基于5G移动通信中时间敏感网络传输的系统及方法与流程

基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统及方法，属于计算机网络、移动通信网络和工业互联网领域。


背景技术：

2.时间敏感网络(timesensitive network,tsn)是目前国际上基于传统以太网(traditional ethernet,te)和实时以太网(time trigger ethernet,tte)结合，可以满足工业互联网对流量的实时性需求的新型网络。其协议簇在原来te的ieee802.3数据链路层协议基础上增加了ieee802.1系列协议。在子协议ieee802.1qbv中，提供了一种时间感知整形器(time aware shaper，tas)，来对相应的流量进行调度。对于工业互联网的到来，时间敏感性数据确定性的传输由tsn解决，但是tsn是有线网络，对于工厂级别特别是经常需要移动的设备(例如agv)来说非常的不便，所以有线的tsn在部署的时候带来了许多的麻烦，这就迫切需要一种无线的tsn来解决这个问题。
3.如图1所示，根据r16协议中的定义，标准的5g-tsn架构；标准的5g-tsn架构中为了让5g系统作为一个桥而衔接tsn系统，在5g系统中新增了ds-tt用于5g系统ue端与tsn系统的接口，而核心网侧的新增了nw-tt和tsn af则用于作为5g系统与另一端tsn系统的接口。ds-tt和nw-tt的作用主要包括：一是对接5g和tsn之间的时延抖动保障技术；二是5g和tsn之间协议接口转换，重写包头字段的pdu转换，实现vlan的pcp优先级映射，nat地址转换，5g和tsn网络的安全策略对接；tsn af的作用主要是为了实现灵活动态配置5g-tsn系统，实现动态对5g和tsn网络的相关配置和更新，实现动态对流预留资源的实时建立和释放，对门控列表进行修改。
4.据ieee802.1qcc协议定义tsn系统的网络结构，主要有三种架构形式，全集中式控制，全分布式控制，集中和分布混合控制，目前研究最多的是全集中式控制，如图1右侧，tsn业务流程建立是end-device与tsn控制器的交互过程，cuc和cnc可以合称为tsn控制器。end-device通过与控制器的交互触发控制器的gcl计算过程，并通过过数据面配置实现最终的业务请求的部署。下图系统是一个多域的tsn系统建立业务流的过程。cuc会部署网络拓扑发现和控制逻辑程序。cnc会部署路由和调度模块。当一个端点设备与另一个端点设备尝试建立一个tsn链接时，这个端点设备就需要发送一个携带网络需求的请求给cuc，cuc就会发送一个确定性通信需求给cnc。cnc在收到所请求以后，cnc会计算每个流的路由路径和点对点调度，这些路由和调度配置到相关的网桥(交换机)。当cuc收到cnc的计算结果，cuc就会返回“accept”或者“reject”消息给端点设备对应是否初始化成功。
5.其大致工作流程为：cnc通过南向接口收集网络节点的配置信息，以及网络传输能力等，并且生成一个全局拓扑，然后传输到cuc；cuc通过与端节点的连接收集用户所需要的业务需求，然后与cnc交互；cnc根据网络拓扑和用户对流量的需求，进行规划计算，计算出满足用户需求的流量调度策略，例如gcl，预留带宽等；然后cnc下发调度策略到网络节点和通过cuc转发给用户；用户根据和网络节点根据调度策略来转发流量。
6.对于控制面来说，5g系统中由网元af来与tsn网络交互，cnc与tsn af连接时，tsn af工作在代理模式，通过标准的网络管理接口对外隐藏5g网络的管理细节。5g-tsn功能包括：预配置-网桥id、nw-tt端口号、qos映射表、网桥延时；能力上报-网桥名、地址、端口号、端口信息、拓扑信息；网桥配置-调度信息
