時間敏感網絡與5G融合部署為工業(yè)互聯(lián)網賦能

   2020年7月3日，國際組織3GPP宣布5G R16標準凍結。與5G R15標準主要側重于eMBB用例相比，R16更加側重于uRLLC性能指標，為此在標準中引入了IEEE802.1工作組制定的時間敏感網絡（TSN）機制，以加強時延抖動和可靠性的保障能力。

   另外，R16也重點提升了對垂直行業(yè)應用（尤其是工業(yè)互聯(lián)網）的功能和組網支持，期望未來可以激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網的部署動力，全面提升工業(yè)互聯(lián)網的泛在連接和轉發(fā)性能，構建工業(yè)場景下局域和廣域一致性組網與運營的通信基礎設施。R17將注重能力精細化、業(yè)務外延化和網絡智能化，為5G與工業(yè)互聯(lián)網的融合應用定義更清晰場景和網絡解決方案。

   由此可見，隨著5G網絡系統(tǒng)技術的發(fā)展及建設的深入，大部分垂直行業(yè)對于網絡的需求朝著低時延、確定性、高可靠等高性能指標的進一步升級，將要求5G具備差異化的網絡定制能力并可實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據的確定性傳輸。因此，時間敏感網絡技術與5G網絡系統(tǒng)在工業(yè)互聯(lián)網中的融合部署，可利用其高精度時間同步、個性化精準流量調度及智能化網絡管理機制等特性，保障在工業(yè)互聯(lián)網業(yè)務數(shù)據傳送場景下互聯(lián)互通、確定性高質量傳輸以及全業(yè)務承載等多種需求。

   TSN與5G的融合部署可以滿足工業(yè)互聯(lián)網網絡連接關鍵訴求

   工業(yè)網絡中，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制技術或工業(yè)以太網技術協(xié)議封閉，彼此之間不兼容，制約了工業(yè)網絡內部的互聯(lián)互通發(fā)展，因此在工業(yè)企業(yè)進行信息化轉型、工業(yè)控制網絡與工業(yè)信息網絡的融合過程中，無法滿足工業(yè)信息網絡對于接口標準化、協(xié)議開放化的需要。

   2017年11月，國務院在《關于深化“互聯(lián)網﹢先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網的指導意見》中，將“夯實網絡基礎”作為主要任務之一，提出應大力推動工業(yè)企業(yè)內外網建設。另外，在R16的網絡架構文稿23.501定義的5G關鍵應用場景中，工業(yè)互聯(lián)網需要具備更為強大的互聯(lián)互通、高質量傳輸和智能運維能力，以應對5G大帶寬、低時延、高可靠的性能需求。

   TSN因其標準的以太網架構和精準的流量調度能力，可以保證多種業(yè)務流量的共網高質量傳輸，兼具技術及成本優(yōu)勢，符合了工業(yè)互聯(lián)網的“確定時延、不被中斷、可靠傳輸”要求；同時，TSN是IEEE定義的標準，所以排除了多方的利益關系，而更具中立性。

   2017年，IEC和IEEE聯(lián)合成立P60802工作組，目標是定義TSN應用于工業(yè)自動化網絡的方案類標準，并得到了很多傳統(tǒng)自動化廠商的支持，如貝加萊、西門子、施耐德、羅克韋爾、三菱、思科、霍斯曼以及MOXA等主流廠商已經陸續(xù)推出了基于TSN的工業(yè)以太網產品或解決方案；在ICT頭部公司中，高通提出了面向工業(yè)互聯(lián)網的利用無線5G技術實現(xiàn)TSN交換機功能的思想和原型系統(tǒng)，以實現(xiàn)與有線TSN網絡的互聯(lián)互通。英特爾闡述了將TSN技術能力應用至無線網絡面臨的技術挑戰(zhàn)，以及如何擴展現(xiàn)有無線網絡包括WiFi與5G的可靠性與低時延能力的相關技術，并討論了無線TSN與有線TSN網絡融合面臨的挑戰(zhàn)；另外，眾多獨立的第三方組織（Avnu聯(lián)盟、工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟等）開始積極參與TSN標準的測試、推廣及產品認證等各項工作。因此，TSN技術成為OT-CT領域廠商的共同選擇已經是大概率事件。

