工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下5G與TSN融合技術(shù)研究及標準化進展

摘 要：本文探討了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下5G與時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)的融合及標準化進展。首先介紹了5G和TSN的基本特性與應(yīng)用場景，接著分析了5G與TSN在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的三種融合方式：拼接式融合、承載網(wǎng)融合和深度融合，并闡述了各自的技術(shù)特點及應(yīng)用，最后系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外標準化組織的相關(guān)工作動態(tài)，進一步明確了5G與TSN的標準化工作進展。旨在為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下5G與TSN融合發(fā)展提供技術(shù)和標準化方面的參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，5G，時間敏感網(wǎng)絡(luò)，TSN，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.24.007

0 引 言

伴隨經(jīng)濟騰飛，以及《中國制造2 0 2 5》和“十四五”規(guī)劃等戰(zhàn)略引領(lǐng)，我國工業(yè)體系不斷完善，擁有41個工業(yè)大類、207個工業(yè)中類、666個工業(yè)小類，是世界上唯一擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中全部工業(yè)門類的國家[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，作為這一轉(zhuǎn)型的核心驅(qū)動力，通過實現(xiàn)人、機、物、系統(tǒng)等的全面互聯(lián)互通，構(gòu)建起全新的制造和服務(wù)體系，它不僅是第四次工業(yè)革命的重要基石，更是推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵路徑[2]。

然而，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通目前主要面臨兩方面的挑戰(zhàn)。一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等新興技術(shù)的深化應(yīng)用，不同應(yīng)用場景中不同的業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰恢拢瑢Χ嗄B(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用提出了新需求和新挑戰(zhàn)；另一方面，由于面向不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)場景繁多、復雜，導致信息孤島普遍存在，很難快速構(gòu)建起滿足業(yè)務(wù)要求實時性、確定性的一體化網(wǎng)絡(luò)。

在這一背景下，TSN作為實現(xiàn)低時延、高可靠的確定性傳輸技術(shù)，與5G的融合將構(gòu)建起廣連接、大帶寬、低時延、高可靠的通信網(wǎng)路，為各類具有復雜應(yīng)用場景和實時性需求的工業(yè)現(xiàn)場提供可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境保障。因此，5G和TSN技術(shù)融合應(yīng)用成了一個重要的研究方向。

1 5G與TSN概述

1.1 5G概述

5G（即五代移動通信技術(shù)）通過將多種業(yè)務(wù)、多個技術(shù)進行融合，來滿足大連接、高寬帶和低時延場景下的通信需求。5G可以達到0.1～1 Gbps的用戶體驗速率，毫秒級的端到端時延，每平方千米數(shù)10 Tbps的流量密度，每小時500 km以上的移動性和10 Gbps的峰值速率。頻譜效率相比4G提升了5～15倍，能效和成本效率可提升百倍以上[3]。

5G是工業(yè)應(yīng)用中無線通信的關(guān)鍵使能技術(shù)，通過與5G技術(shù)的融合，可實現(xiàn)工業(yè)場景下的萬物實時全連接。5G網(wǎng)絡(luò)場景主要有三種，即增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和大規(guī)模機器類型通信（mMTC）[4]：

① eMBB主要用于提供更高的數(shù)據(jù)速率和更好的網(wǎng)絡(luò)容量，適用于高清視頻流、在線游戲等應(yīng)用的個人消費市場；

② uRLLC則專注于提供極低的延遲和極高的可靠性，連接時延達到1 ms級別、支持500 km/h高速移動下99.999%的高可靠性，適合自動駕駛、工業(yè)控制、遠程手術(shù)等特殊場景；

③ mMTC則針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接，能夠支持大量設(shè)備同時連接網(wǎng)絡(luò)，終端成本更低、電池壽命更長。

1.2 TSN概述

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network ， TSN）是IEEE 802.1任務(wù)組開發(fā)的一套數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范，它基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，通過時鐘同步、流量整形、網(wǎng)絡(luò)管理配置以及流可靠性傳輸?shù)葯C制，構(gòu)建更為可靠、更低延遲、更低抖動的以太網(wǎng)，以實現(xiàn)通信兩端的確定性時延保障及高可靠傳輸[5]。

TSN的核心技術(shù)包括以下幾方面：

① 時間同步

IEEE 802.1AS標準定義了精準時鐘同步的機制，確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的時鐘同步在一個統(tǒng)一的時間基準上。

② 流量調(diào)度和可靠性

IEEE 802.1Qbv標準定義了時間感知整形器（Time-Aware Shaper， TAS），TAS允許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照預先定義的時間表發(fā)送數(shù)據(jù)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)流在規(guī)定時間內(nèi)傳輸。

IEEE 802.1Qav標準定義了基于信用的整形器（Credit-Based Shaper， CBS），CBS使用信用系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)流量，平衡帶寬使用并減少網(wǎng)絡(luò)擁堵。

