tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2026-12-3-44-61FSGGMEtuzsut-806Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONSМодель и метод оценки граничных сквозных задержек передачи трафика в сегменте Fronthaul сетей 4G/5G на базе технологии TSN Ethernet с использованием кредитного формирователяModel and Worst-Case End-to-End Traffic Delay Analysis in the Fronthaul Segment of 4G/5G Networks Based on TSN Ethernet Technology Using Credit Based Shaperhttps://orcid.org/0000-0003-3130-8262РосляковА. В.RoslyakovA. V.

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой сетей и систем связи Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики

a.roslyakov@psuti.ruhttps://orcid.org/0009-0004-7791-7981ГерасимовВ. В.GerasimovV. V.

старший преподаватель кафедры сетей и систем связи Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 

v.gerasimov@psuti.ruПоволжский государственный университет телекоммуникаций и информатикиРоссияPovolzhskiy State University of Telecommunications and InformaticsRussian Federation2026010720261234461Copyright © Росляков А.В., Герасимов В.В., 20262026Росляков А.В., Герасимов В.В.Roslyakov A.V., Gerasimov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/806

В статье рассматривается математическая модель и аналитический метод получения верхних граничных оценок сквозных задержек трафика eCPRI среднего приоритета в переднем транспортном сегменте Fronthaul на базе технологии TSN Ethernet сетей 4G / 5G с использованием кредитного формирователя.

Актуальность исследования обусловлена тем, что в связи с бурным развитием перспективных инфокоммуникационных приложений Индустрии 4.0 возникла необходимость в передаче разнообразного трафика, требующего высокого качества обслуживания. Для этих целей можно использовать транспортные возможности сетей 4G / 5G, однако при условии, что их сегмент Fronthaul реализован на базе перспективной технологии чувствительных ко времени сетей TSN Ethernet. Для обслуживания апериодического трафика eCPRI в сети TSN для повышения пропускной способности Fronthaul целесообразно использовать специальный кредитный формирователь трафика CBS. Требования к граничным задержкам передачи различного вида трафика Fronthaul регламентируются стандартом IEEE 802.1CM, однако в нем отсутствует методика их определения.

Цель исследования заключается в разработке модели и метода оценки граничных задержек в сегменте Fronthaul на базе технологии TSN Ethernet в сетях 4G / 5G с использованием теории сетевого исчисления.

Методы включают получение аналитических выражений для кривых поступления трафика сегмента Fronthaul и кривых его обслуживания в коммутируемой сети TSN Ethernet с использованием кредитного формирователя трафика CBS на основе базовых подходов теории сетевого исчисления.

Результаты

Результаты. Разработана модель обслуживания разнородного трафика eCPRI в сегменте Fronthaul на базе TSN Ethernet. Предложен метод получения граничных значений задержек для трафика среднего приоритета, обслуживаемого кредитным формирователем CBS, на базе теории сетевого исчисления.

Новизна

Новизна. Проведенное исследование является первой попыткой получения методики оценки верхних границ сквозных задержек трафика eCPRI среднего приоритета, учитывающей требования IEEE 802.1CM.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке математической модели и метода оценки граничных задержек трафика среднего приоритета в сегменте Fronthaul сетей 4G / 5G на базе технологии TSN Ethernet, обслуживаемого с использованием кредитного формирователя, с применением математического аппарата теории сетевого исчисления.

This article examines a mathematical model and an analytical method for obtaining upper bound estimates of end-to-end delays of medium-priority eCPRI traffic in the Fronthaul based on TSN Ethernet technology of 4G/5G networks using a credit shaper.

The relevance of this study stems from the fact that the rapid development of promising Industry 4.0 infocommunication applications has necessitated the transmission of diverse traffic requiring high quality of service. For these purposes, the transport capabilities of 4G/5G networks can be utilized, provided that their fronthaul segment is implemented using the advanced technology of time-sensitive TSN Ethernet networks. To service aperiodic eCPRI traffic in a TSN network, it is advisable to use a dedicated credit-based traffic shaper (CBS) to increase fronthaul throughput. Requirements for the boundary delays for the transmission of various types of fronthaul traffic are regulated by the IEEE 802.1CM standard; however, it lacks a methodology for determining them.

