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nascTime:带 SDAP QoS 映射和 802.1AS 透明时钟的全栈 5G-TSN Bridge 仿真框架

nascTime: A Full-Stack 5G-TSN Bridge Simulation Framework with SDAP-Based QoS Mapping and IEEE 802.1AS Transparent Clock · 2026-04-06

无线 TSN时间同步仿真与测试工业网络CC BY,可公开对照

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P001已复核

IEEE 802.1 时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)已经成为确定性工业以太网的主导标准 [1],它通过 IEEE 802.1Qbv 时间感知整形以及 IEEE 802.1AS 广义精确时间同步等机制,提供有界时延、高可靠性和精确时钟同步。然而,现代工厂车间越来越需要为自主移动机器人、协作机械臂和可重构生产单元提供无线连接,而这些应用仅靠有线 TSN 无法服务。

术语方面,“bounded latency”译为“有界时延”,“time-aware shaping”译为“时间感知整形”,“generalised precision time synchronisation”译为“广义精确时间同步”,符合 TSN 语境。数字和引用 [1] 保留。逻辑转折 “however” 已体现为“然而”。未发现明显问题。

P002需人工复核

具备超可靠低时延通信(Ultra-Reliable Low-Latency Communication,URLLC)能力的 5G 新空口(5G New Radio)非常适合填补这一角色。3GPP Release 16 规定了 5G 系统如何作为一个逻辑 TSN 网桥运行,通过无线域透明地连接有线 TSN 网段 [2]。该网桥架构包括位于用户面功能(User Plane Function)处的网络侧 TSN 转换器(Network-side TSN Translator,NW-TT)、位于用户设备(User Equipment)处的设备侧 TSN 转换器(Device-side TSN Translator,DS-TT),以及向 TSN 集中式网络控制器暴露网桥能力的 TSN 应用功能(TSN Application Function,TSN AF)。该规范定义了 TSN 优先级代码点(Priority Code Points,PCP)与 5G QoS 流标识符(QoS Flow Identifiers,QFI)之间的 QoS 映射,以及 IEEE 802.1AS 透明时钟行为;在该行为中,5G 系统在 gPTP correction field 中报告其驻留时间。

术语 NW-TT、DS-TT、TSN AF、PCP、QFI、URLLC 均保留并解释。末句原文没有句号,可能是输入段落截断或排版缺失;“gPTP correction field”保留英文以避免误译。数字 Release 16、引用 [2] 保留。因原文段末可能残缺,需人工复核。

P003已复核

已经有若干仿真框架被开发出来,用于研究 5G-TSN 集成。5GTQ 框架 [3] 实现了带有 QoS 感知优先级调度的 NW-TT 和 DS-TT 模块,但它是在 MAC 调度器层级映射流量优先级,并未利用 3GPP SDAP 层来进行按流的数据无线承载(Data Radio Bearer,DRB)选择,也没有建模 gPTP 时间同步。Da Silva 等人 [4] 专门聚焦于时间同步,修改了 INET 的 IEEE 802.1AS 模型,以支持 5G 上的 UDP/IP 传输,但没有实现通过该网桥进行的数据平面流量转发。6GDetCom Simulator [5] 使用一个可配置的无线时延元素来建模 TSN 流量整形,但并未仿真实际的 5G 无线接入网络,而是将其替换为统计时延分布;这种分布无法捕捉 MAC 调度、HARQ 重传或多用户资源竞争的影响。

“per-flow Data Radio Bearer selection”译为“按流的数据无线承载选择”,“actual 5G radio access network”译为“实际的 5G 无线接入网络”。引用 [3]、[4]、[5] 保留。逻辑对比和否定关系已保留。未发现明显问题。

P004已复核

在本文中,我们提出 nascTime,这是一个面向 3GPP Release 16 5G-TSN 网桥架构的全栈仿真框架。我们的贡献如下:

“full-stack simulation framework”译为“全栈仿真框架”,“3GPP Release 16 5G-TSN bridge architecture”完整保留含义。未发现明显问题。

P005已复核

1. 具有基于 SDAP 的 QoS 的完整网桥架构:nascTime 将 NW-TT 和 DS-TT 实现为模块化的 OMNeT++ 复合模块,并与 INET 的 LayeredEthernetInterface 集成。QoS 流水线将 TSN PCP 经由 IPv4 DSCP 映射到 5G QFI,而 SDAP 层 [18] 使用该 QFI 来选择特定的数据无线承载;该 SDAP 层最初由我们贡献给 Simu5G v1.4.1 [19],从而在 gNB MAC 层实现按流调度。2. 具有实测驻留时间的 IEEE 802.1AS 透明时钟:gPTP 帧使用 L2-in-GTP-U 封装,通过实际仿真的 5G 无线路径进行传输。一个自定义的 GptpResidenceHeader 携带 NW-TT 入口时间戳,使 DS-TT 能够计算实际的 5G 系统驻留时间,并按消息类型更新 IEEE 802.1AS correction field。3. 具有双向流量的多端点验证:nascTime 支持多个 UE/DS-TT 对共享单个 gNB,并具备按端点 QoS 配置、gPTP 复制和双向流量。我们使用一个三端点拓扑验证该框架,展示了近乎完美的数据交付、正确的时间同步以及零丢包。

该段将三项贡献压缩在同一输入段落中,译文按原结构保留为同一段。术语 SDAP、QoS、NW-TT、DS-TT、OMNeT++、LayeredEthernetInterface、PCP、DSCP、QFI、DRB、gNB MAC、L2-in-GTP-U、GptpResidenceHeader 均保留。数字 1、2、3、v1.4.1、引用 [18]、[19] 保留。无公式。未发现明显问题。

P006已复核

具有基于 SDAP 的 QoS 的完整网桥架构:nascTime 将 NW-TT 和 DS-TT 实现为模块化的 OMNeT++ 复合模块,并与 INET 的 LayeredEthernetInterface 集成。QoS 流水线将 TSN PCP 经由 IPv4 DSCP 映射到 5G QFI,而 SDAP 层 [18] 使用该 QFI 来选择特定的数据无线承载;该 SDAP 层最初由我们贡献给 Simu5G v1.4.1 [19],从而在 gNB MAC 层实现按流调度。

本段与 P005 中第 1 项内容重复,但按输入要求单独翻译。术语、引用和版本号均保留。逻辑上 “which the SDAP layer uses” 的先行词为 5G QFI,译为“使用该 QFI”明确。未发现明显问题。

P007已复核

具有实测驻留时间的 IEEE 802.1AS 透明时钟:gPTP 帧使用 L2-in-GTP-U 封装,通过实际仿真的 5G 无线路径进行传输。一个自定义的 GptpResidenceHeader 携带 NW-TT 入口时间戳,使 DS-TT 能够计算实际的 5G 系统驻留时间,并按消息类型更新 IEEE 802.1AS correction field。

“measured residence time”译为“实测驻留时间”,“actual simulated 5G radio path”译为“实际仿真的 5G 无线路径”。GptpResidenceHeader 和 correction field 保留原文形式以匹配实现/标准字段。未发现明显问题。

P008已复核

具有双向流量的多端点验证:nascTime 支持多个 UE/DS-TT 对共享单个 gNB,并具备按端点 QoS 配置、gPTP 复制和双向流量。我们使用一个三端点拓扑验证该框架,展示了近乎完美的数据交付、正确的时间同步以及零丢包。

“multi-endpoint validation”译为“多端点验证”,“per-endpoint QoS configuration”译为“按端点 QoS 配置”。数字“三端点”和“零丢包”准确保留。未发现明显问题。

P009已复核

本文其余部分组织如下。第二节介绍 5G-TSN 网桥架构的背景,并回顾相关仿真框架。第三节描述 nascTime 框架架构。第四节讨论实现细节和集成挑战。第五节给出验证结果,第六节总结全文。

章节编号 Section II 至 Section VI 已按中文论文习惯译为第二节至第六节,内容顺序完整。未发现明显问题。

P010已复核

3GPP Release 16 规范 TS 23.501 §5.28 [2] 定义了 5G 系统如何作为一个或多个虚拟 IEEE 802.1 TSN 网桥运行。如图 1 所示,该网桥由两个 TSN Translator 端口组成:

