基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G TSN研究*

樊陸陸，郭 剛

[重慶市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究中心（中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院重慶分院），重慶 400707]

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及人工智能等新一代信息通信技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制系統(tǒng)等工業(yè)技術(shù)的融合，是第4次工業(yè)革命的基石[1]。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）是目前國(guó)際產(chǎn)業(yè)界比較看好的全新的工業(yè)通信技術(shù)，能滿足工業(yè)互聯(lián)時(shí)低時(shí)延、高可靠和確定性的要求。而5G+TSN是未來實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線化和柔性制造的重要基礎(chǔ)[2]。

1 5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)情況

2017年12月，3GPP發(fā)布了R15非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）標(biāo)準(zhǔn)。2018年6月，3GPP發(fā)布了第一個(gè)5G獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著3GPP已經(jīng)完成5G第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化制定工作，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)全面沖刺的新時(shí)代。2020年7月，3GPP宣布R16版本標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，標(biāo)志5G第一個(gè)演進(jìn)版本標(biāo)準(zhǔn)完成。3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)相比R15有了很大的變化，主要體現(xiàn)在“新能力拓展”“已有能力挖潛”和“運(yùn)維降本增效”等方面。R16標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于更好的服務(wù)行業(yè)，在提高5G效率方面做了增強(qiáng)，特別是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)以及其他行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從“能用”到“好用”的飛躍[3]。

2 5G TSN技術(shù)性能評(píng)估準(zhǔn)則

5G標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 22.104[4]中規(guī)范了5G對(duì)垂直領(lǐng)域自動(dòng)化行業(yè)的通信業(yè)務(wù)需求以及物理控制應(yīng)用業(yè)務(wù)需求的研究。5G系統(tǒng)應(yīng)支持與時(shí)俱進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)配置的完全分布式模型。該模型與多流注冊(cè)協(xié)議（Multiple Stream Registration Protocol，MSRP）[5]、IEEE P802.1CS鏈路本地注冊(cè)協(xié)議（Link-local Registraion Protocol，LRP）[6]和IEEE P802.1Qdd資源分配協(xié)議（Resource Allocation Protocol，RAP）[7]能夠?qū)R。另外，5G系統(tǒng)還應(yīng)支持用戶-網(wǎng)絡(luò)接口或網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)接口配置，確保能動(dòng)態(tài)配置時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的完全分布式模型。

5G標(biāo)準(zhǔn)3GPP 38.825 V16.0.0[8]中規(guī)范了TSN性能評(píng)估要求。表1給出了3GPP RAN工作組評(píng)估TSN性能的基準(zhǔn)。該TSN性能評(píng)估基準(zhǔn)能滿足更高的層冗余，可以實(shí)現(xiàn)超過99.999 9%的可靠性目標(biāo)，且不需要考慮PHY層數(shù)據(jù)傳輸情況。

3 5G TSN技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)正在進(jìn)入快速發(fā)展期，而5G無疑將助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)中新增時(shí)間敏感通信技術(shù)，目的是擴(kuò)大潛在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用例，實(shí)現(xiàn)5G和TSC的互通。TSC將5G系統(tǒng)作為一個(gè)TSN網(wǎng)橋集成在TSN系統(tǒng)，利用高精度時(shí)間同步、TSN管理協(xié)同及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等能力，在固網(wǎng)覆蓋困難或存在移動(dòng)性要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景輔助TSN網(wǎng)絡(luò)，提供確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)[2]。

表1 TSN需求評(píng)估考慮的用例和需求

3.1 5G TSN時(shí)間同步

時(shí)間同步是確定性通信的前提。5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有各自的時(shí)鐘同步機(jī)制[2]，而實(shí)現(xiàn)兩者的時(shí)間同步是面向工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵能力之一。為了支持TSN時(shí)間同步，5GS與外部網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）集成TSN橋。該TSN橋符合工業(yè)以太網(wǎng)的TSN采用的廣義精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議IEEE Std 802.1AS[9]的要求。對(duì)于TSN時(shí)間同步，5G網(wǎng)絡(luò)中的各網(wǎng)元設(shè)備如用戶設(shè)備（User Equipment，UE）、5G基站（generation Node Base，gNB）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（Network-side TSN translator，NW-TT）和設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（Device-side TSN translator，DS-TT）等與5G內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘同步，可以將整個(gè)端到端5G系統(tǒng)視為時(shí)間感知系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中，只有5G系統(tǒng)邊緣的TSN轉(zhuǎn)換器才需要支持IEEE Std 802.1AS協(xié)議，執(zhí)行與IEEE 802.1AS相關(guān)的某些功能，如廣義精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議gPTP、時(shí)間戳記以及rateRatio等。

