Industrial IoT를 위한 5G-TSN 기술 동향

점점 더 많은 산업용 장비들이 네트워크에 연결이 되고 있으며 고성능의 네트워킹을 요구하고 있다. 시간에 흐름에 따라 산업현장에서 산업네트워크 기술도 고도화되어 왔고, 현재도 발전을 하고 있다. 그림 1은 산업네트워크의 발전 흐름을 나타낸다.

그림 1

산업네트워크 발전

출처 OMDIA, https://technology.informa.com/620165/industrial-connectivityin-the-era-of-tsn-apl-and-5g, 허락을 득하여 수정함.

산업네트워크의 시작은 필드버스(Field Bus) 기술이었다. 오랫동안 시장을 점유해 왔고, 현재도 사용되고 있다. 하지만 초창기를 지난 이후 단순히 특정 회사에 의해 특정 분야의 산업네트워크에만 적용된 “Closed System”인 필드버스는 호환성의 문제뿐만 아니라 고속의 데이터 전송을 요구하는 산업네트워크에는 한계가 있으므로 “Open System” 및 이더넷(Ethernet) 기반의 고속 데이터 전송이 가능한 산업이더넷 기술이 현재 산업네트워크의 시장을 넓혀가면서 성장하고 있다.

산업이더넷은 세계적 네트워크 표준 기술인 이더넷을 산업 환경에 적합하도록 개선 개발한 것이다. 그동안 이더넷의 실시간성 및 시결정성 등의 문제를 개선하고, 종래의 시장에서 널리 쓰이던 필드버스의 한계점을 극복했다. 빠른 전송 속도와 실시간 제어 기능 및 확정성을 가진 산업이더넷(PROFINET, EtherCAT 등)은 현재 필드버스 만큼이나 다양한 프로토콜이 개발되어 널리 사용되고 있다.

그러나 이러한 산업이더넷도 시간이 지날수록 다양한 각 프로토콜로 개별적으로 진화했으며, 그에 따른 진입장벽도 점차 높아지기 시작했다. 또한 사물인터넷(IoT) 개념이 널리 확산되면서 산업 현장에서는 기존에 단절돼 있던 여러 설비와 시스템을 네트워크로 연결하려는(IIoT, 산업용 사물인터넷) 움직임이 빨라지고 있다. 이때 이들 각 시스템이 지닌 성격에 따라 최적화된 프로토콜이 모두 다르므로 이들을 유기적으로 연결하는 확장성의 문제에 이르게 된다.

산업이더넷의 이러한 문제점을 해결하기 위해 2012년 이후 등장한 IEEE TSN 기술은 기존의 여러 표준이 조합된 하나의 ‘패키지’로, 표준 이더넷을 확장한 대부분의 네트워크 적용 사례를 포괄할 수 있는 차세대 산업용 네트워크 표준으로 불린다. TSN은 OSI 7계층 참조 모델의 데이터 링크 계층(2계층, L2)에 해당하는 이더넷 브릿징, MAC, PHY 기술을 기반으로 근거리망(자동차, 빌딩, 공장, 5G 프론트홀 등)에 저지연 및 저지연 편차, 무손실 등 확정적인 서비스를 제공하기 위한 기능을 명시하고 있다[2,3].

또한 산업현장에서는 또 다른 측면으로 유선의 한계를 넘고자 공장 운영의 효율성 등을 고려한 무선 산업이더넷 기술도 WLAN을 중심으로 Bluetooth, Zigbee 등이 시장을 조금씩 넓혀가고 있다. 이러한 무선 산업이더넷은 산업현장에서 장치 간의 배선을 줄이고 공장의 재배치 등의 유연성은 좋지만, 여전히 성능 및 보안성 한계로 인해 각각 무선 자체기술을 보완하면서 발전하고 있다.

