信觀察

5G蜂窩通信被普遍視為推進(jìn)第四次工業(yè)革命、工業(yè) 4.0 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵無線技術(shù)，愛立信將大力推動5G集成TSN支持工業(yè)自動化。本期信觀察通過對愛立信技術(shù)專家 (向琪瑤，愛立信中國區(qū) 技術(shù)經(jīng)理；雷志平，愛立信中國區(qū) 技術(shù)經(jīng)理) 的訪談闡述愛立信觀點，歡迎收看。

5G與TSN

在工廠自動化和工業(yè)4.0中，通信連接將發(fā)揮重要作用。其中，可靠、安全、及時地傳輸數(shù)據(jù)是工業(yè)通信技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking ，TSN）是滿足這些需求的有利推動者，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的5G移動技術(shù)也可以滿足工業(yè)通信領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆哿⑿蓬A(yù)測，5G和TSN的互聯(lián)將使工業(yè)自動化的全面通信成為可能，5G集成TSN作為提供確定性連接技術(shù)在工業(yè)自動化中將起到重要作用。

在工業(yè)自動化中引入5G技術(shù)具有很多優(yōu)點。首先，5G技術(shù)可以降低布線等基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)成本，支持自動小車或移動自動導(dǎo)航車輛（AGV）等移動設(shè)備，提高工業(yè)應(yīng)用的靈活性。此外，由于制造業(yè)對定制產(chǎn)品的需求不斷地增加，就要求生產(chǎn)場所更加靈活。由于5G可以支持到遠(yuǎn)程站點的連接，使分散在不同地點的工廠連接起來，因此新的生產(chǎn)器件或者設(shè)備在5G的支持下，就可以在不需要線纜的情況下接入生產(chǎn)環(huán)境，新產(chǎn)品安裝也不需要在同一個生產(chǎn)場所完成。

而TSN的主要目標(biāo)是通過IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)提供確定性服務(wù)，從而保證數(shù)據(jù)包傳輸具有低時延和確定性時延、低抖動和低丟包的需求。TSN可以用于處理盡力而為（best effort）類型流量的網(wǎng)絡(luò)中的特定數(shù)據(jù)流，例如，在融合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，可以將有著不同時間要求的，來自不同運營技術(shù)（OT）應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)流與信息技術(shù)（IT）的數(shù)據(jù)流結(jié)合在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上承載。TSN標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于許多垂直領(lǐng)域，例如工業(yè)自動化和汽車車載網(wǎng)絡(luò)。IEEE和國際電工委員會（IEC）正在共同開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)IEC/IEEE 60802，以定義工業(yè)自動化TSN特性。

5G可以將工業(yè)傳感器或執(zhí)行器等設(shè)備通過無線連接到 TSN 網(wǎng)絡(luò)。與 4G 相比，5G 的新特性，特別是在無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）中的新特性，提供了更好的可靠性和傳輸時延，并且新的 5G 系統(tǒng)架構(gòu)允許網(wǎng)絡(luò)靈活部署。因此，可以將5G 用于擴(kuò)展 TSN 網(wǎng)絡(luò)，以避免電纜安裝帶來的限制。而為了支持 5G 系統(tǒng)上的 TSN 服務(wù)，如何實現(xiàn) TSN 和 5G 網(wǎng)絡(luò)的互通是最主要的挑戰(zhàn)。

下圖圖示說明了5G和TSN集成以支持端到端確定性可靠連接。圖中采用了TSN的集中式配置模式，該模式也是3GPP目前支持的配置模式。

圖1：5G與TSN集成示意圖TSN 技術(shù)

TSN是在IEEE802.1技術(shù)基礎(chǔ)上，針對時間敏感特性做了一定的擴(kuò)展。其目的是在特定的時間窗口內(nèi)，在沒有丟包、沒有由于擁塞引起的時延的情況下轉(zhuǎn)發(fā)時間敏感數(shù)據(jù)包。TSN通過以下技術(shù)實現(xiàn)上述目標(biāo)；

•  時間同步協(xié)議： TSN的時間同步協(xié)議是IEEE 802.1AS，它是一個基于IEEE1588的在以太網(wǎng)上進(jìn)行時間同步的協(xié)議， 可以使以太網(wǎng)橋和終端設(shè)備同步到統(tǒng)一的時鐘，以支持TSN定時流量調(diào)度。所以IEEE802.1AS是TSN通信的基礎(chǔ)。

•  定時流量調(diào)度：是保證TSN 轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)的主要技術(shù)，也是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的重要加強(qiáng)。傳統(tǒng)以太網(wǎng)出口一般有多個隊列，每個隊列對應(yīng)于有不同優(yōu)先級的以太網(wǎng)幀，不同隊列間按照一定算法進(jìn)行調(diào)度，決定發(fā)送哪個隊列中的數(shù)據(jù)包。TSN設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，周期性地調(diào)度流量。在每個周期內(nèi)又分為不同的時隙（time slot），每個隊列只能在允許發(fā)送的時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣就能保證時間敏感流量在特定時間內(nèi)能夠轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不會受到其他隊列擁塞的影響。

