一种移动通信中时间敏感网络传输的系统和方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种移动通信中时间敏感网络传输的系统和方法。

背景技术

随着第五代移动通信技术(5th Generation，简称5G)的快速发展，5G已经应用于各个行业专网，在工业控制、无人驾驶、实时指令等业务场景需要5G具有高可靠低时延的能力。时间敏感网络(Time Sensitive Network，简称TSN)是一种用于对以太网业务提供低时延抖动的网络。近年来TSN技术作为新一代以太网技术，因其符合标准的以太网架构、具有精准的流量调度能力、可以保证多种业务流量的共网高质量传输、兼具技术及成本优势，在音视频传输、工业、移动承载、车载网络等多个领域成为下一代高实时以太网技术的重要演进方向。利用5G移动通信网络代替有线网络，在终端站点使用TSN技术，可实现网络的高可靠低时延端到端有线和无线融合传输。

在5G和TSN融合网络中，将5G系统和TSN转换器整体作为一个逻辑上的5G TSN网桥，即5G逻辑TSN网桥，并且5G系统与TSN的时间域、业务时隙配置保持同步。基本原理如图1所示，根据IEEE 802.1Qcc标准定义的TSN架构，TSN体系由集中式用户配置控制器(Centralized User Configuration controller，简称CUC)、集中式网络配置控制器(Centralized Network Configuration controller，简称CNC)、TSN转发网元(交换机)组成。CUC主要用于获取应用系统的端到端传输性能需求，向CNC分发网络需求；CNC用于网络的拓扑和资源发现、接收CUC的业务流量网络需求，根据网络的拓扑和资源情况，确定全网流量的带宽预留和调度策略，实现流量的门控时隙调度策略，进而将上述策略下发给TSN转发网元；TSN转发网元根据收到的门控时隙调度策略来转发业务数据帧，其中TSN转发网元1为TSN的首网元即TSN流量的发送方，TSN转发网元2和4为网桥即TSN流量的转发设备，TSN转发网元5为TSN的尾网元即TSN流量的接收方，TSN转发网元3为5G系统和TSN转换器作为的5G逻辑TSN网桥。

TSN的CNC下发给TSN转发网元的门控时隙调度策略，内容包括调度周期、优先级门控状态、门控时隙、起始时间等，如附图1所示的TSN转发网元1的门控时隙调度策略(T010000000b 200000；T1 01111111b 800000；Basetime 092030001012)，表示有两个门控时隙调度队列分别是T0和T1。其中T0为优先级7的门控打开可以传输业务数据帧，优先级为0-6的门控关闭不能传输业务数据帧，持续时间为200微秒；其中T1为优先级7的门控关闭不能传输业务数据帧，优先级为0-6的门控打开可以传输业务数据帧，持续时间为800微秒；调度周期为T0和T1之和即1000微秒；从当天09时20分30.001012秒开始执行该门控时隙调度策略。TSN的CNC也下发给TSN转发网元2、3、4、5对应的门控时隙调度策略，但是TSN转发网元之间的基准时间(Basetime)是有差别的，如TSN转发网元1的Basetime为092030001012，而TSN转发网元2的Basetime为092030001022，这是通过时间同步协议(IEEE 802.1AS)对各个TSN转发网元进行时间同步时，测量出TSN转发网元2出口相对TSN转发网元1出口的门控相对时延为10微秒，因此TSN转发网元2的门控时隙调度策略开始时间要比TSN转发网元1晚10微秒。

TSN的各个TSN转发网元之间只有保持时间同步，才能实现各个TSN转发网元之间的门控调度协同，然而对于5G逻辑TSN网桥，即5G系统和TSN转换器整体作为的逻辑上的TSN网桥，由于5G系统内部为无线通信连接，通信距离、信道环境等都可能随时发生变化，因此该5G逻辑TSN网桥的转发时延是不固定的，使得整个TSN系统内部TSN转发网元不能保持时间同步，将会导致门控时隙调度策略不能生效，以及不能转发业务数据帧。