최근 유·무선 산업이더넷 중심의 산업네트워크에 패러다임을 바꾸는 기술이 등장하였다. 3GPP에서 2018년 Rel-16 이후에 5G 기술의 버티컬 영역 확산을 위해 본격적으로 표준화를 추진해 온 5G-TSN 기술이다. 이는 IEEE의 TSN 및 무선 산업이더넷 기술의 장점을 채택하고 발전시켜 산업 현장의 요구사항을 모두 만족하게 할 수 있는 5G 기술과 산업네트워크가 융합된 초첨단 5G 시스템 기술이라 할 수 있다.

3GPP SA1 WG(Working Group)에서는 5G 서비스 및 성능 요구사항에 대해 TS 22.261[4]을 통해 정의하고 있다. 5GS(5G System)의 3대 시나리오 가운데, uRLLC와 mMTC는 다양한 버티컬 도메인에 IIoT 서비스를 지원하기 위한 대표적인 기술로서, 해당 규격에 따르면 버티컬 산업을 위한 IIoT 서비스들은 보다 높은 수준의 uRLLC를 요구하고 있으며, 산업현장 시나리오에 따라 가용성, 신뢰성, 지연시간 및 시간동기화 등 엄격한 성능 요구사항을 정의하고 있다.

또한, 3GPP에서는 버티컬 도메인의 서비스 시나리오에 따른 성능 요구사항 식별을 위해 3가지의 대표적인 트래픽 클래스를 다음과 같이 정의하고 있다.

• 결정론적 주기적 통신(Deterministic Periodic Communication): 전송의 적시성이 엄격하게 요구되는 주기적인 통신

• 결정론적 비주기적 통신(Deterministic Aperiodic Communication): 이벤트 송신 동작과 같은 전송의 적시성은 요구되나 사전 설정된 송신 시간이 없는 비주기적인 통신

• 비결정적 통신(Non-Deterministic Communication): 주기적 비실시간 및 비주기적 비실시간 트래픽을 포함하는 통신

이러한 IIoT 트래픽 클래스 분류와 함께 3GPP SA1 WG에서는 uRLLC를 요구하는 다양한 IIoT 서비스에 대해 좀 더 유연한 접근을 제공하기 위하여 특정 유형의 IIoT 서비스에 특정 KPI(Key Performance Indicator) 셋을 충족할 수 있도록 정의하고 있다. 서비스별 해당 KPI 요구사항은 다음의 규격에서 명시하고 있으며, 이 가운데 TS 22.104에서 기술하고 있는 사이버 물리 제어 어플리케이션 요구사항에 대한 표준화 작업이 가장 활발하게 진행되고 있다.

• 버티컬 도메인의 사이버 물리 제어 어플리케이션(TS 22.104[5,6])

• V2X(Vehicle to Everything, TS 22.186[7])

• 철도 이동통신(TS 22.289[8])

특히, 상기 기술된 서비스 유형에서 다음의 서비스 시나리오들은 매우 결정론적이고 주기적인 통신이 요구되는 IIoT 서비스이다.

• 모션 제어(motion control)

• 개별 자동화(discrete automation)

• 프로세스 자동화(process automation)

• 배전 자동화(automation for electricity distribution)

• 지능형 전송 시스템의 무선 대로변 인프라

• 원격 제어(remote control)

• 철도 통신(rail communications)

표 1은 앞서 기술한 트래픽 클래스 및 서비스 시나리오를 바탕으로 버티컬 도메인의 사이버 물리적 제어 어플리케이션에 대한 미래 공장의 자동화를 만족스럽게 지원하기 위해 제공되는 시나리오별 대표적인 성능 기준을 나타낸다[5]. 5GS에서는 주기성 및 결정론적 여부에 따라 버티컬 시나리오에서 사이버 물리 제어 어플리케이션 요구를 충족하기 위한 다양한 KPI들을 제공한다.

