5G-TSN協同架構與關鍵技術

王健全

工學博士，北京科技大學教授、博士生導師、國家「萬人計畫」科技創新領導者才、國家重點研發計畫計畫科學家、工業網路策略諮詢專家委員會委員，主要研究方向為「感知—通訊—控制」一體化融合網路關鍵技術、工業互聯網、工業網絡協同，主持或參與多項重大專案項目，發表論文100餘篇，獲得授權發明專利100餘項，編寫圖書9部。

孫雷

工學博士，北京科技大學副教授，主要研究方向為5G與工業網路協同、時間敏感網路關鍵機制、5G與時間敏感網路協同傳輸關鍵技術、「通訊—計算—控制」一體化融合關鍵技術，發表論文40餘篇，授權發明專利50餘項，主導制定ITU-T國際標準4項，參與編寫《時間敏感網路技術及發展趨勢》《無線網路架構與演進趨勢》等多部圖書。

馬彰超

工學博士，北京科技大學副教授、國際電信聯盟標準化部門量子資訊網路焦點組量子保密通訊工作小組（ITU-T FG-QIT4N WG2）主席，中國通訊標準化協會ST7量子資訊處理工作小組副組長，主要研究方向為新一代工業控制系統與5G、量子安全融合應用，發表論文20餘篇，授權發明專利30餘項，主導編制標準20餘項，編寫圖書多部。

豐雷

工學博士，北京郵電大學副教授、博士生導師，主要研究方向為無線網路智慧管理與優化、蜂窩物聯網資源分配、行動通訊技術垂直產業應用等，主持並參與多項國家級科研項目，發表論文110餘篇，授權發明專利30餘項，參與編寫《6G需求與願景》《漫話6G》等多本書籍。

黃蓉

工學博士、正資深工程師，中國聯通集團級技術專家、中國聯通研究院研究員，IMT-2030（6G）推進小組需求工作小組副組長，主要研究方向為行動通訊網路架構及關鍵技術、確定性網絡等，主持或參與國家及集團級專案20餘項，授權發明專利40項，負責業界標準20項，編寫圖書2部。