7.对于新型网络技术tsn而言，由于其协议还在制定完善中，所以应用范围不是特别广泛，有关于的落地产品比较少见，有关于5g-tsn系统，虽说3gpp和ieee802.1系列有相关的协议，但是由于此系统复杂度比较高，实现难度比较大，因此目前暂时基本没有相关完整技术的落地产品。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统，该系统能够实现了tsn的无线化，简化了标准的5g-tsn网络系统的复杂度。
9.本发明的第二个目的在于提供一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的方法。
10.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
11.一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统，所述系统包括至少一个5g-tsn架构，所述5g-tsn架构至少包括一个5g系统、两个转换器和两个tsn系统，所述两个转换器分别为第一转换器和第二转换器，所述两个tsn系统分别至少包括一个tsn交换机，所述两个tsn系统分别为第一tsn系统和第二tsn系统；
12.所述5g系统的终端侧与第一转换器连接，所述第一转换器与第一tsn系统的tsn交换机连接，所述5g系统的核心网侧与第二转换器连接，所述第二转换器与第二tsn系统的tsn交换机连接；
13.所述5g系统的终端为客户终端设备。
14.进一步的，所述第一转换器用于添加或剥离第一数据帧的四个字节的虚拟局域网字段；所述第二转换器用于添加或剥离第二数据帧的四个字节的虚拟局域网字段；所述客户终端设备用于对上下行流量数据进行无线帧与有线帧之间的转换。
15.进一步的，所述添加或剥离第一数据帧的四个字节的虚拟局域网字段，具体包括：
16.在流量数据上行过程中，第一转换器对第一tsn系统所传输的具备四字节的虚拟局域网字段的第一数据帧进行剥离这四字节字段，并传输到客户终端设备进行处理以传输到5g系统；
17.在流量数据下行过程中，第一转换器对5g系统所传输的不具备四字节的虚拟局域网字段的第一数据帧进行添加这四字节字段，并传输到第一tsn系统的tsn交换机进行流量调度以传输到第一tsn系统的其他网络设备。
18.进一步的，所述添加或剥离第二数据帧的四个字节的虚拟局域网字段，具体包括：
19.当第二数据帧从5g系统的核心网传输到第二转换器时，第二转换器对第二数据帧添加四字节的虚拟局域网字段，并转发到第二tsn系统中；
20.当第二数据帧从第二tsn系统传输到第二转换器时，第二转换器对第二数据帧剥离四字节的虚拟局域网字段，并转发到5g系统的核心网中。
21.进一步的，所述第一转换器还用于同步第一tsn系统和5g系统，具体包括：
22.第一转换器接收客户终端设备所接收的第一时钟信息，再将第一时钟信息以时钟
tsn网络系统的复杂度，使得实现起来更加的简单，为进一步实现复杂标准的5g-tsn系统奠定了基础。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例所参考协议标准的5g-tsn架构的结构图。
44.图2为本发明实施例的简化后的5g-tsn架构的实物搭建图。
45.图3为本发明实施例的数据帧的格式图。
46.图4为本发明实施例的时钟同步的原理图。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例：
49.传统时间敏感网络是属于以太网演进的一部分，虽然此网络可以解决工业场景中实时性流量与非实时流量的混合传输，但是此网络是一种有线传输的以太网结构，因此其灵活性和移动性较差；而根据3gpp和ieee802.1系列有相关的协议所实现的系统复杂度高，实现难度大。基于上述缺点，本实施例结合现有的5g无线系统来实现在工业场景中的无线部署，并通过简化3gpp定义的系统架构以及结合ieee802.1系列的协议，可以简化现有系统的复杂性。
50.本实施例的简化方式具体为：通过简化网元功能来简化现有系统的复杂性或采用网元替代的方式来简化现有系统的复杂性。