이 가운데에서도 모션 제어(motion control)는 스마트 팩토리에서 사용되는 인쇄·공작·포장기계와 같은 기계의 이동과 회전 부품들을 제어하는 역할을 담당하여, 모션 컨트롤러, 액추에이터, 센서 등과 같은 공장 요소들과 매우 엄격하고 결정론적인 통신을 수행해야 한다. 표 1에서 3GPP는 모션 제어 시나리오에 대해 1ms의 매우 짧은 전송주기(Transfer interval)와 생존 시간(Survival time)을 바탕으로 매우 엄격한 서비스 가용도(Availability) 및 종단 간 지연(E2E latency) 요구사항을 제시함을 알 수 있다.

TS 22.104에서 제시하는 버티컬 도메인의 사이버 물리 제어 어플리케이션의 또 다른 성능 요구사항은 클럭 동기화 통신 서비스의 제공이다. 클럭 동기화 정밀도는 동기화 마스터와 장치 사이에 정의된다. 5GS는 IEEE 1588v2에 정의된 PTP(Precision Time Protocol) 메시지를 통해 장치 간 정확한 클럭 동기화를 수행해야 하며, IAT(International Atomic Time)와 같은 글로벌 클럭(Global clock)과 TSN과 같은 지역화된 그룹에서 사용하는 워킹 클럭(Working clock)을 지원해야 한다.

5G-TSN 간 클럭 동기화에서 하나의 TSN 도메인은 하나의 워킹 클럭 도메인이라 볼 수 있다. 표준 규격에 따르면 이러한 동기화 도메인에 대하여 Rel-16에서 5GS는 워킹 클럭 도메인을 32개까지 지원하고, UE는 최소 2개의 워킹 클럭 도메인을 동시에 지원하도록 제시하고 있다[6].

이에 비해, Rel-17는 좀 더 확대된 요구사항을 제시한다[5]. 워킹 클럭 도메인을 128개까지 지원하고, UE는 최대 4개까지 동기화 도메인을 지원할 수 있도록 한다. 워킹 클럭 도메인 내에서 동기화 버짓(Synchronization budget) 900ns를 초과하지 않도록 하며, 통합된 5G/non-3GPP 네트워크에서 동기화 마스터 기능과 동기화 장치 기능의 임의 배치를 지원하고, TSN과 IEEE 802.1AS[9] 메커니즘과 상호운용이 가능한 워킹 클럭 도메인의 병합 및 분리 관리를 지원하는 적절한 수단을 제공해야 한다.

표 2는 Rel-17에서 제시하는 5GS 클럭 동기화 서비스의 성능 요구사항을 나타낸다. 클럭 동기화에 있어서도 스마트 팩토리를 위한 모션 제어 시나리오 및 C2C(Control to Control) 시나리오에서 매우 엄격한 클럭 정확도가 요구됨을 알 수 있다.

3GPP SA2 WG은 Rel-16에서 이더넷 네트워크 기반 시간민감형 데이터 전송 아키텍처인 IEEE TSN 네트워크에 5GS를 하나의 ‘논리적인’ TSN 브릿지 역할로 정의하였으며, 5G-TSN 간 통합을 위한 5GS 아키텍처 정의, 시간민감형 통신 지원, 브릿지 및 포트 정보관리, TSCAI(TSC Assistance Information) 및 QoS(Quality of Service) 지원 등을 TS 23.501 문서에 기술하고 있다. 관련 세부내용들을 다음에서 살펴본다.

가. TSN 지원 5G 시스템 아키텍처

IEEE TSN 구성모델은 중앙 집중식, 분산형, 하이브리드 3가지로 정의하고 있다[10]. 3GPP Rel16에서 5G 시스템은 TSN 구성 모델 중 중앙 집중식 모델만을 지원하며, 분산형 모델이나 하이브리드 모델은 지원하지 않는다. 이렇게 구성된 TSN 환경에서 5GS는 TSN 패킷처리를 위하여 스트림별 필터링 및 정책(PSFP: Per-Stream Filtering and Policy)과 스케줄드 트래픽(Scheduled Traffic)을 지원한다[11].