The aim of this study to develop a model and method for estimating boundary delays in the Fronthaul segment based on TSN Ethernet technology in 4G/5G networks using the theory of network calculus.

Methods include deriving analytical expressions for the Fronthaul traffic arrival curves and its service curves in the TSN Ethernet network using the CBS credit traffic shaper based on the basic approaches of network calculus theory.

Results

Results. A model for serving heterogeneous eCPRI traffic in the Fronthaul based on TSN Ethernet was developed. A method for obtaining worst-case delay for CBS medium-priority traffic the was proposed, based on network calculus.

Scientific novelty

Scientific novelty. The conducted study is the first attempt to obtain a methodology for estimating upper bounds on end-to-end delays of medium priority eCPRI traffic, taking into account the requirements of IEEE 802.1CM.

The theoretical significance of the work lies in the development of a mathematical model and a method for estimating the boundary delays of medium-priority traffic in the Fronthaul segment of 4G/5G networks based on TSN Ethernet technology, served using a credit generator, using the mathematical apparatus of network calculus theory.

сегмент Fronthaul сетей 4G / 5Gтрафик среднего приоритета eCPRIсети TSN Ethernetкредитный формирователь CBSтеория сетевого исчислениясквозные задержкиFronthaul transport segment of 4G/5G mobile networksmedium priority traffic of the eCPRI radio interfaceTime-Sensitive NetworkingCredit Based ShaperNetwork Calculus theoryend-to-end delaysReferencesСтратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года. Утверждена Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р. 93 с.Strategy for the Development of the Communications Sector of the Russian Federation for the Period up to 2035. Approved by the Order of the Government of the Russian Federation dated November 24, 2023 No. 3339-r. 93 p. (in Russ.)Коган С. Стандартизация решений и сегментирование транспортного уровня сети 5G // Первая миля. 2021. № 2(94). C. 40–47. DOI:10.22184/2070-8963.2021.94.2.40.47. EDN:KUCZTIKogan S. Standardization of solutions and segmentation of the transport level of the 5G network. Last Mile. 2021;2(94):40–47. (in Russ.) DOI:10.22184/2070-8963.2021.94.2.40.47. EDN:KUCZTIБогданова Е., Шишков К. Сегменты транспортной сети 5G // Connect. 2020. № 5–6. С. 84–87. URL: https://www.connect-wit.ru/izdaniya-connect.html (дата обращения 01.06.2026)Bogdanova E., Shishkov K. Transport network segments of 5G. Connect. 2020;5–6:84–87. (in Russ.) URL: https://www.connect-wit.ru/izdaniya-connect.html [Accessed 01.06.2026]Коган С. Транспортная оптическая инфраструктура для 5G // Connect. 2020. № 5–6. С. 74–80. URL: https://www.connect-wit.ru/izdaniya-connect.html (дата обращения 01.06.2026)Kogan S. Transport optical infrastructure for 5G. Connect. 2020;5–6:74–80. (in Russ.) URL: https://www.connect-wit.ru/izdaniya-connect.html [Accessed 01.06.2026]Тихвинский В. Архитектура построения и характеристики сетей радиодоступа NG-RAN 5G // Первая миля. 2018. № 5(74). С. 42–51. DOI:10.22184/2070-8963.2018.74.5.42.51. EDN:VADUZATikhvinsky V. Architecture and characteristics of NG-RAN 5G. Last Mile. 2018;5(74):42–51. (in Russ.) DOI:10.22184/2070-8963.2018.74.5.42.51. EDN:VADUZAБогданова Е. Транспортная сеть 5G/IMT-2020 // Первая миля. 2019. № 7(84). С. 40–47. DOI:10.22184/2070-8963. 2019.84.7.40.47. EDN:DMPJBQBogdanova E. 5G/IMT-2020 transport network. Last Mile. 2019;7(84):40–47. (in Russ.) DOI:10.22184/2070-8963.2019.84.7.40.47. EDN:DMPJBQIEEE Std 802.1QTM-2018. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Bridges and Bridged Networks. New York: IEEE, 2018. 