5G與TSN聯(lián)手，將帶來(lái)怎樣的優(yōu)勢(shì)？

越來(lái)越多的應(yīng)用部署了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN)。但對(duì)基于5G的無(wú)線時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (WTSN) 來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在還為時(shí)尚早。WTSN可以將TSN引入到新的應(yīng)用中，例如移動(dòng)機(jī)器人、電網(wǎng)、化工廠、智慧城市和其他地理位置分散的應(yīng)用，以及無(wú)法連接到有線TSN網(wǎng)絡(luò)的汽車和運(yùn)輸系統(tǒng)（圖1）。WTSN將為T(mén)SN帶來(lái)革命性的新功能，并且提高TSN的部署靈活性、降低其安裝成本?；?G的WTSN已經(jīng)接近于可部署，但尚未成熟；市場(chǎng)仍在不斷發(fā)展并制定必要的標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件也正在開(kāi)發(fā)中。

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圖1：基于5G的WTSN可以將時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的使用范圍擴(kuò)展到無(wú)法采用有線TSN的新應(yīng)用。（圖源：wladimir1804/Stock.Adobe.com）

許多工業(yè)應(yīng)用需要快速、確定的通信來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為提高以太網(wǎng)的確定性，IEEE 802中增加了新的定義。第三代合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 第16版添加了對(duì)TSN協(xié)議集成的支持，以確保5G通信的低延遲，而正在制定的的第17版將強(qiáng)化5G對(duì)WTSN的支持。即將發(fā)布的IEC/IEEE 60802文件規(guī)定了TSN在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用，并就TSN所需的5G支持提供了指導(dǎo)方針。

除了3GPP、IEC和IEEE之外，還有多項(xiàng)工作也正在進(jìn)行，以便將5G與TSN相結(jié)合，構(gòu)建WTSN/TSN組合式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。歐盟資助的5G-SMART是由行業(yè)伙伴和研究機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟，旨在探索5G支持的智能制造概念（包括WTSN）。5G互聯(lián)工業(yè)和自動(dòng)化聯(lián)盟 (5G-ACIA) 也已確定5G必須具備何種條件才能與TSN互通，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化所需的各種基本功能。

IEEE 802.1 TSN標(biāo)準(zhǔn)包括四大領(lǐng)域：時(shí)間同步、有界延遲、可靠性，以及資源或網(wǎng)絡(luò)管理。本文將著眼于在這四大領(lǐng)域中每個(gè)領(lǐng)域如何對(duì)應(yīng)到5G，并探討5G如何推動(dòng)WTSN向新一代工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 發(fā)展。本文還將分析第16版、第17版和IEC/IEEE 60802中的現(xiàn)有與新興標(biāo)準(zhǔn)，并研究如何通過(guò)側(cè)行鏈路 (Sidelink) 實(shí)現(xiàn)無(wú)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備間直接通信，從而增強(qiáng)5G超可靠低延遲通信 (URLLC)。此外，本文還探討了無(wú)線電頻譜選項(xiàng)和部署選擇，例如公共/專用混合型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)。

5G時(shí)間同步

向基本5G服務(wù)的遷移，并沒(méi)有導(dǎo)致對(duì)無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的需求發(fā)生任何根本性變化，但WTSN對(duì)5G節(jié)點(diǎn)本地同步精度的要求會(huì)更加嚴(yán)格。電信業(yè)已將IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 標(biāo)準(zhǔn)化，以便支持毫秒級(jí)的同步要求。3GPP TS 23.501規(guī)范明確了如何將5G網(wǎng)絡(luò)集成到TSN同步網(wǎng)絡(luò)并支持WTSN。IEEE 1588中包含有關(guān)特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)的文件。其中的一項(xiàng)結(jié)果，是TSN標(biāo)準(zhǔn)中的IEEE 802.1AS通用PTP (gPTP) 文件，以及用于工業(yè)自動(dòng)化的TSN文件中定義的實(shí)現(xiàn)方式。

