時間敏感網(wǎng)絡(luò)與5G融合部署為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能

   2020年7月3日，國際組織3GPP宣布5G R16標準凍結(jié)。與5G R15標準主要側(cè)重于eMBB用例相比，R16更加側(cè)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(wǎng)絡(luò)（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(yīng)用（尤其是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）的功能和組網(wǎng)支持，期望未來可以激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署動力，全面提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的泛在連接和轉(zhuǎn)發(fā)性能，構(gòu)建工業(yè)場景下局域和廣域一致性組網(wǎng)與運營的通信基礎(chǔ)設(shè)施。R17將注重能力精細化、業(yè)務(wù)外延化和網(wǎng)絡(luò)智能化，為5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用定義更清晰場景和網(wǎng)絡(luò)解決方案。

   由此可見，隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及建設(shè)的深入，大部分垂直行業(yè)對于網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)定制能力并可實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的確定性傳輸。因此，時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(diào)度及智能化網(wǎng)絡(luò)管理機制等特性，保障在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送場景下互聯(lián)互通、確定性高質(zhì)量傳輸以及全業(yè)務(wù)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)鍵訴求

   工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制技術(shù)或工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)協(xié)議封閉，彼此之間不兼容，制約了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(zhuǎn)型、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的融合過程中，無法滿足工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)對于接口標準化、協(xié)議開放化的需要。

   2017年11月，國務(wù)院在《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)﹢先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》中，將“夯實網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)”作為主要任務(wù)之一，提出應(yīng)大力推動工業(yè)企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)建設(shè)。另外，在R16的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)文稿23.501定義的5G關(guān)鍵應(yīng)用場景中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要具備更為強大的互聯(lián)互通、高質(zhì)量傳輸和智能運維能力，以應(yīng)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(wǎng)架構(gòu)和精準的流量調(diào)度能力，可以保證多種業(yè)務(wù)流量的共網(wǎng)高質(zhì)量傳輸，兼具技術(shù)及成本優(yōu)勢，符合了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(guān)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(yīng)用于工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)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(jīng)陸續(xù)推出了基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)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(wǎng)的利用無線5G技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。英特爾闡述了將TSN技術(shù)能力應(yīng)用至無線網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及如何擴展現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)包括WiFi與5G的可靠性與低時延能力的相關(guān)技術(shù)，并討論了無線TSN與有線TSN網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)聯(lián)盟等）開始積極參與TSN標準的測試、推廣及產(chǎn)品認證等各項工作。因此，TSN技術(shù)成為OT-CT領(lǐng)域廠商的共同選擇已經(jīng)是大概率事件。

   TSN與5G融合部署將成為工業(yè) 互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的新興技術(shù)

   5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以業(yè)務(wù)為中心全方位構(gòu)建信息生態(tài)系統(tǒng)，使能各類連接設(shè)備之間的全面連接和精密協(xié)作，以智能工廠為例，生產(chǎn)設(shè)備、移動機器人、AGV小車等智能系統(tǒng)內(nèi)部存在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接，并且系統(tǒng)又可以通過不同的方式接入5G網(wǎng)絡(luò)，需要實現(xiàn)這些設(shè)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(wù)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(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通問題的最佳組合，可以同時達成網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)層面的互通。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)基于以太網(wǎng)協(xié)議標準解決數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)鏈路層中確定性傳輸問題；OPCUA則提供一套通用的數(shù)據(jù)解析機制，應(yīng)用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)端設(shè)備，解決數(shù)據(jù)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(wù)中，安全可靠地傳輸數(shù)據(jù)是通信技術(shù)的關(guān)鍵要求之一。面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對5G網(wǎng)絡(luò)的極致高可靠低時延業(yè)務(wù)體驗、效率及性能要求，需要結(jié)合時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保證應(yīng)用系統(tǒng)端到端的高質(zhì)量業(yè)務(wù)傳輸。

   TSN與5G共同賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景

   在工廠OT網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和交換機在網(wǎng)絡(luò)中的位置，5G與TSN的融合應(yīng)用可以分為工廠級、車間級、現(xiàn)場級應(yīng)用，主要包括需要實時控制、實時反饋、支持大數(shù)據(jù)的服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)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(wǎng)等工業(yè)相關(guān)行業(yè)中同步精準控制、實時測量、設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備維護、遠程控制的需求。

在工業(yè)園區(qū)內(nèi)部，5G與TSN融合發(fā)展場景可分為園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)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(jīng)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(shè)備以5G的無線接入方式連接到TSN的有線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中5G和TSN的融合部署。但目前，在5G技術(shù)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(wǎng)場景下的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過程會產(chǎn)生極致的確定性端到端業(yè)務(wù)體驗，同時還需要實現(xiàn)異構(gòu)業(yè)務(wù)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(wù)流量提供智能化、差異化承載服務(wù)，從而保證全業(yè)務(wù)承載的傳輸質(zhì)量。

   為此，在下一步的研究中，需要重點解決以下的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：一是在5G網(wǎng)絡(luò)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(diào)同步；二是在5G網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)類似于TSN-802.1Qbv的確定性、低時延的流調(diào)度能力，并與TSN實現(xiàn)流調(diào)度的協(xié)同機制；三是在5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)或工業(yè)總線之間的連接。