测试5G以上的时间敏感网络:高可用性和可靠性

新的5G系统是从头开始设计的, 考虑到许多不同的垂直领域, 不仅仅是增强型移动宽带(eMBB)用例. 5G带来创新并实现巨大变革的最重要领域之一是工业物联网或工业环境中的关键任务应用.

5G主要涉及以下三个应用场景:

1. 提高数据速率

2. 降低延迟，提高可靠性

3. 增加服务的设备数量

5G的演进跨越了多个3GPP版本, 随着每个版本添加或扩展功能，以解决上面列出的一个或多个应用程序场景:

1. 增强型移动宽频

2. 超可靠和低延迟通信(URLLC)

3. 大型机器类型通信(mMTC)
   

早在2019年完成的第15版主要关注eMBB用例. 另一方面，版本16, 2020年年中完成, 主要集中在URLLC (eURLLC)的增强以及5G系统与TSN系统的集成. 目前正在开发的第17版主要将进一步改进eURLLC和mMTC.

时间敏感网络(TSN)是一组IEEE标准，提供确定性, 通过有线以太网进行高可靠性和低延迟通信. 它是融合工业通信和工业4的未来技术.0. 5G系统与TSN系统的互联是使5G系统更好地适应未来工业物联网(IIoT)应用的关键目标.

更多关于5G和TSN系统如何集成以及它们在工业4中发挥的作用.0变换可以在我们之前的博客中找到， 测试5G时间敏感网络:时间同步.

随着新的3GPP发布16,5G系统的高可用性有所提高

用于工业环境中的关键任务应用, 高可用性和可靠性是必须的. 在传统通信系统中, 为了达到高可用性和可靠性，采用了基于重传的技术. 然而, 重传会给系统带来严重的延迟和抖动，这是关键任务应用程序所不能容忍的. 需要新的技术来解决在紧张的延迟和抖动预算下提供高可靠通信的挑战.

第16版, 5G系统引入新技术并改进现有技术以提供高可用性. 这些方法可以分为两类:

1. 基于数据包复制的方法. 其中一种方法是分组数据收敛协议(PDCP)。

2. 基于信号组合的方法. 其中一种方法是使用多trp (CoMP)的协调多点传输。

从3GPP发行版15到发行版16，可用性有了很大的增加:从5个9 (99.999%)到6个9 (99.9999%). 虽然乍一看，它可能并不令人印象深刻, 当将其转换为平均预期停机时间时，进展是显而易见的:

TSN和5G系统的集成实现了端到端的无缝冗余

TSN工具箱有一个完美的工具，可以在对延迟和抖动敏感的环境中解决高可用性问题. 这是IEEE 802.1CB-2017标准，或帧复制和消除可靠性(FRER). 使用法文, 关键任务流量通过两条或多条断开的网络路径进行复制和发送，并且在目的地消除重复.
实现端到端无缝冗余, 在5G和TSN系统上都需要FRER端点之间的不相交路径, 如下图所示.

3GPP定义了TSN CNC与5G控制平面之间的接口，用于5G系统交换信息，以正确选择upf和5G基站(gnb)，从而实现用户平面路径的分离.

为了增加冗余，可以使用配备多个终端的设备. 5G系统本身不需要实现FRER功能, 因为FRER端点在5G系统之外. 它只需要为多个断开的PDU会话提供机制，并提供一个接口来请求和配置不同的路径.

确保满足端到端的高可用性目标

测试系统端到端冗余时, 有两个方面需要特别注意:

1. 一边是TSN CUC和CNC的接口，另一边是5G控制平面的TSN应用功能, 另一方面. 自802年以来.1CB不是在5G网络内部实现的, 但仅作为以太网有效负载传输中断PDU会话, 分离路径的正确配置起着关键作用.

2. 端系统802上的应用程序.1CB使用一个序列号来跟踪复制的帧. 尽管如此，协议本身并不能保证帧的顺序传递. 在必要时由应用程序进行任何重新排序. 这在无线系统中尤其重要, 不同路径上的延迟可能会因为例如机器人或传感器的运动而改变, 如图3所示. 或者不同的路径可以被工厂地板上的移动物体阻塞.

高可用性在关键任务的工业4中发挥着关键作用.0应用程序. 即使是工厂车间最短的停机时间也会造成重大损失. 5G网络的新进展以及对时间敏感网络协议集的新增强为这一问题提供了创新的解决方案.

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