5G-TSN協同架構與關鍵技術

王健全

工学博士，北京科技大学教授、博士生导师、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家重点研发计划项目科学 家、工业互联网战略咨询专 家委员会委员，主要研究方向为“感知—通信—控制”一体化融合网络关键技术、工业互联网、工业网络协同，主持或参与多项重大专项项目，发表论文100余篇，获得授权发明专利100余项，编写图书9部。

 

孙雷

工学博士，北京科技大学副教授，主要研究方向为5G与工业网络协同、时间敏感网络关键机制、5G与时间敏感网络协同传输关键技术、“通信—计算—控制”一体化融合关键技术，发表论文40余篇，获得授权发明专利50余项，牵头制定ITU-T国际标准4项，参与编写《时间敏感网络技术及发展趋势》《无线网络架构与演进趋势》等多部图书。

 

马彰超

工学博士，北京科技大学副教授、国际电信联盟标准化部门量子信息网络焦点组量子保密通信工作组（ITU-T FG-QIT4N WG2）主席，中国通信标准化协会ST7量子信息处理工作组副组长，主要研究方向为新一代工业控制系统与5G、量子安 全融合应用，发表论文20余篇，授权发明专利30余项，主导编制标准20余项，编写图书多部。

 

丰雷

工学博士，北京邮电大学副教授、博士生导师，主要研究方向为无线网络智能管理与优化、蜂窝物联网资源分配、移动通信技术垂直行业应用等，主持并参与多项国家 级科研项目，发表论文110余篇，授权发明专利30余项，参与编写《6G需求与愿景》《漫话6G》等多部图书。

 

黄蓉

工学博士、正高 级工程师，中国联通集团级技术专 家、中国联通研究院研究员，IMT-2030（6G）推进组需求工作组副组长，主要研究方向为移动通信网络架构及关键技术、确定性网络等，主持或参与国家和集团级项目20余项，授权发明专利40项，负责行业标准20项，编写图书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