5G和TSN为何能够整合？取决于这些特点与基础【连载3】

继续TSN技术科普连载
前情回顾：
TSN与5G技术有效整合，将为工业领域应用提供无限可能【连载2】
TSN与5G将擦出怎样的火花？【连载1】

通过上一篇↑文章的介绍，相信大家已经了解到

5G能够整合TSN网络应用于工业自动化领域

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

它的诸多特性突破了过去移动互联网的技术界限

也为移动互联技术带来了更加广阔的应用空间和更加丰富的应用场景

今天

我们不妨在这里探究一下

5G和TSN能够整合的技术特点和基础

先上图，后边咱们掰开揉碎了慢慢讲

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5G的技术特点

1、5G的低延时性

5G技术引入了5G 无线接入网（5G RAN）功能，5G RAN及其5GNR（5G New Radio）接口包括一些功能，可实现特定数据流的低延迟。

比如，NR使无线子帧中的时隙更短，这有利于低延迟应用。NR还引入了mini-slots，在这里可以启动优先传输，而无需等待时隙边界，进一步减少了延迟。由于使用了优先权，并能更快速的无线接入URLLC，NR引入了抢占机制——URLLC数据传输可以抢占正在进行的非URLLC传输。另外，由于NR使用了非常快速的处理，轻易实现了在短延迟范围内的数据重传。

2、5G的无线资源管理

无线资源管理 Radio Resource Management（RRM）：是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障。其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。

5G NR上在RRC支持三种状态，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED，这和3G/4G并不相同，相较于4GLTE只有RRC IDLE和RRCCONNECTED两种RRC状态，5G NR引入了一个新状态——RRC INACTIVE。在RRC INACTIVE状态下，终端处于省电的“睡觉”状态，但它仍然保留部分RAN上下文（安全上下文，UE能力信息等），始终保持与网络连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRC INACTIVE状态转移到RRC CONNECTED状态，且减少信令数量。

5G的这一设计就是为了满足万物互联和超低延时的需求：

1）在5G的规划中网络需要连接大量的依靠电池供电的终端，降低设备功耗成为使用的关键。

2）对于关键任务型的物联网来说，要求超低的时延，在任务触发时，数据包必须快速的传送到网络或终端。

3）在大规模物联网内，大量的设备零星传送少量的数据，会带来过高的信令开销。

为了满足以上三点：降低用户设备功耗；快速接入，降低时延；同时还要减少信令开销， 5G引入了RRC INACTIVE状态。这样，5G的无线资源管理也更有利于实时的周期性数据传送。

3、5G的高可靠性

5G定义了超鲁棒传输模式，以提高数据无线信道和控制无线信道的可靠性。并通过各种技术进一步提高可靠性，例如多天线传输、多载波和独立无线链路上的分组复制等。

4、5G的时间同步

时间同步作为5G蜂窝无线系统运行的一个重要部分被嵌入到5G蜂窝无线系统中，这早已经是之前蜂窝网络的普遍做法。无线网络组件本身也是时间同步的，例如，可以通过精密时间协议的电信配置行规（ITU-T G.8275.1 支持网络定时的相位/时间同步精准时间协议电信行规）来完成。而这则为时间关键型应用程序打下了坚实的基础。

除了5G RAN功能外，5G系统（5GS）还在核心网络（CN）中提供以太网和URLLC的解决方案。5G CN支持本地以太网协议数据单元（PDU）会话。5G能协助通过5GS（包括RAN、CN和传输网络）建立冗余用户面路径。5GS还允许冗余用户面分为RAN和CN节点，同时，也允许冗余用户面分为UE和RAN节点。
时间敏感网络（TSN）的协议特点

我们在之前的系列文章中已经详细了解了TSN的协议特点（往期系列连载会放文末），我们在这里回顾一下，也便于和5G网络技术做一个初步的比较：

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1、调度和流量整形

调度和流量整形为关键帧保留资源，允许在同一网络上具有不同优先级的数据流共存——而这些数据能够各自根据需要适应带宽和网络延时，已满足网络的延时需求。为了充分利用带宽和减少延时，TSN还使用了时间片、保护带和帧抢占机制。

2、资源管理

资源预约和分配是网络保证服务质量的前提。TSN网络中有两种类型的服务质量保证，一是带宽预约流量，一种是周期性的时间敏感流量。为保证这些流量的服务质量，一方面需要在包含网络接口适配器和交换机的端到端路径上进行资源预留，另一方面需要TSN网络接口适配器对预约资源流量进行整形和过滤，避免其他正常流量产生影响。因此，TSN网络需要对交换机和网络适配器上的资源进行相应的集中式配置。

TSN资源管理由TSN配置模型（802.1Qcc）定义：集中式网络配置可应用于网络设备（网桥），而集中式用户配置可应用于用户设备（终端站）。所有的集中配置模型均遵循软件定义网络（SDN）。

3、时间同步

在大多数情况下，TSN使用IEEE 1588精确时间协议来进行时钟分配，利用以太网帧来分配时间同步信息，这一时间协议为TSN带来了可靠的时间同步，并可以供给其他TSN工具使用

4、可靠性

TSN通过IEEE802.1BC所定义的“为提高可靠性而进行的帧复制和消除（FRER）”技术，在“数据包”级别为数据流提供了超高可靠性，这一机制大大提高了TSN的可靠性，从而也带来了高可用性；TSN还通过在网络中互不相交的路径上传输相同数据包的多个副本的方式，来提高网络传输的可靠性；同时，在TSN中，流过滤和流管理（802.1Qci）则通过防止带宽冲突、故障和恶意行为来提高网络的可靠性。

通过上述文字和两幅图，我们能够看到5G技术尤其是URLLC其实是具有支持TSN的能力，因此，伴随着通信技术的不断发展，我们可以拭目以待，在不久的未来，5G一定能够充分发挥自身优势，和TSN一起在工业自动化领域得到广泛的应用。