爱立信大力推动5G集成TSN支持工业自动化

信观察

5G蜂窝通信被普遍视为推进第四次工业革命、工业 4.0 或工业物联网的关键无线技术，爱立信将大力推动5G集成TSN支持工业自动化。本期信观察通过对爱立信技术专家的访谈阐述爱立信观点，欢迎收看。

 

 

5G与TSN

在工厂自动化和工业4.0中，通信连接将发挥重要作用。其中，可靠、安全、及时地传输数据是工业通信技术的关键要求之一。时间敏感网络（Time-Sensitive Networking ，TSN）是满足这些需求的有利推动者，3GPP标准化的5G移动技术也可以满足工业通信领域对数据传输的需求。爱立信预测，5G和TSN的互联将使工业自动化的全面通信成为可能，5G集成TSN作为提供确定性连接技术在工业自动化中将起到重要作用。

在工业自动化中引入5G技术具有很多优点。首先，5G技术可以降低布线等基础设施的相关成本，支持自动小车或移动自动导航车辆（AGV）等移动设备，提高工业应用的灵活性。此外，由于制造业对定制产品的需求不断地增加，就要求生产场所更加灵活。由于5G可以支持到远程站点的连接，使分散在不同地点的工厂连接起来，因此新的生产器件或者设备在5G的支持下，就可以在不需要线缆的情况下接入生产环境，新产品安装也不需要在同一个生产场所完成。

而TSN的主要目标是通过IEEE 802.1标准的以太网提供确定性服务，从而保证数据包传输具有低时延和确定性时延、低抖动和低丢包的需求。TSN可以用于处理尽力而为（best effort）类型流量的网络中的特定数据流，例如，在融合工业网络中，可以将有着不同时间要求的，来自不同运营技术（OT）应用程序的数据流与信息技术（IT）的数据流结合在同一网络基础设施上承载。TSN标准可以应用于许多垂直领域，例如工业自动化和汽车车载网络。IEEE和国际电工委员会（IEC）正在共同开发标准IEC/IEEE 60802，以定义工业自动化TSN特性。

5G可以将工业传感器或执行器等设备通过无线连接到 TSN 网络。与 4G 相比，5G 的新特性，特别是在无线接入网络（RAN）中的新特性，提供了更好的可靠性和传输时延，并且新的 5G 系统架构允许网络灵活部署。因此，可以将5G 用于扩展 TSN 网络，以避免电缆安装带来的限制。而为了支持 5G 系统上的 TSN 服务，如何实现 TSN 和 5G 网络的互通是最主要的挑战。

下图图示说明了5G和TSN集成以支持端到端确定性可靠连接。图中采用了TSN的集中式配置模式，该模式也是3GPP目前支持的配置模式。

图1:元宇宙生态系统的非详尽快照，包括设备oem、连接提供商、云基础设施和平台提供商、元宇宙平台和内容提供商。

 

TSN是在IEEE802.1技术基础上，针对时间敏感特性做了一定的扩展。其目的是在特定的时间窗口内，在没有丢包、没有由于拥塞引起的时延的情况下转发时间敏感数据包。TSN通过以下技术实现上述目标；