工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)將會(huì)受益于數(shù)秒內(nèi)即可完成的快速初始化和時(shí)間同步。此外，使用成本和振蕩器精度較低的現(xiàn)成網(wǎng)絡(luò)互連卡，也會(huì)成為一種可取的做法。與其他PTP實(shí)現(xiàn)方式使用的物理諧振（頻率對(duì)齊）技術(shù)相比，gPTP使用邏輯諧振技術(shù)，搭配路徑和設(shè)備延遲的實(shí)時(shí)測(cè)量，以便快速、準(zhǔn)確地對(duì)齊時(shí)間。

時(shí)間戳消息的交換，用于將時(shí)間從主時(shí)鐘傳遞給各種橋接和終端設(shè)備。與其他PTP實(shí)現(xiàn)方式不同，gPTP還使用時(shí)間戳消息計(jì)算頻率偏移，并在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

5G有界延遲

URLLC和側(cè)行鏈路是第17版中的關(guān)鍵特性，它們支持WTSN中的有界（超低和確定性）延遲。URLLC旨在確保數(shù)據(jù)延遲介于數(shù)十毫秒到1毫秒的具體范圍內(nèi)，同時(shí)確保應(yīng)用所要求的99%到99.999%理想可靠性水平。

如上所述，側(cè)行鏈路是一種新的通信范式，使5G設(shè)備無(wú)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，就能直接通信。在傳統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路中，資源和鏈路適配是由網(wǎng)絡(luò)集中控制的。而在側(cè)行鏈路中，每個(gè)設(shè)備都在本地執(zhí)行這兩種功能，從而更好地控制網(wǎng)絡(luò)資源的使用。即將發(fā)布的第17版預(yù)計(jì)將增加對(duì)側(cè)行鏈路中繼甚至多鏈路中繼的支持。隨著側(cè)行鏈路功能日益豐富，側(cè)行鏈路和URLLC的組合將越來(lái)越多地支持在IIoT中使用基于5G的WTSN（圖2）。

圖2：側(cè)行鏈路使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，就能直接通信，并有望將WTSN 5G深入拓展至IIoT。（圖源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

側(cè)行鏈路可以支持更加豐富的5G用例。例如在關(guān)鍵任務(wù)工業(yè)應(yīng)用中，將通信鏈路限制為一跳，可大幅降低延遲。公共安全網(wǎng)絡(luò)也可以受益于側(cè)行鏈路提供的設(shè)備間直接通信能力。在毫秒級(jí)的應(yīng)用中，側(cè)行鏈路可以將通過(guò)5G基站的兩跳通信轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備間的一跳直接通信。這可以顯著改善性能和延遲，因而側(cè)行鏈路是一項(xiàng)重大進(jìn)步。

未來(lái)，在IIoT網(wǎng)絡(luò)中使用的新一代側(cè)行鏈路多跳中繼將支持更低的功耗。多跳中繼是側(cè)行鏈路的一種潛在用例，它使用多個(gè)側(cè)行鏈路連接在設(shè)備間跳躍，從而克服鏈路預(yù)算限制。它甚至有望部分取代目前用來(lái)連接IIoT設(shè)備的藍(lán)牙和Wi-Fi鏈路。

融合網(wǎng)絡(luò)中的WTSN

即將出爐的IEC/IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)將為工業(yè)自動(dòng)化融合網(wǎng)絡(luò)的互操作性奠定基礎(chǔ)。這些融合網(wǎng)絡(luò)包括工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線通信（包括5G和/或Wi-Fi通信）。IEC/IEEE 60802是IEC SC65C/MT9和IEEE 802融合而成的，預(yù)計(jì)于2022年首次正式發(fā)布。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將包含有關(guān)TSN在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的信息，包括集成基于5G的WTSN的準(zhǔn)則。一旦發(fā)布，用于建構(gòu)TSN/WTSN網(wǎng)絡(luò)的各種組件都將采用IEC/IEEE 60802進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

