張強/ZHANG Qiang，王衛(wèi)斌/WANG Weibin，陸光輝/LU Guanghui

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求和挑戰(zhàn)

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中5G應(yīng)用場景分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)人、機、物全要素的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺則可以把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G的重要應(yīng)用場景之一，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是賦能智慧工廠數(shù)字化、無線化、智能化的重要方向。

5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延、高可靠特性，可以滿足工業(yè)設(shè)備的靈活移動性和差異化業(yè)務(wù)處理能力需求，推動各類增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）終端、Robot、自動導(dǎo)引運輸車（AGV）、場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備等的無線化應(yīng)用，助力工廠柔性化生產(chǎn)大規(guī)模普及。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給5G帶來了廣泛的應(yīng)用場景，同時也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。例如，有的工業(yè)應(yīng)用可能需要網(wǎng)絡(luò)具備1 ms時延、1 μs抖動和99.999999%的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量[1]。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是工業(yè)互聯(lián)實現(xiàn)低時延、高可靠和確定性傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一，5G+TSN是未來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線化和柔性制造的重要基礎(chǔ)。TSN在做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，可以針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行隊列調(diào)度，從而實現(xiàn)質(zhì)量差異化保證。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，TSN可以針對各類工業(yè)應(yīng)用涉及的業(yè)務(wù)流特性進行建模和定義，并在此基礎(chǔ)上，提供不同的優(yōu)先級與調(diào)度機制。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)流量類型非常多，例如視頻、音頻、同步實時控制流、事件、配置&診斷等，表1是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流的典型分類示例。

從表1中可以看出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)流有不同的服務(wù)級別協(xié)議（SLA）需求。按照周期性劃分，業(yè)務(wù)流可以分為周期和非周期兩種。同步實時流對時延的要求最高，時延主要用于運動控制，其特點是:周期性發(fā)包，其周期一般小于2 ms；每周期內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度相對穩(wěn)定，一般不超過100 B；端到端傳輸具有時限要求，即數(shù)據(jù)需要在一個特定的絕對時間之前抵達對端。事件、配置&診斷、Best Effort類無時延特定要求；音頻和視頻類主要是依賴于幀率和采樣率；周期循環(huán)和網(wǎng)絡(luò)控制類對時延有要求，但相比同步實時類要低。

1.2 5G TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

如圖1所示，TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景，可以包括控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間、控制器與控制器之間、信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)與運營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)之間等。5G TSN兼具TSN確定性傳輸和5G網(wǎng)絡(luò)移動性的特點，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，可以替代部分有線工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)無線化和柔性制造。

5G TSN典型的應(yīng)用場景包括場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備控制、機器人控制、AGV控制、5G可編程邏輯控制器（PLC）。

（1）場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備控制：面向數(shù)控機床、立體倉庫、制造流水線，基于5G TSN打通產(chǎn)線設(shè)備和集中控制中心的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)工業(yè)制造產(chǎn)線的遠程、集中控制，以更好地提升生產(chǎn)效率。

（2）機器人控制：在工業(yè)自動化產(chǎn)線，利用5G TSN低時延特性，結(jié)合傳感器技術(shù)，實現(xiàn)機器人和機械臂的環(huán)境感知、姿態(tài)控制、遠程操作、自動控制等功能，滿足智能生產(chǎn)需求。

表1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流分類示例

▲圖1 5G TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

（3）AGV控制：在生產(chǎn)車間及園區(qū)中，通過視覺、雷達、無線等多種技術(shù)進行融合定位和障礙物判斷，經(jīng)低時延5G網(wǎng)絡(luò)上傳位置和運動信息，實現(xiàn)AGV的自動避障和相互協(xié)同工作，提升產(chǎn)線自動化水平。

（4）5G PLC：在生產(chǎn)過程中，利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC之間、PLC與廠內(nèi)系統(tǒng)間的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，在保證數(shù)據(jù)安全和實時性的同時，減少車間內(nèi)布線成本，快速實現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能匹配，助力柔性制造。

2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 5G與TSN的融合架構(gòu)

目前，如何在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，對5G和TSN技術(shù)進行融合部署，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、標(biāo)準(zhǔn)組織研究的熱點之一，尤其是第3代合作伙伴計劃（3GPP），已經(jīng)開始了5G TSN的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并建立了基本的融合架構(gòu)。目前TSN與5G融合架構(gòu)主要采用橋接技術(shù)[2-4]。

如圖2所示，5G整個網(wǎng)絡(luò)包括終端、無線、承載和核心網(wǎng)，在TSN中作為一個邏輯網(wǎng)橋。TSN與5G網(wǎng)絡(luò)之間通過TSN轉(zhuǎn)換器功能進行用戶面和控制面的轉(zhuǎn)換和互通。5G TSN 轉(zhuǎn)換器包括設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（NW-TT），其中DS-TT位于終端側(cè)，NW-TT位于網(wǎng)絡(luò)側(cè)。5G網(wǎng)絡(luò)對TSN是透明性的，通過DS-TT和NW-TT提供TSN入口和出口端口。