51.基于上述简化思路，如图2所示，本实施例提供了一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统，系统包括至少一个5g-tsn架构；其中：5g-tsn架构至少包括一个5g系统、两个转换器和两个tsn系统，两个转换器分别为第一转换器和第二转换器，两个tsn系统分别至少包括一个tsn交换机，两个tsn系统分别为第一tsn系统和第二tsn系统；5g系统的终端侧与第一转换器连接，第一转换器与第一tsn系统的tsn交换机连接，5g系统的核心网侧与第二转换器连接，第二转换器与第二tsn系统的tsn交换机连接；5g系统的终端为客户终端设备(customer premise equipment,cpe)，第一转换器为第一1588交换机，第二转换器为第二1588交换机。
52.本实施例中的客户终端设备用于对上下行流量数据进行无线帧与有线帧之间的转换，以及用于还原基站侧下发的第一时钟信息，并将第一时钟信息转发到第一1588交换机。
53.本实施例中的第一1588交换机用于接收cpe的第一时钟信息，并转化成1588时钟
同步的方式与第一tsn系统的tsn交换机进行同步交互，以及用于添加或剥离传输数据帧的四个字节的虚拟局域网字段。
54.第二1588交换机用于接收第二时钟信息(gps时钟信息)，并转化成1588时钟同步的方式与基站和第二tsn系统的tsn交换机进行同步交互，以及用于添加或剥离传输数据帧的四个字节的虚拟局域网字段。
55.图3为本实施例添加四个字节的虚拟局域网字段后的数据帧。
56.除上述的第一1588交换机和第二1588交换机之外，只要符合以下功能的终端侧tsn转换器和网络侧tsn转换器也可作为第一转换器和第二转换器。
57.本实施例对终端侧tsn转换器(device-side tsn translator,ds-tt)和网络侧tsn转换器(network-side tsn translator,nw-tt)的功能进行简化，因此本实施例中所涉及到终端侧tsn转换器和网络侧tsn转换器均是被简化过的。
58.本实施例中的终端侧tsn转换器和网络侧tsn转换器的功能具体如下：
59.a.终端侧tsn转换器具备基本交换机的转发功能，用于添加或剥离第一数据帧四个字节的虚拟局域网字段、以及用于同步第一tsn系统和5g系统。
60.b.网络侧tsn转换器具备基本交换机的转发功能和接收gps功能，用于添加或剥离第二数据帧四个字节的虚拟局域网字段，以及用于同步第二tsn系统和5g系统。
61.上述两者处理数据帧的过程略有差异，具体如下：
62.本实施例中的终端侧tsn转换器(第一转换器)对数据帧进行处理，具体包括：
63.(1)终端侧tsn转换器接收客户终端设备的第一时钟信息，并将第一时钟信息以1588时钟同步的方式与第一tsn系统的tsn交换机进行交互，从而同步第一tsn系统和5g系统。
64.具体地，本实施例中1588时钟同步的方式包括双步方式和单步方式，其中双步方式所传输的有关时钟同步的消息包括sync，follow_up、delay_req和delay_resp。
65.如图4所示，本实施例采用双步方式进行同步第一tsn系统和5g系统，具体为：主时钟节点(终端侧tsn转换器)发送sync报文到从时钟节点(第一tsn系统的tsn交换机)，此时主时钟节点记录发送sync报文的时间t1；从时钟节点接收到了sync后，记录接收的时间t2；此后主时钟节点把t1封装到报文fllow_up里面，然后发送给从时钟节点；从时钟节点接收到fllow_up报文后进行解封装，得到t1,然后得到正向链路延时为(t
2-t1)；从时钟节点再发送delay_req报文给主时钟节点，并记录此发送的时刻t3；主时钟节点接收到delay_req报文后，记录接收时刻t4，然后把t4封装在delay_resp报文中，然后发送给从时钟节点；从时钟节点接收到delay_resp后，得到t4，然后计算得到反向时延为(t
4-t3)，最终从时钟节点处得到的链路平均时延d＝((t
2-t1) (t
