信觀察

5G蜂窩通信被普遍視為推進第四次工業革命、工業 4.0 或工業物聯網的關鍵無線技術，愛立信將大力推動5G集成TSN支持工業自動化。本期信觀察通過對愛立信技術專家 (向琪瑤，愛立信中國區 技術經理；雷志平，愛立信中國區 技術經理) 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4.0中，通信連接將發揮重要作用。其中，可靠、安全、及時地傳輸數據是工業通信技術的關鍵要求之一。時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking ，TSN）是滿足這些需求的有利推動者，3GPP標準化的5G移動技術也可以滿足工業通信領域對數據傳輸的需求。愛立信預測，5G和TSN的互聯將使工業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在工業自動化中將起到重要作用。

在工業自動化中引入5G技術具有很多優點。首先，5G技術可以降低布線等基礎設施的相關成本，支持自動小車或移動自動導航車輛（AGV）等移動設備，提高工業應用的靈活性。此外，由于制造業對定制產品的需求不斷地增加，就要求生產場所更加靈活。由于5G可以支持到遠程站點的連接，使分散在不同地點的工廠連接起來，因此新的生產器件或者設備在5G的支持下，就可以在不需要線纜的情況下接入生產環境，新產品安裝也不需要在同一個生產場所完成。

而TSN的主要目標是通過IEEE 802.1標準的以太網提供確定性服務，從而保證數據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）類型流量的網絡中的特定數據流，例如，在融合工業網絡中，可以將有著不同時間要求的，來自不同運營技術（OT）應用程序的數據流與信息技術（IT）的數據流結合在同一網絡基礎設施上承載。TSN標準可以應用于許多垂直領域，例如工業自動化和汽車車載網絡。IEEE和國際電工委員會（IEC）正在共同開發標準IEC/IEEE 60802，以定義工業自動化TSN特性。

5G可以將工業傳感器或執行器等設備通過無線連接到 TSN 網絡。與 4G 相比，5G 的新特性，特別是在無線接入網絡（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 系統架構允許網絡靈活部署。因此，可以將5G 用于擴展 TSN 網絡，以避免電纜安裝帶來的限制。而為了支持 5G 系統上的 TSN 服務，如何實現 TSN 和 5G 網絡的互通是最主要的挑戰。

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

TSN是在IEEE802.1技術基礎上，針對時間敏感特性做了一定的擴展。其目的是在特定的時間窗口內，在沒有丟包、沒有由于擁塞引起的時延的情況下轉發時間敏感數據包。TSN通過以下技術實現上述目標；

•  時間同步協議： TSN的時間同步協議是IEEE 802.1AS，它是一個基于IEEE1588的在以太網上進行時間同步的協議， 可以使以太網橋和終端設備同步到統一的時鐘，以支持TSN定時流量調度。所以IEEE802.1AS是TSN通信的基礎。

•  定時流量調度：是保證TSN 轉發目標的主要技術，也是對傳統以太網轉發機制的重要加強。傳統以太網出口一般有多個隊列，每個隊列對應于有不同優先級的以太網幀，不同隊列間按照一定算法進行調度，決定發送哪個隊列中的數據包。TSN設備在轉發數據包時，周期性地調度流量。在每個周期內又分為不同的時隙（time slot），每個隊列只能在允許發送的時隙內發送數據包。這樣就能保證時間敏感流量在特定時間內能夠轉發出去，而不會受到其他隊列擁塞的影響。

•  幀復制和消除FRER（Frame Replication and Elimination for Reliability）: 為提高數據傳輸的可靠性，TSN引入了冗余傳輸的技術。對于需要高可靠性的數據流，網絡節點可以復制兩個或多個數據流副本，并通過不同的路徑傳輸到另一個網絡節點，該節點將這些數據流合并為一個數據流。

•  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）構成。CUC主要負責收集各種應用的需求，并將每個流的需求發送給CNC。CUC也負責對終端設備的配置。CNC負責將需求分解為網絡配置并下發給網絡設備。后兩種分布式配置模式仍在加強中以更好地服務工業應用。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）等技術以保證時間敏感數據流不會受到網絡或終端異常所引起的擁塞的影響。

3GPP標準

3GPP 為了實現基于 5G 的工業通信和支持 TSN 開展了大量標準化工作：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中進行了進一步增強。工業物聯網（IIOT）的 5G 標準化工作包括了對在智能工廠環境中應用 TSN的理解，并且定義了 5G 特定功能以支持與 TSN 網絡集成和交互。

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用的靈活的參數集、mini-slot和快速確認。同時，通過允許網絡使用雙收雙發，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。這些方案本質上是對TSN特性的支持。