发明内容

本发明提供了一种移动通信中时间敏感网络传输的系统和方法，能够避免网络时延变化导致的门控时隙调度策略错误问题，提高网络可靠性。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种移动通信中时间敏感网络传输的系统，包括集中式网络配置控制器和至少一个5G逻辑TSN网桥；

其特征在于，所述5G逻辑TSN网桥至少包括一个5G系统和两个TSN转换器，即TSN转换器一和TSN转换器二；

所述TSN转换器一用于发送检测协议帧至TSN转换器二，TSN转换器二接收检测协议帧后回复至TSN转换器一；

TSN转换器一用于计算检测协议帧发送到接收时间的时长，比较依次检测协议帧时长的差值，当该差值大于告警阈值时，TSN转换器一用于关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，所述集中式网络配置控制器用于重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略。

基础方案原理及有益效果如下：

本方案通过5G逻辑网桥的TSN转换器发送和接收检测协议帧，计算检测协议帧发送到接收时间的时长，比较依次检测协议帧时长的差值，可以准确检测当前5G逻辑TSN网桥的转发时延。当该差值大于阈值时打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，由集中式网络配置控制器重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略，确保在新的5G逻辑TSN网桥转发时延条件下，业务数据帧在每个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略相匹配，避免了由于网络时延变化导致的门控时隙调度策略错误等问题，提高网络可靠性。

进一步，所述TSN转换器一和TSN转换器二分别为5G系统与两侧TSN系统相连接和转换的逻辑设备。

进一步，所述5G系统包括5G系统核心网用户面和5G系统无线接入侧，所述TSN转换器一为5G系统核心网用户面与TSN系统的连接转换设备，所述TSN转换器二为5G系统无线接入侧与TSN系统的连接转换设备。

进一步，所述TSN转换器一预存有检测协议，检测协议配置的参数包括检测周期、目的地址和告警阈值，其中检测周期小于TSN系统的时间同步周期，目的地址为TSN转换器二的地址。

便于通过检测协议对时延检测的过程进行调整。

进一步，所述TSN转换器一包括发送检测协议帧模块和转发时延感知模块，所述发送检测协议帧模块用于根据所述检测周期发送检测协议帧，并记录发送时间为该检测协议帧离开TSN转换器一的时刻，所述检测协议帧中包括目的地址、源地址和序列号，其中目的地址为TSN转换器二的地址，源地址为TSN转换器一的地址，序列号每发送一次加一，所述发送检测协议帧模块用于将发送时间报送至转发时延感知模块。

进一步，所述TSN转换器二包括处理检测协议帧模块，所述处理检测协议帧模块用于在接收所述TSN转换器一发送的检测协议帧后，将检测协议帧的目的地址、源地址进行对调，然后发送检测协议帧。

即目的地址为TSN转换器一的地址，源地址为TSN转换器二的地址。

进一步，所述TSN转换器二的处理检测协议帧模块用于保持每次检测协议帧从接收到发送之间的时延不变。

实现方式包括不限于可编程逻辑阵列、可编程芯片、片上系统和实时系统等。保持每次检测协议帧从接收到发送之间的时延不变，可以避免对检测协议帧发送到接收时间的时长产生额外干扰。

进一步，所述TSN转换器一包括接收检测协议帧模块，所述接收检测协议帧模块用于在收到所述TSN转换器二发送的检测协议帧时，记录该检测协议帧到达TSN转换器一的时刻为接收时间，并将该接收时间报送至转发时延感知模块。

进一步，所述转发时延感知模块，用于在接收到检测协议帧的接收时间后，与对应序列号检测协议帧的发送时间相减，得出该检测协议帧发送到接收时间的时长，将该时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减，如果结果的绝对值大于所述告警阈值，转发时延感知模块用于关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，并向集中式网络配置控制器发送转发时延变化告警。

检测协议帧发送到接收时间的时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减可以准确得出当前5G逻辑TSN网桥的转发时延。