标准号 TS 23.501、条款 §5.28、引用 [2]、图 1 均保留。“one or more virtual IEEE 802.1 TSN bridges”译为“一个或多个虚拟 IEEE 802.1 TSN 网桥”。段末冒号表明后文可能接列表,但本段自身完整;未发现明显问题。

P011已复核

位于用户面功能(User Plane Function,UPF)处的网络侧 TSN 转换器(Network-side TSN Translator,NW-TT)将外部 TSN 网络连接到 5G 核心网。它在 IEEE 802.1Q 以太网帧与 IP 数据报之间进行转换,将 TSN QoS 参数映射到 5G QoS 参数,以便通过 5G 系统进行传输。

术语 NW-TT、UPF、IEEE 802.1Q、QoS、IP 数据报均已保留并译出;逻辑为“连接外部 TSN 网络与 5G 核心网,并执行帧/数据报转换和 QoS 映射”。未发现明显问题。

P012需人工复核

位于用户面功能(User Plane Function,UPF)处的设备侧 TSN 转换器(Device-side TSN Translator,DS-TT)将外部 TSN 网络连接到 5G 核心网。它在 IEEE 802.1Q 以太网帧与 IP 数据报之间进行转换,将 TSN QoS 参数映射到 5G QoS 参数,以便通过 5G 系统进行传输。

原文称 DS-TT 位于 UPF,这与常见 5G-TSN 架构中 DS-TT 通常位于 UE 侧的认识存在冲突,且本段内容与 P011 高度重复,可能为原文或抽取识别错误;术语与数字无遗漏。建议人工核对论文原文。

P013已复核

TSN 应用功能(TSN Application Function,TSN AF)提供 5G 系统与 TSN 集中式网络控制器(Centralized Network Controller,CNC)之间的控制面接口。它暴露桥接能力,包括端口对时延、所支持的流量类别,以及按流过滤与监管能力。

TSN AF、CNC、控制面接口等术语已保留;“port-pair delays”译为“端口对时延”,“per-stream filtering and policing”译为“按流过滤与监管”,符合 TSN 语境。未发现明显问题。

P014已复核

QoS 映射遵循一个多阶段流水线:NW-TT 从 IEEE 802.1Q VLAN 标签中读取优先级代码点(Priority Code Point,PCP),并将其映射到 IPv4 区分服务代码点(Differentiated Services Code Point,DSCP)。UPF 的流量流过滤器(Traffic Flow Filter)将 DSCP 映射到 5G QoS 流标识符(5G QoS Flow Identifier,QFI),SDAP 层使用该 QFI 来选择特定的数据无线承载(Data Radio Bearer,DRB)。在 DS-TT 处,该过程反向执行:IPv4 DSCP 被映射回重构 VLAN 标签中的 PCP 值。

PCP、DSCP、QFI、SDAP、DRB 等缩写均已完整保留;映射链路 PCP→DSCP→QFI→DRB 以及反向 DSCP→PCP 的逻辑明确;未发现数字或公式风险。未发现明显问题。

P015已复核

对于时间同步,5G 系统作为 IEEE 802.1AS 透明时钟运行。当 gPTP 帧进入该桥时,NW-TT 记录入口时间戳。在 DS-TT 处,驻留时间,即通过 5G 系统的总时延,被计算出来并加入 gPTP 校正字段。这使下游 TSN 设备能够在其时钟同步中计入 5G 桥接时延。

IEEE 802.1AS、transparent clock、gPTP、residence time、correction field 等关键术语均已译出并保留必要缩写;逻辑为入口记录时间戳、出口计算驻留时间并更新校正字段。未发现明显问题。

P016已复核

表 I 在关键架构特性方面将 nascTime 与现有 5G-TSN 仿真框架进行了比较。

表号 Table I 保留为“表 I”;“key architectural features”译为“关键架构特性”。该段依赖表格上下文,但句意完整。未发现明显问题。

P017已复核

5GTQ 框架 [3] 是最早处理具备 QoS 感知能力的 5G-TSN 仿真的框架之一,它实现了带有基于优先级调度的 NW-TT 和 DS-TT 模块。然而,5GTQ 使用 5QI 值直接在 MAC 调度器层级映射流量优先级,而没有利用 3GPP SDAP 层进行按流的 DRB 选择。因此,无论其 TSN 优先级类别如何,所有流量都共享单一无线承载。此外,5GTQ 不对 gPTP 时间同步或驻留时间测量进行建模。

引用 [3]、5GTQ、5QI、MAC、3GPP SDAP、DRB、gPTP 等均已保留;转折关系“However / Furthermore”和因果“therefore”已体现;“single radio bearer”译为“单一无线承载”。未发现明显问题。

P018已复核

Da Silva 等人 [4] 通过修改 INET 的 IEEE 802.1AS 模型,使其能够通过 5G 网络在 UDP/IP 之上运行,从而处理时间同步问题,并展示了低于一微秒的同步精度。他们的工作支持 3GPP Release 17 时间感知系统模式,并在多种时钟主时钟配置中验证了同步。然而,他们的框架并未实现数据面流量转发,只有 gPTP 控制帧通过 5G 系统传输。在没有 NW-TT/DS-TT 数据转发、QoS 映射或流量交付验证的情况下,该框架无法评估桥在真实混合流量条件下的性能。

引用 [4]、INET、IEEE 802.1AS、UDP/IP、3GPP Release 17、gPTP、NW-TT/DS-TT、QoS 均已保留;“below one microsecond”译为“低于一微秒”;限制条件与结论逻辑完整。未发现明显问题。

P019已复核

在欧盟 DETERMINISTIC6G 项目内开发的 6GDetCom Simulator [5] 对跨异构域的端到端确定性通信进行建模,其中包括 6G 无线段。无线域被表示为一个具有统计特征(均值、方差、分布)的可配置时延元素,从而能够在无线时延不确定性下分析 TSN 调度算法,例如时间感知整形(Time-Aware Shaping)。然而,该仿真器不包含实际的 5G 无线接入网络,也就是说,没有 MAC 调度器、HARQ、信道模型或资源块分配。因此,它无法捕捉多用户竞争、衰落或调度规则对桥性能的影响。

引用 [5]、DETERMINISTIC6G、6GDetCom Simulator、TSN、Time-Aware Shaping、MAC、HARQ 等均已保留;统计特征 mean、variance、distribution 译为“均值、方差、分布”;“scheduling discipline”译为“调度规则”较贴近上下文。未发现明显问题。

P020已复核

其他相关工作包括 Muslim 等人 [6],他们将 802.1AS-over-UDP/IP 方法扩展到 5G 切换场景;P5G-TSN 框架 [7],该框架通过 TDD 模式分析扩展了 5GTQ;以及 Wang 等人 [8],他们研究了大规模 5G+TSN 网络中的时间同步碰撞。这些框架都没有通过 SDAP 层实现完整的 QoS 流水线,也没有使用测得的驻留时间来验证多端点数据交付。

引用 [6]、[7]、[8]、802.1AS-over-UDP/IP、5G、P5G-TSN、TDD、5GTQ、5G+TSN、SDAP、QoS 均已保留;并列结构和否定范围“None of these frameworks”已准确表达。未发现明显问题。

P021已复核

Satka 等人提供了一项关于 TSN-5G 集成的系统性综述 [15],指出时间同步是占主导地位的研究重点(73% 的研究),而 QoS 映射仍是一个开放挑战。他们的 QoS-MAN 算法 [16] 基于截止期限、抖动、带宽和丢包约束,将 TSN 流映射到 5G QoS 流,并且他们开发了一种早期的、基于 NeSTiNg 的转换技术 [17]。QoS-MAN 运行在“流到 5QI 分配”的层级,且尚未在包含 SDAP/DRB 管线和实测驻留时间的全栈仿真中得到评估。nascTime 提供了仿真基础设施,用于在真实感无线条件下评估此类算法。

术语 TSN-5G、QoS、QoS-MAN、NeSTiNg、5QI、SDAP/DRB 均已保留;73% 数字、引用 [15][16][17] 已保留;“deadline, jitter, bandwidth, packet loss constraints”完整译出;“residence time”译为“驻留时间”符合 TSN/802.1AS 语境。未发现明显问题。

