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繼續(xù)TSN技術(shù)科普連載

前情回顧：

TSN與5G技術(shù)有效整合，將為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用提供無(wú)限可能【連載2】

TSN與5G將擦出怎樣的火花？【連載1】

通過(guò)上一篇↑文章的介紹，相信大家已經(jīng)了解到

5G能夠整合TSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域

5G技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，是具有顛覆性的技術(shù)變革

它的諸多特性突破了過(guò)去移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)界限

也為移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)帶來(lái)了更加廣闊的應(yīng)用空間和更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景

今天

我們不妨在這里探究一下

5G和TSN能夠整合的技術(shù)特點(diǎn)和基礎(chǔ)

先上圖，后邊咱們掰開(kāi)揉碎了慢慢講

5G的技術(shù)特點(diǎn)

1、5G的低延時(shí)性

5G技術(shù)引入了5G 無(wú)線接入網(wǎng)（5G RAN）功能，5G RAN及其5GNR（5G New Radio）接口包括一些功能，可實(shí)現(xiàn)特定數(shù)據(jù)流的低延遲。

比如，NR使無(wú)線子幀中的時(shí)隙更短，這有利于低延遲應(yīng)用。NR還引入了mini-slots，在這里可以啟動(dòng)優(yōu)先傳輸，而無(wú)需等待時(shí)隙邊界，進(jìn)一步減少了延遲。由于使用了優(yōu)先權(quán)，并能更快速的無(wú)線接入U(xiǎn)RLLC，NR引入了搶占機(jī)制——URLLC數(shù)據(jù)傳輸可以搶占正在進(jìn)行的非URLLC傳輸。另外，由于NR使用了非常快速的處理，輕易實(shí)現(xiàn)了在短延遲范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)重傳。

2、5G的無(wú)線資源管理

無(wú)線資源管理 Radio Resource Management（RRM）：是在有限帶寬的條件下，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)線用戶(hù)終端提供業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。其基本出發(fā)點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，靈活分配和動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)線傳輸部分和網(wǎng)絡(luò)的可用資源，最大程度地提高無(wú)線頻譜利用率，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞和保持盡可能小的信令負(fù)荷。

5G NR上在RRC支持三種狀態(tài)，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED，這和3G/4G并不相同，相較于4GLTE只有RRC IDLE和RRCCONNECTED兩種RRC狀態(tài)，5G NR引入了一個(gè)新?tīng)顟B(tài)——RRC INACTIVE。在RRC INACTIVE狀態(tài)下，終端處于省電的“睡覺(jué)”狀態(tài)，但它仍然保留部分RAN上下文（安全上下文，UE能力信息等），始終保持與網(wǎng)絡(luò)連接，并且可以通過(guò)類(lèi)似于尋呼的消息快速?gòu)腞RC INACTIVE狀態(tài)轉(zhuǎn)移到RRC CONNECTED狀態(tài)，且減少信令數(shù)量。

5G的這一設(shè)計(jì)就是為了滿足萬(wàn)物互聯(lián)和超低延時(shí)的需求：

1）在5G的規(guī)劃中網(wǎng)絡(luò)需要連接大量的依靠電池供電的終端，降低設(shè)備功耗成為使用的關(guān)鍵。

2）對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)型的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，要求超低的時(shí)延，在任務(wù)觸發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)包必須快速的傳送到網(wǎng)絡(luò)或終端。

3）在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，大量的設(shè)備零星傳送少量的數(shù)據(jù)，會(huì)帶來(lái)過(guò)高的信令開(kāi)銷(xiāo)。

為了滿足以上三點(diǎn)：降低用戶(hù)設(shè)備功耗；快速接入，降低時(shí)延；同時(shí)還要減少信令開(kāi)銷(xiāo)， 5G引入了RRC INACTIVE狀態(tài)。這樣，5G的無(wú)線資源管理也更有利于實(shí)時(shí)的周期性數(shù)據(jù)傳送。

3、5G的高可靠性

5G定義了超魯棒傳輸模式，以提高數(shù)據(jù)無(wú)線信道和控制無(wú)線信道的可靠性。并通過(guò)各種技術(shù)進(jìn)一步提高可靠性，例如多天線傳輸、多載波和獨(dú)立無(wú)線鏈路上的分組復(fù)制等。