IEC/IEEE 60802包含兩種設(shè)備類型——網(wǎng)橋和終端站。初期，該標(biāo)準(zhǔn)將分別為這兩種設(shè)備類型定義兩個(gè)類別：功能豐富的設(shè)備將被稱為A類；B類設(shè)備支持的功能相對(duì)較少。同一類別的設(shè)備將具有相同的強(qiáng)制與可選TSN/WTSN功能。

所有設(shè)備類型和類別都需要支持鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (LLDP) (802.1AB) 和時(shí)間同步。LLDP支持發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜袜従有畔?。在時(shí)間同步方面，A類設(shè)備至少支持三個(gè)時(shí)域，B類設(shè)備至少支持兩個(gè)時(shí)域。A類設(shè)備需要支持各種TSN功能，包括計(jì)劃流量、幀搶占、每流過(guò)濾和監(jiān)管、幀復(fù)制和可靠性消除 (FRER) 以及TSN配置，但這些對(duì)于B類設(shè)備來(lái)說(shuō)是可選的。

IEC/IEEE 60802的最終目標(biāo)是為工業(yè)自動(dòng)化提供結(jié)構(gòu)清晰的TSN/WTSN文件。該文件同時(shí)也具備一定的靈活性，可提供各種選項(xiàng)以支持融合網(wǎng)絡(luò)的部署，進(jìn)而將各種協(xié)議有效地融合到單一網(wǎng)絡(luò)中。

WTSN專用5G網(wǎng)絡(luò)

融合部署可能會(huì)在專用5G網(wǎng)絡(luò)（也稱為非公共網(wǎng)絡(luò) (NPN)）上首次實(shí)現(xiàn)。除了支持融合網(wǎng)絡(luò)，5G還提供了支持各種工業(yè)應(yīng)用需求的統(tǒng)一架構(gòu)，包括三大服務(wù)類別：連接密度高達(dá)每平方米100個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模機(jī)器類型通信 (mMTC)、峰值數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbps的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB)，以及延遲低至1毫秒、可靠性大于99.999%的URLLC。用戶可通過(guò)不同的選擇來(lái)優(yōu)化特定應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量 (QoS)。5G與4G或Wi-Fi等其他無(wú)線技術(shù)不同，能為關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用提供具有保證的服務(wù)質(zhì)量。

5G NPN的部署不限于許可頻段；它也可利用非許可頻段，例如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee和其他協(xié)議已經(jīng)使用的2.4GHz、5GHz和6GHz頻段。非許可頻段原則上是開(kāi)放共享的，而且已經(jīng)納入到部分4G-LTE網(wǎng)絡(luò)中。非許可頻段中的5G可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

獨(dú)立的非許可NPN完全在非許可頻段中運(yùn)行。預(yù)計(jì)5G的非許可運(yùn)行將以不提供公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并且專注于非關(guān)鍵用例的私人組織為主。它的主要吸引力之一，就是可以在無(wú)需昂貴的許可頻段的情況下部署。Multefire協(xié)議是4G在非許可頻段上對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。它使用先聽(tīng)后送 (LBT) 協(xié)議與同一頻段的其他頻譜用戶有效共存。如果沒(méi)有側(cè)行鏈路，獨(dú)立的非授權(quán)5G部署中可能就無(wú)法實(shí)現(xiàn)超低延遲的目標(biāo)。

結(jié)合使用許可和非許可頻段的NPN稱為許可錨點(diǎn)運(yùn)行。LTE與之對(duì)應(yīng)的功能是許可頻段輔助接入 (LAA)，其中非許可頻段用于對(duì)可用的許可頻段進(jìn)行補(bǔ)充。由營(yíng)運(yùn)商部署且需要額外性能的專用網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)將使用許可錨點(diǎn)運(yùn)行。