TSN是時延敏感網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)本身是一個Best Effort網(wǎng)絡(luò)；因此融合的難點和關(guān)鍵點為如何在不確定性的5G網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)。5G和TSN融合具有如下的技術(shù)挑戰(zhàn)：

（1）5G網(wǎng)絡(luò)低時延、低抖動的實現(xiàn)。5G TSN包括終端、無線、傳輸和核心網(wǎng)，其中無線側(cè)是實現(xiàn)端到端確定性的關(guān)鍵，無線傳輸容易受到環(huán)境影響，時延難以保障。

（2）5G與TSN融合網(wǎng)絡(luò)的時間同步。當(dāng)前TSN與5G網(wǎng)絡(luò)有各自的時鐘同步機制，實現(xiàn)時間同步是面向工業(yè)應(yīng)用場景的關(guān)鍵能力需求之一。工業(yè)以太網(wǎng)的TSN采用廣義精準(zhǔn)時鐘協(xié)議（gPTP）（IEEE 802.1AS）實現(xiàn)時間同步。如何協(xié)同實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制系統(tǒng)的時鐘同步是需要考慮的問題[5-6]。

（3）5G TSN終端到終端的直接通信。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，存在場內(nèi)設(shè)備之間的直接通信，如移動機器人之間、AGV小車之間的協(xié)同工作。如何保障終端到終端之間的確定性通信也是需要考慮的問題。

（4）5G TSN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署環(huán)境。TSN的產(chǎn)業(yè)鏈比較長，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中實現(xiàn)TSN，會涉及工業(yè)設(shè)備、工業(yè)以太網(wǎng)、控制系統(tǒng)等的升級改造。另外，TSN技術(shù)也在發(fā)展和完善中，規(guī)模商用還需要一定的時間。因此，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實際環(huán)境中，不是所有的設(shè)備都支持TSN協(xié)議。如何保障這些設(shè)備在初期的確定性傳輸，而不需要支持復(fù)雜的TSN協(xié)議是需要進一步考慮的問題。TSN與5G的融合是需要逐步推進的，并將會隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及應(yīng)用場景的需求變化不斷向前演進。

2.2 5G TSN關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 低時延低抖動敏感通信

如圖3所示，在5G TSN中，整體傳輸時延是T=(T1+...+T7)。其中，無線側(cè)的時延T3+T4和傳輸?shù)臅r延T2，在整個時延中是最難保障且容易出現(xiàn)抖動的。

那么，5G TSN是如何降低抖動，并保證時延傳輸?shù)拇_定性呢？首先，采用延時關(guān)鍵可保障比特速率（Delay Critical GBR）、切片、用戶面功能（UPF）下沉分流等技術(shù)來降低傳輸?shù)臅r延，然后再結(jié)合時延敏感通信輔助信息（TSCAI）、保持和轉(zhuǎn)發(fā)機制等消除抖動。

（1）延時關(guān)鍵GBR。

首先，根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流的特征，對業(yè)務(wù)進行分類，例如周期性低時延的同步實時流、對時延無特殊要求的Best Effort業(yè)務(wù)流等。對于要求高的同步實時流的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（如Motion Control），建議采用專門的5G服務(wù)質(zhì)量特性（5QI），如表2中所示的85、86等，從而提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在無線側(cè)調(diào)度的優(yōu)先級，降低傳輸?shù)臅r延。

▲圖2 5G TSN融合架構(gòu)

▲圖3 5G TSN傳輸時延

（2）5G TSN+網(wǎng)絡(luò)切片。

如圖4所示，對于高隔離、低時延的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如果無線與2C網(wǎng)絡(luò)共享，則建議無線側(cè)采用物理資源承載（PRB）預(yù)留的切片，傳輸采用靈活以太網(wǎng)（FlexE）硬切片，核心網(wǎng)采用專用UPF；對于時延要求特別高的業(yè)務(wù)，如場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備控制，UPF可以下沉至園區(qū)，以減少傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來的時延，如圖4中的工業(yè)切片2中的UPF。

（3）周期性確定服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

5G TSN如何解決周期性確定QoS？首先，5G TSN采用TSCAI來描述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的流量特征，包括通信模式（周期、非周期）、流量方向（上行、下行）、流量到達的時間；其次，DS-TT和NW-TT根據(jù)業(yè)務(wù)流量的特征信息和流量調(diào)度策略，采用保持和轉(zhuǎn)發(fā)的調(diào)度機制，以減少時延抖動。

如表3所示，5G TSN支持電氣與電子工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.1Qbv）中定義的流量調(diào)度的保持和轉(zhuǎn)發(fā)機制，其數(shù)據(jù)包僅需在預(yù)定的周期上，打開門控以進行數(shù)據(jù)傳送，就可以控制報文經(jīng)過5G TSN的時延。例如，對于工業(yè)控制的業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)和門控發(fā)送周期都是20 ms。第1個報文于T1到達5G入口（DS-TT或NWTT），5G傳輸時延為10 ms，5G在出口側(cè)T1+10 ms發(fā)送報文；第2個報文5G傳輸時延為9 ms，達到5G出口提前了1 ms，出現(xiàn)了抖動，如圖5所示。此時，報文2需要等待1 ms，在T1+30 ms才發(fā)送，這樣一來報文2在5G的時延延長到10 ms，從而消除了報文經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的1 ms抖動。保持轉(zhuǎn)發(fā)可消除早到報文引發(fā)的抖動，但是無法消除延遲帶來的抖動；因此，5G網(wǎng)絡(luò)需要采用加速技術(shù)快速的轉(zhuǎn)發(fā)報文，例如延時關(guān)鍵GBR、切片、UPF下沉等。

