5G如何与基于TSN的工业通信系统集成

　　数据产生的价值远远大于全球货物贸易价值

　　——麦肯锡《数字化全球》（2016）

　　在数字化转型时代，工业通信如何保持领先地位？在这里，我们揭示了5G和时间网络（TSN）的集成如何帮助开发未来的智能工厂。

　　工业自动化行业正在经历数字化转型，也称为工业4.0。将物理生产世界连接到数字，可以通过更好的自动化系统的可观察性、控制和规划来提供灵活性和效率提升。互连多台机器、设备、云和人员，使信息可以从工厂的任何地方访问。由此产生的流程和资产的完全透明性将生产工厂转变为网络物理生产系统。通过采用云计算、拥抱数字孪生以及在管理和控制中应用人工智能等新范式，智能制造成为可能。

　　这种转变的通信技术推动者是有线的TSN和无线的5G。这两种技术都旨在为各种服务在通用网络基础设施上提供融合通信，包括需要确定性、可靠和低延迟通信的时间敏感型应用。

　　5G互联工业和自动化联盟（5G-ACIA）刚刚发布了一份白皮书，描述了5G如何具有与TSN互通以实现工业自动化所需的所有基本功能。通过引入TSN和5G无线通信，可以为工业用例带来显着的好处，例如由于工业设备和网络部署的灵活性增加。这需要5G为以太网-TSN通信服务提供强大的支持，并与有线TSN网络互通。

　　工业用例

　　面向未来的工业网络由三个连接级别组成，如图1所示。

　　运营技术（OT）机房主机集中控制和管理功能所在，它还可以托管企业边缘云。在本地机器和单元级别，位于多台机器和生产单元。每台机器/单元都配备了现场设备（例如传感器或执行器），并且可能具有本地可编程逻辑控制器（PLC）。TSN主干网为中央管理级别和本地机器级别提供传输服务。连接服务可以在多台本地计算机之间，也可以在中央管理级别和本地计算机之间。

　　机器/机器人配备了由PLC控制的现场设备。PLC和现场设备之间的实时通信如图1所示，其中流C表示控制器到设备（C2D）通信，例如运动控制或闭环控制应用需要这种通信。当多台机器/机器人执行协同任务时，需要协调不同机器的PLC。控制器之间的通信称为控制器到控制器 （C2C） 通信，如图 1 中的流 B 表示。C2D 和 C2C 通信非常关键 还有其他流量类型，它们对时间不敏感，例如用于监控、数据收集和分析。如图 1 流 A 所示，这种类型的通信称为设备到计算 （D2Cmp） 通信，通常在整个生产设施中进行，例如在现场设备和中央房间或企业边缘云的计算机/服务器之间。

　　在具有TSN支持的融合网络基础设施的工业4.0生产环境中，控制应用不再绑定到现场级别的本地网段;它们几乎可以位于工厂的任何地方。例如，图 1 中的流 D 说明了机器/单元#N中的现场级设备由位于边缘云中的虚拟化 PLC 控制。机器/单元#N的PLC可以通过流E与其他虚拟化PLC通信，从而在边缘云中实现C2C通信。

　　TSN：基于以太网的融合工业通信

　　TSN是IEEE 802指定的一组标准，使以太网网络能够为时间敏感和/或任务关键型流量和应用提供QoS保证。TSN是一个工具箱，包括四类工具：资源管理，流量整形，可靠性和时间同步。每个类别都包含多个工具选项。例如，资源管理基础和配置模型由 IEEE 802.1Qcc 标准定义。在完全集中式配置模型中，集中式网络配置 （CNC） 可以应用于网络设备（网桥），集中式用户配置 （CUC） 可以应用于用户设备（终端站）。TSN通过各种排队和流量整形技术保证关键数据的确定性延迟，例如计划流量（IEEE 802.1Qbv）和以太网帧抢占（IEEE 802.3br和IEEE 802.1Qbu）。

　　超可靠性由帧复制和消除可靠性 （FRER） （IEEE 802.1CB） 提供，其中数据流通过网络中的不相交路径与多个副本一起传输。每流过滤和管制 （IEEE 802.1Qci） 通过防止带宽违规、故障和恶意行为来提高可靠性。广义精确时间协议 （gPTP） （IEEE 802.1AS） 是用于网桥和终端站时间同步的 TSN 工具。

　　基于TSN的工业通信网络是一种融合网络，允许混合各种流量类型。服务要求范围从尽力而为的流量到关键的实时流量。TSN允许在公共网络上运行的许多不同服务的融合，同时仍然具有确定时间关键型服务优先级并为其提供确定性通信性能的工具，从而实现C2C和C2D用例。5G-ACIA 白皮书列出了不同流量类型的 TSN 功能使用示例（表 1）。

　　工厂中的 5G-TSN 部署

　　通过对TSN的标准化支持，5G系统在工厂部署时被视为一组符合IEEE标准的虚拟以太网-TSN网桥。5G系统由5G核心网和无线接入网组成。5G 用户平面功能 （UPF） 是有线网络的网关，无线接入网络跨越生产工厂，为移动设备提供无线连接。TSN转换器（TT）功能可实现5G和有线TSN网络之间的互通。在控制平面上，5G 网桥提供与 TSN 网络的 CNC交互的管理功能（5G TSN 应用功能 （AF））。

