5G-TSN协同架构与关键技术

系统阐述5G-TSN协同传输的发展背景、技术体系和算法机制，为从事优选移动通信网络技术、工业互联网技术的研究人员及从事5G时间敏感网络标准化和产品开发的技术人员提供技术机制介绍

   确定性网络是当前研究的热点，具有低时延、高可靠保障的确定性网络机制是ICT赋能垂直行业应用的关键，也是工业互联网的重要网络保障机制。本书从工业互联网、移动通信网络和时间敏感网络的基础概念出发，重点对5G-TSN协同架构、适配TSN的5G网络技术增强、5G-TSN协同调度关键技术进行介绍，并对基于5G-TSN的云化控制系统和5G-TSN应用场景进行了展望。

本书适合从事先进移动通信网络技术研究、工业互联网技术研究的高校高年级本科生、研究生及技术研究人员阅读，也可为从事5G时间敏感网络方向标准化和产品开发的技术人员提供参考。

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 工业互联网基础 001
1.1 工业互联网发展背景 002
1.1.1 工业互联网发展进程 002
1.1.2 工业互联网概念及定义 005
1.1.3 国内外工业互联网现状 006
1.2 工业互联网体系架构 009
1.2.1 工业互联网参考体系架构 009
1.2.2 工业互联网感知层概述 013
1.2.3 工业互联网平台层概述 013
1.2.4 工业互联网安全体系概述 016
1.3 工业互联网关键技术 019
1.3.1 工业互联网网络层功能 019
1.3.2 工厂外网关键技术概述 021
1.3.3 工厂内网关键技术概述 022
1.3.4 工业互联网网络层的价值和意义 025
第2章 移动通信网络概述 027
2.1 移动通信网络基础架构 028
2.1.1 蜂窝移动通信系统的基本概念 029
2.1.2 蜂窝移动通信系统的发展历程 030
2.1.3 通信业务变革 033
2.2 5G标准进程概述 034
2.2.1 5G标准发展历程 034
2.2.2 5G标准版本特征 035
2.3 5G网络架构与功能简述 040
2.3.1 5G组网架构 040
2.3.2 5G基站功能架构 041
2.3.3 5G核心网主要网元 041
第3章 TSN概述 045
3.1 TSN基础 046
3.1.1 TSN标准发展 046
3.1.2 TSN帧格式 047
3.1.3 TSN技术特征 049
3.2 TSN调度整形机制 050
3.2.1 基于信用的整形机制 051
3.2.2 时间感知整形机制 052
3.2.3 循环排队和转发机制 055
3.2.4 帧抢占机制 057
3.3 TSN帧复制与删除机制 059
3.4 TSN管理与配置协议 063
3.4.1 协议概述 063
3.4.2 完全分布式配置模型 063
3.4.3 集中式网络/分布式用户配置模型 064
3.4.4 完全集中式配置模型 065
3.4.5 网络接口协议 066
第4章 5G-TSN协同架构 069
4.1 5G-TSN协同需求 070
4.2 3GPP提出的5G-TSN协同架构 074
4.2.1 协同架构概述 074
4.2.2 5G系统新增网元 077
4.2.3 5G系统网元功能增强 078
4.2.4 5G-TSN网桥管理 079
4.3 基于SDNC的5G-TSN协同架构 081
4.3.1 面向5G-TSN跨域管理的SDN控制器 081
4.3.2 5G-TSN协同关键技术 083
第5章 5G-TSN跨网时间同步机制 087
5.1 TSN时间同步机制概述 088
5.1.1 IEEE 802.1AS基本概念 089
5.1.2 gPTP时间同步工作原理 092
5.1.3 gPTP中的最佳主时钟选择方法 094
5.1.4 gPTP中的改进与增强 095
5.2 5G网络时间同步机制概述 096
5.2.1 5G网络同步架构 097
5.2.2 5G空口时间同步方法 098
5.3 5G-TSN时间同步方案 104