4、5G的時(shí)間同步

時(shí)間同步作為5G蜂窩無(wú)線系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要部分被嵌入到5G蜂窩無(wú)線系統(tǒng)中，這早已經(jīng)是之前蜂窩網(wǎng)絡(luò)的普遍做法。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組件本身也是時(shí)間同步的，例如，可以通過(guò)精密時(shí)間協(xié)議的電信配置行規(guī)（ITU-T G.8275.1 支持網(wǎng)絡(luò)定時(shí)的相位/時(shí)間同步精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議電信行規(guī)）來(lái)完成。而這則為時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用程序打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除了5G RAN功能外，5G系統(tǒng)（5GS）還在核心網(wǎng)絡(luò)（CN）中提供以太網(wǎng)和URLLC的解決方案。5G CN支持本地以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話。5G能協(xié)助通過(guò)5GS（包括RAN、CN和傳輸網(wǎng)絡(luò)）建立冗余用戶(hù)面路徑。5GS還允許冗余用戶(hù)面分為RAN和CN節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，也允許冗余用戶(hù)面分為UE和RAN節(jié)點(diǎn)。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的協(xié)議特點(diǎn)

我們?cè)谥暗南盗形恼轮幸呀?jīng)詳細(xì)了解了TSN的協(xié)議特點(diǎn)（往期系列連載會(huì)放文末），我們?cè)谶@里回顧一下，也便于和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做一個(gè)初步的比較：

1、調(diào)度和流量整形

調(diào)度和流量整形為關(guān)鍵幀保留資源，允許在同一網(wǎng)絡(luò)上具有不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流共存——而這些數(shù)據(jù)能夠各自根據(jù)需要適應(yīng)帶寬和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，已滿足網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)需求。為了充分利用帶寬和減少延時(shí)，TSN還使用了時(shí)間片、保護(hù)帶和幀搶占機(jī)制。

2、資源管理

資源預(yù)約和分配是網(wǎng)絡(luò)保證服務(wù)質(zhì)量的前提。TSN網(wǎng)絡(luò)中有兩種類(lèi)型的服務(wù)質(zhì)量保證，一是帶寬預(yù)約流量，一種是周期性的時(shí)間敏感流量。為保證這些流量的服務(wù)質(zhì)量，一方面需要在包含網(wǎng)絡(luò)接口適配器和交換機(jī)的端到端路徑上進(jìn)行資源預(yù)留，另一方面需要TSN網(wǎng)絡(luò)接口適配器對(duì)預(yù)約資源流量進(jìn)行整形和過(guò)濾，避免其他正常流量產(chǎn)生影響。因此，TSN網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)適配器上的資源進(jìn)行相應(yīng)的集中式配置。

TSN資源管理由TSN配置模型（802.1Qcc）定義：集中式網(wǎng)絡(luò)配置可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)橋），而集中式用戶(hù)配置可應(yīng)用于用戶(hù)設(shè)備（終端站）。所有的集中配置模型均遵循軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。

3、時(shí)間同步

在大多數(shù)情況下，TSN使用IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘分配，利用以太網(wǎng)幀來(lái)分配時(shí)間同步信息，這一時(shí)間協(xié)議為T(mén)SN帶來(lái)了可靠的時(shí)間同步，并可以供給其他TSN工具使用

4、可靠性

TSN通過(guò)IEEE802.1BC所定義的“為提高可靠性而進(jìn)行的幀復(fù)制和消除（FRER）”技術(shù)，在“數(shù)據(jù)包”級(jí)別為數(shù)據(jù)流提供了超高可靠性，這一機(jī)制大大提高了TSN的可靠性，從而也帶來(lái)了高可用性；TSN還通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中互不相交的路徑上傳輸相同數(shù)據(jù)包的多個(gè)副本的方式，來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕煌瑫r(shí)，在TSN中，流過(guò)濾和流管理（802.1Qci）則通過(guò)防止帶寬沖突、故障和惡意行為來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

通過(guò)上述文字和兩幅圖，我們能夠看到5G技術(shù)尤其是URLLC其實(shí)是具有支持TSN的能力，因此，伴隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以拭目以待，在不久的未來(lái)，5G一定能夠充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，和TSN一起在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。