进一步，所述集中式网络配置控制器包括转发时延变化告警处理模块，用于在收到转发时延变化告警后，重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略。

便于确保在新的5G逻辑TSN网桥转发时延条件下，业务数据帧在每个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略相匹配。

基于移动通信中时间敏感网络传输的系统的一种移动通信中时间敏感网络传输的方法，包括如下步骤：

S1、配置TSN转换器一检测协议的参数，包括检测周期、目的地址和告警阈值，其中检测周期小于TSN系统的时间同步周期，目的地址为TSN转换器二的地址；

S2、TSN转换器一根据配置的检测周期发送检测协议帧，并记录发送时间为该检测协议帧离开TSN转换器一的时刻，所述检测协议帧中包括目的地址、源地址和序列号，其中目的地址为TSN转换器二的地址，源地址为TSN转换器一的地址，序列号每发送一次加一，将发送时间报送至转发时延感知模块；

S3、TSN转换器二在收到所述TSN转换器一发送的检测协议帧后，将检测协议帧的目的地址、源地址进行对调，然后发送检测协议帧；

S4、TSN转换器一在收到所述TSN转换器二发送的检测协议帧时，记录该检测协议帧到达TSN转换器一的时刻为接收时间；

S5、TSN转换器一将对应序列号检测协议帧的接收时间与发送时间相减，得出该检测协议帧发送到接收时间的时长，将该时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减，如果结果的绝对值大于所述配置的告警阈值，TSN转换器一关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，并向集中式网络配置控制器发送转发时延变化告警；

S6、集中式网络配置控制器在收到转发时延变化告警后，重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略。

本方案通过5G逻辑网桥的TSN转换器发送和接收检测协议帧，计算检测协议帧发送到接收时间的时长，比较依次检测协议帧时长的差值，当该差值大于阈值时打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，由集中式网络配置控制器重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略，确保在新的5G逻辑TSN网桥转发时延条件下，业务数据帧在每个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略相匹配，避免了由于网络时延变化导致的门控时隙调度策略错误等问题，提高网络可靠性。

附图说明

图1为背景技术中5G和TSN融合网络基本原理示意图；

图2为实施例一系统的架构示意图；

图3为实施例一方法的实现流程示意图；

图4为实施例二系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

如图2所示，本实施例的移动通信中时间敏感网络传输的系统，包括集中式网络配置控制器和至少一个5G逻辑TSN网桥；还包括TSN系统，TSN系统包括若干TSN转发网元。

所述5G逻辑TSN网桥至少包括两个TSN转换器和一个5G系统，两个TSN转换器分别为5G系统与两侧TSN系统的TSN转发网元相连接和转换的逻辑设备，即TSN转换器一和TSN转换器二；本实施例中，在图中记为TSN转换器1和TSN转换器2。

进一步地，所述TSN转换器一为5G系统的核心网用户面与TSN系统的TSN转发网元的连接转换设备，所述TSN转换器二为5G系统的无线接入侧与TSN系统的TSN转发网元的连接转换设备；

进一步地，所述TSN转换器一预存有检测协议，检测协议配置的参数包括检测周期、目的地址和告警阈值，其中检测周期小于TSN系统的时间同步周期，目的地址为TSN转换器二的地址；

进一步地，所述TSN转换器一包括发送检测协议帧模块，所述发送检测协议帧模块根据所述配置的检测周期发送检测协议帧，并记录发送时间为该检测协议帧离开TSN转换器一的时刻，所述检测协议帧中包括目的地址、源地址、序列号，其中目的地址为TSN转换器二的地址，源地址为TSN转换器一的地址，序列号每发送一次加一，所述发送时间报送至转发时延感知模块；

进一步地，所述TSN转换器二包括处理检测协议帧模块，所述处理检测协议帧模块，在收到所述TSN转换器一发送的检测协议帧后，将检测协议帧的目的地址、源地址进行对调，即目的地址为TSN转换器一的地址，源地址为TSN转换器二的地址，然后将检测协议帧发送出去；