• 时间同步协议： TSN的时间同步协议是IEEE 802.1AS，它是一个基于IEEE1588的在以太网上进行时间同步的协议， 可以使以太网桥和终端设备同步到统一的时钟，以支持TSN定时流量调度。所以IEEE802.1AS是TSN通信的基础。
• 定时流量调度：是保证TSN 转发目标的主要技术，也是对传统以太网转发机制的重要加强。传统以太网出口一般有多个队列，每个队列对应于有不同优先级的以太网帧，不同队列间按照一定算法进行调度，决定发送哪个队列中的数据包。TSN设备在转发数据包时，周期性地调度流量。在每个周期内又分为不同的时隙（time slot），每个队列只能在允许发送的时隙内发送数据包。这样就能保证时间敏感流量在特定时间内能够转发出去，而不会受到其他队列拥塞的影响。
• 帧复制和消除FRER（Frame Replication and Elimination for Reliability）: 为提高数据传输的可靠性，TSN引入了冗余传输的技术。对于需要高可靠性的数据流，网络节点可以复制两个或多个数据流副本，并通过不同的路径传输到另一个网络节点，该节点将这些数据流合并为一个数据流。
• TSN配置：TSN的配置模型有三种：完全集中模型，集中和分布模型以及完全分布模型。完全集中模型主要由CNC（Centralized Network Configuration）和CUC（Centralized User Configuration）构成。CUC主要负责收集各种应用的需求，并将每个流的需求发送给CNC。CUC也负责对终端设备的配置。CNC负责将需求分解为网络配置并下发给网络设备。后两种分布式配置模式仍在加强中以更好地服务工业应用。3GPP目前支持完全集中配置模式，如图1所示。

TSN还引入了基于流的过滤和速率限制PSFP（Per-stream filtering and policing）以及帧抢占（Frame preemption）等技术以保证时间敏感数据流不会受到网络或终端异常所引起的拥塞的影响。

 

3GPP标准

3GPP 为了实现基于 5G 的工业通信和支持 TSN 开展了大量标准化工作：在 Release 15 中，为 5G NR 指定了超可靠和低时延通信（URLLC）；在Release 16中添加了对 TSN 的支持，并且在Release 17中进行了进一步增强。工业物联网（IIOT）的 5G 标准化工作包括了对在智能工厂环境中应用 TSN的理解，并且定义了 5G 特定功能以支持与 TSN 网络集成和交互。

3GPP Release 15引入了时延减少的方案，比如包括有效支持低时延应用的灵活的参数集、mini-slot和快速确认。同时，通过允许网络使用双收双发，可靠性也得到了提高，并且为在 5G NR 中启用 URLCC 而引入了新天线技术。这些方案本质上是对TSN特性的支持。

3GPP Release 16开始了NR IIoT的新研究，目标是5G和TSN网络的集成。比如以太网业务、TSN集成、进一步增强可靠性、灵活的上行调度、精确的时间同步以及对工业自动化流量类型的支持都包括在Release 16的研究范围内。Release 16的关键研究领域之一是进一步增强5G系统，以满足支持TSN的工业应用的需求。3GPP技术规范对5G系统的业务需求进行了描述，重点是提供新的设备功能，以支持时间同步和双连接。例如：根据需求规范，时间关键的工业应用场景可能要求延迟为1毫秒，包抖动为1微秒，可靠性要求为99.9999%。

3GPP Release 17进一步增强了对工业互联网特性的支持，例如扩展了对时间敏感通信的支持，增加了新的时间同步协议（IEEE1588），以及上行时间同步等。

爱立信是IEEE TSN引入5G标准化的主要贡献者。QoS保证无疑是将TSN集成到5GS的最重要的技术之一，爱立信在这方面的标准化工作中做出了重要贡献，例如TSN标准定义的参数和5G QoS参数映射，以及PSFP的应用等。时间同步是TSN的技术基础，爱立信在5GS支持TSN 时间同步协议IEEE 802.1 AS 方面做出了主要贡献。

 

爱立信观点

爱立信首席技术官Erik Ekudden认为，5G集成TSN技术对未来工业自动化至关重要。
TSN正在成为工业4.0融合网络的标准以太网技术。理解TSN特性的重要性和相关性，以及实现5G无线通信的确定性和时效性，对未来的工业自动化至关重要。

5G和TSN的结合，可以满足工业4.0的苛刻组网要求。5G集成TSN是爱立信的一个重要主题，爱立信认为5G和TSN的结合对于智能工厂来说是完美的，因为它提供了超高可靠性和超低时延的特性。也就是说，需要对这两种技术进行一定程度的集成，以提供端到端以太网连接来满足工业需求。