•  幀復(fù)制和消除FRER（Frame Replication and Elimination for Reliability）: 為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕琓SN引入了冗余傳輸?shù)募夹g(shù)。對于需要高可靠性的數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以復(fù)制兩個或多個數(shù)據(jù)流副本，并通過不同的路徑傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該節(jié)點將這些數(shù)據(jù)流合并為一個數(shù)據(jù)流。

•  TSN配置：TSN的配置模型有三種：完全集中模型，集中和分布模型以及完全分布模型。完全集中模型主要由CNC（Centralized Network Configuration）和CUC（Centralized User Configuration）構(gòu)成。CUC主要負(fù)責(zé)收集各種應(yīng)用的需求，并將每個流的需求發(fā)送給CNC。CUC也負(fù)責(zé)對終端設(shè)備的配置。CNC負(fù)責(zé)將需求分解為網(wǎng)絡(luò)配置并下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。后兩種分布式配置模式仍在加強(qiáng)中以更好地服務(wù)工業(yè)應(yīng)用。3GPP目前支持完全集中配置模式，如圖1所示。

TSN還引入了基于流的過濾和速率限制PSFP（Per-stream filtering and policing）以及幀搶占（Frame preemption）等技術(shù)以保證時間敏感數(shù)據(jù)流不會受到網(wǎng)絡(luò)或終端異常所引起的擁塞的影響。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)

3GPP 為了實現(xiàn)基于 5G 的工業(yè)通信和支持 TSN 開展了大量標(biāo)準(zhǔn)化工作：在 Release 15 中，為 5G NR 指定了超可靠和低時延通信（URLLC）；在Release 16中添加了對 TSN 的支持，并且在Release 17中進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）的 5G 標(biāo)準(zhǔn)化工作包括了對在智能工廠環(huán)境中應(yīng)用 TSN的理解，并且定義了 5G 特定功能以支持與 TSN 網(wǎng)絡(luò)集成和交互。

3GPP Release 15引入了時延減少的方案，比如包括有效支持低時延應(yīng)用的靈活的參數(shù)集、mini-slot和快速確認(rèn)。同時，通過允許網(wǎng)絡(luò)使用雙收雙發(fā)，可靠性也得到了提高，并且為在 5G NR 中啟用 URLCC 而引入了新天線技術(shù)。這些方案本質(zhì)上是對TSN特性的支持。

3GPP Release 16開始了NR IIoT的新研究，目標(biāo)是5G和TSN網(wǎng)絡(luò)的集成。比如以太網(wǎng)業(yè)務(wù)、TSN集成、進(jìn)一步增強(qiáng)可靠性、靈活的上行調(diào)度、精確的時間同步以及對工業(yè)自動化流量類型的支持都包括在Release 16的研究范圍內(nèi)。Release 16的關(guān)鍵研究領(lǐng)域之一是進(jìn)一步增強(qiáng)5G系統(tǒng)，以滿足支持TSN的工業(yè)應(yīng)用的需求。3GPP技術(shù)規(guī)范對5G系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了描述，重點是提供新的設(shè)備功能，以支持時間同步和雙連接。例如：根據(jù)需求規(guī)范，時間關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)用場景可能要求延遲為1毫秒，包抖動為1微秒，可靠性要求為99.9999%。

3GPP Release 17進(jìn)一步增強(qiáng)了對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特性的支持，例如擴(kuò)展了對時間敏感通信的支持，增加了新的時間同步協(xié)議（IEEE1588），以及上行時間同步等。

愛立信是IEEE TSN引入5G標(biāo)準(zhǔn)化的主要貢獻(xiàn)者。QoS保證無疑是將TSN集成到5GS的最重要的技術(shù)之一，愛立信在這方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作中做出了重要貢獻(xiàn)，例如TSN標(biāo)準(zhǔn)定義的參數(shù)和5G QoS參數(shù)映射，以及PSFP的應(yīng)用等。時間同步是TSN的技術(shù)基礎(chǔ)，愛立信在5GS支持TSN 時間同步協(xié)議IEEE 802.1 AS 方面做出了主要貢獻(xiàn)。

愛立信觀點

愛立信首席技術(shù)官Erik Ekudden認(rèn)為，5G集成TSN技術(shù)對未來工業(yè)自動化至關(guān)重要。

TSN正在成為工業(yè)4.0融合網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)。理解TSN特性的重要性和相關(guān)性，以及實現(xiàn)5G無線通信的確定性和時效性，對未來的工業(yè)自動化至關(guān)重要。

5G和TSN的結(jié)合，可以滿足工業(yè)4.0的苛刻組網(wǎng)要求。5G集成TSN是愛立信的一個重要主題，愛立信認(rèn)為5G和TSN的結(jié)合對于智能工廠來說是完美的，因為它提供了超高可靠性和超低時延的特性。也就是說，需要對這兩種技術(shù)進(jìn)行一定程度的集成，以提供端到端以太網(wǎng)連接來滿足工業(yè)需求。

