of a Hybrid 5G and TSN System with IEEE 802.1Qbv Traffic

作者信息：Adnan Aijaz 和 Sajida Gufran，来自英国布里斯托尔的Toshiba Europe Ltd.的Bristol Research and Innovation Laboratory。邮箱地址为 firstname.lastname@toshiba-bril.com。

论文出处：这篇论文的具体出处没有在提供的内容中明确说明，但通常这类研究会发表在相关的科技期刊或会议论文集中。

主要内容概述：

摘要

本文研究了基于IEEE 802.1标准的Time-Sensitive Networking (TSN)技术，它增强了标准以太网处理工业网络严格实时需求的能力。TSN和私有5G将在工业系统中共存，因此两者的融合操作对于实现端到端的确定性性能至关重要。本研究通过实验评估了一个混合5G和TSN系统，该系统通过空中传输基于IEEE 802.1Qbv标准的定时实时TSN流量。主要目标是揭示混合5G和TSN部署的动态。实验平台包括现成的TSN和5G设备以及接近产品级的5G系统。结果表明802.1Qbv参数和5G系统能力对端到端确定性性能的影响。本研究的发现对3GPP定义的5G/TSN集成桥模型（黑盒模型）的设计和优化具有重要意义。

第一节引言

介绍了TSN作为IEEE 802.1工作组下的标准集，增强了标准以太网的实时能力。TSN为单个标准以太网网络上的时间关键和最佳努力流量提供保证的数据传输。随着工业领域自动化需求的增加，TSN市场增长迅速。5G技术能够处理多样化的应用，为工业通信提供了统一的无线接口。特别是5G的超高可靠低延迟通信（uRLLC）能力对时间敏感流量非常有前景。3GPP定义了5G和TSN集成的桥模型，其中5G系统对TSN实体表现为黑盒。

第二节相关工作

回顾了TSN标准和5G中超低延迟机制的全面调查。大多数现有研究依赖于模拟技术来研究5G和TSN系统的融合操作。介绍了一些基于模拟的5G和TSN集成框架，并讨论了5G和TSN融合的时间同步问题。

第三节贡献和大纲

本研究采用实验方法对集成5G和TSN系统进行评估，并创建了一个基于现成TSN和5G设备以及接近产品级的端到端5G系统的混合TSN和5G测试平台。主要贡献包括生成基于IEEE 802.1Qbv规范的真实TSN流量，并通过5G系统进行空中传输。

第四节 IEEE 802.1Qbv标准概述

IEEE TSN标准集可以大致分为时间同步、超高可靠性、资源管理和有界低延迟等类别。IEEE 802.1Qbv标准规定了时间感知整形器（TAS），它提供了有界低延迟的时间感知流量调度。

第五节测试平台设置

介绍了测试平台的设置，包括TSN网关、5G系统、5G设备和TSN网关的配置。

第六节实验评估和结果

展示了端到端集成的5G和TSN设置，并介绍了生成标准以太网流量、将其转换为TSN流量，并通过5G设备通过空中传输到5G核心网络的方法。研究了不同的802.1Qbv参数对端到端确定性性能的影响。

实验评估和结果部分详细描述了如何通过实验设置来评估混合5G和TSN系统的性能，特别是关注端到端的确定性行为。以下是该部分的重点内容：

实验设置

实验通过生成标准以太网流量（非TSN流量），将其转换为TSN流量，然后通过5G设备通过空中传输到5G核心网络来进行。实验中使用的非TSN流量是通过iPerf测试生成的，测试对象是连接到TSN网关非TSN端口的笔记本电脑（端站）和5G核心网络之间的连接。5G设备通过USB 3.0到100 Mbps以太网接口连接到TSN网关的一个TSN端口，并通过无线方式连接到5G网络。

实验方法

研究者们定义了不同的场景，这些场景基于TSN基期和传输窗口。对于每个场景，都进行了独立的iPerf测试。通过Wireshark在不同接口进行数据包捕获，以评估不同802.1Qbv参数对端到端确定性性能的影响。

实验场景

场景1：基期设置为200毫秒，传输窗口为25毫秒。非TSN流量没有规律的周期性，而转换后的TSN流量遵循200毫秒的严格周期性。通过5G设备空中传输的TSN流量在5G核心网络中显示周期性行为，周期为200毫秒。
场景2：基期设置为100毫秒，传输窗口保持25毫秒。转换后的TSN流量和到达核心网络的流量都显示出100毫秒的周期性。
场景3：基期设置为50毫秒，传输窗口为12.5毫秒。这种情况下，TSN流量的周期性为50毫秒，但在某些情况下不是严格的周期性，表明5G系统在没有TSN特定优化的情况下，处理更严格的TSN流量要求存在不足。
场景4：基期减少到40毫秒，传输窗口降低到10毫秒。转换后的TSN流量显示出40毫秒的周期性，到达5G核心网络的流量也显示出周期性模式，但同样在某些情况下不是严格的周期性。

实验结果

实验结果显示，在TSN流量的基期相对较高时，5G流量观察到确定性流量模式。然而，当基期较小，与5G系统的平均延迟性能相当时，观察到伪确定性行为。此外，还观察到一些数据包丢失或延迟，这表明在没有TSN特定优化的情况下，传统的5G系统可能无法有效处理具有严格要求的TSN流量。

结论

实验评估表明，为了实现端到端的确定性性能，需要对5G系统进行优化，以适应TSN流量的动态和协议，即使5G系统对TSN实体表现为黑盒。

其他部分

TSN网关配置：使用基于网络的图形用户界面进行配置，包括流识别、队列分配和时间表安排。
5G系统：描述了5G系统的基本组成，包括无线电接入网络（RAN）、核心网络和RAN智能控制器（RIC）。
5G设备：使用了基于Quectel RM500Q-GL模块的dongle，支持3GPP Release 15标准的5G独立模式。

这些实验结果对于设计和优化5G/TSN集成系统具有重要意义，特别是在工业网络环境中。

第七节关键见解和总结

总结了实验评估的关键见解和总结，指出了5G系统在处理具有严格要求的TSN流量方面的局限性，并强调了对5G系统进行端到端优化的必要性。

第八节结论

文章总结了5G和TSN系统的融合是工业网络采用标准化技术的重要步骤。评估显示，当TSN流量的基期相对较高时，5G流量观察到确定性流量模式。然而，当基期较小，与5G系统的平均延迟性能相当时，观察到伪确定性行为。