I E E E 8 0 2 .1Qbu標準定義了幀搶占（Fr a mePreemption）機制，允許高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流中斷低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的傳輸，減少關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的傳輸延遲。

IEEE 802.1Qci標準定義了流量篩選和流量監(jiān)管的機制，確保只有符合要求的數(shù)據(jù)流可以進入網(wǎng)絡(luò)，保證傳輸?shù)拇_定性。

IEEE 802.1CB標準定義了幀復制和消除機制，通過在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建冗余路徑，確保數(shù)據(jù)包即使在某些路徑發(fā)生故障時仍能到達目的地，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

③ 資源管理和配置

IEEE 802.1Qat標準定義了流預留協(xié)議（StreamReservation Protocol， SRP），用于預留網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬）給特定的數(shù)據(jù)流，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)流得到足夠的網(wǎng)絡(luò)資源。

IEEE 802.1Qcc標準提供了增強的資源管理功能，包括更復雜的流量預留和配置。

2 5G與TSN融合分析

當前，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，5G與T SN的融合應(yīng)用，已成為業(yè)界、學界和標準組織研究的熱點之一。2021年12月，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）發(fā)布的《5G+TSN融合部署場景與技術(shù)發(fā)展白皮書》，指出，5G與T SN的融合部署可分為T SN Over 5GuRLLC、5G承載網(wǎng)over TSN以及5G作為TSN系統(tǒng)網(wǎng)橋三種技術(shù)方向[6]，即拼接式融合、承載網(wǎng)融合和深度融合[7]。

2.1 拼接式融合

該融合方式參考了3GPP在2018年6月發(fā)布的5GSA標準，該標準提出了5G大帶寬、高可靠、低時延等特性的實現(xiàn)方式，以及端到端5G TSN融合架構(gòu)，優(yōu)化了業(yè)務(wù)傳輸性能。即在用戶側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)分別部署TSN轉(zhuǎn)換器，將已具有TSN特性的業(yè)務(wù)系統(tǒng)與5G系統(tǒng)進行拼接，協(xié)同進行流量調(diào)度，通過分段的方式來保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)拇_定性，從而提升傳輸質(zhì)量。

2.2 承載網(wǎng)融合

在5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，承載網(wǎng)絡(luò)一般通過有線網(wǎng)絡(luò)來承載流量。當分布式網(wǎng)元（DU）和集中式網(wǎng)元（CU）合設(shè)時，承載網(wǎng)絡(luò)通常可分為前傳和回傳兩部分。在4G時代，基站的設(shè)計采取了射頻單元和基帶單元分離的架構(gòu)，這種架構(gòu)催生了前傳網(wǎng)絡(luò)的概念，其中CPRI成為前傳網(wǎng)絡(luò)的主流接口。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，愛立信、華為、NEC和諾基亞在CPRI的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了更適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高可靠、低時延的傳輸要求的eCPRI。在5G網(wǎng)絡(luò)的回傳部分，一方面，通過整合軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)，推動回傳網(wǎng)絡(luò)向更智能的方向發(fā)展。另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)天生具備利用確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（例如MPLS Over TSN）實現(xiàn)低時延和低抖動的數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著TSN與5G承載網(wǎng)的融合部署，確定性傳輸方案的實現(xiàn)將從業(yè)務(wù)系統(tǒng)TSN網(wǎng)絡(luò)與5G uRLLC的拼接式融合轉(zhuǎn)變?yōu)楦顚哟蔚?G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部承載網(wǎng)的融合，這將進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性和效率。

2.3 深度融合

在TSN與5G深度融合的階段，整個5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將演變成為具有TSN特性的橋接系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠程確定性傳輸并承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)流量。3GPP 在其R1623.501也明確提出了相關(guān)的技術(shù)方案。

在該融合架構(gòu)下，5G網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中相當于一個黑盒TSN交換機，具備支持TSN的集中式架構(gòu)和時間同步機制。通過定義新的QoS模型（如流方向、周期等），可以精確調(diào)度網(wǎng)絡(luò)流量，并確保在5G系統(tǒng)中，從用戶設(shè)備到用戶面功能的多種確定性業(yè)務(wù)流量實現(xiàn)高質(zhì)量共網(wǎng)傳輸。此過程涉及的核心技術(shù)包括TSN技術(shù)與空口傳輸?shù)慕Y(jié)合、設(shè)備側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器，以及TSN應(yīng)用功能等。

