Модель и метод оценки граничных сквозных задержек передачи трафика в сегменте Fronthaul сетей 4G/5G на базе технологии TSN Ethernet с использованием кредитного формирователя

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. 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. 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.

1. Стратегия развития отрасли связи Российской Федерации на период до 2035 года. Утверждена Распоряжением Правительства РФ от 24 ноября 2023 года №3339-р. 93 с.

2. 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:KUCZTI

3. Богданова 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)

4. 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)

5. 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:VADUZA

6. Богданова 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:DMPJBQ

7. IEEE 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.2018.8403927

8. Росляков 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:WSHBML

9. Лихтциндер Б.Я. Синхронизированные по времени сети Ethernet. М.: Горячая линия – Телеком, 2024. 199 с. EDN:QDEKMV

10. Лихтциндер Б.Я. Особенности TSN // Вестник связи. 2021. № 7. C. 32–37. EDN:LHOQTW

11. Лихтциндер 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:EUMFSA

12. Росляков 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:UYWULY

13. Берёзкин 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:LWDQXI

14. Воробьёв 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)

15. 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)

16. 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.2018.8376066

17. Росляков 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:KJBNYL

18. Росляков 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:SJWTLO

19. Росляков 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:XKQTQX

20. IEEE 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.2010.8684664

21. IEEE 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.2016.8613095

22. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

23. 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:EEIPRG

24. Cruz 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:10.1109/18.61109

25. Cruz 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:10.1109/18.61110

26. Le 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:10.1007/3-540-45318-0

27. Кудрявцева 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:RWUXTD

28. Росляков 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:XTHBID

29. Росляков А.В., Лысиков А.А. Сетевое исчисление (Network Calculus) и его применение для оценки сетевых характеристик. Самара: ПГУТИ, 2019. 222 с. EDN:ZYXPZA

30. Кривулин Н.К. Методы идемпотентной алгебры в задачах моделирования и анализа сложных систем. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та, 2009. 256 с.

31. IEEE Std 802.1QbuTM-2016. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Frame Preemption. IEEE, 2016. 52 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7553415

32. IEEE Std 802.3brTM-2016. IEEE Standard for Ethernet – Interspersing Express Traffic. IEEE, 2016. 58 p. DOI:10.1109/IEEESTD.2016.7900321

33. Li 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:XLHMAD

34. Pop 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:KNRFCU

35. Zhao 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.2018.00009