그림 2는 5GS에 시간민감형 통신(TSC: Time Sensitive Communication)을 지원하도록 확장된 아키텍처를 나타낸다. 5GS는 외부 TSN 네트워크와의 통합을 위해 TSN 브릿지로 동작하고 있으며, TSN 네트워크와 통신을 위해 변환기(TTs)를 새롭게 추가하였다. TSN 네트워크와 연동하기 위한 TSN 변환기는 DS-TT(Device-side TSN Translator), NW-TT(Network-side TSN Translator)로 구성되고, 각각의 DS-TT와 NW-TT는 TSN 송신 및 수신 포트를 가진다. 유저 플레인(User plane)에서의 변환기 외에도, 제어 플레인(Control plane)의 TSN AF(Application Function)는 5GS 구성정보들을 CNC(Central Network Controller)로 전달한다.

그림 2

TSN 브릿지로 동작하는 5G 시스템 아키텍처[12]

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나. 5G-TSN 간 시간민감형 통신 지원

5GS와 TSN 간 시간민감형 통신 지원을 위해 TSN 브릿지로 동작하는 5GS은 TSN과 시간동기화 기능을 제공해야 한다. TS 23.501에 따르면 5GS는 산업분야 자동화 솔루션들과 시간동기화를 위해 IEEE 802.1AS를 준수하도록 하고 있다.

5GS 내부 네트워크 요소들은[예, UE, gNB, UPF(User Plane Function), NW-TT 및 DS-TT] 5G 내부 시스템 클럭인 5G GM(Grand Master)과 동기화되어야 하며, TSN 기능들과 상호운용을 위해 도입된 TSN 변환기를 통해 워킹 클럭 도메인(TSN 도메인)과도 시간동기화를 수행한다. TSN 변환기(TTs)는 TSN 도메인과 시간동기화를 위해 (g)PTP 지원, 타임스탬핑, BMCA(Best Master Clock Algorithm), rateRatio 등의 IEEE 802.1AS[9] 관련 기능을 수행한다.

그림 3은 2개의 동기화 시스템(5GS, TSN 도메인)과 TSN GM이 TSN 워킹 도메인에 있을 때 고려되는 마스터(Master), 슬레이브(Slave) 포트 등을 나타낸다. 두 시스템의 동기화 프로세스는 각각 5GS 동기화(NG RAN 동기화[13]) 및 TSN 도메인 동기화(TSN 네트워크 동기화[9]) 기술이 사용되며, 두 동기화 시스템은 서로 독립적으로 동작한다.

그림 3

TSN 시간 동기화를 지원하는 IEEE 802.1AS 호환 5G 시스템 모델[12]

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5GS의 모든 유저 플레인 노드들은 다음과 같이 내부 클럭을 동기화한다. (1) gNB는 5G GM 클럭으로부터 동기화, (2) UPF/NW-TT는 gNB로부터 PTP 호환 전송 네트워크를 통해 동기화, (3) UE는 gNB로부터 시그널링을[13] 통해 동기화, (4) DS-TT는 연결된 UE와 동기화를 수행한다.

내부 클럭(5G GM)으로 동기화된 5GS는 5G TSN 브릿지로서 TSN 도메인과 시간동기화를 수행한다. 먼저, NW-TT는 TSN 워킹 도메인의 TSN 노드로부터 gPTP 메시지를 수신한 후 (1) 메시지의 TSi(ingress timestamp)를 생성하여 Suffx 필드에 추가한다. (2) 누적비율(cumulative rateRatio)을 사용하여 TSN GM 시간으로 표기된 TSN 노드로부터의 링크 지연을 계산하여 CF(correction field)에 추가하고, (3) 다음 링크 지연 계산을 위해 기존 누적 비율을 새로운 누적비율로 변경한다. 이렇게 수정된 gPTP 메시지는 PDU(Packet Data Unit) 세션을 통해 UE에게 전달된다.