3 5G與TSN融合的應(yīng)用前景

未來智能工廠的典型特征將會向少人化、無人化邁進，“黑燈工廠”也會是智能化時代的新形勢。隨著機器視覺、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展和成熟，工廠內(nèi)部繁重的機械化、流程化作業(yè)將會由機械臂、AGV小車和機器人來承擔。5G與TSN融合是未來智能工廠的需求，兩者包含工業(yè)自動化場景中的聯(lián)合應(yīng)用所需的關(guān)鍵技術(shù)，并且具有極高的可用性，可以滿足工業(yè)4.0苛刻的網(wǎng)絡(luò)要求，是未來工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用重要的議題之一。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，5G+TSN可以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域中跨產(chǎn)線、跨車間實現(xiàn)多設(shè)備協(xié)同生產(chǎn)的需求，將原先分布式的控制功能集合到擁有更強大計算能力的控制云中。同時，在工廠園區(qū)內(nèi)構(gòu)建5G+TSN網(wǎng)絡(luò)，既可以使設(shè)備和產(chǎn)線等設(shè)施的部署更加柔性化，滿足柔性生產(chǎn)制造的發(fā)展需求，還可以確保網(wǎng)絡(luò)的低延時和確定性，實現(xiàn)生產(chǎn)裝備制造過程中的遠程精準控制，滿足預測性維護、廣域協(xié)調(diào)控制等需要。

4 5G與TSN標準化進展

4.1 5G標準化進展

5G標準主要是由國際電信聯(lián)盟（ITU）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）兩個組織制定的。ITU是聯(lián)合國負責信息和通信技術(shù)（ICT）的專門機構(gòu)，負責分配全球無線電頻譜和衛(wèi)星軌道，制定相關(guān)的技術(shù)標準以確保網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)的無縫連接。ITU包括三個主要部門：無線電通信部門（ITU-R）、電信標準化部門（ITU-T）和電信發(fā)展部門（ITU-D）。其中，ITU-R主要負責為不同的無線電通信業(yè)務(wù)分配不同的頻譜資源，從IMT-2000（3G）開始，一直到IMT-Advanced（4G）、IMT-2020（5G）和IMT-2030（6G）。3GPP是一個全球性組織，包括六個國家的七個主要的電信標準發(fā)展組織，即ARIB（日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會）、ATIS（美國電信行業(yè)解決方案聯(lián)盟）、CCSA（中國通信標準化協(xié)會）、ETSI（歐洲電信標準化協(xié)會）、TTA（韓國電信技術(shù)協(xié)會）、TTC（日本電信技術(shù)委員會）和TSDSI（印度電信標準開發(fā)協(xié)會），是全球無線通信標準的主要制定機構(gòu)，制定了從2G到5G的移動通信技術(shù)標準。

2015年，ITU-R發(fā)布了IMT-2020愿景，定義了5G的關(guān)鍵性能指標，如峰值速率、延遲、鏈接密度和移動性等，自此開啟了全球范圍內(nèi)的5G標準化工作。

2017年，3GPP發(fā)布了首個5G標準化版本——5G NR（New Radio）。次年，3GPP正式發(fā)布了R15（Release 15），這是首個完整的5G標準版本，提出了波束賦形和MIMO、靈活的幀結(jié)構(gòu)、低延遲和高可靠等關(guān)鍵技術(shù)，它涵蓋了5G NR的獨立組網(wǎng)（Standalone， SA）和非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）模式。NSA模式利用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施進行5G部署，而SA模式則依賴于全新的5G核心網(wǎng)[8]。

2020年，3GPP正式發(fā)布了R16（Release 16），使5G標準更加地完整。它增強和擴展了uRLLC、mMTC、網(wǎng)絡(luò)切片、V2X等功能，并引入了非授權(quán)頻譜和共享頻譜、邊緣計算（MEC）等新技術(shù)[9]。

2022年，3GPP正式發(fā)布了R17（Release 17），持續(xù)演進增強。它進一步提升了頻譜效率，并與衛(wèi)星通信進行了集成，擴展了5G的覆蓋范圍，同時支持了更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。此外，還擴展了高精度定位、低功耗通信等新功能[10]。

2024年6月18日，3GPP R18（Release 18）標準正式宣布凍結(jié)，它是面向5G-Advanced（5G-A）技術(shù)的第一個版本，意味著5G技術(shù)將邁入一個全新的發(fā)展階段[11]。