3GPP Release 16開始了NR IIoT的新研究，目標是5G和TSN網絡的集成。比如以太網業務、TSN集成、進一步增強可靠性、靈活的上行調度、精確的時間同步以及對工業自動化流量類型的支持都包括在Release 16的研究范圍內。Release 16的關鍵研究領域之一是進一步增強5G系統，以滿足支持TSN的工業應用的需求。3GPP技術規范對5G系統的業務需求進行了描述，重點是提供新的設備功能，以支持時間同步和雙連接。例如：根據需求規范，時間關鍵的工業應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進一步增強了對工業互聯網特性的支持，例如擴展了對時間敏感通信的支持，增加了新的時間同步協議（IEEE1588），以及上行時間同步等。

愛立信是IEEE TSN引入5G標準化的主要貢獻者。QoS保證無疑是將TSN集成到5GS的最重要的技術之一，愛立信在這方面的標準化工作中做出了重要貢獻，例如TSN標準定義的參數和5G QoS參數映射，以及PSFP的應用等。時間同步是TSN的技術基礎，愛立信在5GS支持TSN 時間同步協議IEEE 802.1 AS 方面做出了主要貢獻。

愛立信觀點

愛立信首席技術官Erik Ekudden認為，5G集成TSN技術對未來工業自動化至關重要。

TSN正在成為工業4.0融合網絡的標準以太網技術。理解TSN特性的重要性和相關性，以及實現5G無線通信的確定性和時效性，對未來的工業自動化至關重要。

5G和TSN的結合，可以滿足工業4.0的苛刻組網要求。5G集成TSN是愛立信的一個重要主題，愛立信認為5G和TSN的結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，需要對這兩種技術進行一定程度的集成，以提供端到端以太網連接來滿足工業需求。

通過無線 5G 和有線 TSN 域的時間同步集成為工業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發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包括了工業自動化和高可用性聯合部署所需的關鍵技術組件。

行業合作和應用探索

工業自動化領域目前正在經歷數字化轉型，也稱為“工業4.0”。通信領域對這一轉型的支持技術在有線領域是TSN，在無線領域是5G技術。5G 如何具備與 TSN 互通以實現工業自動化所需的所有基本功能就顯得尤為重要。

5G 互聯工業和自動化聯盟（5G-ACIA）在這方面做了大量工作，并發布了相關白皮書。該白皮書除詳細描述了 5G 如何具備與 TSN 互通以實現工業自動化所需的所有基本功能外，對引入 TSN 和 5G 無線通信為工業自動化帶來的顯著優勢做了詳細分析，例如，5G系統提供TSN服務以及和有線TSN網絡互通，可以滿足工業設備和網絡部署的靈活性需求。作為 5G-ACIA 的創始成員之一，愛立信深入參與了白皮書的制定。

愛立信與很多行業領域的公司探索如何將5G和TSN結合并且使用到自動化工業生產中。其中，愛立信與 ABB 的合作探索了 5G 和 TSN的互通，以實現工業自動化的全面通信。雙方正在合作并且研究此項技術，以確定 5G 如何與 ABB 的 TSN 集成并實現完美的時間同步。通過 5G 網絡實現工業時間同步可以使網絡設備在多個工廠現場完美地協同運行，達到靈活自動化生產的關鍵要求。

此外，愛立信一直致力于5G集成TSN的相關研究，開發的URLLC測試床，主要采用了3GPP Release 16及Release 17中TSN的相關功能。該測試床工作在FR2頻段，采用上下行配比為1：1的TDD 幀結構；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，再結合相應的免調度、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 等較為復雜的實現，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側和UE側引入了TSN-Translator（TT），即NW-TT和DS-TT，實現了對TSN時間同步協議IEEE 802.1 AS消息（如點對點同步SYNC和點對點時延請求DelayReq消息）的處理從而實現了5G系統作為TSN透明時鐘的運行。UPF（User Plane Function）側的NW-TT和終端側的DS-TT需要精確同步到同一個時鐘，通常采用5G系統（5GS）時鐘。終端側通過無線接口的SIB9消息同步。當PTP消息進入5G系統時，測試床會插入一個時間戳，當PTP消息離開5G系統時根據相應的時間戳計算駐留時間。駐留時間被添加到PTP消息內的CorrectionField字段。

除了在工業領域，愛立信對于TSN over 5G 在媒體制作領域的應用也進行了積極探索，例如如何在多攝像頭的場景下，保證攝像機的幀同步，流媒體的數據包等等。

總結

如前所述，TSN是工業自動化領域的一個重要課題。在5G的支持下，無線技術提供了靈活的能力，使工廠能夠響應對生產環境不斷變化的需求。同時，通過5G技術低延遲高可靠和高數據量的能力，連接的設備比以往任何時候更多更快更可靠。因此，5G集成TSN將是實現工業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準、工業合作和技術研究驗證等方面，進一步推動5G集成TSN的發展和成熟。