进一步地，所述TSN转换器二的处理检测协议帧模块需要确保每次检测协议帧从接收到发送之间的时延保持不变，实现方式包括不限于可编程逻辑阵列、可编程芯片、片上系统、实时系统，此为现有技术，这里不再赘述。

进一步地，所述TSN转换器一包括接收检测协议帧模块，所述接收检测协议帧模块，在收到所述TSN转换器二发送的检测协议帧时，记录该检测协议帧到达TSN转换器一的时刻为接收时间，并将该接收时间报送至转发时延感知模块；

进一步地，所述TSN转换器一包括转发时延感知模块，所述转发时延感知模块，在接收到检测协议帧的接收时间后，与对应序列号检测协议帧的发送时间相减，得出该检测协议帧发送到接收时间的时长，将该时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减，如果结果的绝对值大于所述配置的告警阈值，转发时延感知模块关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，并向集中式网络配置控制器发送转发时延变化告警；

进一步地，所述集中式网络配置控制器包括转发时延变化告警处理模块，在收到转发时延变化告警后，重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略，确保在新的5G逻辑TSN网桥转发时延条件下，业务数据帧在每个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略相匹配。

如图3所示，本实施例的移动通信中时间敏感网络传输的方法，包括如下步骤：

S1、配置TSN转换器一检测协议的参数，包括检测周期、目的地址、告警阈值，其中检测周期需要小于TSN系统的时间同步周期，目的地址为TSN转换器二的地址；

S2、TSN转换器一根据配置检测协议中检测周期发送检测协议帧，并记录发送时间为该检测协议帧离开TSN转换器一的时刻，所述检测协议帧中包括目的地址、源地址、序列号，其中目的地址为TSN转换器二的地址，源地址为TSN转换器一的地址，序列号每发送一次加一，所述发送时间报送至转发时延感知模块；

S3、TSN转换器二在收到所述TSN转换器一发送的检测协议帧后，将检测协议帧的目的地址、源地址进行对调，即目的地址为TSN转换器一的地址，源地址为TSN转换器二的地址，然后将检测协议帧发送出去；

S4、TSN转换器一在收到所述TSN转换器二发送的检测协议帧时，记录该检测协议帧到达TSN转换器一的时刻为接收时间；

S5、TSN转换器一将对应序列号检测协议帧的接收时间与发送时间相减，得出该检测协议帧发送到接收时间的时长，将该时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减，如果结果的绝对值大于所述配置的告警阈值，TSN转换器一关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，并向集中式网络配置控制器发送转发时延变化告警；

S6、集中式网络配置控制器在收到转发时延变化告警后，重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略，确保在新的5G逻辑TSN网桥转发时延条件下，业务数据帧在每个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略相匹配。

实施例二

本实施例的移动通信中时间敏感网络传输的系统由CUC、CNC和5个TSN转发网元组成，其中TSN转发网元3为5G逻辑TSN网桥，如图1所示。在没有应用本方案前，通过时间同步协议，测量出下一个TSN转发网元出口相对前一个TSN转发网元出口的门控相对时延都为10微秒，由于TSN转发网元3的5G逻辑TSN网桥包含了无线通信系统，通信距离、信道环境等都可能随时发生变化，因此该5G逻辑TSN网桥的转发时延是不固定的，例如在某时刻由于无线通信距离变大，TSN转发网元3的出口相对TSN转发网元2出口的门控相对时延增加为20微秒，这导致了如下问题：

(1)TSN转发网元2发送的业务数据帧到达TSN转发网元3的出口门控时，如果出口门控为打开状态，由于晚于门控时隙调度策略分配的时隙时间，因此业务数据帧在TSN转发网元3还没有传输完成时，门控已经关闭，导致该业务数据帧无法完成传输而丢弃；