5.3.1 5G-TSN时间同步系统机制 105
5.3.2 5G-TSN BC补偿 106
第6章 适配TSN的5G网络技术增强 115
6.1 适配TSN的5G低时延通信增强技术 116
6.1.1 5G低时延通信技术 116
6.1.2 适配TSN业务的确定性时延保障技术 121
6.2 适配TSN的5G高可靠通信技术 129
6.2.1 5G高可靠通信技术 130
6.2.2 实现高可靠传输的5G信道增强技术 135
6.3 适配TSN的5G本地组网技术 140
6.3.1 接入网隔离 143
6.3.2 承载网隔离 144
6.3.3 核心网隔离 144
6.4 适配TSN的5G移动性管理技术 145
6.4.1 5G-TSN移动性管理需求 145
6.4.2 面向5G-TSN的新型移动性管理技术 146
第7章 5G-TSN协同调度关键技术 153
7.1 QoS基本概念 154
7.1.1 QoS定义及衡量指标 154
7.1.2 QoS类别划分 156
7.1.3 QoS保障策略 157
7.2 QoS服务模型 163
7.2.1 尽力而为服务模型 163
7.2.2 综合服务模型 164
7.2.3 区分服务模型 165
7.3 跨5G与TSN的QoS协同流程 166
7.3.1 5G与TSN的QoS机制差异性 166
7.3.2 5G与TSN的QoS协商流程 169
7.4 基于无线信道信息的5G与TSN联合调度机制 171
7.4.1 5G与TSN端到端数据确定性传输流程 171
7.4.2 5G-TSN协同模型及问题建模 173
7.4.3 基于5G信道信息的TSN域时延预算设置 174
7.4.4 考虑信道信息的5G系统时延预算设置 175
7.4.5 算法性能仿真及分析 178
7.5 基于深度强化学习的5G与TSN联合调度机制 183
7.5.1 深度强化学习理论概述 183
7.5.2 多业务场景下5G-TSN联合优化问题分析 185
7.5.3 基于DDPG的5G-TSN联合调度模型 189
7.5.4 基于DDPG的5G-TSN联合调度决策 192
7.5.5 算法性能仿真及分析 194
7.6 基于DS-TT队列缓存的5G与TSN联合调度机制 197
7.6.1 DS-TT门控对端到端时延的影响分析 198
7.6.2 基于DS-TT队列缓存的5G调度策略 200
7.6.3 保障时间敏感业务的帧抢占策略 201
7.6.4 算法性能仿真及分析 202
第8章 基于5G-TSN的云化控制系统 205
8.1 基于5G-TSN的工业控制系统演进路线 206
8.2 面向网控算一体化的5G-TSN内生工业控制技术 207
8.2.1 云化PLC与5G云边端算力节点融合方案 207
8.2.2 云边端协同的云化PLC灵活部署方案设计 210
8.2.3 面向5G-TSN的云化PLC路由决策方案 211
8.3 适配云化控制数据的5G-TSN承载方案 212
8.3.1 基于5G空口MAC层工控数据直传技术 212
8.3.2 5G-TSN工业控制数据汇聚传输技术 215
8.4 5G-TSN与工业以太网融合组网技术 218
8.4.1 叠加式融合组网技术 218
8.4.2 拼接式融合组网技术 220
第9章 5G-TSN应用技术及应用场景 223
9.1 5G-TSN与OPC UA融合 224
9.1.1 OPC UA技术概述 224
9.1.2 5G-TSN与OPC UA 229
9.2 5G-TSN在工业场景的应用 230
9.2.1 5G-TSN工业场景应用模式简析 230
9.2.2 5G-TSN与工厂自动化 233
9.2.3 5G-TSN与过程自动化 235
9.2.4 5G-TSN与远程操控 237
9.2.5 5G-TSN与工业数字孪生 238
9.3 5G-TSN在其他场景的应用探讨 238
9.3.1 5G-TSN在智能网联车中的应用 238
9.3.2 5G-TSN在电力场景中的应用 240
参考文献 243