1993 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2018.8403927IEEE Std 802.1QTM-2018. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks—Bridges and Bridged Networks. New York: IEEE; 2018. DOI:10.1109/IEEESTD.2018.8403927Росляков А.В., Герасимов В.В., Сударева М.Е., Мамошина Ю.С. TSN – сети Ethernet, чувствительные ко времени // Инфокоммуникационные технологии. 2021. Т. 19. № 2. С. 187–201. DOI:10.18469/ikt.2021.19.2.07. EDN:WSHBMLRoslyakov A.V., Gerasimov V.V., Sudareva M.E., Mamoshina Yu.S. TSN Ethernet – Time-Sensitive Networking. Infocommunicacionnye technologii. 2021;19(2):187–201. (in Russ.) DOI:10.18469/ikt.2021.19.2.07. EDN:WSHBMLЛихтциндер Б.Я. Синхронизированные по времени сети Ethernet. М.: Горячая линия – Телеком, 2024. 199 с. EDN:QDEKMVLikhttsinder B.Ya. Time-Synchronized Ethernet Networks. Moscow: Goryachaya liniya ‒ Telekom Publ.; 2024. 199 p. (in Russ.) EDN:QDEKMVЛихтциндер Б.Я. Особенности TSN // Вестник связи. 2021. № 7. C. 32–37. EDN:LHOQTWLikhttsinder B.Ya. Features TSN. Vestnik Svyazi. 2021;(7):32–41. (in Russ.) EDN:LHOQTWЛихтциндер Б.Я. Сети Ethernet с детерминированными задержками // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2022. Т. 30. № 3(75). С. 81–97. DOI:10.14498/tech.2022.3.6. EDN:EUMFSALikhttsinder B.Ya. Ethernet networks with deterministic delays. Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences Series. 2022;30(3):81–97. (in Russ.) DOI:10.14498/tech.2022.3.6. EDN:EUMFSAРосляков А.В., Герасимов В.В., Мамошина Ю.С., Сударева М.Е. Стандартизация синхронизируемых по времени сетей TSN // Стандарты и качество. 2021. № 4. С. 48–53. DOI:10.35400/0038-9692-2021-4-48-53. EDN:UYWULYRoslyakov A.V., Gerasimov V.V., Mamoshina Yu.S., Sudareva M.E. Time sensitive networking standardization. Standarts and Quality. 2021;4:48–53. (in Russ.) DOI:10.35400/0038-9692-2021-4-48-53. EDN:UYWULYБерёзкин А.А., Паршин А.А., Парфенов Д.Д., Киричек Р.В. Анализ стандартов сетей, синхронизируемых по времени, для управления роботизированными системами в режиме реального времени // Электросвязь. 2023. № 6. С. 20–31. DOI:10.34832/ELSV.2023.43.6.003. EDN:LWDQXIBerezkin A.A., Parshin A.A., Parfenov D.D., Kirichek R.V. Analysis of time-synchronized network standards for real-time control of robotic systems. Elektrosvyaz. 2023;(6):20–31. (in Russ.) DOI:10.34832/ELSV.2023.43.6.003. EDN:LWDQXIВоробьёв С. TSN – синхронизируемые по времени сети. Часть 1 // Современные технологии автоматизации. 2020. № 1. С. 18–22. URL: https://read.cta.ru/cta2020-1/18/index.html (дата обращения 01.06.2026)Vorobyov S. TSN – Time-Synchronized Networks. Parts 1. Sovremennye tekhnologii avtomatizacii. 2020;1:18–22. (in Russ.). URL: https://read.cta.ru/cta2020-1/18/index.html [Accessed 01.06.2026]Воробьёв С. TSN – синхронизируемые по времени сети. Часть 2 // Современные технологии автоматизации. 2020. № 2. С. 22–27. URL: https://read.cta.ru/cta2020-2/22/index.html (дата обращения 01.06.2026)Vorobyov S. TSN – Time-Synchronized Networks. Parts 2. Sovremennye tekhnologii avtomatizacii. 2020;2:22–27. (in Russ.). URL: URL: https://read.cta.ru/cta2020-2/22/index.html [Accessed 01.06.2026]IEEE Std 802.1CMTM-2018. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Time-Sensitive Networking for Fronthaul. New York: IEEE, 2018. 62 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2018.8376066IEEE Std 802.1CMTM-2018. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Time-Sensitive Networking for Fronthaul. New York: IEEE; 2018. DOI:10.1109/IEEESTD.2018.8376066Росляков А.В., Герасимов В.В. Применение теории сетевого исчисления для анализа задержек трафика радиоинтерфейса eCPRI в сегменте Fronthaul мобильных сетей 4G/5G // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. 