P022已复核

现有仿真框架没有一个同时结合以下五项内容:(1)带有 MAC 调度和信道模型的实际 5G 无线仿真,(2)通过 SDAP/DRB 管线实现的端到端 QoS 映射,(3)来自实际无线路径遍历的实测 IEEE 802.1AS 驻留时间,(4)带有双向流量验证的多端点扩展,以及(5)与 INET 的 LayeredEthernetInterface 集成以实现 TSN 特性兼容性。nascTime 满足全部五项要求。

五个并列要求均完整保留;MAC、SDAP/DRB、IEEE 802.1AS、INET LayeredEthernetInterface 等术语未误译;“actual radio path traversal”译为“实际无线路径遍历”含义准确。未发现明显问题。

P023需人工复核

NW-TT 被实现为一个复合模块,扩展自 INET 的 NetworkLayerNodeBase,并遵循与 Simu5G 的 UPF 模块相同的架构模式。图 2 展示了其内部结构。面向 TSN 的端口使用 INET 的 LayeredEthernetInterface,并配有 EthernetStreamingPhyLayer,通过一个 EthernetStreamingPhyLayer(ethLi)连接到 NwTtTranslator 简单模块。面向 UPF 的端口使用标准 PppInterface,并通过继承的网络层分发器连接。在入口路径(TSN → 5GS)上,translator 从 TSN 交换机接收完整的以太网帧,通过 ethertype(0x88F7)检测 gPTP 帧,并以不同方式处理数据帧和 gPTP 帧:

模块名 NW-TT、NetworkLayerNodeBase、UPF、LayeredEthernetInterface、EthernetStreamingPhyLayer、NwTtTranslator、PppInterface 均保留;0x88F7 数值正确;方向 TSN → 5GS 正确。原文“uses ... with EthernetStreamingPhyLayer, connected through a EthernetStreamingPhyLayer (ethLi)”存在疑似重复或表述不顺,可能需要结合图 2 确认 ethLi 的准确角色。

P024已复核

数据帧:translator 去除 IEEE 802.1Q VLAN 标签,读取 PCP 值,将其映射到 IPv4 DSCP 字段,并通过 PPP 接口将 IPv4 数据报转发到 UPF。UPF 的 Traffic Flow Filter 读取 DSCP,并在 GTP-U 隧道头中设置相应的 QFI。

IEEE 802.1Q、VLAN、PCP、IPv4 DSCP、PPP、UPF、Traffic Flow Filter、GTP-U、QFI 均已保留;处理顺序“去标签、读 PCP、映射 DSCP、转发、设置 QFI”与原文一致。未发现明显问题。

P025已复核

gPTP 帧:translator 前置一个自定义 GptpResidenceHeader,该头部携带当前仿真时间作为入口时间戳;随后将完整的 gPTP 以太网帧封装在一个 UDP 分组中(端口 30001),并将其作为 IPv4 数据报通过 5G 系统发送。对于多端点拓扑,gPTP 帧会被复制到所有已注册的下游设备。

GptpResidenceHeader、gPTP、UDP、IPv4、端口 30001 均准确保留;“prepends”“wraps”“replicated”动作顺序清楚;“downstream devices”译为“下游设备”符合上下文。未发现明显问题。

P026已复核

在出口路径(5GS → TSN)上,来自 UPF 的返回流量由 NW-TT 的 IPv4 协议栈通过 EthernetEncapsulation 模块进行路由,该模块添加 MAC 成帧,并经由 ethLi 分发器将帧发送到 TSN 交换机。多端点支持通过一个可由 JSON 配置的 address、ue 对数组来实现。在初始化时,translator 将每个下游 TSN 设备的 IP 地址注册到 Simu5G binder,并将其映射到对应 UE 的 NR 节点标识符;该标识符从 binder 的节点信息映射中获得。

路径方向 5GS → TSN 正确;EthernetEncapsulation、MAC、ethLi、JSON、address、ue、Simu5G binder、NR 节点标识符均保留;“array of address, ue pairs”译为“address、ue 对数组”忠实但略生硬,需要结合配置文件确认字段名格式。未发现明显问题。

P027已复核

DS-TT 是一个独立的双端口 L2 桥,具有两个 LayeredEthernetInterface 端口,这两个端口通过 EthernetStreamingPhyLayer 模块连接到 DsTtTranslator。图 3 展示了其内部结构。面向 TSN 的端口(tsnEth)使用流式 PHY,以兼容 TSN 设备;而面向 UE 的端口(ueEth)使用非流式 PHY,以匹配 UE 的标准以太网接口。在正向路径(UE → TSN)上,translator 去除传入的以太网成帧,检查是否存在 gPTP-in-UDP 封装(目的端口 30001),并据此进行处理:

DS-TT、L2、LayeredEthernetInterface、EthernetStreamingPhyLayer、DsTtTranslator、tsnEth、ueEth、PHY、UE、gPTP-in-UDP、端口 30001 均保留;“forward path”方向 UE → TSN 正确;“non-streaming PHY”译为“非流式 PHY”合理。未发现明显问题。

P028已复核

数据帧:translator 读取 IPv4 DSCP,将其映射到一个 PCP 值,使用相应的 VLAN 标签重构一个完整的以太网帧,并将其发送到下游 TSN 设备。

IPv4 DSCP、PCP、VLAN 保留;动作顺序“读取、映射、重构、发送”与原文一致;“corresponding VLAN tag”译为“相应的 VLAN 标签”准确。未发现明显问题。

P029已复核

gPTP 帧:translator 去除 IPv4 和 UDP 头,读取 GptpResidenceHeader 以获得 NW-TT 入口时间戳,将驻留时间计算为当前时间与入口时间之间的差值,并更新 gPTP correction field。Sync 和 Follow_Up 消息会被分别处理,并使用特定于类型的 chunk 操作,以确保字段修改正确。

IPv4、UDP、GptpResidenceHeader、NW-TT、gPTP correction field、Sync、Follow_Up、chunk 均保留;驻留时间公式逻辑“当前时间 - 入口时间”已准确表达;“type-specific chunk operations”译为“特定于类型的 chunk 操作”忠实但依赖实现上下文。未发现明显问题。

P030已复核

在反向路径(TSN → UE)上,来自下游 TSN 设备的帧会被转发到 UE,并保留适当的 MAC 地址且进行相应的以太网成帧。

路径方向 TSN → UE 正确;MAC 地址保留和 Ethernet framing 均已译出;本段无数字、公式或引用。未发现明显问题。

P031已复核

图 4 展示了从 TSN Device A 经由 5G 系统到 TSN Device B 的完整端到端 QoS 映射流水线。该流水线按六个阶段运行:1. TSN Device A 使用 IEEE 802.1Q VLAN 标签对业务流进行编码,这些标签携带 PCP 值(例如,用于等时控制的 PCP=6,用于尽力而为业务的 PCP=0);2. NW-TT 去除 VLAN 标签,并将 PCP 映射到 IPv4 DSCP;3. UPF Traffic Flow Filter 将 DSCP 映射到 QFI;4. gNB SDAP 层基于 QFI 选择一个 DRB(例如,QFI=6 → DRB 1);5. MAC 调度器按 DRB 分配无线资源,并使用可配置的调度准则(MAXCI、PF、RR);6. DS-TT 在重构后的 VLAN 标签中将 DSCP 映射回 PCP。

术语 TSN Device、QoS、IEEE 802.1Q、VLAN、PCP、NW-TT、IPv4 DSCP、UPF Traffic Flow Filter、QFI、gNB、SDAP、DRB、MAC、MAXCI、PF、RR、DS-TT 均已保留或直译;数字六个阶段、PCP=6、PCP=0、QFI=6 → DRB 1 未改变。逻辑链路为 PCP→DSCP→QFI→DRB→DSCP→PCP,未发现明显问题。

P032已复核

TSN Device A 使用 IEEE 802.1Q VLAN 标签对业务流进行编码,这些标签携带 PCP 值(例如,用于等时控制的 PCP=6,用于尽力而为业务的 PCP=0)。

IEEE 802.1Q、VLAN、PCP 保留准确;PCP=6 与 PCP=0 数字未改变;“isochronous control”译为“等时控制”,“best effort”译为“尽力而为业务”,术语风险较低。未发现明显问题。

P033已复核

NW-TT 去除 VLAN 标签,并将 PCP 映射到 IPv4 DSCP。

NW-TT、VLAN、PCP、IPv4 DSCP 缩写保留;动作“strips”译为“去除”准确;映射方向 PCP 到 IPv4 DSCP 未颠倒。未发现明显问题。