5G網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是網(wǎng)絡(luò)工程師在重點(diǎn)工業(yè)應(yīng)用中從5G獲益的另一種工具。網(wǎng)絡(luò)切片是5G的新概念，它能在單個(gè)物理基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)建多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)都可以根據(jù)特定應(yīng)用要求量身打造（圖3）。各種功能，例如業(yè)務(wù)流程、物流運(yùn)作和時(shí)間關(guān)鍵型流程和制造，都可以在專用的隔離網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于融合網(wǎng)絡(luò)和NPN而言會(huì)特別有用。

圖3：網(wǎng)絡(luò)切片可以在一個(gè)共同的物理基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)建多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)都根據(jù)特定應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化。（圖源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

網(wǎng)絡(luò)切片可成為資源及網(wǎng)絡(luò)管理的強(qiáng)大工具。例如，一個(gè)公共5G網(wǎng)絡(luò)可借此進(jìn)行分割，從而包含一個(gè)專屬于特定活動(dòng)的獨(dú)立專用5G網(wǎng)絡(luò)。5G NPN可滿足不同服務(wù)質(zhì)量需求的各種異質(zhì)工業(yè)通信的要求。一部分切片還可以專門(mén)用于非時(shí)間敏感通信，而其他切片可支持工業(yè)流程閉環(huán)控制所需的中等服務(wù)質(zhì)量。此外，還可創(chuàng)建專用切片，以提供移動(dòng)機(jī)器人等實(shí)時(shí)通信所需的高服務(wù)質(zhì)量。

網(wǎng)絡(luò)切片可用于改善計(jì)算、存儲(chǔ)和一般網(wǎng)絡(luò)資源的管理，從而有效提高組織的整體資源利用率。它還可針對(duì)安全、隱私、訪問(wèn)級(jí)別等要求量身打造特定切片的策略。

結(jié)語(yǔ)

基于5G的WTSN將為T(mén)SN帶來(lái)革命性新功能，但就其部署而言，仍言之過(guò)早。一旦時(shí)機(jī)來(lái)臨，時(shí)間同步、有界延遲、側(cè)行鏈路和跨設(shè)備類別的互操作性等功能將有助于加速基于5G的WTSN的部署。它能支持融合網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)切片，從而改善資源分配和網(wǎng)絡(luò)管理。而基于5G的WTSN將提高部署靈活性，降低TSN的安裝成本。

作者簡(jiǎn)介

Jeff是Jeta電力系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司是一家被Computer Products公司收購(gòu)的大功率開(kāi)關(guān)電源制造商。Jeff還是個(gè)發(fā)明家。他在熱能收集和光學(xué)超材料領(lǐng)域擁有17項(xiàng)美國(guó)專利。他是業(yè)內(nèi)知名人士，經(jīng)常就電力電子領(lǐng)域的全球趨勢(shì)發(fā)表演講。他曾受邀在許多行業(yè)活動(dòng)上發(fā)表演講，包括IEEE應(yīng)用電力電子會(huì)議全會(huì)、Semico West、全球半導(dǎo)體聯(lián)盟新機(jī)遇會(huì)議、IBM電力和冷卻研討會(huì)以及Delta Electronics全球電信電力高級(jí)員工研討會(huì)。Jeff擁有加州大學(xué)戴維斯分校的定量方法和數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。他在電力電子、電子元器件和其他技術(shù)主題方面有著30多年的寫(xiě)作經(jīng)驗(yàn)。他從擔(dān)任《EETimes》雜志的高級(jí)編輯時(shí)就開(kāi)始撰寫(xiě)電力電子方面的文章。他創(chuàng)辦了《Powertechniques》，這是一本有關(guān)電力電子設(shè)計(jì)的雜志，每月發(fā)行量超過(guò)3萬(wàn)份。隨后，他又創(chuàng)立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發(fā)布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區(qū)提供每日新聞。Jeff曾編寫(xiě)過(guò)一本開(kāi)關(guān)電源教科書(shū)《Power Supplies》，由普倫蒂斯霍爾出版社的雷斯頓分部出版。