TSCAI jsou metadata, která aplikace poskytuje 5G síti o svých časově kritických přenosových vzorcích, což síti umožňuje proaktivně plánovat prostředky pro splnění přísných požadavků na latenci a spolehlivost.

Popis

Time Sensitive Communication Assistance Information (TSCAI) je klíčový prvek pro deterministickou komunikaci v 5G sítích, specifikovaný v rámci architektury 5G System v TS 23.501 a souvisejících specifikacích signalizační roviny (např. TS 29.512, 29.513). Nejde o uživatelská data, ale o řídicí informace popisující časové charakteristiky nadcházejícího datového toku Time Sensitive Communication (TSC). Primárním účelem TSCAI je překlenout propast ve znalostech mezi aplikací, která zná svůj vlastní vzor generování provozu, a sítí, která řídí přenosové prostředky.

Architektonicky je TSCAI generováno Application Function (AF) spojenou s časově citlivou aplikací, jako je výrobní řídicí systém nebo robotický kontrolér. Toto AF komunikuje s Network Exposure Function (NEF) 5G Core Network nebo přímo s Policy Control Function (PCF) přes rozhraní N5/N7. PCF následně tuto informaci začlení do pravidel PCC (Policy and Charging Control), která jsou poskytnuta Session Management Function (SMF). SMF je zodpovědná za nastavení příslušných QoS Flow pro PDU Session a, což je klíčové, za předání relevantního TSCAI do (R)AN přes Access and Mobility Management Function (AMF) během procedur zřizování nebo modifikace PDU Session.

Princip fungování je prediktivní a proaktivní. Typický kontejner TSCAI obsahuje parametry jako ‘Periodicita’ kritických paketů (např. každé 2 ms), ‘Čas příchodu burstu’ (očekávaný čas prvního paketu v burstu vzhledem k časovému referenčnímu bodu) a ‘Rozpočet zpoždění paketu’ pro každý paket. Po přijetí těchto informací může uzel (R)AN (gNB) provádět “time-aware plánování”. Místo reakce na pakety při jejich příchodu do své fronty – což zavádí nepředvídatelné zpoždění ve frontě – může plánovač předem alokovat uplink granty nebo downlink prostředky v přesném rádiovém rámci/podrámci, který odpovídá očekávanému příchodu paketu. Tím je zajištěn přenos paketu s minimální dobou čekání. Pro downlink může být UPF instruováno, aby předávalo pakety do RAN právě včas pro jejich naplánovaný přenosový slot.

Role TSCAI spočívá v přeměně sítě z reaktivní na prediktivní pro kritický provoz. Umožňuje 5G systému splnit extrémní limity latence a jitteru vyžadované průmyslovými řídicími smyčkami. Bez TSCAI pracuje plánovač RAN naslepo, což vede k potenciálnímu nedodržení termínů kvůli konkurenci s jiným provozem. S TSCAI může síť rezervovat “deterministický pruh” ve sdíleném rádiovém spektru pro každý kritický paket, čímž se bezdrátové chování podobá časově řízené kabelové síti.

K čemu slouží

TSCAI bylo vytvořeno k řešení zásadní výzvy při podpoře Time Sensitive Communications (TSC) přes sdílenou paketovou síť se statistickým multiplexováním, jako je 5G. I s pokročilými rádiovými funkcemi pro URLLC nemůže síťový plánovač optimálně upřednostňovat provoz, pokud neví, kdy kritické pakety přijdou. Bez této předzvěsti mohou být pakety zařazeny do fronty za jiným provozem, čímž se poruší přísné limity latence. Předchozí přístupy v mobilních sítích se spoléhaly čistě na identifikátory třídy QoS (QCIs) a úrovně priority, které jsou reaktivní a nedostatečné pro časovou přesnost na úrovni mikrosekund.

Konkrétním problémem, který TSCAI řeší, je nepředvídatelnost časů příchodu paketů z pohledu sítě. V průmyslové automatizaci mnoho řídicích aplikací generuje provoz v dokonale periodickém, předvídatelném vzoru (např. odečet senzoru každý řídicí cyklus). TSCAI umožňuje aplikaci komunikovat tento známý vzor síťové infrastruktuře. To bylo motivováno potřebou, aby 5G podporovalo IEEE Time-Sensitive Networking (TSN), kde je provoz často plánován časově uvědomělým způsobem na základě známého rozvrhu. Aby se 5G mohlo integrovat jako TSN most, potřebovalo mechanismus pro přijímání takových informací o rozvrhu a jednání na jejich základě.

Jeho zavedení v 3GPP Release 16 byla přímou reakcí na požadavky vertikálních průmyslových odvětví účastnících se 3GPP. Umožňuje klíčový posun paradigmatu: učinit síť “aplikací uvědomělou” z hlediska časování. To umožňuje 5G jít nad rámec pouhého nabízení nízké průměrné latence a garantovat maximální latenci pro každý jednotlivý paket v předvídatelném proudu, což je základním kamenem spolehlivého průmyslového bezdrátového řízení.

Klíčové vlastnosti

• Poskytuje síti prediktivní informace o vzorcích generování paketů (periodicita, čas příchodu burstu)
• Umožňuje časově uvědomělé plánování v (R)AN, což umožňuje alokaci prostředků sladěnou s příchodem paketů
• Přenášeno z Application Function do Policy Control Function a nakonec do (R)AN přes signalizaci core networku
• Integrální součást rámce 5G QoS pro deterministické toky, odkazováno při zřizování QoS Flow
• Podporuje časově citlivou komunikaci jak v uplinku, tak v downlinku
• Nezbytné pro integraci 5G System jako TSN mostu, přenáší informace o rozvrhu TSN streamu

Související pojmy

• TSC – Time Sensitive Communications
• URLLC – Ultra Reliable Low Latency Communication

Definující specifikace

• TS 23.501 (Rel-20) — 5G System Architecture Stage 2
• TS 29.122 (Rel-19) — T8 Reference Point for Northbound APIs
• TS 29.512 (Rel-19) — 5G Session Management Policy Control Service
• TS 29.513 (Rel-19) — 5G PCC Signalling Flows & QoS Mapping
• TS 29.514 (Rel-19) — 5G System; Policy Authorization Service; Stage 3
• TS 29.522 (Rel-19) — 5G NEF Northbound APIs Stage 3
• TS 29.565 (Rel-19) — Time Synchronization Function Services

📖 Anglický originál a plná specifikace: TSCAI na 3GPP Explorer