P034已复核

UPF Traffic Flow Filter 将 DSCP 映射到 QFI。

UPF Traffic Flow Filter、DSCP、QFI 均保留;映射方向 DSCP 到 QFI 未改变。未发现明显问题。

P035已复核

gNB SDAP 层基于 QFI 选择一个 DRB(例如,QFI=6 → DRB 1)。

gNB、SDAP、QFI、DRB 缩写保留;示例 QFI=6 → DRB 1 未改变;“based on QFI”译为“基于 QFI”,逻辑准确。未发现明显问题。

P036已复核

MAC 调度器按 DRB 分配无线资源,并使用可配置的调度准则(MAXCI、PF、RR)。

MAC、DRB、MAXCI、PF、RR 均保留;“per DRB”译为“按 DRB”;“configurable discipline”译为“可配置的调度准则”,符合调度上下文。未发现明显问题。

P037已复核

DS-TT 在重构后的 VLAN 标签中将 DSCP 映射回 PCP。

DS-TT、VLAN、DSCP、PCP 缩写保留;“back to”体现为“映射回”;方向 DSCP 到 PCP 未颠倒。未发现明显问题。

P038已复核

SDAP 层配置使用按 UE 设置的 DRB 映射,该映射在仿真配置中被指定为 JSON 数组,并且为 gNB 侧提供显式的 NR 节点标识符。这使得在多端点拓扑中能够对每个 UE 进行独立的 QoS 处理。

SDAP、UE、DRB、JSON、gNB、NR、QoS 均保留;“per-UE DRB mapping”译为“按 UE 设置的 DRB 映射”;“explicit NR node identifiers for the gNB side”未遗漏;多端点拓扑中每个 UE 独立 QoS 处理的因果关系准确。未发现明显问题。

P039已复核

TSN AF 模块订阅 DS-TT 的驻留时间信号,用于实时桥延迟跟踪,并将最小、最大和平均延迟发布为可查询参数。它从一个 XML 文件读取 CNC 配置,该文件指定了带有逐流带宽和最大时延约束的流预留;当测得的桥延迟超过已配置阈值时,它会检测到 QoS 违规。

TSN AF、DS-TT、XML、CNC、QoS 均保留;minimum、maximum、average delay 对应“最小、最大和平均延迟”;“per-stream bandwidth and maximum latency constraints”译为“逐流带宽和最大时延约束”;“exceeds the configured threshold”译为“超过已配置阈值”。未发现明显问题。

P040已复核

Static BMCA 模块从仿真配置中读取 gPTP 时钟层级,验证拓扑(单一 grandmaster、没有缺失角色),并将 5G 系统注册为透明时钟。虽然 INET 的 gPTP 模块不支持动态 BMCA,但对于拓扑在设计时已知的仿真场景,静态配置已经足够。

Static BMCA、gPTP、grandmaster、5G、INET、BMCA 缩写或关键术语保留;“single grandmaster, no missing roles”译为“单一 grandmaster、没有缺失角色”;“transparent clock”译为“透明时钟”;转折逻辑“虽然……但……”准确。未发现明显问题。

P041已复核

将桥模块与 INET 的 LayeredEthernetInterface 集成,需要解决若干架构挑战:• 门链兼容性。LayeredEthernetInterface 扩展了 INET 的 NetworkInterface,而后者使用一种内部的 pushPacket() 机制,该机制与直接连接到普通 OMNeT++ 简单模块并不兼容。我们在每个接口与转换器之间插入 MessageDispatcher 模块,并通过 serviceMapping 参数将 ethernetmac 协议路由到正确的接口。• 协议注册。转换器在初始化时,在其面向调度器的门上注册 Protocol::ethernetMac,使调度器能够把传入的以太网帧路由到转换器。出站帧需要显式的 DispatchProtocolReq 和 DirectionTag 标签,以便通过调度器正确路由到接口。• 出口路径架构。NW-TT 对出口路径(5GS → TSN)使用 EthernetEncapsulation,并设置 registerProtocol=false,以防止在 ethLi 调度器上发生注册冲突。封装服务由转换器的初始化代码手动注册到网络层调度器上。• PHY 非对称性。DS-TT 面向 TSN 的端口使用流式 PHY(与 TSN 设备匹配),而面向 UE 的端口使用非流式 PHY(与 UE 的标准以太网接口匹配)。这种非对称性产生的原因是 UE 扩展了 Simu5G 的 NRUe,而 NRUe 在内部使用普通 EthernetInterface。

术语 LayeredEthernetInterface、NetworkInterface、MessageDispatcher、serviceMapping、Protocol::ethernetMac、DispatchProtocolReq、DirectionTag、EthernetEncapsulation、registerProtocol=false、ethLi、PHY、DS-TT、NW-TT、UE、NRUe 均已保留。方向“5GS → TSN”、因果关系和四个架构挑战均已对应。该段似乎汇总了 P042-P045 的项目符号内容,存在输入重复但非译文问题。

P042已复核

门链兼容性。LayeredEthernetInterface 扩展了 INET 的 NetworkInterface,而后者使用一种内部的 pushPacket() 机制,该机制与直接连接到普通 OMNeT++ 简单模块并不兼容。我们在每个接口与转换器之间插入 MessageDispatcher 模块,并通过 serviceMapping 参数将 ethernetmac 协议路由到正确的接口。

术语和机制名称均已保留;“plain OMNeT++ simple modules”译为“普通 OMNeT++ 简单模块”可对应 OMNeT++ 术语;逻辑关系未发现明显问题。

P043已复核

协议注册。转换器在初始化时,在其面向调度器的门上注册 Protocol::ethernetMac,使调度器能够把传入的以太网帧路由到转换器。出站帧需要显式的 DispatchProtocolReq 和 DirectionTag 标签,以便通过调度器正确路由到接口。

Protocol::ethernetMac、DispatchProtocolReq、DirectionTag 未翻译;“dispatcher-facing gates”译为“面向调度器的门”符合 OMNeT++ gate 语境;未发现明显问题。

P044已复核

出口路径架构。NW-TT 对出口路径(5GS → TSN)使用 EthernetEncapsulation,并设置 registerProtocol=false,以防止在 ethLi 调度器上发生注册冲突。封装服务由转换器的初始化代码手动注册到网络层调度器上。

方向“5GS → TSN”、registerProtocol=false、ethLi 均已保留;“egress path”按“出口路径”翻译。输入中同时出现“→”和 LaTeX `\rightarrow` 的转写痕迹,译文保留为单个箭头,语义明确。

P045已复核

PHY 非对称性。DS-TT 面向 TSN 的端口使用流式 PHY(与 TSN 设备匹配),而面向 UE 的端口使用非流式 PHY(与 UE 的标准以太网接口匹配)。这种非对称性产生的原因是 UE 扩展了 Simu5G 的 NRUe,而 NRUe 在内部使用普通 EthernetInterface。

streaming PHY / non-streaming PHY 分别译为“流式 PHY / 非流式 PHY”;DS-TT、TSN、UE、Simu5G、NRUe、EthernetInterface 已保留;因果关系未发现明显问题。

P046已复核

NR 节点标识符解析:下游 TSN 设备 IP 的 binder 注册需要 NR 节点标识符(≥ 2049),而不是 LTE 标识符(≥ 1025)。转换器在初始化时扫描 binder 的节点信息映射,以找到每个 UE 模块的 NR 节点标识符。

数字阈值 ≥ 2049 和 ≥ 1025 已保留;NR 与 LTE 的区分明确;binder、UE 保留。输入中存在 `≥ \geq` 的重复转写痕迹,译文规范化为单个“≥”。

P047已复核

多 UE SDAP/DRB:SDAP 层 [18] 是我们为 Simu5G v1.4.1 贡献的功能,用于通过 DRB 选择实现按流的 QoS 区分 [19];为了支持多 UE 运行,它要求在 Simu5G 的 NRNicEnbDrb 模块的 PDCP 和 RLC 子模块上设置 multiSession=true,而原始默认值 false 会将每个 DRB 实例限制为单个 UE 会话。

SDAP、DRB、QoS、PDCP、RLC、NRNicEnbDrb、multiSession=true、false 均已保留;引用 [18]、[19] 已保留;“per-flow QoS differentiation through DRB selection”已完整表达。未发现明显问题。