表2 延時關(guān)鍵可保障比特速率

▲圖4 5G TSN +網(wǎng)絡(luò)切片

表3 5G時間敏感網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度

▲圖5 NW-TT流量調(diào)度消除時延抖動

2.2.2 5G與TSN融合的時鐘同步

時鐘同步是確定性通信的前提，那么5G TSN是如何與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)時鐘同步的呢？

如圖6所示，5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有各自的主時鐘（GM）。5G網(wǎng)絡(luò)中的各網(wǎng)元設(shè)備，包括用戶設(shè)備（UE）、5G基 站（gNB）、UPF、NW-TT和DS-TT與5G GM同步（即5G內(nèi)部系統(tǒng)時鐘）。整個端到端的5G系統(tǒng)可視為IEEE 802.1AS“時間感知系統(tǒng)”，只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS協(xié)議，并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)保持時鐘同步，執(zhí)行與IEEE 802.1AS相關(guān)的所有功能，例如gPTP、時間戳、最佳主時鐘算法（BMCA）、rateRatio等。因此，DS-TT和NW-TT需要同時支持5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)兩種時鐘，并需要計算兩種時鐘的偏差。

當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要DS-TT和NW-TT通過門控進行流量調(diào)度以消除5G網(wǎng)絡(luò)的時延抖動時，通知給5G網(wǎng)絡(luò)的報文達到時間和周期時間將以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時鐘為基準(zhǔn)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)收到調(diào)度設(shè)置請求后，調(diào)度周期需要先轉(zhuǎn)化為以5G時鐘為基準(zhǔn)的時間,然后進行流量門控的調(diào)度。

2.2.3 5G TSN中用戶設(shè)備（UE）的通信

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，經(jīng)常有工業(yè)設(shè)備之間的協(xié)同且設(shè)備都是移動的，比如AGV協(xié)同搬運、機器人協(xié)同作業(yè)等，因此，需要終端與終端直接進行確定性的通信。當(dāng)前，滿足如下條件的DS-TT/UE可以直接進行5G TSN的通信。

（1）相同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名（DNN）和單網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（S-NSSAI）；

（2）相同UPF的網(wǎng)絡(luò)實例。

因此，當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備之間需要進行TSN直接通信時，需要合理地劃分切片，設(shè)置DNN，部署相應(yīng)的UPF，如圖7所示。

UE-UE的通信，需要考慮5G網(wǎng)橋的時延計算變化，需要疊加兩個UE的包時延預(yù)算（PDB）和UE-DS-TT駐留時延。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的集中網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）需要分別給兩個UE下發(fā)門控調(diào)度策略。

2.2.4 5G TSN內(nèi)生確定性

如圖8所示，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景中，并不是所有的控制系統(tǒng)都支持TSN。那么，如何保證5G不在TSN網(wǎng)橋的場景下，仍可以進行確定性時延傳輸是需要考慮的問題，這就涉及內(nèi)生確定性。所謂內(nèi)生確定性，就是5G自身保證傳輸時延的確定，消除抖動。

▲圖6 5G TSN與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時鐘同步

▲圖7 終端到終端的5G TSN通信

▲圖8 5G TSN內(nèi)生確定性通信

5G內(nèi)生確定性在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時要考慮的問題包括：（1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如何獲取5G網(wǎng)絡(luò)的QoS信息？（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如何提供確定性通信要求？

首先，可以考慮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過網(wǎng)絡(luò)暴露功能（NEF）/策略控制功能（PCF）獲取DS-TT/UE間、DSTT/UE間，以及NW-TT/UPF間的時延和抖動。

其次，因為沒有TSN的CNC，所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以自己構(gòu)造TSN QoS需求，保持和轉(zhuǎn)發(fā)門控制參數(shù)，并通過NEF向5G提供。通過5G內(nèi)生確定性，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在初期不需要支持復(fù)雜的TSN協(xié)議。

3 結(jié)束語

5G TSN是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)。一方面，延時關(guān)鍵GBR、切片技術(shù)、精準(zhǔn)授時、流量調(diào)度和內(nèi)生確定性等為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供低時延、低抖動的確定性通信，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的無線化和柔性制造；另一方面，5G TSN當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展還不夠成熟，并涉及終端、無線、核心網(wǎng)，甚至傳輸?shù)母脑臁Ｒ虼?，需要逐步地推進商用，預(yù)計2020—2022年是5G TSN的研發(fā)與試點驗證階段，2022年以后逐步開始應(yīng)用。