(2)TSN转发网元2发送的业务数据帧到达TSN转发网元3的出口门控时，如果出口门控已经为关闭状态，则业务数据帧存储在队列中等待下一个门控时隙调度周期再进行发送，导致等待延时，无法满足端到端的传输性能需求。

在应用本实施例的方案后，如图4所示，其中5G系统架构图参考了3GPP标准的5G架构，实施流程如下：

S1、配置TSN转换器一检测协议的参数，包括检测周期、目的地址、告警阈值，其中检测周期需要小于TSN系统的时间同步周期，TSN系统的时间同步周期为125微秒，则可设置检测协议的检测周期为10微秒，目的地址为TSN转换器二的地址0x000200020002，告警阈值为2微秒；

S2、TSN转换器一根据配置的检测周期发送检测协议帧，并记录发送时间为该检测协议帧离开TSN转换器一的时刻为030530001015，即当天03时05分30.001015秒，所述检测协议帧中包括目的地址0x000200020002、源地址0x000100010001、序列号1，其中目的地址为TSN转换器二的地址，源地址为TSN转换器一的地址，序列号每发送一次加一，所述发送时间报送至转发时延感知模块；

S3、TSN转换器二在收到所述TSN转换器一发送的检测协议帧后，将检测协议帧的目的地址、源地址进行对调，即目的地址为TSN转换器一的地址0x000100010001，源地址为TSN转换器二的地址0x000200020002，然后将检测协议帧发送出去；

S4、TSN转换器一在收到所述TSN转换器二发送的检测协议帧时，记录该检测协议帧到达TSN转换器一的时刻为接收时间030530001035；

S5、TSN转换器一将对应序列号1检测协议帧的接收时间与发送时间相减，得出该检测协议帧发送到接收时间的时长，即030530001035-030530001015为20微秒，将该时长与前一个序列号检测协议帧的时长相减，由于这是第一个检测协议帧，还没有前一个检测协议帧，因此将该时长值保存，继续发送和接收序列号为2的检测协议帧并计算时长，例如为25微秒，将序列号为2的检测协议帧时长减去序列号为1的结果为25-20＝5微秒，该结果的绝对值大于所述配置的告警阈值2微秒，说明了5G逻辑网桥的转发时延发生了变化，TSN转换器一关闭门控时隙调度策略，打开TSN转换器一的端口所有时隙的转发通道，流量可以无阻塞通过TSN转换器一避免由于门控时隙调度策略导致的丢包，并向集中式网络配置控制器发送转发时延变化告警，具体方法为TSN转换器一通过5G核心网的控制面转换器(AF网元)，向集中式网络配置控制器CNC发送转发时延变化告警；

S6、集中式网络配置控制器CNC在收到转发时延变化告警后，重新发起TSN网络的时间同步和门控时隙调度策略，计算出TSN转发网元3的出口相对TSN转发网元2出口的门控相对时延为20微秒，重新调整各个TSN转发网元的发送时间点和门控时隙调度策略：

TSN转发网元1的基准时间(Basetime)为050435001035，即当天05时04分35.001035秒，TSN转发网元2的基准时间为050435001045，即在TSN转发网元1的基准时间加上门控相对时延10微秒，TSN转发网元3的基准时间为050435001065，即在TSN转发网元2的基准时间加上门控相对时延20微秒，TSN转发网元3的基准时间为050435001075，即在TSN转发网元3的基准时间加上门控相对时延10微秒，TSN转发网元4的基准时间为050435001085，即在TSN转发网元4的基准时间加上门控相对时延10微秒。

S7、根据调整后的门控时隙调度策略，业务数据帧在TSN转发网元1发送的时刻为050435001035，到达TSN转发网元2出口门控的时刻为050435001045，到达TSN转发网元3出口门控的时刻为050435001065，到达TSN转发网元4出口门控的时刻为050435001075，到达TSN转发网元5出口门控的时刻为050435001085，在上述时刻TSN转发网元的出口门控正好打开，业务数据帧无须等待从出口门控通过后发送出去，不会导致该业务数据帧因无法完成传输而丢弃。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。