2025. Т. 167. № 2. С. 351–366. DOI:10.26907/2541-7746.2025.2.351-366. EDN:KJBNYLRoslyakov A.V., Gerasimov V.V. Application of network calculus to analyze ecpri traffic delays in 4G/5G Fronthaul mobile networks. Proceedings of Kazan University. Physics and Mathematics Series 2025;167(2):351–366. (in Russ.) DOI:10.26907/2541-7746.2025.2.351-366. EDN:KJBNYLРосляков А.В., Герасимов В.В. Анализ сквозной задержки в транспортном сегменте Fronthaul сетей 4G/5G на базе технологии TSN // Труды учебных заведений связи. 2024. Т. 10. № 1. С. 73–84. DOI:10.31854/1813-324X-2024-10-1-73-84. EDN:SJWTLORoslyakov A., Gerasimov V. Analysis of End-to-End Delay in the Transport Segment of Fronthaul 4G/5G Networks Based on TSN Technology. Proceedings of Telecommunication Universities. 2024;10(1):73–84. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2024-10-1-73-84. EDN:SJWTLOРосляков А.В. Анализ механизмов качества обслуживания трафика в сетях, чувствительных ко времени // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2025. Т. 17. № 1. С. 27–35. DOI:10.36724/24095419202517 12735. EDN:XKQTQXRoslyakov A.V. Analysis of traffic quality of service mechanisms in time-sensitive networks. H&ES Research. 2025;17(1):27–35. (in Russ.) DOI:10.36724/2409541920251712735. EDN:XKQTQXIEEE Std 802.1QavTM-2009. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Virtual Bridged Local Area Networks. Amendment 12: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams. New York: IEEE, 2009. 72 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2010.8684664IEEE Std 802.1QavTM-2009. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Virtual Bridged Local Area Networks. Amendment 12: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams. New York: IEEE; 2010. DOI:10.1109/IEEESTD.2010.8684664IEEE Std 802.1QbvTM-2015. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – MAC Bridges and Virtual Bridged LANs. Amendment: Enhancements for Scheduled Traffic. IEEE, 2015. 57 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.8613095IEEE Std 802.1QbvTM-2015. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Bridges and Bridged Networks. Amendment 25: Enhancements for Scheduled Traffic. New York: IEEE; 2016. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.8613095Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.Kleinrock L. Queueing Systems. Wiley-Interscience; 1975. 448 p.Караулова О.А., Киреева Н.В., Чупахина Л.Р. Анализ времени ожидания в G/G/1 очереди // Инфокоммуникационные технологии. 2018. Т. 16. № 4. С. 393–399. DOI:10.18469/ikt.2018.16.4.05. EDN:EEIPRGKaraulova O.A., Kireeva N.V., Chupakhina L.R. Waiting time analysis for G/G/1 Queue. Infocommunicacionnye technologii. 2018;16(4):393–399. (in Russ.) DOI:10.18469/ikt.2018.16.4.05. EDN:EEIPRGCruz R.L. A Calculus for network delay. Part I. Network elements in isolation // IEEE Transactions on Information Theory. 1991. Vol. 37. Iss. 1. PP. 114–131. DOI:10.1109/18.61109Cruz R.L. A calculus for network delay. Part I. Network elements in isolation. IEEE Transactions on Information Theory. 1991;37(1):114–131. DOI:10.1109/18.61109Cruz R.L. A Calculus for Network Delay. Part II. Network Analysis // IEEE Transactions on Information Theory. 1991. Vol. 37. Iss. 1. PP. 132–141. DOI:10.1109/18.61110Cruz R.L. A calculus for network delay. Part II. Network analysis. IEEE Transactions on Information Theory. 1991;37(1): 132–141. DOI:10.1109/18.61110Le Boudec J.-Y., Thiran P. Network Calculus. A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 2050. Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. 263 p. DOI:10.1007/3-540-45318-0Le Boudec J.