DS-TT는 UE가 PDU 세션을 통해 수신한 gPTP 메시지를 전달받아, (1) gPTP 메시지에 대한 TSe(egress timestamp)를 생성한다. 여기서, TSi와 TSe의 시간차는 gPTP 메시지가 5G 시간 기준으로 5GS에서 소비된 체류시간(residence time)이다. (2) 메시지 누적비율을 사용하여 5GS에서 소비된 체류시간을 TSN GM 시간으로 변환하여 CF에 추가하고, (3) Suffix 필드에서 TSi를 제거한 후 TSN 노드(end station)로 gPTP 메시지를 전달한다.

Ⅱ장 2절에서 언급한 바와 같이 Rel-16에서 5GS는 최대 32개의 워킹 클럭 도메인과 연결을 지원한다. TSN 도메인은 고유의 gPTP 메시지에 도메인을 나타내는 “domainNumber”를 전달하므로 다수의 TSN 클럭 도메인과 연결되어 있어도 해당 클럭 도메인을 구별하여 시간동기화를 지원할 수 있다.

다. 5G TSN 브릿지 및 포트 정보 관리

그림 4에서 5GS는 UPF당 하나의 TSN 브릿지로 동작하며, 5GS TSN 브릿지는 UE-UPF 사이의 유저 플레인 터널을 중심으로 TSN과 연결되는 UPF 측 NW-TT와 UE 측 DS-TT로 구성된다. DS-TT는 TSN 네트워크(TSN 브릿지, End Station)와 특정 UPF/NW-TT 포트당 하나의 PDU 세션으로 연결한다. 하나의 UPF는 다수의 PDU 세션을 수용하고, 브릿지 ID는 TS 23.502에[14] 명시된 UPF ID에 바인딩된다.

그림 4

5GS TSN 브릿지 구성도[12]

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TSN AF는 UE/DS-TT 포트와 PDU 세션 간의 바인딩 관계 정보 및 UPF/NW-TT 포트에 대한 정보를 저장한다. TSN AF 관점에서 5G TSN 브릿지는 UPF 내에 단일 NW-TT를 가지며, NW-TT는 트래픽 전달에 사용되는 여러 포트를 가질 수 있다. UE/DS-TT와 UPF/NW-TT의 포트 정보는 SMF(Session Management Function)/PCF(Policy Control Function)를 거쳐 TSN AF로 전달되고, TSN 브릿지 등록 및 변경을 위해 TSN AF에서 CNC로 전달된다.

또한, 5GS TSN 브릿지는 TSN 트래픽 스케줄링을 지원하기 위해 브릿지 정보를 구성하며, 이때 브릿지 정보는 기본정보(브릿지 ID, 이름)와 성능정보[지연, 전달지연(propagation delay), VLAN(Virtual Local Area Network) 구성], 토폴로지, 트래픽 클래스, 포트별 우선순위 및 PSFP 지원을 위한 스트림 파라미터 등으로 구성된다. 구성된 브릿지 정보는 CNC에 전달한다.

CNC는 논리적인 5GS TSN 브릿지 구성정보를 수신 후 TSN 응용의 요구사항에 맞게 TSN 브릿지 구성 정보를 재구성해서 5GS에 전달한다. 이후 5GS는 TSN으로부터 구성정보[브릿지 ID, 스케줄드 트래픽 구성정보(egress port, 트래픽 클래스 및 우선순위), Chassis ID, 트래픽 포워딩 정보(목적지 MAC 주소, VLAN ID), 포트맵의 포트번호 등]를 수신하며, 수신된 정보를 바탕으로 해당 PDU 세션의 QoS 플로우로 매핑한다.

TSN AF는 포트 및 브릿지 관리정보 교환을 위해 DS-TT/NW-TT와 PMIC(Port Management Information Container)를 통해 포트 관리정보를 교환하며, NW-TT와 BMIC(Bridge Management Information Container)를 통해 브릿지 관리정보를 교환한다.

