為什么5G將在工業(yè)環(huán)境中有諸多潛在應(yīng)用？

5G技術(shù)可以降低與布線基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的成本，支持自動(dòng)推車或移動(dòng)AGV等移動(dòng)設(shè)備，并提高工業(yè)應(yīng)用的靈活性。

在制造業(yè)中，工業(yè)企業(yè)的客戶對(duì)于對(duì)“定制產(chǎn)品”的需求不斷增加，這推動(dòng)了生產(chǎn)線向“更靈活”演進(jìn)。

在工廠中使用5G，可以在不需要電纜的情況下引入新的生產(chǎn)單元。新安裝的5G設(shè)備不需要位于同一站點(diǎn)，因?yàn)?G可以支持與遠(yuǎn)程站點(diǎn)的連接。這就使得位于不同地點(diǎn)的、分散的工廠生產(chǎn)線得到一致的連接。

簡(jiǎn)要介紹TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）

TSN的主要目標(biāo)是通過IEEE 802（以太網(wǎng)）有線網(wǎng)絡(luò)提供確定性服務(wù)。這意味著低時(shí)延、小抖動(dòng)、低丟包率、有保證的數(shù)據(jù)包傳輸?？梢詾榫W(wǎng)絡(luò)中的特定數(shù)據(jù)流啟用這些功能，這些網(wǎng)絡(luò)也處理“盡力而為”類型的流量---例如工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（其中來自不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)流具有不同的時(shí)序要求）。

TSN標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于許多垂直領(lǐng)域，例如工業(yè)和汽車網(wǎng)絡(luò)。IEEE與國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）正在聯(lián)合開發(fā)一種所謂的雙logo標(biāo)準(zhǔn)（dual logo standard）---IEC / IEEE 60802，用于定義工業(yè)自動(dòng)化的TSN配置文件。下圖總結(jié)了不同的TSN組件和相應(yīng)的IEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)[1]。

將5G與TSN集成在一起

為了將工業(yè)設(shè)備（工業(yè)傳感器/執(zhí)行器）以無線方式連接到TSN網(wǎng)絡(luò)，5G是非常合適的解決方案。與4G相比，5G的新功能，尤其是無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），提供了更好的可靠性和傳輸延遲。而且，新的5G系統(tǒng)架構(gòu)允許被靈活地部署。因此，5G可以實(shí)現(xiàn)不受電纜安裝限制的TSN網(wǎng)絡(luò)。

為了在5G系統(tǒng)上支持賈占TSN服務(wù)，需要進(jìn)一步增強(qiáng)無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。主要挑戰(zhàn)是“實(shí)現(xiàn)TSN和5G網(wǎng)絡(luò)的互通”。下圖顯示了一個(gè)示例：5G網(wǎng)絡(luò)如何擴(kuò)展TSN有線網(wǎng)絡(luò)[1]。

插圖左側(cè)是一臺(tái)與5G RAN無線連接的機(jī)器。同時(shí)，5G RAN正在模擬有線TSN，為此，它必須提供某些功能，例如確定性延遲（在特定時(shí)間窗口內(nèi)接收/傳輸數(shù)據(jù)包）。此外，5G核心網(wǎng)絡(luò)還需要有一些進(jìn)一步的增強(qiáng)功能來支持TSN服務(wù)。并且，由于5G和TSN都有自己的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，因此需要在它們之間進(jìn)行交互。

3GPP在TSN方面開展的活動(dòng)

第一步采用了4G增強(qiáng)功能，以支持低延遲，并準(zhǔn)備向5G演進(jìn)。

在3GPP Release 15規(guī)范中，進(jìn)一步減少了延遲，包括靈活的參數(shù)集、更小的數(shù)據(jù)時(shí)隙和有效支持低延遲應(yīng)用的快速確認(rèn)（fast acknowledgments）。通過允許網(wǎng)絡(luò)使用復(fù)制方案和重復(fù)（duplications schemes and repetitions）---包括在5G新空口中使能URLCC的新天線技術(shù)（這是本質(zhì)上支持TSN的功能），提高了可靠性。

但是，在5G系統(tǒng)中開展TSN服務(wù)，還需要進(jìn)一步的增強(qiáng)。因此，對(duì)于第16版（3GPP R16），3GPP已開始對(duì)5G NR工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）進(jìn)行新的研究，目標(biāo)是“集成5G和TSN網(wǎng)絡(luò)”。以太網(wǎng)和TSN的集成、進(jìn)一步增強(qiáng)的可靠性、靈活的上行鏈路調(diào)度、精確的時(shí)間同步、對(duì)TSN類型流量的支持，是該研究范圍中所包含的功能。

3GPP R16的一個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域是“進(jìn)一步增強(qiáng)5G系統(tǒng)以支持TSN應(yīng)用的要求”，具體可以參見3GPP技術(shù)規(guī)范22.261《5G系統(tǒng)業(yè)務(wù)要求》。其中，重點(diǎn)是提供新的設(shè)備能力，并支持時(shí)間同步和雙連接。此方面的一個(gè)例子是：根據(jù)需求規(guī)范，時(shí)間敏感的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景（time critical industrial application scenario）可能需要1 ms的延遲、1微秒的抖動(dòng)和99.9999％的可靠性。

下圖介紹了5G系統(tǒng)支持TSN應(yīng)用在時(shí)間同步、低時(shí)延傳輸、可靠性、資源管理等方面的需求[1]。

參考文獻(xiàn)：

[1] Dhruvin Patel, Muhammad Ikram Ashraf, Alexandros Palaios. 5G meets Time Sensitive Networking[EB/OL]. [2018-12-23].