P048已复核

带以太网端口的 UE:自定义 NED 模块(NRUeDsTt、NRUeDsTtDrb)使用以太网接口扩展 Simu5G 的 NR UE,从而能够连接到外部 DS-TT 桥。

NED 模块名 NRUeDsTt、NRUeDsTtDrb 已保留;“extend Simu5G’s NR UE with an Ethernet interface”语义已对应;未发现明显问题。

P049已复核

我们使用在 OMNeT++ 6.3、INET 4.6 和 Simu5G v1.4.1-sdap-2 中仿真的三端点拓扑(图 5)来验证 nascTime [20]。该拓扑包括一个 TSN Device A(gPTP grandmaster)、一个 TSN 交换机、一个 NW-TT、一个 UPF、一个 gNB、三对 UE/DS-TT,以及三个下游 TSN Devices B。表 II 列出了仿真参数。

版本号 OMNeT++ 6.3、INET 4.6、Simu5G v1.4.1-sdap-2 已保留;设备数量“一个/三对/三个”已对应;图 5、表 II、引用 [20] 已保留。未发现明显问题。

P050已复核

每个端点从 TSN Device A 接收两类流量:高优先级等时流量(PCP=6 → DRB 1)和尽力而为监测流量(PCP=0 → DRB 0)。每个 TSN Device B 向 Device A 发送反向流量。gPTP 帧通过 L2-in-GTP-U 复制到所有端点。

两类流量、PCP 到 DRB 的映射、反向流量方向、gPTP 与 L2-in-GTP-U 均已保留。输入中箭头也有 `\rightarrow` 转写痕迹,译文规范化为单个“→”。未发现明显问题。

P051已复核

表 III 总结了在理想信道配置下每个端点的分组递送结果。

术语“per-endpoint”译为“每个端点”,“packet delivery results”译为“分组递送结果”;表号 III 保留。未发现明显问题。

P052已复核

高优先级流量在所有三个端点上均达到 99.9% 的递送率;每个端点短缺 7–10 个分组,这发生在无线链路完全建立之前的最初数毫秒内。由于指数型到达间隔分布,尽力而为流量的递送量在 5,020 到 5,122 个分组之间变化。设备 A 接收了全部 2,400 个反向分组(每个端点 800 个),确认了通过 NW-TT 出口路径的双向转发是正确的。任何网桥组件均未丢弃分组。

数字 99.9%、7–10、5,020、5,122、2,400、800 均已保留;“Best-effort”译为“尽力而为”,“NW-TT egress path”译为“NW-TT 出口路径”。逻辑关系为短缺发生在链路建立前,未发现明显问题。

P053已复核

表 IV 报告了从 TSN 设备 A 的应用层到 TSN 设备 B 的应用层测得的单向时延,并按流量类别进行区分。

表号 IV 保留;“one-way delay”译为“单向时延”,“traffic class”译为“流量类别”。未发现明显问题。

P054已复核

DRB 1 上的高优先级流量表现出紧凑的时延分布(均值 2.58 ms,最大值 3.41 ms),这与 MAXCI 调度器优先为 DRB 1 分配无线资源相一致。DRB 0 上的尽力而为流量具有更宽的分布范围,反映出其较低的调度优先级,以及指数型到达间隔模式偶尔会产生突发流量、从而竞争共享资源。两个均值之间的 1.16 ms 差距量化了通过基于 SDAP 的 DRB 选择实现的 QoS 区分;这种效果仅基于调度器优先级的方法(例如 5GTQ)无法产生,因为它们将两个类别复用到单一承载上。

指标 mean/max 和数值 2.58 ms、3.41 ms、1.16 ms 已保留;DRB、MAXCI、SDAP、QoS、5GTQ 等缩写保留。破折号处因果逻辑已译为分号连接。未发现明显问题。

P055已复核

为验证多端点扩展不会降低每条流的 QoS,我们使用每个端点相同的流量参数,将三端点配置与单端点基线进行比较。

“multi-endpoint scaling”译为“多端点扩展”,“per-flow QoS”译为“每条流的 QoS”,“single-endpoint baseline”译为“单端点基线”。未发现明显问题。

P056已复核

从一个端点扩展到三个端点,会使高优先级平均时延增加不到 70 μs,并且不会影响递送率或 gPTP 精度。在此负载下,新增的 UE 共享 gNB 的 25 个资源块而不会产生竞争;在更高端点数量和真实信道条件下的扩展行为,是正在进行的工作的研究主题。

原文中 “70 μ \mu s” 存在 LaTeX 转写重复,已规范为 70 μs;25 resource blocks、UE、gNB、gPTP 均保留。因存在原文符号转写噪声但含义明确,未发现明显问题。

P057已复核

为展示 nascTime 捕获无线电引起的定时效应的能力,我们使用 Simu5G INDOOR_HOTSPOT 信道模型(瑞利衰落,无阴影)重复三端点实验。表 VI 比较了驻留时间统计量。

模型名 Simu5G INDOOR_HOTSPOT 保留;“Rayleigh fading, no shadowing”译为“瑞利衰落,无阴影”;“residence time statistics”译为“驻留时间统计量”。未发现明显问题。

P058需人工复核

在衰落条件下,驻留时间方差增加了两个数量级以上(从 < 0.2 μs 增至 48.2 μs),反映了 HARQ 重传和可变调度时延。高优先级递送率仍保持在 99.7% 以上。该结果确认,nascTime 能够捕获 5G 无线信道对 TSN 网桥定时的随机效应;而将无线段建模为固定时延元素的仿真器不具备这种能力 [5]。

原文 “from < < 0.2 μ \mu s” 疑似识别或 LaTeX 转写错误,按语义译为“从 < 0.2 μs”;48.2 μs、99.7%、[5] 已保留。因原文存在可能识别错误,需人工复核。

P059已复核

NW-TT 将每个 gPTP 帧复制到全部三个下游设备,从而每个端点得到 158 个 gPTP 帧(总计 474 个)。经日志检查验证,DS-TT 分别针对 Sync 和 Follow_Up 消息正确更新 IEEE 802.1AS correction field。在理想信道下,校正值紧密聚集在 2,499.9 μs 附近;在衰落条件下,它们表现出表 VI 中报告的方差,忠实反映了每个 gPTP 帧所经历的实际无线电路径时延。

数字 158、474、2,499.9 μs 已保留;NW-TT、DS-TT、gPTP、IEEE 802.1AS、Sync、Follow_Up 保留。术语“correction field”可译为“校正字段”,此处保留英文指标名以避免标准术语歧义。未发现明显问题。

P060已复核

TSN AF 报告实时网桥时延统计量(最小值、最大值、均值),并且 Static BMCA 以零配置错误验证了六节点时钟层级结构(一个主时钟、一个网桥、三个从时钟、一个透明时钟)。

“live bridge delay statistics”译为“实时网桥时延统计量”;min、max、mean 已译出;六节点构成 1+1+3+1=6,逻辑一致。TSN AF、Static BMCA 保留。未发现明显问题。

P061已复核

当前验证使用的是一种受限拓扑(三个端点、单个 gNB),并且未包括 TAS 门控调度与 5G 网桥时延之间的协调。DS-TT 不响应 gPTP PdelayReq 消息,Static BMCA 也不支持动态重新配置。这些问题正在进行的工作中加以解决。

术语 TAS、5G bridge delay、DS-TT、gPTP PdelayReq、Static BMCA 均已保留;数字“三个端点、单个 gNB”无误;逻辑为当前限制及后续工作处理,未发现明显问题。

P062已复核

本文提出了 nascTime,这是一个面向 3GPP Release 16 5G-TSN 网桥架构的仿真框架,运行于 OMNeT++ 6.3、INET 4.6 和 Simu5G 之上。该框架是首个将完整 5G 无线电协议栈、基于 SDAP 的逐流 DRB 选择、通过 L2-in-GTP-U gPTP 传输测得的 IEEE 802.1AS 驻留时间,以及具有双向流量的多端点扩展能力结合在一起的框架。

版本号 OMNeT++ 6.3、INET 4.6、3GPP Release 16 已核对;术语 SDAP、DRB、IEEE 802.1AS、L2-in-GTP-U、gPTP 均保留;“first to combine”译为“首个将……结合”,逻辑完整,未发现明显问题。