라. TSCAI 및 QoS 지원

5GS TSN 브릿지는 RAN 구간에서 TSC 트래픽 특성에 따라 확정적 QoS를 제공할 수 있도록 하기 위해서 TSC 트래픽의 특성에 TSCAI(TSC Assistance Information)를 구성하여 RAN으로 전송하도록 하고 있다.

TSN AF는 TSN 네트워크로부터 PSFP 파라미터를 획득하여 트래픽의 파라미터(수신 포트, 주기성 및 Burst Arrival Time 등)를 계산하여, TSC Assistance Container 안에 담아 PCF를 통해 SMF로 전달한다. SMF는 PCF가 제공하는 PCC(Policy and Charging Control) 규칙들에 TSC Assistance Container를 바인딩한다. 표 3은 TSN AF로부터 받은 정보를 기반으로 SMF에서 5G RAN으로 제공하는 TSCAI를 나타내며, SMF는 매 QoS Flow 기준 TSCAI를 도출하여 5G RAN으로 전송한다.

시간민감형 통신을 위한 TSC QoS 플로우는 Delay Critical GBR(Guaranteed Bit Rate) 리소스 타입과 TSCAI를 사용하여 QoS 프로파일에 적용된다. TSN AF에서 사용하는 TSN QoS 파라미터는 최소한 다음을 포함해야 한다.

• 트래픽 클래스 및 포트당 우선순위

• TSN 스트림의 TSC Burst Size

• 5GS 브릿지 지연 및 트래픽 클래스

• 포트별 전파지연, UE-DS-TT 체류 시간

이렇게 설정된 QoS 프로파일은 TSN 트래픽 전송을 위하여 PDU 세션 내 TSN 트래픽 클래스와 매핑테이블이 구성되어야 한다.

또한 DS-TT 및 NW-TT는 IEEE 802.1Q[11]에서 정의한 홀드 앤 포워드 버퍼링 방식 지원을 통해, PDB(Packet Delay Budget) 기반 QoS를 TSC 트래픽에 사용할 수 있도록 지원한다.

3GPP Rel-16에서 개발된 TSN 기술은 uRLLC 기술과 함께 Rel-17에서 FS_IIoT(TR 23.700-20, Study on enhanced support of Industrial Internet of Things (IIoT) in the 5G System (5GS)) 하나의 스터디 아이템으로 표준 개발을 시작하였다. 2020년 6월 현재 약 50% 완성률을 가지며, 앞으로 3GPP SA WG2 8월, 10월 회의를 통해 거의 완성될 것으로 예상된다.

FS_IIoT 표준스터디를 위하여 현재 4개의 주요 키 이슈(Key Issues)가 정의되었다. TR 23.700-20 문서에서는 5개의 키 이슈가 정의되어 있지만, TSN을 위한 Fully distributed configuration 모델은 Rel-17에서는 진행하지 않기로 하였다. 따라서 현재 다음의 4가지 주요 키 이슈가 정의되고, 키 이슈에 대한 여러 솔루션이 제안된 상태이다. 다음에서 각 키 이슈를 설명하고 관련된 솔루션을 살펴본다.

가. Uplink Time Synchronization

Rel-16에서는 TSN GM가 데이터 네트워크 (DN: Data Network)에 존재하였으나, Rel-17에서는 단말사이드에 있는 TSN GM을 지원하는 시동기(Time Synchronization) 기술을 개발한다.