5G TSN和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)鐘分配模型如圖1所示。該模型主要包括5GS同步和TSN域同步兩個(gè)同步系統(tǒng)，其中5GS同步主要實(shí)現(xiàn)5G接入網(wǎng)的同步，TSN域同步主要為TSN網(wǎng)絡(luò)提供同步服務(wù)。另外，當(dāng)TSN主時(shí)鐘（TSN GM）位于TSN工作域時(shí)，要考慮主端口（M）和從端口（S）的情況。標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 23.501 V16.7.0[10]中規(guī)范了該版本5GS僅適用于確定精準(zhǔn)時(shí)鐘協(xié)議（Precise Time Protocol，PTP）實(shí)例和時(shí)間同步生成樹。

圖1 5G TSN和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)鐘分配模型

5GS網(wǎng)橋PTP端口狀態(tài)在DS-TT和NW-TT中本地配置時(shí)，按照如下規(guī)則配置：對(duì)于DS-TT端口，所有g(shù)PTP域的PTP端口狀態(tài)均為MasterPort；當(dāng)TSN主時(shí)鐘（TSN GM）在5GS外部時(shí)，對(duì)于每個(gè)gPTP域的一個(gè)NW-TT端口，PTP端口狀態(tài)為SlavePort，對(duì)于同一gPTP域的所有其他NW-TT端口，PTP端口狀態(tài)為PassivePort或MasterPort。將5GS配置為所連接網(wǎng)絡(luò)的gPTP域的主服務(wù)器（5G GM）時(shí)，所有NW-TT端口均處于該gPTP域的MasterPort狀態(tài)。

3.2 5GS TSN橋管理

對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)，5GS功能充當(dāng)一個(gè)或多個(gè)TSN橋的角色。5GS網(wǎng)橋由單個(gè)UPF側(cè)的端口、UE和UPF之間的用戶平面隧道和DS-TT側(cè)的端口組成。對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)5GS網(wǎng)橋，NW-TT上的端口都支持與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)DS-TT側(cè)上的端口與PDU會(huì)話相關(guān)聯(lián)，從而提供與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接。

5GS TSN橋的粒度是每個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例的每個(gè)UPF，如圖2所示。5GS TSN網(wǎng)橋的網(wǎng)橋ID和UPF的UPF ID綁定在一起。5GS在報(bào)告5GS TSN網(wǎng)橋信息期間，TSN應(yīng)用功能實(shí)體（TSN AF）存儲(chǔ)UE/DS-TT側(cè)的端口與PDU會(huì)話之間的綁定關(guān)系。與此同時(shí)，TSN AF還存儲(chǔ)有關(guān)UPF/NW-TT一側(cè)的端口信息。UPF/NW-TT根據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā)信息將流量轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)某隹诙丝凇腡SN AF的角度來看，5GS TSN橋在UPF中具有單個(gè)NW-TT實(shí)體，且NW-TT可能具有用于流量轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)端口。

圖2 基于UPF的5GS網(wǎng)橋

對(duì)于給定的UPF，每個(gè)DS-TT端口只有一個(gè)PDU會(huì)話。通過特定的UPF連接到同一TSN網(wǎng)絡(luò)的所有PDU會(huì)話都被分組為一個(gè)5GS橋接器。UE/DS-TT側(cè)和UPF/NW-TT側(cè)的每個(gè)端口的功能已集成為5GS橋接器配置的一部分，并通知給TSN AF，交付給CNC以進(jìn)行TSN橋接器注冊(cè)和修改。

為了在5GS橋接器上支持TSN調(diào)度的流量，5G標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范5GS應(yīng)支持包括在5GS中配置網(wǎng)橋信息、在PDU會(huì)話建立后將5GS網(wǎng)橋的網(wǎng)橋信息報(bào)告給TSN網(wǎng)絡(luò)等功能。TSN網(wǎng)絡(luò)使用5GS橋的橋信息來為5GS橋進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾砼渲谩?GS Bridge的網(wǎng)橋信息至少包括網(wǎng)橋ID、港口數(shù)量以及端口號(hào)列表等信息。