P063需人工复核

采用三端点拓扑进行的验证表明,在理想信道下,高优先级流量实现了 99.9% 的交付率,平均时延为 2.58 ms;并且在衰落条件下,驻留时间方差从 < < 0.2 μ \mu s 增加到 48 μ \mu s,这证实了 nascTime 能够捕获由无线电引起的定时效应。从一个端点扩展到三个端点时,平均时延增加不到 70 μ \mu s,且没有发生丢包。

数字 99.9%、2.58 ms、48 μ \mu s、70 μ \mu s 已保留;“ideal channel”“under fading”“radio-induced timing effects”的因果与条件关系完整。但原文中的“< < 0.2 μ \mu s”和“μ \mu s”疑似公式或文本识别残留,可能本意为“< 0.2 μs”或类似格式,需人工核对原 PDF。

P064已复核

未来工作面向在真实工厂信道模型下扩展到最多 20 个端点的可扩展性分析、将 TAS 门控调度与测得的 5G 网桥时延进行协调,以及公开发布该框架的源代码 [20]。

数字“20 个端点”和引用 [20] 已保留;术语 TAS、5G 网桥时延、可扩展性分析准确;三项未来工作并列关系清晰,未发现明显问题。

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P001Block 4

IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) has become the predominant standard for deterministic industrial Ethernet [ 1 ], providing bounded latency, high reliability, and precise clock synchronisation through mechanisms such as IEEE 802.1Qbv time-aware shaping and IEEE 802.1AS generalised precision time synchronisation. Modern factory floors, however, increasingly require wireless connectivity for autonomous mobile robots, collaborative manipulators, and reconfigurable production cells, applications that wired TSN alone cannot serve.

P002Block 5

5G New Radio with Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) is well suited to fill this role. 3GPP Release 16 specifies how a 5G system operates as a logical TSN bridge, transparently connecting wired TSN segments through the wireless domain [ 2 ]. The bridge architecture comprises a Network-side TSN Translator (NW-TT) at the User Plane Function, a Device-side TSN Translator (DS-TT) at the User Equipment, and a TSN Application Function (TSN AF) that exposes bridge capabilities to the TSN Centralized Network Controller. The specification defines QoS mapping between TSN Priority Code Points (PCP) and 5G QoS Flow Identifiers (QFI), as well as IEEE 802.1AS transparent clock behaviour in which the 5G system reports its residence time in the gPTP correction field

P003Block 6

Several simulation frameworks have been developed to study 5G-TSN integration. The 5GTQ framework [ 3 ] implements NW-TT and DS-TT modules with QoS-aware priority scheduling, but maps traffic priority at the MAC scheduler level without utilizing the 3GPP SDAP layer for per-flow Data Radio Bearer (DRB) selection, and does not model gPTP time synchronization. Da Silva et al. [ 4 ] focus exclusively on time synchronization, modifying INET’s IEEE 802.1AS model for UDP/IP transport over 5G, but do not implement data plane traffic forwarding through the bridge. The 6GDetCom Simulator [ 5 ] models TSN traffic shaping with a configurable wireless delay element, but does not simulate the actual 5G radio access network—replacing it with statistical delay distributions that cannot capture the impact of MAC scheduling, HARQ retransmissions, or multi-user resource contention.

P004Block 7

In this paper, we present nascTime, a full-stack simulation framework for the 3GPP Release 16 5G-TSN bridge architecture. Our contributions are:

P005Block 8

1. Complete bridge architecture with SDAP-based QoS: nascTime implements the NW-TT and DS-TT as modular OMNeT++ compound modules that integrate with INET’s LayeredEthernetInterface. The QoS pipeline maps TSN PCP through IPv4 DSCP to 5G QFI, which the SDAP layer [ 18 ] —originally contributed by us to Simu5G v1.4.1 [ 19 ] —uses to select specific Data Radio Bearers, enabling per-flow scheduling at the gNB MAC layer. 2. IEEE 802.1AS transparent clock with measured residence time: gPTP frames are transported through the actual simulated 5G radio path using L2-in-GTP-U encapsulation. A custom GptpResidenceHeader carries the NW-TT ingress timestamp, enabling the DS-TT to compute the actual 5G system residence time and update the IEEE 802.1AS correction field per message type. 3. Multi-endpoint validation with bidirectional traffic: nascTime supports multiple UE/DS-TT pairs sharing a single gNB, with per-endpoint QoS configuration, gPTP replication, and bidirectional traffic. We validate the framework with a three-endpoint topology demonstrating near-perfect data delivery, correct time synchronization, and zero packet loss.

P006Block 9

Complete bridge architecture with SDAP-based QoS: nascTime implements the NW-TT and DS-TT as modular OMNeT++ compound modules that integrate with INET’s LayeredEthernetInterface. The QoS pipeline maps TSN PCP through IPv4 DSCP to 5G QFI, which the SDAP layer [ 18 ] —originally contributed by us to Simu5G v1.4.1 [ 19 ] —uses to select specific Data Radio Bearers, enabling per-flow scheduling at the gNB MAC layer.

P007Block 10

IEEE 802.1AS transparent clock with measured residence time: gPTP frames are transported through the actual simulated 5G radio path using L2-in-GTP-U encapsulation. A custom GptpResidenceHeader carries the NW-TT ingress timestamp, enabling the DS-TT to compute the actual 5G system residence time and update the IEEE 802.1AS correction field per message type.

P008Block 11

Multi-endpoint validation with bidirectional traffic: nascTime supports multiple UE/DS-TT pairs sharing a single gNB, with per-endpoint QoS configuration, gPTP replication, and bidirectional traffic. We validate the framework with a three-endpoint topology demonstrating near-perfect data delivery, correct time synchronization, and zero packet loss.

P009Block 12

The remainder of this paper is organized as follows. Section II provides background on the 5G-TSN bridge architecture and reviews related simulation frameworks. Section III describes the nascTime framework architecture. Section IV discusses implementation details and integration challenges. Section V presents validation results, and Section VI concludes the paper.

P010Block 15

The 3GPP Release 16 specification TS 23.501 §5.28 [ 2 ] defines how a 5G system operates as one or more virtual IEEE 802.1 TSN bridges. As illustrated in Fig. 1, the bridge comprises two TSN Translator ports:

P011Block 16

The Network-side TSN Translator (NW-TT), located at the User Plane Function (UPF), connects the external TSN network to the 5G core. It translates between IEEE 802.1Q Ethernet frames and IP datagrams, mapping TSN QoS parameters to 5G QoS parameters for transport through the 5G system.

P012Block 17

The Device-side TSN Translator (DS-TT), located at the User Plane Function (UPF), connects the external TSN network to the 5G core. It translates between IEEE 802.1Q Ethernet frames and IP datagrams, mapping TSN QoS parameters to 5G QoS parameters for transport through the 5G system.

P013Block 18

The TSN Application Function (TSN AF) provides the control plane interface between the 5G system and the TSN Centralized Network Controller (CNC). It exposes bridge capabilities including port-pair delays, supported traffic classes, and per-stream filtering and policing capabilities.

P014Block 19

QoS mapping follows a multi-stage pipeline: the NW-TT reads the Priority Code Point (PCP) from the IEEE 802.1Q VLAN tag and maps it to an IPv4 Differentiated Services Code Point (DSCP). The UPF’s Traffic Flow Filter maps DSCP to a 5G QoS Flow Identifier (QFI), which the SDAP layer uses to select a specific Data Radio Bearer (DRB). At the DS-TT, the process reverses: the IPv4 DSCP is mapped back to a PCP value in the reconstructed VLAN tag.

P015Block 20

For time synchronization, the 5G system operates as an IEEE 802.1AS transparent clock. The NW-TT records the ingress timestamp when a gPTP frame enters the bridge. At the DS-TT, the residence time—the total delay through the 5G system, is computed and added to the gPTP correction field. This enables downstream TSN devices to account for the 5G bridge delay in their clock synchronization.

P016Block 22

Table I compares nascTime with existing 5G-TSN simulation frameworks across key architectural features.

P017Block 23

The 5GTQ framework [ 3 ] was among the first to address QoS-aware 5G-TSN simulation, implementing NW-TT and DS-TT modules with priority-based scheduling. However, 5GTQ maps traffic priority directly at the MAC scheduler level using 5QI values without utilising the 3GPP SDAP layer for per-flow DRB selection. All traffic therefore shares a single radio bearer regardless of its TSN priority class. Furthermore, 5GTQ does not model gPTP time synchronisation or residence time measurement.