   TSN與5G融合部署將成為工業(yè) 互聯(lián)網網絡連接的新興技術

   5G網絡系統(tǒng)將以業(yè)務為中心全方位構建信息生態(tài)系統(tǒng)，使能各類連接設備之間的全面連接和精密協(xié)作，以智能工廠為例，生產設備、移動機器人、AGV小車等智能系統(tǒng)內部存在異構的網絡連接，并且系統(tǒng)又可以通過不同的方式接入5G網絡，需要實現(xiàn)這些設備系統(tǒng)之間的密切協(xié)同及無碰撞作業(yè)，就需要業(yè)務系統(tǒng)彼此能夠做到互聯(lián)互通。而TSN﹢OPCUA的組合被認為是解決異構系統(tǒng)互聯(lián)互通問題的最佳組合，可以同時達成網絡的互聯(lián)和數(shù)據層面的互通。時間敏感網絡（TSN）技術基于以太網協(xié)議標準解決數(shù)據報文在數(shù)據鏈路層中確定性傳輸問題；OPCUA則提供一套通用的數(shù)據解析機制，應用于業(yè)務系統(tǒng)端設備，解決數(shù)據交換及系統(tǒng)互操作的復雜性問題。另外，在以工業(yè)為代表的垂直行業(yè)業(yè)務中，安全可靠地傳輸數(shù)據是通信技術的關鍵要求之一。面對工業(yè)互聯(lián)網及車聯(lián)網等應用對5G網絡的極致高可靠低時延業(yè)務體驗、效率及性能要求，需要結合時間敏感網絡技術，保證應用系統(tǒng)端到端的高質量業(yè)務傳輸。

   TSN與5G共同賦能工業(yè)互聯(lián)網典型應用場景

   在工廠OT網絡內部，根據網絡架構和交換機在網絡中的位置，5G與TSN的融合應用可以分為工廠級、車間級、現(xiàn)場級應用，主要包括需要實時控制、實時反饋、支持大數(shù)據的服務器之間的數(shù)據傳輸，例如智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車聯(lián)網等工業(yè)相關行業(yè)中同步精準控制、實時測量、設備監(jiān)測、設備維護、遠程控制的需求。

在工業(yè)園區(qū)內部，5G與TSN融合發(fā)展場景可分為園區(qū)基礎設施管理、園區(qū)安全管理、園區(qū)能源管理、園區(qū)物流管理四個主要模塊，且主要采用5G over TSN的融合方式。

  TSN與5G融合部署尚存在挑戰(zhàn) 需要加快研究進展

   我國已經有存量工業(yè)企業(yè)嘗試通過將傳感器和執(zhí)行器等工業(yè)設備以5G的無線接入方式連接到TSN的有線網絡，從而實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網中5G和TSN的融合部署。但目前，在5G技術上實現(xiàn)TSN功能并與其無縫融合仍存在一定的問題，主要體現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網場景下的業(yè)務系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過程會產生極致的確定性端到端業(yè)務體驗，同時還需要實現(xiàn)異構業(yè)務系統(tǒng)彼此之間的互聯(lián)互通與密切協(xié)同，以及為不同類型的業(yè)務流量提供智能化、差異化承載服務，從而保證全業(yè)務承載的傳輸質量。

   為此，在下一步的研究中，需要重點解決以下的關鍵技術挑戰(zhàn)：一是在5G網絡中實現(xiàn)無線gPTP機制，并與有線TSN實現(xiàn)聯(lián)合部署與協(xié)調同步；二是在5G網絡中實現(xiàn)類似于TSN-802.1Qbv的確定性、低時延的流調度能力，并與TSN實現(xiàn)流調度的協(xié)同機制；三是在5G網絡中實現(xiàn)類似于TSN交換機的高可靠橋接功能，保障TSN與工業(yè)以太網或工業(yè)總線之間的連接。