4 5G TSN典型應(yīng)用場(chǎng)景

3GPP R16中定義了運(yùn)動(dòng)控制、有線到無線連接替換、智能搬運(yùn)、移動(dòng)機(jī)器人以及控制到控制通信等5種典型的應(yīng)用場(chǎng)景[4]，可以極大地豐富工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

4.1 運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)以明確定義的方式控制機(jī)器或旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用在印刷機(jī)、機(jī)床或包裝機(jī)中。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的示意圖，如圖3所示。運(yùn)動(dòng)控制器（Motion Controller）周期性地將設(shè)置的自動(dòng)化程序發(fā)送給一個(gè)或多個(gè)線性驅(qū)動(dòng)器（Actuator），以期在隨后的一個(gè)或者多個(gè)過程中自動(dòng)化地執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如驅(qū)動(dòng)某個(gè)組件的運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)等。同時(shí)，傳感器（Sensor）評(píng)估設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，并將評(píng)估結(jié)果反饋給運(yùn)動(dòng)控制器。該過程嚴(yán)格執(zhí)行閉環(huán)循環(huán)，以便在一個(gè)應(yīng)用周期內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器能將新的應(yīng)用程序發(fā)送給所有執(zhí)行器，且所有傳感器將其實(shí)際值發(fā)送回運(yùn)動(dòng)控制器。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

4.2 有線到無線連接替換

在傳統(tǒng)工廠中，生產(chǎn)環(huán)境是固定的，通常使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)通過電纜連接相互協(xié)作的機(jī)器或者設(shè)備。在將來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，為了增加生產(chǎn)設(shè)備的靈活性，可用無線連接替代現(xiàn)有的有線連接。假設(shè)有4臺(tái)機(jī)器在生產(chǎn)過程中相互配合，為了方便更換電纜，每臺(tái)機(jī)器都配備了一個(gè)與控制器連接的5G UE（如圖4所示），利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC之間、PLC與廠內(nèi)系統(tǒng)間的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，減少工廠內(nèi)有線連接，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能匹配。

圖4 具有無線連接的4臺(tái)協(xié)作機(jī)器的示例

4.3 智能搬運(yùn)

在未來的智能工廠中，大型或重型工件將由多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人/自動(dòng)引導(dǎo)車搬運(yùn)到另一個(gè)地方。這些移動(dòng)機(jī)器人/自動(dòng)引導(dǎo)車需要協(xié)同工作才能安全地搬運(yùn)大型或重型工件。這種合作是通過網(wǎng)絡(luò)物理控制應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的，以協(xié)調(diào)的方式控制移動(dòng)機(jī)器人/自動(dòng)引導(dǎo)車的驅(qū)動(dòng)和移動(dòng)，從而將大型或重型工件從一個(gè)地方平穩(wěn)安全地運(yùn)送到另一個(gè)地方（如圖5所示）。協(xié)作移動(dòng)機(jī)器人/自動(dòng)引導(dǎo)車之間的通信需要高通信服務(wù)可用性和超低延遲。控制命令和控制反饋的交換是通過周期性、確定性通信并使用時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)完成的。

圖5 協(xié)作搬運(yùn)大型工件的移動(dòng)機(jī)器人/自動(dòng)引導(dǎo)車

4.4 移動(dòng)機(jī)器人

移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)和內(nèi)部物流環(huán)境中具有大量應(yīng)用，并將在未來工廠中發(fā)揮越來越重要的作用。移動(dòng)機(jī)器人實(shí)質(zhì)上是一種可編程機(jī)器，能夠按照編程路徑執(zhí)行多種操作來完成各種任務(wù)。這意味著移動(dòng)機(jī)器人可以執(zhí)行諸如在工作步驟中的協(xié)助以及貨物、材料和其他物體的運(yùn)輸之類的活動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)是相對(duì)于環(huán)境具有最大的靈活性，具有一定程度的自主權(quán)和感知能力，即它們可以感知和響應(yīng)環(huán)境。移動(dòng)機(jī)器人最常見的應(yīng)用是工廠中的自動(dòng)導(dǎo)引車。

5 結(jié)語

目前，在5G R16第一版本標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)規(guī)范了與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)如5G TSN、業(yè)務(wù)需求等內(nèi)容，在后續(xù)R16標(biāo)準(zhǔn)中將進(jìn)一步研究與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的接入組網(wǎng)業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能、空口技術(shù)增強(qiáng)等內(nèi)容[11-13]。5G TSN是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延、低抖動(dòng)的通信要求，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。