그림 5는 현재 Uplink 시동기를 위해 제안된 솔루션을 보여준다. TSN 도메인(Domain) 1은 초록색 TSN GM으로 동기화가 이루어지므로, TSN GM에 연결된 UE는 시동기를 위한 메시지를 (1) UPF에 연결된 TSN end stations에 전달할 뿐 아니라, (2) 또 다른 UE에 연결된 TSN end stations에도 전달한다. (1) 전자의 경우는 일반적인 상향(Uplink) 트래픽 처리와 동일하여 UE(NW-TT)가 상향 gPTP 메시지를 생성하여 해당 UPF로 전달하나, (2) 후자의 경우는 UE가 생성한 gPTP 메시지를 또 다른 UE로 전달해야 하므로 새로운 UE to UE 통신을 필요로 한다. 그림에서 녹색 실선으로 표현된 것과 같이 UE to UE 통신 경우에는 TSN GM에 연결된 UE로부터 상향 gPTP 메시지를 받은 UPF가 같은 도메인에 있는 다른 UE로 gPTP 메시지를 전달한다.

그림 5

The distribution of UL Time Synchronization Information with the same UPF[15]

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나. UE-UE TSC communication

UE to UE 통신은 그림 6에서 보는 바와 같이 UE간의 통신이며, UPF를 통해 통신할 수 있다. UE–UE 통신은 크게 (1) Rel-16 5G LAN의 VN(Virtual Network) 그룹방식을 사용하는 것과 (2) 새로운 방식을 제안하는 2종류로 분류할 수 있다. UE–UE 통신에서는 UE–UPF 간에 서로 다른 PDU 세션을 설정한다.

그림 6

UE–UE TSC communication scenario[15]

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기존의 VN 그룹 방식을 사용하는 경우에는, 통신하고자 하는 UE(DS-TT)들이 동일한 5G VN에 속하며, SMF는 VN 그룹 정보를 알 수 있다. TSN AF가 트래픽 포워딩 정보를 CNC로부터 받으면, UE–UE 통신을 위한 플로우를 그림 6에서 보이는 2개의 PDU 세션으로 나누어 각각 상향, 하향 스트림이 된다.

TR 23.700-20 문서의 솔루션 2번은 VN 그룹 방식을 사용하지 않는 새로운 방식을 제일 먼저 제안한 것으로, 중앙집중형(Centralized) 구조에서는 CUC(Centralized User Configuration)와 연결된 CNC가 TSN end station과 연결된 5GS 브릿지(Bridge) 포트 정보를 알고 있다. 따라서 CNC는 다음의 정보를 5GS 브릿지로 전달한다.

• TSN QoS와 이그레스(egress) 포트에 대한 트래픽 포워딩 정보

• 인그레스(ingress) 포트에 대한 PFSP 정보

5GS 브릿지는 CNC로부터 받은 정보로 QoS 매핑 및 각 PDU 세션에 대한 TSCAI 값을 설정한다. UE(DS-TT)–UE(DS-TT) 포트 간의 통신에서 브릿지 지원과 QoS 매핑은 Rel-16 UE(DS-TT), UPF(NW-TT) 포트 간의 통신과는 다르다. AF는 CNC로부터 받은 인그레스, 이그레스 포트 정보의 의해 각 포트에 연결된 2개의 PDU 세션을 연결하고, 각 세션에 대한 TSC QoS 파라미터를 구하여 PCF로 전달한다. 이때 구해진 세션 내 QoS 플로우 각각 상향, 하향에 해당된다. 브릿지 지연은 각 포트의 (UE – DS-TT Residence Time + PDU 세션의 PDB) 값을 계산하여 합한다.

다. Exposure of TSC services

해당 키 이슈는 5GS 네트워크 익스포저 프레임워크(Exposure Framework)를 통해 5GS TSC서비스를 좀 더 유연하게 제공하고자 한다. 익스포저 프레임워크는 네트워크 능력(Capability)을 제공하고, 어플리케이션이 네트워크로부터 제공받은 서비스에 대한 요구사항을 전달할 수 있게 한다. 따라서 NEF(Network Exposure Function)가 TSC를 지원하기 위해 관련 네트워크 능력을 AF로 제공할 수 있도록, NEF 프레임워크를 향상시키는 것이다.