P018Block 24

Da Silva et al. [ 4 ] address time synchronization by modifying INET’s IEEE 802.1AS model to operate over UDP/IP through the 5G network, demonstrating synchronization accuracy below one microsecond. Their work supports 3GPP Release 17 time-aware system modes and validates synchronization in multiple clock master configurations. However, their framework does not implement data plane traffic forwarding—only gPTP control frames are transported through the 5G system. Without NW-TT/DS-TT data forwarding, QoS mapping, or traffic delivery validation, the framework cannot evaluate the bridge’s performance under realistic mixed traffic conditions.

P019Block 25

The 6GDetCom Simulator [ 5 ], developed within the EU DETERMINISTIC6G project, models end-to-end deterministic communication across heterogeneous domains including 6G wireless segments. The wireless domain is represented as a configurable delay element with statistical characteristics (mean, variance, distribution), enabling analysis of TSN scheduling algorithms such as Time-Aware Shaping under wireless delay uncertainty. However, the simulator does not include an actual 5G radio access network—there is no MAC scheduler, HARQ, channel model, or resource block allocation. Consequently, it cannot capture the effects of multi-user contention, fading, or scheduling discipline on bridge performance.

P020Block 26

Additional related work includes Muslim et al. [ 6 ], who extend the 802.1AS-over-UDP/IP approach with 5G handover scenarios; the P5G-TSN framework [ 7 ], which extends 5GTQ with TDD pattern analysis; and Wang et al. [ 8 ], who study time synchronisation collisions in large-scale 5G+TSN networks. None of these frameworks implement the complete QoS pipeline through the SDAP layer or validate multi-endpoint data delivery with measured residence time.

P021Block 27

Satka et al. provide a systematic review of TSN-5G integration [ 15 ], identifying time synchronisation as the dominant research focus (73% of studies) and QoS mapping as an open challenge. Their QoS-MAN algorithm [ 16 ] maps TSN flows to 5G QoS flows based on deadline, jitter, bandwidth, and packet loss constraints, and they developed an early NeSTiNg-based translation technique [ 17 ]. QoS-MAN operates at the flow-to-5QI assignment level and has not been evaluated within a full-stack simulation including the SDAP/DRB pipeline and measured residence time. nascTime provides the simulation infrastructure to evaluate such algorithms under realistic radio conditions.

P022Block 28

No existing simulation framework combines (1) actual 5G radio simulation with MAC scheduling and channel models, (2) end-to-end QoS mapping through the SDAP/DRB pipeline, (3) measured IEEE 802.1AS residence time from actual radio path traversal, (4) multi-endpoint scaling with bidirectional traffic validation, and (5) integration with INET’s LayeredEthernetInterface for TSN feature compatibility. nascTime addresses all five requirements.

P023Block 31

The NW-TT is implemented as a compound module extending INET’s NetworkLayerNodeBase, following the same architectural pattern as Simu5G’s UPF module. Fig. 2 shows the internal structure. The TSN-facing port uses INET’s LayeredEthernetInterface with EthernetStreamingPhyLayer, connected through a EthernetStreamingPhyLayer (ethLi) to the NwTtTranslator simple module. The UPF-facing port uses a standard PppInterface connected through the inherited network layer dispatcher. On the ingress path (TSN → 5GS), the translator receives complete Ethernet frames from the TSN switch, detects gPTP frames by ethertype (0x88F7), and processes data and gPTP frames differently:

P024Block 32

Data frames: The translator strips the IEEE 802.1Q VLAN tag, reads the PCP value, maps it to an IPv4 DSCP field, and forwards the IPv4 datagram to the UPF via the PPP interface. The UPF’s Traffic Flow Filter reads the DSCP and sets the corresponding QFI in the GTP-U tunnel header.

P025Block 33

gPTP frames: The translator prepends a custom GptpResidenceHeader carrying the current simulation time as the ingress timestamp, wraps the complete gPTP Ethernet frame in a UDP packet (port 30001), and sends it as an IPv4 datagram through the 5G system. For multi-endpoint topologies, the gPTP frame is replicated to all registered downstream devices.

P026Block 34

On the egress path (5GS → TSN), return traffic from the UPF is routed by the NW-TT’s IPv4 stack through an EthernetEncapsulation module, which adds MAC framing and sends the frame to the TSN switch via the ethLi dispatcher. Multi-endpoint support is achieved through a JSON-configurable array of address, ue pairs. At initialization, the translator registers each downstream TSN device’s IP address with the Simu5G binder, mapping it to the corresponding UE’s NR node identifier obtained from the binder’s node information map.

P027Block 36

The DS-TT is a standalone two-port L2 bridge with two LayeredEthernetInterface ports connected through EthernetStreamingPhyLayer modules to the DsTtTranslator. Fig. 3 shows the internal structure. The TSN-facing port (tsnEth) uses streaming PHY for compatibility with TSN devices, while the UE-facing port (ueEth) uses non-streaming PHY to match the UE’s standard Ethernet interface. On the forward path (UE → TSN), the translator strips the incoming Ethernet framing, checks for gPTP-in-UDP encapsulation (destination port 30001), and processes accordingly:

P028Block 37

Data frames: The translator reads the IPv4 DSCP, maps it to a PCP value, reconstructs a complete Ethernet frame with the corresponding VLAN tag, and sends it to the downstream TSN device.

P029Block 38

gPTP frames: The translator strips the IPv4 and UDP headers, reads the GptpResidenceHeader to obtain the NW-TT ingress timestamp, computes the residence time as the difference between the current time and the ingress time, and updates the gPTP correction field. Sync and Follow_Up messages are handled separately with type-specific chunk operations to ensure correct field modification.

P030Block 39

On the reverse path (TSN → UE), frames from the downstream TSN device are forwarded to the UE with appropriate MAC address preservation and Ethernet framing.

P031Block 41

Fig. 4 illustrates the complete end-to-end QoS mapping pipeline from TSN Device A through the 5G system to TSN Device B. The pipeline operates in six stages: 1. TSN Device A encodes traffic streams with IEEE 802.1Q VLAN tags carrying PCP values (e.g., PCP=6 for isochronous control, PCP=0 for best effort) 2. The NW-TT strips the VLAN tag and maps PCP to IPv4 DSCP 3. The UPF Traffic Flow Filter maps DSCP to QFI 4. The gNB SDAP layer selects a DRB based on QFI (e.g., QFI=6 → DRB 1) 5. The MAC scheduler allocates radio resources per DRB with configurable discipline (MAXCI, PF, RR) 6. The DS-TT maps DSCP back to PCP in the reconstructed VLAN tag

P032Block 42

TSN Device A encodes traffic streams with IEEE 802.1Q VLAN tags carrying PCP values (e.g., PCP=6 for isochronous control, PCP=0 for best effort)

P033Block 43

The NW-TT strips the VLAN tag and maps PCP to IPv4 DSCP

P034Block 44

The UPF Traffic Flow Filter maps DSCP to QFI

P035Block 45

The gNB SDAP layer selects a DRB based on QFI (e.g., QFI=6 → DRB 1)

P036Block 46

The MAC scheduler allocates radio resources per DRB with configurable discipline (MAXCI, PF, RR)

P037Block 47

The DS-TT maps DSCP back to PCP in the reconstructed VLAN tag

P038Block 48

The SDAP layer configuration uses per-UE DRB mapping specified as JSON arrays in the simulation configuration, with explicit NR node identifiers for the gNB side. This enables independent QoS treatment for each UE in multi-endpoint topologies.

P039Block 50

The TSN AF module subscribes to the DS-TT’s residence time signal for live bridge delay tracking, publishing minimum, maximum, and average delay as queryable parameters. It reads CNC configuration from an XML file specifying stream reservations with per-stream bandwidth and maximum latency constraints, and detects QoS violations when the measured bridge delay exceeds the configured threshold.

P040Block 51

The Static BMCA module reads the gPTP clock hierarchy from the simulation configuration, validates the topology (single grandmaster, no missing roles), and registers the 5G system as a transparent clock. While INET’s gPTP module does not support dynamic BMCA, the static configuration is sufficient for simulation scenarios where the topology is known at design time.