4.2 TSN標準化進展

TSN是指國際電子電氣工程師協(xié)會（Instituteof Electrical and Electronics Engineers ， IEEE）802.1任務(wù)組開發(fā)的一套協(xié)議標準。該技術(shù)的前身是音頻視頻橋接（Audio Video Bridging，AVB）技術(shù)，因其在保障網(wǎng)絡(luò)帶寬和有界傳輸時延方面的潛力，逐漸引起了工業(yè)領(lǐng)域的重視。2012年，AVB任務(wù)組正式更名為TSN任務(wù)組，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上擴展了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用場景和適用范圍，以便更好地滿足時間敏感型應(yīng)用的傳輸需求[12]。更名前，AVB任務(wù)組共發(fā)布標準4項，分別是IEEE 802.1AS-2011《局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 橋接局域網(wǎng)中時間敏感應(yīng)用的定時與同步》、IEEE 802.1Qat-2010《局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 虛擬橋接局域網(wǎng) 流預留協(xié)議（SRP）》、IEEE 802.1Qav-2009《局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 虛擬橋接局域網(wǎng) 用于時間敏感流的轉(zhuǎn)發(fā)和排隊增強功能》和IEEE 802.1BA-2011《局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 音視頻橋接（AVB）系統(tǒng)》。更名后，TSN任務(wù)組已發(fā)布標準21項，在研標準17項。在已發(fā)布的標準中，基礎(chǔ)標準共6項，詳見表1。

國際標準化組織ISO/IEC JTC 1下設(shè)的SC 6（系統(tǒng)間遠程通信和信息交換分技術(shù)委員會）也開展相關(guān)TSN標準制定工作。IEEE通過SC 6將其標準轉(zhuǎn)為ISO/IEC國際標準，目前已發(fā)布8項標準，詳見表2。此外，在工業(yè)垂直領(lǐng)域，IEC/TC 65（工業(yè)過程測量控制和自動化）/SC 65C（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分委會）與IEEE802.1在2017年聯(lián)合成立了IEC/IEEE 60802工作組，共同開展該領(lǐng)域TSN的國際標準制定工作[13]。工作組在2018年發(fā)布了《工業(yè)自動化的時間敏感網(wǎng)絡(luò)配置文件》標準的第一個草案稿，目前已經(jīng)更新到草案稿2.4版。該標準定義了適用于工業(yè)自動化的時間敏感網(wǎng)絡(luò)配置文件，通過選擇橋接器、終端設(shè)備和局域網(wǎng)的特性、選項、配置、默認設(shè)置、協(xié)議和程序，以構(gòu)建工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)。

國內(nèi)方面，全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 28）和全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 124）研制TSN相關(guān)國家標準，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）研制TSN相關(guān)行業(yè)標準。SAC/ TC 28目前已經(jīng)發(fā)布4項國家標準，分別是GB/T 42586—2023《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 時間敏感網(wǎng)絡(luò)配置》、GB/T42563—2023《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 OPC統(tǒng)一架構(gòu)與時間敏感網(wǎng)絡(luò)融合映射》、GB/T42561—2023《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 實時以太網(wǎng)適配時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求》和GB/T 42404—2023《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng) 橋接局域網(wǎng)用時間敏感應(yīng)用的定時和同步》，正在制定《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 時間敏感網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 第1部分：體系結(jié)構(gòu)與接口要求》標準。SAC/TC 124發(fā)布了GB/T 42019—2022《基于時間敏感技術(shù)的寬帶工業(yè)總線AUTBUS 系統(tǒng)架構(gòu)與通信規(guī)范》國家標準，正在制定《工業(yè)自動化時間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用行規(guī)》標準。CCSA發(fā)布了YD/T 4671—2024《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 時間敏感網(wǎng)絡(luò)集中網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)要求》、YD/T4492—2023《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求》和YD/T 4134—2022《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 時間敏感網(wǎng)絡(luò)需求及場景》等行業(yè)標準。

5 結(jié) 語

5G與TSN的同步演進是通信技術(shù)發(fā)展的未來趨勢。二者的融合不僅可以提升網(wǎng)絡(luò)的確定性時延和整體可靠性，從而滿足工業(yè)場景對傳輸?shù)膰揽烈螅€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，成為打通工業(yè)領(lǐng)域信息數(shù)據(jù)流動的“大動脈”，構(gòu)建了工業(yè)企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。本文介紹了5G和TSN相關(guān)技術(shù)重點，并列出了5G與TSN融合的三種技術(shù)方向。此外，分別梳理了5G和TSN的國內(nèi)外標準化進展情況。未來，隨著5G標準的不斷演進，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)、新場景的不斷涌現(xiàn)，TSN技術(shù)與之融合將會不斷成熟，更好地為工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能。

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作者簡介

秦潮，本科，助理工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)領(lǐng)域標準化與檢測技術(shù)研究工作。

楊宏，碩士，高級工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、量子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標準化研究、國際國內(nèi)標準化研究和檢測技術(shù)研究工作。

蘇靜茹，碩士，高級工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)與標準化研究工作。

韓世豪，本科，助理工程師，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)領(lǐng)域標準化與檢測技術(shù)研究工作。

（責任編輯：張瑞洋）

基金項目：本文受工業(yè)和信息化部標準化項目“未來網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域標準化路線圖研究”和“物聯(lián)網(wǎng)標準與應(yīng)用工業(yè)和信息化部重點實驗室研究”資助。