　　5G可以通过在前面描述的三个网络级别提供通信服务来支持上一节所述的各种工业用例，如图2所示。

　　如图 1 所示，机器/单元 #2 说明了 5G-TSN 集成场景，其中 5G 虚拟网桥在工业 TSN 骨干网中使用。机器/单元#1可以使用5G用户设备（UE）而不是电缆连接到骨干网。如图5所示，2G互连机器/单元，流B，并通过“UE-to-UE”通信提供C2C通信，即从一个UE通过5G网络回到另一个UE的通信。

　　在机器/单元的本地段内，传感器/执行器可以通过现有的有线网络连接到PLC（如图2中的流C所示）;TSN和传统现场总线协议都可以在机器/单元中使用。对于D2Cmp，图2中的非时间敏感数据流A首先通过机器/单元#5内的有线网络从现场设备传输到1G UE，然后通过5G无线连接进一步传输到中央机房的后端服务器或边缘云。连接到PLC的UE也可以通过骨干网与其他PLC通信，实现流B所示的C2C通信。

　　机器/单元#2描述了一个集成示例，其中5G桥从主干延伸到机器/单元段。在这种情况下，5G还为本地机器/单元内的设备提供无线连接。例如，PLC 和现场级设备连接到单独的 UE，因此 C2D 通信在一个 5G UE 之间通过 5G 网络与另一个 5G UE 之间进行，如图 2 中的流 C 所示。此外，5G在将数据收集器和设备连接到边缘云以进行D2Cmp通信时引入了极大的灵活性。如图 2 中的 TSN 流 F 所示;由于现场设备连接到UE，数据可以直接传输到边缘云，边缘云本身连接到5G系统的UPF。

　　由于5G无线的灵活性，机器/单元#3可以是移动的，例如AGV或移动机器人。机器 #3 的设备可以通过中央机房或边缘云中的虚拟化 PLC 进行控制，如图 2 中的流 D 所示。5G系统在所有三个网络级别上提供无线连接。中央房间中虚拟 PLC 之间的 C2C 通信如图 2 中的流 E 所示。

　　机器/单元#N只有有线连接。它显示了5G和有线TSN在同一工厂车间共存的示例。这意味着，在工厂可能引入5G的棕地中，通过电线连接到工业骨干网络的现有机器不受新引入的5G的影响，并且可以通过骨干网络与5G连接的机器进行通信。

　　标准化

　　3GPP已经进行了重要的标准化工作，以实现基于5G的工业通信并支持TSN：在第15版中，为5G指定了超可靠和低延迟通信（URLLC）;在版本 16 中添加了对 TSN 的支持，并且在版本 17 中继续进一步改进。IIoT的5G标准化工作包括了解如何在智能工厂环境中应用TSN，并且已经指定了5G功能以与TSN网络集成和交互。

　　5G 系统已被指定为作为一组支持TSN的虚拟5G网桥出现在外部TSN网络上。5G核心网络功能TSN AF提供与CNC的交互，以报告5G网桥功能，并获取配置，例如5G系统桥接的帧转发，以及TSN特定的配置，例如每流过滤和监管（IEEE 802.1Qci）和流量类的时间调度（IEEE 802.1Qbv）。

　　5G系统有一个QoS框架，可用于传输具有不同QoS特征的流量，并且已经指定了到TSN流配置的映射。例如，通过将 802.1Q 优先级（点的优先级代码）映射到特定 802G QoS 标识符的优先级，可以支持 IEEE 1.5Q 严格优先级。5G 还根据 IEEE 5.802AS，通过 gPTP 在 1G 系统上引入时间同步;使网络节点和终端设备通过 5G 同步到主时钟的东西。充当时间感知系统的5G系统可以将TSN定时信息中继到工厂任何地方的工业应用。它可以同时支持多达 128 个独立 gPTP 时域的同步。

　　有关 5G-ACIA的更多信息

　　5G-ACIA于2018年5月推出。它首先旨在建立运营技术（OT）和信息和通信技术（ICT）之间的通用语言，其次，确保在5G标准化中考虑工业领域的要求，最终为工业领域的80G生态系统铺平道路。该联盟已大幅增长，已接近5个全球成员。它一直在研究5G对自动化行业的重要性，研究领域包括用例和要求，流量建模，工业以太网，非公共网络部署，安全性，网络暴露以及最近的时间敏感网络。

　　不同行业部门（包括运营技术行业、移动网络运营商和设备供应商）的合作伙伴密切合作，就该主题达成了全行业的理解和共识。5G-SMART项目为其5G与TSN集成的工作提供了可交付成果。5G-SMART是一个由行业合作伙伴和研究机构组成的联盟，正在探索支持5G的智能制造概念，并在5G测试台中进行验证。

　　如前所述，TSN是自动化行业的重要课题。5G-ACIA将在来年研究其他相关和重要的主题，例如工业5G设备的概况，边缘云的架构和用例，5G与资产管理壳的关系，或工业5G的认证框架。此外，测试平台活动已于2021年上半年启动，来自ICT和OT的参与者将展示5G如何能够解决实际环境中的一些工业用例，例如生产工厂。