通过无线 5G 和有线 TSN 域的时间同步集成为工业端点提供了一个通用的参考时间。5G 还与特定部署中使用的TSN 工具集成，以提供确定的低时延。5G和TSN所能提供的分离的转发路径在提供端到端超可靠性和高可用性上是一致的。从根本上说，5G和TSN包括了工业自动化和高可用性联合部署所需的关键技术组件。

行业合作和应用探索

工业自动化领域目前正在经历数字化转型，也称为“工业4.0”。通信领域对这一转型的支持技术在有线领域是TSN，在无线领域是5G技术。5G 如何具备与 TSN 互通以实现工业自动化所需的所有基本功能就显得尤为重要。

5G 互联工业和自动化联盟（5G-ACIA）在这方面做了大量工作，并发布了相关白皮书。该白皮书除详细描述了 5G 如何具备与 TSN 互通以实现工业自动化所需的所有基本功能外，对引入 TSN 和 5G 无线通信为工业自动化带来的显着优势做了详细分析，例如，5G系统提供TSN服务以及和有线TSN网络互通，可以满足工业设备和网络部署的灵活性需求。作为 5G-ACIA 的创始成员之一，爱立信深入参与了白皮书的制定。

爱立信与很多行业领域的公司探索如何将5G和TSN结合并且使用到自动化工业生产中。其中，爱立信与 ABB 的合作探索了 5G 和 TSN的互通，以实现工业自动化的全面通信。双方正在合作并且研究此项技术，以确定 5G 如何与 ABB 的 TSN 集成并实现完美的时间同步。通过 5G 网络实现工业时间同步可以使网络设备在多个工厂现场完美地协同运行，达到灵活自动化生产的关键要求。

此外，爱立信一直致力于5G集成TSN的相关研究，开发的URLLC测试床，主要采用了3GPP Release 16及Release 17中TSN的相关功能。该测试床工作在FR2频段，采用上下行配比为1：1的TDD 帧结构；子载波间隔为120KHz，即时隙长度为0.125ms。采用这种上下行均衡，短时隙长度的配置，再结合相应的免调度、低码率高可靠MCS/CQI Table（Modulation and Coding Scheme/Channel Quality Indicator表格）等特性，无需采用mini-slot 等较为复杂的实现，即可提供高可靠、低时延的特性，例如RTT（Round Trip Time）可以在99.999%的情况下小于2ms。同时测试床分别在系统侧和UE侧引入了TSN-Translator（TT），即NW-TT和DS-TT，实现了对TSN时间同步协议IEEE 802.1 AS消息（如点对点同步SYNC和点对点时延请求DelayReq消息）的处理从而实现了5G系统作为TSN透明时钟的运行。UPF（User Plane Function）侧的NW-TT和终端侧的DS-TT需要精确同步到同一个时钟，通常采用5G系统（5GS）时钟。终端侧通过无线接口的SIB9消息同步。当PTP消息进入5G系统时，测试床会插入一个时间戳，当PTP消息离开5G系统时根据相应的时间戳计算驻留时间。驻留时间被添加到PTP消息内的CorrectionField字段。

除了在工业领域，爱立信对于TSN over 5G 在媒体制作领域的应用也进行了积极探索，例如如何在多摄像头的场景下，保证摄像机的帧同步，流媒体的数据包等等。

 

总结

如前所述，TSN是工业自动化领域的一个重要课题。在5G的支持下，无线技术提供了灵活的能力，使工厂能够响应对生产环境不断变化的需求。同时，通过5G技术低延迟高可靠和高数据量的能力，连接的设备比以往任何时候更多更快更可靠。因此，5G集成TSN将是实现工业自动化全面通信的重要解决方案。爱立信也会一如既往的在标准、工业合作和技术研究验证等方面，进一步推动5G集成TSN的发展和成熟。