P041Block 54

Integrating the bridge modules with INET’s LayeredEthernetInterface required solving several architectural challenges: • Gate chain compatibility. LayeredEthernetInterface extends INET’s NetworkInterface, which uses an internal pushPacket() mechanism incompatible with direct connections to plain OMNeT++ simple modules. We insert MessageDispatcher modules between each interface and the translator, with serviceMapping parameters routing the ethernetmac protocol to the correct interface. • Protocol registration. The translators register Protocol::ethernetMac on their dispatcher-facing gates at initialisation, enabling the dispatchers to route incoming Ethernet frames to the translator. Outgoing frames require explicit DispatchProtocolReq and DirectionTag tags for correct routing through the dispatcher to the interface. • Egress path architecture. The NW-TT uses EthernetEncapsulation for the egress path (5GS → \rightarrow TSN), with registerProtocol=false to prevent registration conflicts on the ethLi dispatcher. The encapsulation service is manually registered on the network layer dispatcher from the translator’s initialisation code. • PHY asymmetry. The DS-TT’s TSN-facing port uses streaming PHY (matching TSN devices), while the UE-facing port uses non-streaming PHY (matching the UE’s standard Ethernet interface). This asymmetry arises because the UE extends Simu5G’s NRUe, which uses plain EthernetInterface internally.

P042Block 55

Gate chain compatibility. LayeredEthernetInterface extends INET’s NetworkInterface, which uses an internal pushPacket() mechanism incompatible with direct connections to plain OMNeT++ simple modules. We insert MessageDispatcher modules between each interface and the translator, with serviceMapping parameters routing the ethernetmac protocol to the correct interface.

P043Block 56

Protocol registration. The translators register Protocol::ethernetMac on their dispatcher-facing gates at initialisation, enabling the dispatchers to route incoming Ethernet frames to the translator. Outgoing frames require explicit DispatchProtocolReq and DirectionTag tags for correct routing through the dispatcher to the interface.

P044Block 57

Egress path architecture. The NW-TT uses EthernetEncapsulation for the egress path (5GS → \rightarrow TSN), with registerProtocol=false to prevent registration conflicts on the ethLi dispatcher. The encapsulation service is manually registered on the network layer dispatcher from the translator’s initialisation code.

P045Block 58

PHY asymmetry. The DS-TT’s TSN-facing port uses streaming PHY (matching TSN devices), while the UE-facing port uses non-streaming PHY (matching the UE’s standard Ethernet interface). This asymmetry arises because the UE extends Simu5G’s NRUe, which uses plain EthernetInterface internally.

P046Block 60

NR node identifier resolution: The binder registration for downstream TSN device IPs requires NR node identifiers (≥ \geq 2049), not LTE identifiers (≥ \geq 1025). The translator scans the binder’s node information map at initialisation to find each UE module’s NR node identifier.

P047Block 61

Multi-UE SDAP/DRB: The SDAP layer [ 18 ], which we contributed to Simu5G v1.4.1 for per-flow QoS differentiation through DRB selection [ 19 ], requires multiSession=true on the PDCP and RLC submodules of Simu5G’s NRNicEnbDrb module for multi-UE operation—the original default of false limits each DRB instance to a single UE session.

P048Block 62

UE with Ethernet port: Custom NED modules (NRUeDsTt, NRUeDsTtDrb) extend Simu5G’s NR UE with an Ethernet interface, enabling connection to the external DS-TT bridge.

P049Block 65

We validate nascTime [ 20 ] using a three-endpoint topology (Fig. 5) simulated with OMNeT++ 6.3, INET 4.6, and Simu5G v1.4.1-sdap-2. The topology comprises one TSN Device A (gPTP grandmaster), one TSN switch, one NW-TT, one UPF, one gNB, three UE/DS-TT pairs, and three downstream TSN Devices B. Table II lists the simulation parameters.

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Each endpoint receives two traffic classes from TSN Device A: high-priority isochronous traffic (PCP=6 → \rightarrow DRB 1) and best-effort monitoring traffic (PCP=0 → \rightarrow DRB 0). Each TSN Device B sends reverse traffic to Device A. gPTP frames are replicated to all endpoints via L2-in-GTP-U.

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Table III summarises the per-endpoint packet delivery results under the ideal channel configuration.

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High-priority traffic achieves 99.9% delivery across all three endpoints; the shortfall of 7–10 packets per endpoint occurs during the first milliseconds before the radio link is fully established. Best-effort delivery varies between 5,020 and 5,122 packets due to the exponential inter-arrival distribution. Device A receives all 2,400 reverse packets (800 per endpoint), confirming correct bidirectional forwarding through the NW-TT egress path. No packets are dropped at any bridge component.

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Table IV reports the measured one-way delay from TSN Device A’s application layer to TSN Device B’s application layer, separated by traffic class.

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High-priority traffic on DRB 1 shows tight delay distribution (mean 2.58 ms, max 3.41 ms), consistent with the MAXCI scheduler allocating radio resources preferentially to DRB 1. Best-effort traffic on DRB 0 has a wider spread, reflecting its lower scheduling priority and the exponential inter-arrival pattern that occasionally creates bursts competing for shared resources. The 1.16 ms gap between the two mean values quantifies the QoS differentiation achieved through SDAP-based DRB selection—an effect that scheduler-priority-only approaches (e.g., 5GTQ) cannot produce, since they multiplex both classes onto a single bearer.

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To verify that multi-endpoint scaling does not degrade per-flow QoS, we compare the three-endpoint configuration against a single-endpoint baseline using identical traffic parameters per endpoint.

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Scaling from one to three endpoints adds less than 70 μ \mu s to the mean high-priority delay and does not affect delivery ratio or gPTP accuracy. The additional UEs share the gNB’s 25 resource blocks without contention under this load; the scaling behaviour under higher endpoint counts and realistic channel conditions is the subject of ongoing work.

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To demonstrate nascTime’s ability to capture radio-induced timing effects, we repeat the three-endpoint experiment with the Simu5G INDOOR_HOTSPOT channel model (Rayleigh fading, no shadowing). Table VI compares residence time statistics.

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Under fading, the residence time variance increases by more than two orders of magnitude (from < < 0.2 μ \mu s to 48.2 μ \mu s), reflecting HARQ retransmissions and variable scheduling delays. High-priority delivery remains above 99.7%. This result confirms that nascTime captures the stochastic effects of the 5G radio channel on TSN bridge timing—a capability absent from simulators that model the wireless segment as a fixed-delay element [ 5 ].

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The NW-TT replicates each gPTP frame to all three downstream devices, resulting in 158 gPTP frames per endpoint (474 total). The DS-TT correctly updates the IEEE 802.1AS correction field separately for Sync and Follow_Up messages, as verified by log inspection. Under the ideal channel, the correction values are tightly clustered around 2,499.9 μ \mu s; under fading, they exhibit the variance reported in Table VI, faithfully reflecting the actual radio path delay experienced by each gPTP frame.

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The TSN AF reports live bridge delay statistics (min, max, mean), and the Static BMCA validates the six-node clock hierarchy (one master, one bridge, three slaves, one transparent clock) with zero configuration errors.

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The current validation uses a limited topology (three endpoints, single gNB) and does not include TAS gate scheduling coordination with the 5G bridge delay. The DS-TT does not respond to gPTP PdelayReq messages, and the Static BMCA does not support dynamic reconfiguration. These are addressed in ongoing work.

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This paper presented nascTime, a simulation framework for the 3GPP Release 16 5G-TSN bridge architecture on OMNeT++ 6.3, INET 4.6, and Simu5G. The framework is the first to combine a full 5G radio stack with SDAP-based per-flow DRB selection, measured IEEE 802.1AS residence time via L2-in-GTP-U gPTP transport, and multi-endpoint scaling with bidirectional traffic.

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Validation with a three-endpoint topology shows that high-priority traffic achieves 99.9% delivery with a mean delay of 2.58 ms under an ideal channel, and that residence time variance increases from < < 0.2 μ \mu s to 48 μ \mu s under fading—confirming that nascTime captures radio-induced timing effects. Scaling from one to three endpoints adds less than 70 μ \mu s to the mean delay with no packet loss.

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Future work targets scalability analysis up to 20 endpoints under realistic factory channel models, coordination of TAS gate schedules with the measured 5G bridge delay, and public release of the framework source code [ 20 ].