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时间敏感网络与5G融合部署为工业互联网赋能

2020年7月3日,国际组织3GPP宣布5G R16标准冻结。与5G R15标准主要侧重于eMBB用例相比,R16更加侧重于uRLLC性能指标,为此在标准中引入了IEEE802.1工作组制定的时间敏感网络(TSN)机制,以加强时延抖动和可靠性的保障能力。

另外,R16也重点提升了对垂直行业应用(尤其是工业互联网)的功能和组网支持,期望未来可以激发工业互联网的部署动力,全面提升工业互联网的泛在连接和转发性能,构建工业场景下局域和广域一致性组网与运营的通信基础设施。R17将注重能力精细化,业务外延化和网络智能化,为5G与工业互联网的融合应用定义更清晰场景和网络解决方案。

由此可见,随着5G网络系统技术的发展及建设的深入,大部分垂直行业对于网络的需求朝着低时延,确定性,高可靠等高性能指标的进一步升级,将要求5G具备差异化的网络定制能力并可实现业务数据的确定性传输。因此,时间敏感网络技术与5G网络系统在工业互联网中的融合部署,可利用其高精度时间同步,个性化精准流量调度及智能化网络管理机制等特性,保障在工业互联网业务数据传送场景下互联互通,确定性高质量传输以及全业务承载等多种需求。

TSN与5G的融合部署可以满足工业互联网网络连接关键诉求

工业网络中,传统的现场总线控制技术或工业以太网技术协议封闭,彼此之间不兼容,制约了工业网络内部的互联互通发展,因此在工业企业进行信息化转型,工业控制网络与工业信息网络的融合过程中,无法满足工业信息网络对于接口标准化,协议开放化的需要。

2017年11月,国务院在《关于深化“互联网﹢先进制造业”发展工业互联网的指导意见》中,将“夯实网络基础”作为主要任务之一,提出应大力推动工业企业内外网建设。另外,在R16的网络架构文稿23.501定义的5G关键应用场景中,工业互联网需要具备更为强大的互联互通,高质量传输和智能运维能力,以应对5G大带宽,低时延,高可靠的性能需求。

TSN因其标准的以太网架构和精准的流量调度能力,可以保证多种业务流量的共网高质量传输,兼具技术及成本优势,符合了工业互联网的“确定时延,不被中断,可靠传输”要求;同时,TSN是IEEE定义的标准,所以排除了多方的利益关系,而更具中立性。

2017年,IEC和IEEE联合成立P60802工作组,目标是定义TSN应用于工业自动化网络的方案类标准,并得到了很多传统自动化厂商的支持,如贝加莱,西门子,施耐德,罗克韦尔,三菱,思科,霍斯曼以及MOXA等主流厂商已经陆续推出了基于TSN的工业以太网产品或解决方案;在ICT头部公司中,高通提出了面向工业互联网的利用无线5G技术实现TSN交换机功能的思想和原型系统,以实现与有线TSN网络的互联互通。英特尔阐述了将TSN技术能力应用至无线网络面临的技术挑战,以及如何扩展现有无线网络包括WiFi与5G的可靠性与低时延能力的相关技术,并讨论了无线TSN与有线TSN网络融合面临的挑战;另外,众多独立的第三方组织(Avnu联盟,工业互联网联盟等)开始积极参与TSN标准的测试,推广及产品认证等各项工作。因此,TSN技术成为OT-CT领域厂商的共同选择已经是大概率事件。

TSN与5G融合部署将成为工业 互联网网络连接的新兴技术

5G网络系统将以业务为中心全方位构建信息生态系统,使能各类连接设备之间的全面连接和精密协作,以智能工厂为例,生产设备,移动机器人,AGV小车等智能系统内部存在异构的网络连接,并且系统又可以通过不同的方式接入5G网络,需要实现这些设备系统之间的密切协同及无碰撞作业,就需要业务系统彼此能够做到互联互通。而TSN﹢OPCUA的组合被认为是解决异构系统互联互通问题的最佳组合,可以同时达成网络的互联和数据层面的互通。时间敏感网络(TSN)技术基于以太网协议标准解决数据报文在数据链路层中确定性传输问题;OPCUA则提供一套通用的数据解析机制,应用于业务系统端设备,解决数据交换及系统互操作的复杂性问题。另外,在以工业为代表的垂直行业业务中,安全可靠地传输数据是通信技术的关键要求之一。面对工业互联网及车联网等应用对5G网络的极致高可靠低时延业务体验,效率及性能要求,需要结合时间敏感网络技术,保证应用系统端到端的高质量业务传输。

TSN与5G共同赋能工业互联网典型应用场景

在工厂OT网络内部,根据网络架构和交换机在网络中的位置,5G与TSN的融合应用可以分为工厂级,车间级,现场级应用,主要包括需要实时控制,实时反馈,支持大数据的服务器之间的数据传输,例如智能装备制造,能源电力,石油与天然气,轨道交通,车联网等工业相关行业中同步精准控制,实时测量,设备监测,设备维护,远程控制的需求。

在工业园区内部,5G与TSN融合发展场景可分为园区基础设施管理,园区安全管理,园区能源管理,园区物流管理四个主要模块,且主要采用5G over TSN的融合方式。

TSN与5G融合部署尚存在挑战 需要加快研究进展

我国已经有存量工业企业尝试通过将传感器和执行器等工业设备以5G的无线接入方式连接到TSN的有线网络,从而实现工业互联网中5G和TSN的融合部署。但目前,在5G技术上实现TSN功能并与其无缝融合仍存在一定的问题,主要体现在工业互联网场景下的业务系统中,典型的闭环控制过程会产生极致的确定性端到端业务体验,同时还需要实现异构业务系统彼此之间的互联互通与密切协同,以及为不同类型的业务流量提供智能化,差异化承载服务,从而保证全业务承载的传输质量。

为此,在下一步的研究中,需要重点解决以下的关键技术挑战:一是在5G网络中实现无线gPTP机制,并与有线TSN实现联合部署与协调同步;二是在5G网络中实现类似于TSN-802.1Qbv的确定性,低时延的流调度能力,并与TSN实现流调度的协同机制;三是在5G网络中实现类似于TSN交换机的高可靠桥接功能,保障TSN与工业以太网或工业总线之间的连接。

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