5G+TSN:工业互联网的助推器

7月3日,国际组织3GPP宣布5G R16标准冻结,标志着历经两次延期、暌违半年之久的5G第一个演进版本标准终于完成了。

在我们的理解中,5G是为智能手机或平板电脑等消费设备提供了更快的网速,实际上工业才是发挥其最核心价值的领域。5G的三个关键性能指标分别是:更快的峰值速率(增强移动宽带,eMBB)、连接数密度(大规模机器通信,mMTC) 和更低的延迟(超可靠低延迟通信,URLLC)。URLLC则是5G在工业领域发挥重要作用的助推器。

R15规范主要侧重于eMBB用例,而R16 则更侧重于URLLC,旨在扩展5G支持的功能并提高现有功能的效率。

作为R16的“亲儿子”,uRLLC增强的主要适用场景包括无人驾驶汽车、工业互联及自动化、交通安全和控制、远程制造、远程培训、远程手术等,要求极低时延和高可靠性。这一特性为5G在垂直行业的巨大市场奠定了基础,而工业互联网将在5G应用拓展方面占据至关重要的地位。

5G

工业界在5G发展初期就已经看到了5G在工业领域的巨大潜力。5G可以为工业控制系统和数据流量提供低延迟和超可靠的确定性功能,其无线技术可以为整个工业制造设施和工厂提供系统连接的灵活性。5G应用场景贯穿了工业制造的全过程,覆盖了供应链管理、AGV、生产过程控制、机器协作、库存管理、产品交付管理等各个环节。

5G定义了超健壮的传输模式,提高了数据和控制无线电信道的可靠性,并将时间同步嵌入了5G蜂窝无线系统中,作为其运行的重要组成部分。5G引入了针对低延迟和资源管理的重定义方案以提供超高可靠性和低延迟。

5G将开启一个全新的时代,也将为工业互联网的发展注入新动能。

TSN

随着工业4.0的推进以及工业互联网的发展,传统以太网不再能满足市场需求。TSN是一组基于以太网的新一代网络标准,允许通过802网络实现时间同步的低延迟流服务。通过标准以太网,TSN创建了分布式、同步化、实时系统的机制。这些系统使用相同的基础架构来提供实时控制并传达所有标准IT数据,从而为控制、测量、配置、UI和文件交换基础架构的融合提供动力。通过基于时间定义队列,TSN可确保通过交换网络的流量具有有限的最大延迟。

TSN并非涵盖整个网络,TSN其实指的是在IEEE802.1标准框架下,基于特定应用需求制定的一组 "子标准" ,旨在为以太网协议建立 "通用" 的时间敏感机制,以确保网络数据传输的时间确定性。因为隶属于IEEE802.1下的协议标准,TSN仅仅是关于以太网通讯协议模型中的第二层,也就是数据链路层(更确切的说是MAC层)的协议标准。TSN将会为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。

IHS Markit预测,从2019年到2030年,工业自动化中TSN的竞争格局有望扩大,Cisco、Intel等IT公司都有望入局TSN市场,这可能会促使IT公司与工业自动化供应商之间进一步合作。

5G+TSN,工业互联网的助推器

作为移动通信的5G,拥有极短的网络延时,能够与TSN共存并解决工业生产的主要需求,充分发挥5G的灵活性和TSN的极低延迟性。例如,有效减少电缆铺设、移动设备广泛应用等。

将传感器、执行器等工业设备以无线方式连接到TSN网络,5G是非常合适的解决方案。与4G相比,5G的新功能,尤其是无线接入网(RAN),提供了更好的可靠性和传输延迟。而且,新的5G系统架构能够灵活地部署,可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。将5G和TSN集成能够提供最优的解决方案,满足工业控制中点对点的控制所需的无缝连接和高稳定性。

5G具有灵活的上行链路调度和精确的时间同步,这将加强进一步5G对TSN流量的支持。通过在所有架构节点之间实现时间同步,将新兴的IEEE 802.1 TSN标准整合到5G网络中将进一步巩固工业互联网的发展。

TSN-over-5G的关键技术包括基于5G系统的TSN同步、基于5G系统的TSN以太网运行、5G超可靠低延迟(URLLC)传输技术(尤其针对低延迟循环数据流)和5G点对点服务质量(QoS)管理及智能调度程序算法。

(图源:爱立信)

此外,在5G网络上融合TSN服务,关键的问题就是5G网络与TSN的互通。为了在5G上支持加载TSN服务,需要进一步增强无线接入网络和核心网络。通信设备商、运营商、芯片厂商等产业链各个环节也需要携手增强无线接入网络和核心网络,让5G网络更好地支持TSN服务。

3GPP针对TSN的活动

在3GPP的R15标准中,进一步减少了延迟,并在5G新空口中使能URLCC的新天线技术,从而为5G与TSN的集成建立了基础,并提高了可靠性。

而在 R16中,3GPP对5G NR工业互联网IIoT进行了新的研究,目标正是5G和TSN网络的集成,进一步增强可靠性、上行链路调度的灵活性、精确的时间同步以及对工业自动化的支持。

版本16中的关键领域之一是进一步增强5G系统以满足TSN支持的工业应用的要求。例如3GPP技术规范22.261中对5G系统的服务要求所述,重点是提供新的设备功能以支持时间同步和双重连接。根据需求规范,对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到1 ms的延迟、1微秒的抖动和99.9999%的可靠性。