通過無線 5G 和有線 TSN 域的時間同步集成為工業(yè)端點提供了一個通用的參考時間。5G 還與特定部署中使用的TSN 工具集成，以提供確定的低時延。5G和TSN所能提供的分離的轉(zhuǎn)發(fā)路徑在提供端到端超可靠性和高可用性上是一致的。從根本上說，5G和TSN包括了工業(yè)自動化和高可用性聯(lián)合部署所需的關(guān)鍵技術(shù)組件。

行業(yè)合作和應(yīng)用探索

工業(yè)自動化領(lǐng)域目前正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也稱為“工業(yè)4.0”。通信領(lǐng)域?qū)@一轉(zhuǎn)型的支持技術(shù)在有線領(lǐng)域是TSN，在無線領(lǐng)域是5G技術(shù)。5G 如何具備與 TSN 互通以實現(xiàn)工業(yè)自動化所需的所有基本功能就顯得尤為重要。

5G 互聯(lián)工業(yè)和自動化聯(lián)盟（5G-ACIA）在這方面做了大量工作，并發(fā)布了相關(guān)白皮書。該白皮書除詳細(xì)描述了 5G 如何具備與 TSN 互通以實現(xiàn)工業(yè)自動化所需的所有基本功能外，對引入 TSN 和 5G 無線通信為工業(yè)自動化帶來的顯著優(yōu)勢做了詳細(xì)分析，例如，5G系統(tǒng)提供TSN服務(wù)以及和有線TSN網(wǎng)絡(luò)互通，可以滿足工業(yè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性需求。作為 5G-ACIA 的創(chuàng)始成員之一，愛立信深入?yún)⑴c了白皮書的制定。

愛立信與很多行業(yè)領(lǐng)域的公司探索如何將5G和TSN結(jié)合并且使用到自動化工業(yè)生產(chǎn)中。其中，愛立信與 ABB 的合作探索了 5G 和 TSN的互通，以實現(xiàn)工業(yè)自動化的全面通信。雙方正在合作并且研究此項技術(shù)，以確定 5G 如何與 ABB 的 TSN 集成并實現(xiàn)完美的時間同步。通過 5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工業(yè)時間同步可以使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在多個工廠現(xiàn)場完美地協(xié)同運行，達(dá)到靈活自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵要求。

此外，愛立信一直致力于5G集成TSN的相關(guān)研究，開發(fā)的URLLC測試床，主要采用了3GPP Release 16及Release 17中TSN的相關(guān)功能。該測試床工作在FR2頻段，采用上下行配比為1：1的TDD 幀結(jié)構(gòu)；子載波間隔為120KHz，即時隙長度為0.125ms。采用這種上下行均衡，短時隙長度的配置，再結(jié)合相應(yīng)的免調(diào)度、低碼率高可靠MCS/CQI Table（Modulation and Coding Scheme/Channel Quality Indicator表格）等特性，無需采用mini-slot 等較為復(fù)雜的實現(xiàn)，即可提供高可靠、低時延的特性，例如RTT（Round Trip Time）可以在99.999%的情況下小于2ms。同時測試床分別在系統(tǒng)側(cè)和UE側(cè)引入了TSN-Translator（TT），即NW-TT和DS-TT，實現(xiàn)了對TSN時間同步協(xié)議IEEE 802.1 AS消息（如點對點同步SYNC和點對點時延請求DelayReq消息）的處理從而實現(xiàn)了5G系統(tǒng)作為TSN透明時鐘的運行。UPF（User Plane Function）側(cè)的NW-TT和終端側(cè)的DS-TT需要精確同步到同一個時鐘，通常采用5G系統(tǒng)（5GS）時鐘。終端側(cè)通過無線接口的SIB9消息同步。當(dāng)PTP消息進(jìn)入5G系統(tǒng)時，測試床會插入一個時間戳，當(dāng)PTP消息離開5G系統(tǒng)時根據(jù)相應(yīng)的時間戳計算駐留時間。駐留時間被添加到PTP消息內(nèi)的CorrectionField字段。

除了在工業(yè)領(lǐng)域，愛立信對于TSN over 5G 在媒體制作領(lǐng)域的應(yīng)用也進(jìn)行了積極探索，例如如何在多攝像頭的場景下，保證攝像機(jī)的幀同步，流媒體的數(shù)據(jù)包等等。

總結(jié)

如前所述，TSN是工業(yè)自動化領(lǐng)域的一個重要課題。在5G的支持下，無線技術(shù)提供了靈活的能力，使工廠能夠響應(yīng)對生產(chǎn)環(huán)境不斷變化的需求。同時，通過5G技術(shù)低延遲高可靠和高數(shù)據(jù)量的能力，連接的設(shè)備比以往任何時候更多更快更可靠。因此，5G集成TSN將是實現(xiàn)工業(yè)自動化全面通信的重要解決方案。愛立信也會一如既往的在標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)合作和技術(shù)研究驗證等方面，進(jìn)一步推動5G集成TSN的發(fā)展和成熟。