第 1章　工業因特網基礎 001

1.1　工業因特網發展背景 002

1.1.1　工業因特網發展進程 002

1.1.2　工業因特網概念及定義 005

1.1.3　國內外工業因特網現狀 006

1.2　工業因特網體系架構 009

1.2.1　工業因特網參考體系架構 009

1.2.2　工業因特網感知層概述 013

1.2.3　工業因特網平臺層概述 013

1.2.4　工業因特網安全體系概述 016

1.3　工業因特網關鍵技術 019

1.3.1　工業因特網網絡層功能 019

1.3.2　工廠外網關鍵技術概述 021

1.3.3　工廠內網關鍵技術概述 022

1.3.4　工業因特網網絡層的價值和意義 025

第 2章　移動通信網絡概述 027

2.1　移動通信網絡基礎架構 028

2.1.1　蜂窩移動通信系統的基本概念 029

2.1.2　蜂窩移動通信系統的發展歷程 030

2.1.3　通信業務變革 033

2.2　5G標準進程概述 034

2.2.1　5G標準發展歷程 034

2.2.2　5G標準版本特徵 035

2.3　5G網絡架構與功能簡述 040

2.3.1　5G組網架構 040

2.3.2　5G基站功能架構 041

2.3.3　5G核心網主要網元 041

第3章　TSN概述 045

3.1　TSN基礎 046

3.1.1　TSN標準發展 046

3.1.2　TSN幀格式 047

3.1.3　TSN技術特徵 049

3.2　TSN調度整形機制 050

3.2.1　基於信用的整形機制 051

3.2.2　時間感知整形機制 052

3.2.3　循環排隊和轉發機制 055

3.2.4　幀搶占機制 057

3.3　TSN幀復制與刪除機制 059

3.4　TSN管理與配置協議 063

3.4.1　協議概述 063

3.4.2　完全分佈式配置模型 063

3.4.3　集中式網絡/分佈式用戶配置模型 064

3.4.4　完全集中式配置模型 065

3.4.5　網絡接口協議 066

第4章　5G-TSN協同架構 069

4.1　5G-TSN協同需求 070

4.2　3GPP提出的5G-TSN協同架構 074

4.2.1　協同架構概述 074

4.2.2　5G系統新增網元 077

4.2.3　5G系統網元功能增強 078

4.2.4　5G-TSN網橋管理 079

4.3　基於SDNC的5G-TSN協同架構 081

4.3.1　面向5G-TSN跨域管理的SDN控制器 081

4.3.2　5G-TSN協同關鍵技術 083

第5章　5G-TSN跨網時間同步機制 087

5.1　TSN時間同步機制概述 088

5.1.1　IEEE 802.1AS基本概念 089

5.1.2　gPTP時間同步工作原理 092

5.1.3　gPTP中的最佳主時鐘選擇方法 094

5.1.4　gPTP中的改進與增強 095

5.2　5G網絡時間同步機制概述 096

5.2.1　5G網絡同步架構 097

5.2.2　5G空口時間同步方法 098

5.3　5G-TSN時間同步方案 104

5.3.1　5G-TSN時間同步系統機制 105

5.3.2　5G-TSN BC補償 106

第6章　適配TSN的5G網絡技術增強 115

6.1　適配TSN的5G低時延通信增強技術 116

6.1.1　5G低時延通信技術 116

6.1.2　適配TSN業務的確定性時延保障技術 121

6.2　適配TSN的5G高可靠通信技術 129

6.2.1　5G高可靠通信技術 130

6.2.2　實現高可靠傳輸的5G通道增強技術 135

6.3　適配TSN的5G本地組網技術 140

6.3.1　接入網隔離 143

6.3.2　承載網隔離 144

6.3.3　核心網隔離 144

6.4　適配TSN的5G移動性管理技術 145

6.4.1　5G-TSN移動性管理需求 145

6.4.2　面向5G-TSN的新型移動性管理技術 146

第7章　5G-TSN協同調度關鍵技術 153

7.1　QoS基本概念 154

7.1.1　QoS定義及衡量指標 154

7.1.2　QoS類別劃分 156

7.1.3　QoS保障策略 157

7.2　QoS服務模型 163

7.2.1　盡力而為服務模型 163

7.2.2　綜合服務模型 164

7.2.3　區分服務模型 165

7.3　跨5G與TSN的QoS協同流程 166

7.3.1　5G與TSN的QoS機制差異性 166

7.3.2　5G與TSN的QoS協商流程 169

7.4　基於無線通道信息的5G與TSN聯合調度機制 171

7.4.1　5G與TSN端到端數據確定性傳輸流程 171

7.4.2　5G-TSN協同模型及問題建模 173

7.4.3　基於5G通道信息的TSN域時延預算設置 174

7.4.4　考慮通道信息的5G系統時延預算設置 175

7.4.5　算法性能模擬及分析 178

7.5　基於深度強化學習的5G與TSN聯合調度機制 183

7.5.1　深度強化學習理論概述 183

7.5.2　多業務場景下5G-TSN聯合優化問題分析 185

7.5.3　基於DDPG的5G-TSN聯合調度模型 189

7.5.4　基於DDPG的5G-TSN聯合調度決策 192

7.5.5　算法性能模擬及分析 194

7.6　基於DS-TT隊列緩存的5G與TSN聯合調度機制 197

7.6.1　DS-TT門控對端到端時延的影響分析 198

7.6.2　基於DS-TT隊列緩存的5G調度策略 200

7.6.3　保障時間敏感業務的幀搶占策略 201

7.6.4　算法性能模擬及分析 202

第8章　基於5G-TSN的雲化控制系統 205

8.1　基於5G-TSN的工業控制系統演進路線 206

8.2　面向網控算一體化的5G-TSN內生工業控制技術 207

8.2.1　雲化PLC與5G雲邊端算力節點融合方案 207

8.2.2　雲邊端協同的雲化PLC靈活部署方案設計 210

8.2.3　面向5G-TSN的雲化PLC路由決策方案 211

8.3　適配雲化控制數據的5G-TSN承載方案 212

8.3.1　基於5G空口MAC層工控數據直傳技術 212

8.3.2　5G-TSN工業控制數據匯聚傳輸技術 215

8.4　5G-TSN與工業以太網融合組網技術 218

8.4.1　疊加式融合組網技術 218

8.4.2　拼接式融合組網技術 220

第9章　5G-TSN應用技術及應用場景 223

9.1　5G-TSN與OPC UA融合 224

9.1.1　OPC UA技術概述 224

9.1.2　5G-TSN與OPC UA 229

9.2　5G-TSN在工業場景的應用 230

9.2.1　5G-TSN工業場景應用模式簡析 230

9.2.2　5G-TSN與工廠自動化 233

9.2.3　5G-TSN與過程自動化 235

9.2.4　5G-TSN與遠程操控 237

9.2.5　5G-TSN與工業數字孿生 238

9.3　5G-TSN在其他場景的應用探討 238

9.3.1　5G-TSN在智能網聯車中的應用 238

9.3.2　5G-TSN在電力場景中的應用 240

 

參考文獻 243