1) Exposure of deterministic QoS

확정지연 서비스를 요구하는 TSC 서비스를 요구하기 위하여, AF는 지연, 지터 요구사항을 요청하고, 이를 기반으로 PCF가 5GS QoS 파라미터를 설정하도록 한다. 또한, AF는 Rel-16에서 정의된 periodicity, burst size, burst arrival time과 Survival time을 요청할 수 있다.

TR 23.700-20 문서의 솔루션 5는 Deterministic QoS를 지원하기 위하여, AF는 NEF를 통해 TSC QoS를 요구하고, 이를 위해 트래픽 패턴을 제공한다. 이처럼, AF가 TSC QoS를 요구할 수 있도록, 5GS는 다음의 Deterministic QoS 능력 정보를 제공한다.

• TSC 지원 5GS

• TSC assistance 정보 제공을 지원하는 5GS

• UE & UPF Hold and Forward Buffers를 지원

• 최소 지원 5GS 지연

2) Exposure of Time Synchronization

AF는 QoS뿐만 아니라 시동기 관련 요구사항 및 관련 정보를 요청할 수 있다. 시동기 서비스를 익스포저하는 키 이슈는 TSN 네트워크와 연결되지 않은 경우와 VIAPA(Video, Imaging and Audio for Professional Applications)를 위한 요구사항도 지원한다. AF는 TSN 도메인 GM, 또는 5G GM을 사용하기 위한 시동기 활성화를 요청할 수 있으며, 이를 먼저 네트워크는 지원하는 동기화 방법을 NEF를 통해 AF로 알려야 한다. 이로써 AF는 시동기 서비스의 활성화/비활성화를 요청하거나, 클럭(clock) 도메인과(예, TSN 도메인 GM, 5G GM) 클럭 정확도를 요청할 수 있다. 시동기 서비스는 이더넷 타입 PDU 세션뿐만 아니라 IP PDU 세션도 요청할 수 있다.

동기화를 위한 방법으로는 다음의 4가지를 고려한다.

(1) 5GS은 (g)PTP 클라이언트로 시간 정보를 전달하는 것으로 Rel-16에서 정의된 방법

(2) 5GS 시간 소스를 사용하는 방법으로 다음의 3가지로 다시 분류된다.

• UPF(NW-TT)가 시간 정보를 전달하기 위해(g)PTP 메시지를 생성

• 5G-AN이 5G 참조(reference) 시간을 UE에게 제공하여 구현 방식에 따라 UE가 연결된 디바이스나 어플리케이션으로 시간 정보를 제공

• UE(DS-TT)가 시간 정보를 전달하기 위해 (g)PTP 메시지를 생성

그림 7은 5G GM을 사용하여 5GS 타임(5GT)을 UE(DS-TT)가 gPTP로 전달하는 예를 보여준다.

그림 7

DS-TT distributes 5GS time to devices[15]

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TR 23.700-20 솔루션 8에서는 AF가 NEF를 통해 UDM(Unified Data Management)으로 가입자 정보에 다음의 정보를 설정하거나 해제하도록 요청할 수 있다고 소개한다.

• TSN PDU의 S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information), DNN(Data Network Name)

• TSN 도메인

• UL/DL TSN 동기화 method

• 활성화/비활성화

라. Survival Time for Deterministic Applications

5GS에서 확정적 어플리케이션을 위하여 서바이벌 타임(Survival Time)을 소개한다. 서바이벌 타임은 주기적이고 확정적인 통신 서비스를 위한 요구사항 중의 하나이다[12]. TR 23.700-20에서 제안된 솔루션으로는 TSN AF에 미리 설정된 서바이벌 타임을 사용하는 방식과 AF 또는 CNC로부터 받은 TSN AF가 서바이벌 타임을 제공하는 2가지 방식이 있다. 하지만, 두 솔루션 모두 PCF가 TSC Assistance Container에 서바이벌 타임을 추가하여 SMF로 전달하고, SMF가 서바이벌 타임을 TSCAI에 추가하여 RAN으로 전달하는 방식은 동일하다.