工業互聯網場景下5G TSN關鍵技術研究

張強/ZHANG Qiang，王衛斌/WANG Weibin，陸光輝/LU Guanghui

（中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

1 5G+工業互聯網的需求和挑戰

1.1 工業互聯網中5G應用場景分析

工業互聯網可以實現人、機、物全要素的網絡互聯。工業互聯網平臺則可以把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G是工業互聯網的關鍵使能技術，而工業互聯網是5G的重要應用場景之一，5G+工業互聯網是賦能智慧工廠數字化、無線化、智能化的重要方向。

5G網絡的大帶寬、低時延、高可靠特性，可以滿足工業設備的靈活移動性和差異化業務處理能力需求，推動各類增強現實（AR）/虛擬現實（VR）終端、Robot、自動導引運輸車（AGV）、場內產線設備等的無線化應用，助力工廠柔性化生產大規模普及。工業互聯網給5G帶來了廣泛的應用場景，同時也帶來了前所未有的挑戰。例如，有的工業應用可能需要網絡具備1 ms時延、1 μs抖動和99.999999%的網絡傳輸質量[1]。

時間敏感網絡（TSN）是工業互聯實現低時延、高可靠和確定性傳輸的重要技術之一，5G+TSN是未來實現工業互聯網無線化和柔性制造的重要基礎。TSN在做數據轉發時，可以針對工業互聯網不同優先級的業務數據進行隊列調度，從而實現質量差異化保證。在工業互聯網場景下，TSN可以針對各類工業應用涉及的業務流特性進行建模和定義，并在此基礎上，提供不同的優先級與調度機制。工業互聯網的業務流量類型非常多，例如視頻、音頻、同步實時控制流、事件、配置&診斷等，表1是工業互聯網業務流的典型分類示例。

從表1中可以看出，工業互聯網中不同的業務流有不同的服務級別協議（SLA）需求。按照周期性劃分，業務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:周期性發包，其周期一般小于2 ms；每周期內發送的數據長度相對穩定，一般不超過100 B；端到端傳輸具有時限要求，即數據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；周期循環和網絡控制類對時延有要求，但相比同步實時類要低。

1.2 5G TSN在工業互聯網中的應用

如圖1所示，TSN在工業互聯網中的應用場景，可以包括控制器與現場設備之間、控制器與控制器之間、信息技術（IT）網絡與運營技術（OT）網絡之間等。5G TSN兼具TSN確定性傳輸和5G網絡移動性的特點，在工業互聯網中，可以替代部分有線工業以太網實現無線化和柔性制造。

5G TSN典型的應用場景包括場內產線設備控制、機器人控制、AGV控制、5G可編程邏輯控制器（PLC）。

（1）場內產線設備控制：面向數控機床、立體倉庫、制造流水線，基于5G TSN打通產線設備和集中控制中心的數據鏈路，實現工業制造產線的遠程、集中控制，以更好地提升生產效率。

（2）機器人控制：在工業自動化產線，利用5G TSN低時延特性，結合傳感器技術，實現機器人和機械臂的環境感知、姿態控制、遠程操作、自動控制等功能，滿足智能生產需求。

表1 工業互聯網業務流分類示例

▲圖1 5G TSN在工業互聯網中的應用

（3）AGV控制：在生產車間及園區中，通過視覺、雷達、無線等多種技術進行融合定位和障礙物判斷，經低時延5G網絡上傳位置和運動信息，實現AGV的自動避障和相互協同工作，提升產線自動化水平。

（4）5G PLC：在生產過程中，利用5G網絡實現PLC之間、PLC與廠內系統間的系統數據傳輸，在保證數據安全和實時性的同時，減少車間內布線成本，快速實現產線產能匹配，助力柔性制造。

2 5G+工業互聯網TSN關鍵技術分析

2.1 5G與TSN的融合架構

目前，如何在工業互聯網中，對5G和TSN技術進行融合部署，已經成為產業界、學術界、標準組織研究的熱點之一，尤其是第3代合作伙伴計劃（3GPP），已經開始了5G TSN的標準化工作，并建立了基本的融合架構。目前TSN與5G融合架構主要采用橋接技術[2-4]。

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

TSN是時延敏感網絡，而5G網絡本身是一個Best Effort網絡；因此融合的難點和關鍵點為如何在不確定性的5G網絡上實現確定性網絡。5G和TSN融合具有如下的技術挑戰：

（1）5G網絡低時延、低抖動的實現。5G TSN包括終端、無線、傳輸和核心網，其中無線側是實現端到端確定性的關鍵，無線傳輸容易受到環境影響，時延難以保障。

（2）5G與TSN融合網絡的時間同步。當前TSN與5G網絡有各自的時鐘同步機制，實現時間同步是面向工業應用場景的關鍵能力需求之一。工業以太網的TSN采用廣義精準時鐘協議（gPTP）（IEEE 802.1AS）實現時間同步。如何協同實現5G網絡與工業控制系統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。在工業互聯網中，存在場內設備之間的直接通信，如移動機器人之間、AGV小車之間的協同工作。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的工業互聯網部署環境。TSN的產業鏈比較長，在工業互聯網中實現TSN，會涉及工業設備、工業以太網、控制系統等的升級改造。另外，TSN技術也在發展和完善中，規模商用還需要一定的時間。因此，在工業互聯網實際環境中，不是所有的設備都支持TSN協議。如何保障這些設備在初期的確定性傳輸，而不需要支持復雜的TSN協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，并將會隨著關鍵技術的突破以及應用場景的需求變化不斷向前演進。