4-t3))/2，设主时钟节点和从时钟节点的时钟偏差是δ，t
2-δ＝t1 d，所以得到δ＝t
2-t
1-d；最后，从时钟节点据此偏差进行时间矫正，从而同步第一tsn系统和5g系统。
66.在上述同步过程中，在一个时钟同步域的网络内，其网络节点分为主时钟节点、从时钟节点和既是主时钟节点也是从时钟节点的节点。
67.本实施例中同步第一tsn系统或第二tsn系统和5g系统的节点时钟模式包括边界时钟模式、普通时钟模式和透明时钟模式，具体包括：
68.a.边界时钟(boundary clock,bc)模式：该时钟节点在同一个时钟域内拥有多个
时钟接口接口参与时间同步，它通过其中一个接口从上游时钟节点同步时间，并通过其余接口向下游时钟节点发布时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以通过多个ptp接口向下游时钟节点发布时间。
69.b.普通时钟(ordinary clock,oc)：该时钟节点在同一个时钟域内只有一个时钟接口参与时间同步，并通过该接口从上游时钟节点同步时间。此外，当时钟节点作为时钟源时，可以只通过一个时钟接口向下游时钟节点发布时间。
70.c.透明时钟(transparent clock,tc)：tc有多个时钟接口，但它只在这些接口间转发时钟协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个接口同步时间。与bc/oc相比，bc/oc需要与其他时钟节点保持时间同步，而tc则不与其他时钟节点保持时间同步；在此模型中作为bc模式分别接收cpe的时钟信息和下发同步报文至tsn交换机使得tsn与5g系统进行同步，可采用双步模式，同步过程包括的交互消息sync，follow_up，delay_req，delay_resp，具体同步流程如图4所示。
71.(2)添加或剥离四个字节的虚拟局域网字段，具体为：在流量数据上行过程中，终端侧tsn转换器对第一tsn系统所传输的具有四字节的虚拟局域网(virtual local area network,vlan)字段的第一数据帧进行剥离这四个字节，并传输到客户终端设备进行处理以传输5g系统；在流量数据下行过程中，终端侧tsn转换器对5g系统所传输的不具备四字节虚拟局域网字段的第一数据帧进行添加这四字节，并传输到第一tsn系统的tsn交换机进行ieee802.1qbv流量调度以转发到第一tsn系统的其他网络设备。
72.本实施例中的网络侧tsn转换器(第二转换器)对数据帧进行处理，具体包括：
73.(1)网络侧tsn转换器由外接gps授时，从而得到第二时钟信息，然后第二转换器作为bc模式分别向tsn系统和基站(au)下发带有第二时钟信息的同步报文使第二tsn系统与5g系统进行同步；可采用双步模式，同步的过程包括交互消息sync，follow_up，delay_req，delay_resp，具体同步流程如图4所示。
74.(2)添加或剥离多个字节的虚拟局域网字段，具体为：当第二数据帧从5g系统的核心网传输到网络侧tsn转换器时，网络侧tsn转换器对数据帧添加四字节的虚拟局域网字段，并转发到第二tsn系统中；当第二数据帧从第二tsn系统传输到网络侧tsn转换器时，网络侧tsn转换器对数据帧剥离四字节的虚拟局域网字段，并转发到5g系统的核心网中。
75.本实施例中的第一时钟信息是第二时钟信息经过基站与网络侧tsn转换器进行同步之后，再由基站下发到客户终端设备的时钟信息。
76.本实施例中，上行过程中的第二数据帧是第一数据帧经过5g系统传输到网络侧的数据帧，下行过程中的第一数据帧是第二数据帧经过5g系统传输到客户终端设备的数据帧。
77.本实施例中的第一1588交换机和终端侧tsn转换器处理数据帧的过程相同，第二1588交换机和网络侧tsn转换器处理数据帧的过程相同，后面不再赘述。
78.本实施例中客户终端设备对于上下行数据进行无线帧和有线帧的转换，具体步骤可以为：
