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時間敏感網絡與5G融合部署為工業互聯網賦能

2020年7月3日,國際組織3GPP宣布5G R16標準凍結。與5G R15標準主要側重于eMBB用例相比,R16更加側重于uRLLC性能指標,為此在標準中引入了IEEE802.1工作組制定的時間敏感網絡(TSN)機制,以加強時延抖動和可靠性的保障能力。

另外,R16也重點提升了對垂直行業應用(尤其是工業互聯網)的功能和組網支持,期望未來可以激發工業互聯網的部署動力,全面提升工業互聯網的泛在連接和轉發性能,構建工業場景下局域和廣域一致性組網與運營的通信基礎設施。R17將注重能力精細化、業務外延化和網絡智能化,為5G與工業互聯網的融合應用定義更清晰場景和網絡解決方案。

由此可見,隨著5G網絡系統技術的發展及建設的深入,大部分垂直行業對于網絡的需求朝著低時延、確定性、高可靠等高性能指標的進一步升級,將要求5G具備差異化的網絡定制能力并可實現業務數據的確定性傳輸。因此,時間敏感網絡技術與5G網絡系統在工業互聯網中的融合部署,可利用其高精度時間同步、個性化精準流量調度及智能化網絡管理機制等特性,保障在工業互聯網業務數據傳送場景下互聯互通、確定性高質量傳輸以及全業務承載等多種需求。

TSN與5G的融合部署可以滿足工業互聯網網絡連接關鍵訴求

工業網絡中,傳統的現場總線控制技術或工業以太網技術協議封閉,彼此之間不兼容,制約了工業網絡內部的互聯互通發展,因此在工業企業進行信息化轉型、工業控制網絡與工業信息網絡的融合過程中,無法滿足工業信息網絡對于接口標準化、協議開放化的需要。

2017年11月,國務院在《關于深化“互聯網﹢先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中,將“夯實網絡基礎”作為主要任務之一,提出應大力推動工業企業內外網建設。另外,在R16的網絡架構文稿23.501定義的5G關鍵應用場景中,工業互聯網需要具備更為強大的互聯互通、高質量傳輸和智能運維能力,以應對5G大帶寬、低時延、高可靠的性能需求。

TSN因其標準的以太網架構和精準的流量調度能力,可以保證多種業務流量的共網高質量傳輸,兼具技術及成本優勢,符合了工業互聯網的“確定時延、不被中斷、可靠傳輸”要求;同時,TSN是IEEE定義的標準,所以排除了多方的利益關系,而更具中立性。

2017年,IEC和IEEE聯合成立P60802工作組,目標是定義TSN應用于工業自動化網絡的方案類標準,并得到了很多傳統自動化廠商的支持,如貝加萊、西門子、施耐德、羅克韋爾、三菱、思科、霍斯曼以及MOXA等主流廠商已經陸續推出了基于TSN的工業以太網產品或解決方案;在ICT頭部公司中,高通提出了面向工業互聯網的利用無線5G技術實現TSN交換機功能的思想和原型系統,以實現與有線TSN網絡的互聯互通。英特爾闡述了將TSN技術能力應用至無線網絡面臨的技術挑戰,以及如何擴展現有無線網絡包括WiFi與5G的可靠性與低時延能力的相關技術,并討論了無線TSN與有線TSN網絡融合面臨的挑戰;另外,眾多獨立的第三方組織(Avnu聯盟、工業互聯網聯盟等)開始積極參與TSN標準的測試、推廣及產品認證等各項工作。因此,TSN技術成為OT-CT領域廠商的共同選擇已經是大概率事件。

TSN與5G融合部署將成為工業 互聯網網絡連接的新興技術

5G網絡系統將以業務為中心全方位構建信息生態系統,使能各類連接設備之間的全面連接和精密協作,以智能工廠為例,生產設備、移動機器人、AGV小車等智能系統內部存在異構的網絡連接,并且系統又可以通過不同的方式接入5G網絡,需要實現這些設備系統之間的密切協同及無碰撞作業,就需要業務系統彼此能夠做到互聯互通。而TSN﹢OPCUA的組合被認為是解決異構系統互聯互通問題的最佳組合,可以同時達成網絡的互聯和數據層面的互通。時間敏感網絡(TSN)技術基于以太網協議標準解決數據報文在數據鏈路層中確定性傳輸問題;OPCUA則提供一套通用的數據解析機制,應用于業務系統端設備,解決數據交換及系統互操作的復雜性問題。另外,在以工業為代表的垂直行業業務中,安全可靠地傳輸數據是通信技術的關鍵要求之一。面對工業互聯網及車聯網等應用對5G網絡的極致高可靠低時延業務體驗、效率及性能要求,需要結合時間敏感網絡技術,保證應用系統端到端的高質量業務傳輸。

TSN與5G共同賦能工業互聯網典型應用場景

在工廠OT網絡內部,根據網絡架構和交換機在網絡中的位置,5G與TSN的融合應用可以分為工廠級、車間級、現場級應用,主要包括需要實時控制、實時反饋、支持大數據的服務器之間的數據傳輸,例如智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車聯網等工業相關行業中同步精準控制、實時測量、設備監測、設備維護、遠程控制的需求。

在工業園區內部,5G與TSN融合發展場景可分為園區基礎設施管理、園區安全管理、園區能源管理、園區物流管理四個主要模塊,且主要采用5G over TSN的融合方式。

TSN與5G融合部署尚存在挑戰 需要加快研究進展

我國已經有存量工業企業嘗試通過將傳感器和執行器等工業設備以5G的無線接入方式連接到TSN的有線網絡,從而實現工業互聯網中5G和TSN的融合部署。但目前,在5G技術上實現TSN功能并與其無縫融合仍存在一定的問題,主要體現在工業互聯網場景下的業務系統中,典型的閉環控制過程會產生極致的確定性端到端業務體驗,同時還需要實現異構業務系統彼此之間的互聯互通與密切協同,以及為不同類型的業務流量提供智能化、差異化承載服務,從而保證全業務承載的傳輸質量。

為此,在下一步的研究中,需要重點解決以下的關鍵技術挑戰:一是在5G網絡中實現無線gPTP機制,并與有線TSN實現聯合部署與協調同步;二是在5G網絡中實現類似于TSN-802.1Qbv的確定性、低時延的流調度能力,并與TSN實現流調度的協同機制;三是在5G網絡中實現類似于TSN交換機的高可靠橋接功能,保障TSN與工業以太網或工業總線之間的連接。

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