5G-TSN技术发展白皮书总结
一、概述
5G凭借高带宽、低延时等能力成为加速传统行业转型的重要支撑，但工业智能化、智能交通等时延敏感型应用仍需进一步提升5G专网的超低时延、时延抖动、可靠性等能力。5G与TSN的协同创新成为5G专网实现能力跃升的重要方向，5G-TSN可将网络跨域时钟传输抖动降至微秒量级，平均传输时延降至毫秒量级，满足更多行业应用的严苛要求。随着5G-A标准的冻结，5G-TSN技术迎来广阔应用前景，可支撑沉浸实时、工业互联、通感一体、千亿物联等应用场景。
二、技术现状及挑战
2.1 TSN标准及产业发展
TSN作为新一代以太网技术，通过时间同步和流量调度提供确定可靠的消息传递，支持开放的、独立于供应商的网络配置。TSN网络技术已成为产业链各环节关注的热点，芯片厂商推出TSN工业以太网芯片，交换机广泛应用于实时性要求较高的场景。
2.2 5G-TSN标准化演进
5G与TSN协同创新可提供更好的移动性、灵活性、业务编排能力，并有效降低运维成本。3GPP在R16至R18多个版本的标准规范中提出了多项5G-TSN相关标准，包括R16的5G与TSN网络协同，R17的无外接TSN网络的5G内生确定性通信，以及R18增强的5G网络开放能力、时钟源故障处理机制和时间同步功能。
2.3 5G-TSN发展挑战
5G-TSN产业目前尚处于发展初期，面临以下挑战：
- 5G-TSN协议架构复杂，需要5G网络全面升级，目前不具备齐套规模部署条件。
- 5G与TSN需要进一步提升协同能力，克服无线信道时变带来的不确定性，实现精准时间资源调度。
- DS-TT与NW-TT对芯片算力要求较高，需承载网络对接、流量调度等负载。
- 5G-TSN部署带来较高成本与门槛，需要一站式部署的轻量化方案。
三、基于云原生技术的5G-TSN解决方案
基于云原生技术的5G-TSN解决方案打造了端到端的5G-TSN平台，支持标准容器平台，实现小于600ns的同步精度和低至10ms的网络时延。
3.1 DS-TT
DS-TT位于UE端，实现TSN网络与5G时钟同步、网络侧TSN域时钟同步、与TSN终端站时间同步，并支持IEEE802.1Qbv、Qbu调度转发机制。其软硬件架构包括：
- 云原生运维管理：使用容器管理计算、存储和网络资源，实现远程批量管理和配置。
- 软件平台加速：通过DPDK和VPP数据平面提升处理速度和性能。
- 协议栈开发：支持二层网络基本协议栈和TSN网络协议栈，包括网络拓扑发现、IEEE802.1AS/IEEE1588协议栈同步、IEEE802.1Qbv协议门控整形、IEEE802.1Qbu帧抢占机制。
- 同步信号传递处理：搭载基于硬件的B码同步处理模块和支持SIB9高精度同步配置5G模组。
- TSN网络管理：涵盖TSN网域管理和5G网域管理。
3.2 NW-TT
NW-TT用于连接网络侧的TSN系统，由软件平台加速、协议栈开发、同步信号传递处理、TSN网络管理等子系统构成，支持双网卡硬件时钟同步，可获取5G时钟与TSN时钟，实现高精度同步。
3.3 测试验证
采用Keysight综测仪UXM和TSN测试仪Novus测试，方案从DS-TT到NW-TT的同步精度小于600ns，传输时延可低至10ms。
3.4 实践成效
该方案为业界提供了可供参考、部署的5G-TSN解决方案，有助于行业从以下方面深化5G应用：
- 实现<600ns的TSN同步精度和10ms时延，满足多态实时感知、精准控制等需求。
- 构建支持标准容器平台的端到端5G-TSN解决方案，推动重点垂直行业的普及型应用。
- 构建容器化的标准TSN网络能力，灵活独立部署，促进5G-TSN生态发展。
四、应用场景
4.1 工业互联网
在工业互联网场景下，5G-TSN解决方案可满足低延迟和确定性、高可用性、同步精度和低抖动的要求，为智能制造、智能电网等应用构建确定性通信基础。例如，通过实时识别多个实时传感器数据，实现实时的设备控制及预警；在PLC和机器人精确控制等应用中，提供确定性的消息传递和高精度的时间同步，实现精准、实时的控制。
4.2 车联网
在车联网产业生态体系中，5G-TSN解决方案可降低网络端到端的时延，并保证时延的确定性，提升多感知节点数据融合的精度。例如，在十字路口进行车路协同时，通过TSN将点云图的数据进行时空融合，确保车辆位置和雷达点云图的精准识别。数据显示，启用TSN后，车联网应用中雷达数据平均时延和时延波动可得到有效降低，在100ms内完成雷达数据周期的处理。
五、展望
随着5G赋能千行百业数字化转型，5G专网在行业领域的应用正向融入生产的车间级/现场级生产域网络渗透，对确定性网络的需求越来越强烈和紧迫。中国联通将基于3GPP标准分阶段持续推动5G-TSN技术实践：
- 完善5GTSC能力注册与管理模块，5GC必要功能升级，实现5G内生TSN确定性转发。
- 实现业务流特征信息的传递，根据流特征协助5G空口传输，实现基于业务流特征信息的网业协同传输。
- 5G系统的授时功能与能力开放相结合，供行业应用调用。
- 业务流调度管理及能力开放，深度融合行业应用。
5G-TSN的融合商用和规模化部署还依赖产业链的成熟，中国联通希望携手产业合作伙伴，进一步推进5G-TSN标准化解决方案，加强试验示范及产业化应用，赋能行业发展，加速工业智能化进程。