79.在流量数据下行过程中，基站将5g系统的核心网侧所传输的流量数据按预设时隙传输到客户终端设备中，其中客户终端设备对无线帧的目标mac地址进行解析，并将解析结果与自身mac地址相比较，输出第一判断结果。
80.基于第一判断结果，将流量数据从相应的网口转发至网线进行传输，具体为：若第一判断结果相同，则进行缓存，并从相应的网口转发至网线进行流量数据传输；若第一结果判断不同，则将无线帧重新封装成ieee802.3帧的形式，并相应地填上目的mac地址，然后进行缓存，再从相应的网口转发至网线进行流量数据传输。
81.在流量数据上行过程中，客户终端设备从网线中接收ieee802.3帧，其中客户终端设备对ieee802.3帧的目标mac地址进行解析，并将解析结果与自身mac地址相比较，输出第二判断结果。
82.基于第二判断结果，将流量数据按基站给客户终端设备分配的上行时隙进行传输，具体为：若第二判断结果相同，则进行缓存，并按照基站给客户终端设备分配的上行时隙进行流量数据传输，若第二判断结果不同，则将ieee802.3帧重新封装成无线帧的形式，然后进行缓存，并按照基站给客户终端设备分配的上行时隙进行流量数据传输。
83.当基站在接收到上行的流量数据之后，根据其目的mac地址，将流量数据传输到5g系统的核心网中，从而完成一个流量数据包的上下行传输。
84.本实施例还提供了一种基于5g移动通信中时间敏感网络传输的方法，其使用上述的基于5g移动通信中时间敏感网络传输的系统进行流量数据传输，其中第一转换器采用第一1588交换机，第二转换器采用第二1588交换机，该系统流量传输的具体过程如下：
85.如图2所示，上行端到端流量传输：首先流量先从
①

②
出来，
②
对流量进行qbv算法转发，到了
③
(ds-tt)侧对流量进行剥离vlan，然后再转发到
④
中进行无线资源映射，传到
⑦
(nw-tt)侧，对流量进行加vlan，再通过
⑧
进行qci，然后进行下行qbv转发给
⑨
侧节点，
⑨
侧节点自有tsn节点的功能。
86.如图2所示，下行端到端流量传输：流量从
⑨
侧节点进行qbv转发到nw-tt(
⑦

⑧
)侧的
⑧
，
⑧
先对其进行qci，然后对其qbv，然后转发到
⑨
侧或者
⑦
侧，到达
⑦
侧的流量被剥离vlan，然后传输到
⑤
进行下行转发，到了
③
(ds-tt)侧，对流量进行加vlan，然后转发到
①

②
中。
87.其中：
①

②
属于第一tsn系统,
①
表示第一tsn系统的端节点，
②
表示第一tsn系统的tsn交换机，
③
表示第一转换器(第一1588交换机)，
④
表示cpe，
⑤
表示5g系统的au，
⑥
表示5gc，
⑦
表示第二转换器(第二1588交换机)，
⑧

⑨
属于第二tsn系统，
⑧
表示第二tsn系统的tsn交换机，
⑨
表示第二tsn系统的端节点。
88.根据ieee802.1as和ieee802.1qbv协议，在一个实时系统传输网络数据，网络节点之间必须时间同步，对于网络节点比较多的情况，为了实现网络的时钟稳定性ieee802.1as同步协议无非是比较好的选择，在此提到的模型中，网络节点数量是比较少，所以为了简化，此同步采用1588v2协议，同步原理如图4所示，网络流量调度转发的网元主要由tsn网络节点，5g系统的au，nw-tt和ds-tt，所以对需要进行流量调度转发的网元进行同步即可。
89.本实施例在同步的基础上进行业务流量传输，为了简化网络的复杂程度，对于ieee802.1qbv协议指定的流量调度算法进行静态部署，对网络的配置也是静态配置。
90.综上所述，本发明通过简化3gpp定义的系统架构和结合ieee802.1系列的协议，从而简化了原来系统的复杂性，不但实现了tsn系统的无线化，而且简化了标准的5g-tsn网络系统的复杂度。
91.以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于
此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。