TSN over 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求。预计3GPP R17将继续开展更多工作。

5G+TSN产业生态

2018年,在德国电气和电子制造商协会(ZVEI)上,5G产业自动化联盟(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)正式成立,旨在推动5G在工业生产领域的落地,确保5G从运用之初即具备相应产业能力。传统自动化和制造业的代表,以及信息和通信技术行业的领先企业,例如博世(Bosch)、西门子(Siemens)、德国电信(DT)、沃达丰(Vodafone)、中国移动、华为、诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)等都是5G-ACIA的成员,可见5G在工业领域的应用前景十分广阔。

下面介绍一下目前5G+TSN技术的产业应用。

高通、博世

2019年11月,博世和高通在德国纽伦堡的智能生产解决方案(SPS)交易会上展示了通过实时5G网络使用TSN的工业设备。博世工业自动化部门博世力士乐(Bosch Rexroth)已在SPS上安装了高通的两台工业测试设备,通过5G测试网络运行TSN同步。该网络在3.7-3.8 GHz频段内运行,指定用于德国的区域和本地网络。

用户可以通过无线连接查看以时间同步方式运行的两个工业设备,TSN和5G的组合可以实现精确的同步,无需有线连接。博世力士乐展示了他们新的ctrlX AUTOMATION解决方案,其中两个ctrlX CORE控件通过使用Qualcomm®5G工业测试设备的5G测试网络实时交互。

英特尔

英特尔联合博世采用英特尔5G原型解决方案建立了TSN-over-5G早期概念验证项目。这一概念验证包括了用户设备(UE)、无线电接入网(RAN)及核心,可直接与博世的TSN兼容可编程逻辑控制器(PLC)终端配合,验证技术可行性,并展示关键的IIoT用例。

在这一项目中,英特尔与博世成功展示了TSN IIoT的典型用例,该用例目前通过工厂的有线基础设施进行支持,第一和第二PLC采用开放平台通信(OPC)统一架构(UA)协议开放标准进行5G通信,主要实现移动角度控制和高速旋转轮速度同步。具体来说,PoC项目展示了基于5G系统的TSN同步,其定时误差远低于1微秒,时间关键动作控制指令的单向延迟最多只有4毫秒。英特尔的3.7 GHz 5G原型系统还可同时进行4K超高清视频流直播。

这一项目是首批展示5G NR pre-Rel-16 TSN-over-5G功能的项目之一,包括在5G系统下的基于802.1AS的同步和基于802.1Qbv的关键数据包的时间感知送达。这一合作项目的另一项成果是,支持URLLC 和E2E QoS的5G高级调度程序可以满足确定性时间关键数据包送达的要求。此外,项目还实现了微秒级时间同步、毫秒级最差延迟和“5个9”的可靠性。该项目通过5G无线连接性为重新配置、可拓展型、可移动性提供了完全的灵活性。

爱立信

爱立信正在与ABB合作探索5G与TSN的互通性,研究5G如何通过完美的时间同步与ABB的TSN集成,这是4G功能无法做到的。通过5G网络进行工业时间同步,可以使网络设备在多个工厂站点之间完美地统一运行,这是灵活自动化生产的关键要求。

目前,两家公司已经在快速跟踪新一代智能工厂技术的引进,爱立信在爱沙尼亚塔林的制造工厂中部署了智能自动化系统。ABB正在为5G无线电的最终组装提供全自动的灵活机器人单元解决方案。在2019年汉诺威工业博览会上,爱立信和ABB展示了灵活的机器人技术、无线技术、5G、工业物联网和运动控制方面的最新和最具创新性的技术,展示了他们如何实现“未来工厂”。

诺基亚

2019年10月,诺基亚推出用于5G Cloud RAN的1830时间敏感型分组交换机(TPS),通过为移动前传启用基于分组的传输,降低了Cloud RAN部署的成本和复杂性。新的交换机系列支持现有和新的无线接口协议,统一了4G和5G网络的移动传输。

  • 诺基亚1830 TPS系列交换机能够帮助移动网络运营商经济高效地过渡到5G Cloud RAN,与前传解决方案相比成本节省高达50%。
  • 支持TSN,这对于支持5G互联中的时延敏感服务至关重要。
  • 新的交换机增强了诺基亚Anyhaul产品组合,这是业界最广泛的传输解决方案,能够帮助运营商部署最佳的传输技术组合,满足其独特的网络和业务对端到端5G的需求。

总结

总体而言,5G和TSN相结合可以满足工业4.0苛刻的网络要求。由于二者都具有高可靠性和低延迟性,将两者结合在一起非常适合智能工厂应用,也就是说,在未来的实际使用中,两种技术的集成和应用势在必行。5G和TSN集成将是未来工业网络应用的重要方向之一。

参考:
https://www.ericsson.com/en/blog/2018/12/5g-meets-time-sensitive-networking
https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/202001/Documents/3_JanosFarkas_BalazsVargas.pdf
https://www.5gradar.com/features/discover-why-tsn-is-vital-for-5g-powered-iiot
https://www.arcweb.com/blog/could-5g-nr-tsn-mean-end-industrial-ethernet-we-know-it
https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/ericsson-technology-review/articles/5g-tsn-integration-for-industrial-automation
https://www.sohu.com/a/321400282_120066730


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kk_wu 发表于20-08-05
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