-Y., Thiran P. Network Calculus. A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Lecture Notes in Computer Science, vol.2050. Berlin, Heidelberg: Springer; 2001. 263 p. DOI:10.1007/3-540-45318-0Кудрявцева Е.Н., Росляков А.В. Базовые принципы и перспективы использования теории сетевого исчисления (Network Calculus) // Инфокоммуникационные технологии. 2013. Т. 11. № 3. С. 34–39. EDN:RWUXTDKudryavtseva E.N., Roslyakov A.V. Basic principles and prospects for using network calculus. Infocommunicacionnye technologii. 2013;11(3):34–39. (in Russ.) EDN:RWUXTDРосляков А.В., Лысиков А.А., Витевский В.Д. Сетевое исчисление (Network Calculus). Часть 1. Теоретические основы // Инфокоммуникационные технологии. 2018. Т. 16. № 1. С. 19–33. DOI:10.18469/ikt.2018.16.1.02. EDN:XTHBIDRoslyakov A.V., Lysikov A.A., Vitevskiy V.D. Network calculus. Part 1. Theoretical foundations. Infocommunicacionnye technologii. 2018;16(1):19–33. (in Russ.) DOI:10.18469/ikt.2018.16.1.02. EDN:XTHBIDРосляков А.В., Лысиков А.А. Сетевое исчисление (Network Calculus) и его применение для оценки сетевых характеристик. Самара: ПГУТИ, 2019. 222 с. EDN:ZYXPZARoslyakov A.V., Lysikov A.A. Network Calculus and Its Application for Evaluating Network Characteristics. Samara: PSUTI Publ.; 2019. 222 p. (in Russ.) EDN:ZYXPZAКривулин Н.К. Методы идемпотентной алгебры в задачах моделирования и анализа сложных систем. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та, 2009. 256 с.Krivulin N.K. Methods of Idempotent Algebra in Problems of Modeling and Analysis of Complex Systems. Saint Petersburg: St Petersburg University, Saint Petersburg State University Publ.; 2009. 256 p. (in Russ.)IEEE Std 802.1QbuTM-2016. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Frame Preemption. IEEE, 2016. 52 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7553415IEEE Std 802.1QbuTM-2016. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Bridges and Bridged Networks. Amendment 26: Frame Preemption. New York: IEEE; 2016. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7553415IEEE Std 802.3brTM-2016. IEEE Standard for Ethernet – Interspersing Express Traffic. IEEE, 2016. 58 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7900321IEEE Std 802.3brTM-2016. IEEE Standard for Ethernet. Amendment 5: Specification and Management Parameters for Interspersing Express Traffic. New York: IEEE; 2016. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7900321Li J., Li Q., Xiong H. Joint optimization of reconfiguration and traffic planning in time-triggered networks // Electronics Letters. 2024. Vol. 60. Iss. 1. P. e13071. DOI:10.1049/ell2.13071. EDN:XLHMADLi J., Li Q., Xiong H. Joint optimization of reconfiguration and traffic planning in time-triggered networks. Electronics Letters. 2024;60(1):e13071. DOI:10.1049/ell2.13071. EDN:XLHMADPop P., Alexandris K., Wang T. Configuration of multi-shaper Time Sensitive Networking for industrial applications // IET Networks. 2024. Vol. 13. Iss. 5-6. PP. 434–454. DOI:10.1049/ntw2.12129. EDN:KNRFCUPop P., Alexandris K., Wang T. Configuration of multi-shaper Time-Sensitive Networking for industrial applications. IET Networks. 2024;13(5-6):434–454. DOI:10.1049/ntw2.12129. EDN:KNRFCUZhao L., Pop P., Zheng Z., Li Q. Timing Analysis of AVB Traffic in TSN Networks Using Network Calculus // IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (Porto, Portugal, 11–13 April 2018). IEEE; 2018. PP. 25–36. DOI:10.1109/RTAS.2018.0000934. Zhao L., Pop P., Zheng Z., Li Q. Timing analysis of AVB traffic in TSN networks using network calculus. Proceedings of the IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, RTAS, 11–13 April 2018, Porto, Portugal. IEEE; 2018. p.25–36. DOI:10.1109/RTAS.2018.00009

The authors declare that there are no conflicts of interest present.