构建5G-TSN测试平台:架构与挑战

论文标题:Building a 5G-TSN Testbed: Architecture and Challenges

作者信息:

  • Anna Agustí-Torra, Marc Ferré-Mancebo, David Rincón-Rivera, Cristina Cervelló Pastor, Sebastià Sallent-Ribes,来自西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚理工大学(Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech, UPC)网络工程系。电子邮件: {anna.agusti, marc.ferre.mancebo, david.rincon, cristina.cervello, sebastian.sallent}@upc.edu

论文出处:2024 24th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON)


摘要

时间敏感网络(TSN)是基于以太网的工业通信技术,能够提供严格的服务质量(QoS)保证,包括最大端到端延迟、有界丢包率和两点之间的保证带宽。TSN定义了多种机制,其中数据包调度器扮演着最重要的角色。时间感知整形器(TAS)是最适用于工业场景的调度器,因为它能够为特定流分配周期性的时间槽,从而确保QoS,前提是路由和调度由基于软件定义网络(SDN)的TSN控制平面正确配置。然而,TSN是一种有线技术,缺乏5G等无线技术提供的灵活性和移动性。这就是为什么3GPP从16版开始定义了一种架构,用于在工业场景中集成(通常是私有的)5G网络和TSN。在5G和TSN数据平面之间需要新的元素,称为TSN转换器(TT),并在5G中定义了一个名为TSN应用功能(AF)的接口,用于通信两个网络的控制平面。本文描述了一个5G-TSN网络测试平台的架构、挑战和初步结果(包括TSN设备和5G仿真器,以及基于SDN的控制平面)。

关键词

时间敏感网络(TSN)、5G、软件定义网络(SDN)

第一节 引言

TSN是一种基于以太网的最新工业通信技术,能够保证严格的QoS,包括最大端到端延迟、有界丢包率和两点之间的保证带宽。为了确保QoS保证,已经在传统以太网中添加了几种机制,最重要的是同步平面、一组流量整形器和调度器,以及基于SDN的控制平面。在同步方面,TSN依赖于IEEE 802.1AS(也称为gPTP),这是针对工业场景调整的精确时间协议(PTP)的配置文件。TSN设备必须紧密同步,因为没有使用时隙化流量调度器就无法实现严格的QoS保证。

第二节 挑战和相关工作

在5G-TSN集成中必须解决几个挑战,最相关的是如何通过5G维持TSN同步,以及如何在TSN端站之间的流之间保持端到端QoS。关于时间同步,存在两个不同的时序域:TSN(使用gPTP)和5G(使用ITU-T G.8275.1 PTP电信配置文件)。由于5G系统对TSN网络表现为单个TSN桥,它可以作为透明时钟或边界时钟。作为透明时钟时,5G系统在gPTP帧进入5G桥时必须在后缀字段中添加入口时间戳(TSi),在它们离开时添加出口时间戳(TSe)。TSi和TSe之间的差异是5G系统内花费的停留时间,必须包含在gPTP帧的修正字段中。

第三节 5G-TSN测试平台描述

我们的5G-TSN测试平台包括硬件TSN交换机和网络接口卡(NIC)。NIC用于构建基于PC的端点(发送者和接收者),也用于构建5G和TSN域之间的DS-TT和NW-TT转换器,负责两个关键任务:管理两个域之间的时间传输和应用适当的调度以保持端到端QoS。

第四节 初步结果和经验教训

我们进行了各种测试,以分析测试平台在端到端延迟、桥延迟(停留时间)和时间感知整形器行为方面的性能。表1显示了使用ping和Netperf进行的端到端延迟测试和桥延迟测试的结果。Netperf报告的延迟比ping低,根据相关文献,Netperf在延迟测试中的可靠性被认为比ping更高。

第五节 结论

本文描述了在工业场景中集成TSN和5G网络的架构和挑战。我们还描述了功能性测试平台的设计选择和初步结果。

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