2.2 5G TSN關鍵技術

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，無線側的時延T3+T4和傳輸的時延T2，在整個時延中是最難保障且容易出現抖動的。

那么，5G TSN是如何降低抖動，并保證時延傳輸的確定性呢？首先，采用延時關鍵可保障比特速率（Delay Critical GBR）、切片、用戶面功能（UPF）下沉分流等技術來降低傳輸的時延，然后再結合時延敏感通信輔助信息（TSCAI）、保持和轉發機制等消除抖動。

（1）延時關鍵GBR。

首先，根據工業互聯網業務流的特征，對業務進行分類，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業務流等。對于要求高的同步實時流的工業互聯網業務（如Motion Control），建議采用專門的5G服務質量特性（5QI），如表2中所示的85、86等，從而提高工業互聯網業務在無線側調度的優先級，降低傳輸的時延。

▲圖2 5G TSN融合架構

▲圖3 5G TSN傳輸時延

（2）5G TSN+網絡切片。

如圖4所示，對于高隔離、低時延的工業互聯網業務，如果無線與2C網絡共享，則建議無線側采用物理資源承載（PRB）預留的切片，傳輸采用靈活以太網（FlexE）硬切片，核心網采用專用UPF；對于時延要求特別高的業務，如場內產線設備控制，UPF可以下沉至園區，以減少傳輸網絡帶來的時延，如圖4中的工業切片2中的UPF。

（3）周期性確定服務質量（QoS）。

5G TSN如何解決周期性確定QoS？首先，5G TSN采用TSCAI來描述工業互聯網業務的流量特征，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根據業務流量的特征信息和流量調度策略，采用保持和轉發的調度機制，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會標準（IEEE 802.1Qbv）中定義的流量調度的保持和轉發機制，其數據包僅需在預定的周期上，打開門控以進行數據傳送，就可以控制報文經過5G TSN的時延。例如，對于工業控制的業務，數據和門控發送周期都是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T1+10 ms發送報文；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，從而消除了報文經過5G網絡傳輸帶來的1 ms抖動。保持轉發可消除早到報文引發的抖動，但是無法消除延遲帶來的抖動；因此，5G網絡需要采用加速技術快速的轉發報文，例如延時關鍵GBR、切片、UPF下沉等。

表2 延時關鍵可保障比特速率

▲圖4 5G TSN +網絡切片

表3 5G時間敏感網絡流量調度

▲圖5 NW-TT流量調度消除時延抖動

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是如何與工業互聯網協同實現時鐘同步的呢？

如圖6所示，5G網絡和工業互聯網有各自的主時鐘（GM）。5G網絡中的各網元設備，包括用戶設備（UE）、5G基 站（gNB）、UPF、NW-TT和DS-TT與5G GM同步（即5G內部系統時鐘）。整個端到端的5G系統可視為IEEE 802.1AS“時間感知系統”，只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS協議，并與工業互聯網保持時鐘同步，執行與IEEE 802.1AS相關的所有功能，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網絡和工業互聯網兩種時鐘，并需要計算兩種時鐘的偏差。

當工業互聯網業務需要DS-TT和NW-TT通過門控進行流量調度以消除5G網絡的時延抖動時，通知給5G網絡的報文達到時間和周期時間將以工業互聯網的時鐘為基準。因此，5G網絡收到調度設置請求后，調度周期需要先轉化為以5G時鐘為基準的時間,然后進行流量門控的調度。

2.2.3 5G TSN中用戶設備（UE）的通信

在工業互聯網中，經常有工業設備之間的協同且設備都是移動的，比如AGV協同搬運、機器人協同作業等，因此，需要終端與終端直接進行確定性的通信。當前，滿足如下條件的DS-TT/UE可以直接進行5G TSN的通信。

（1）相同的數據網絡名（DNN）和單網絡切片選擇輔助信息（S-NSSAI）；

（2）相同UPF的網絡實例。

因此，當工業互聯網中的設備之間需要進行TSN直接通信時，需要合理地劃分切片，設置DNN，部署相應的UPF，如圖7所示。

UE-UE的通信，需要考慮5G網橋的時延計算變化，需要疊加兩個UE的包時延預算（PDB）和UE-DS-TT駐留時延。工業互聯網中的集中網絡配置（CNC）需要分別給兩個UE下發門控調度策略。

2.2.4 5G TSN內生確定性

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

▲圖6 5G TSN與工業互聯網時鐘同步

▲圖7 終端到終端的5G TSN通信

▲圖8 5G TSN內生確定性通信

5G內生確定性在工業互聯網中應用時要考慮的問題包括：（1）工業互聯網如何獲取5G網絡的QoS信息？（2）工業互聯網如何提供確定性通信要求？

首先，可以考慮工業互聯網應用通過網絡暴露功能（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，所以工業互聯網應用可以自己構造TSN QoS需求，保持和轉發門控制參數，并通過NEF向5G提供。通過5G內生確定性，工業互聯網在初期不需要支持復雜的TSN協議。

3 結束語

5G TSN是實現工業互聯網的重要技術。一方面，延時關鍵GBR、切片技術、精準授時、流量調度和內生確定性等為工業互聯網提供低時延、低抖動的確定性通信，助力工業互聯網的無線化和柔性制造；另一方面，5G TSN當前的產業鏈發展還不夠成熟，并涉及終端、無線、核心網，甚至傳輸的改造。因此，需要逐步地推進商用，預計2020—2022年是5G TSN的研發與試點驗證階段，2022年以后逐步開始應用。