5G和TSN結合是未來智能工廠的需求【連載4】
http://www.debgrams.com 2020-06-21 16:55 來源：CC-Link協會
5G與TSN為何能夠融合？我們前一篇連載中已有了一些了解。
連載回顧
--5G和TSN為何能夠整合？取決于這些特點與基礎【連載3】
--TSN與5G技術有效整合，將為工業領域應用提供無限可能【連載2】
從前述的相關文章中我們知道，5G URLLC功能提供了與TSN功能的良好匹配，因此，在實際應用中，我們可以將這兩項關鍵技術進行整合和集成，以提供端到端的確定性連接。
例如在工業自動化領域，我們可以在輸入/輸出（I / O）設備之間以及設備與云端的邊緣控制器之間傳送數據和指令。 這種整合和集成不僅僅包括對必要的基本橋接功能的支持，還包括5G對TSN附加組件的支持。
咱們用圖來解釋：
通過上圖，我們可以看出，由5G構成的那部分網絡，在整個網絡中是作為一組TSN橋的形式出現的——如圖所示，一個用戶面功能（UPF）一個虛擬橋，在這個 5G網絡內部包括TSN轉換程序（TT）的功能，這一功能使5G在用戶面和控制面都能夠適用于TSN。而對于整個網絡而言，其他TSN橋接網絡也可以將這個5G網絡也看作一個TSN橋接網絡，其內部過程是被隱藏的。
5G通過TT功能提供TSN橋接網絡的輸入輸出端口操作，例如，TT功能支持保持和轉發功能以消除抖動。上圖使用了帶有兩個PDU會話的兩個用戶設備（UE）示例來說明這一功能，這兩個PDU會話支持兩個相關的TSN流以實現冗余。但是在實際使用中，可能只使用了一個具備雙連接功能的物理設備，該設備在5G RAN中連接了兩個PDU會話。圖中的示例說明了5G連接終端和橋接網絡的情況；同樣的，5G系統也可以連接橋接網絡。
5G系統支持控制和管理工業網絡所需的LLDP功能，例如拓撲發現和5G虛擬網橋等功能。同時，5G系統還需要適應橋接網絡中使用的環路防止方法，該方法可以完全由SDN控制，而無需LLDP以外的任何分布式協議。
5G支持時間敏感網絡
通過在TSN和5G域上應用FRER，可以提供端到端的超可靠性，這要求兩個域上FRER端點之間的路徑不相交，如上圖所示。
在以上示例中，我們可以看到，5G 用戶設備（UE）配置為建立兩個PDU會話，這兩個會話在5G網絡用戶面上是冗余的。3GPP的機制涉及到對CN和RAN節點（UPF和5G基站（gNB））的選擇，以使兩個PDU會話的用戶面路徑不相交。RAN可以使用雙連接特性來提供不相交的用戶面路徑，在這種情況下，單個UE可以通過兩個RAN節點在空中接口發送和接收數據。
對于配備多個UE的設備，也可以使用其他冗余（包括UE冗余），FRER端點在5G系統之外，這意味著5G系統不需要自己指定FRER功能。而且，邏輯結構并不限制實施方案，包括使用同一個物理設備作為終端站和UE。
對于TSN來說，只有當資源管理為沿整個路徑的每個躍點分配網絡資源時，才能滿足TSN流的要求。與TSN配置（802.1Qcc）相一致，這也是通過5G系統和集中式網絡配置（CNC）之間的交互來實現的（請參見上圖）。5G系統和集中式網絡配置之間的接口允許后者學習5G虛擬網橋的特性，并允許5G系統根據從集中式網絡配置接收的信息建立具有特定參數的連接。
有限的延遲時間需要來自5G系統的延遲時間一定是確定的，就像TSN和5G域上的QoS校正一樣。需要注意的是，5G系統可以在組件之間提供直接的無線躍點，否則這些躍點則需要通過傳統工業有線網絡中的多個躍點進行連接。無論如何，對于5G來說最重要的因素是需要提供確定性的延遲時間，只有這樣，集中式網絡配置（CNC）可以發現和利用5G系統所支持的TSN功能。
在5G虛擬網橋充當TSN網橋時，5GS會根據流量整形（802.1Qbv）模擬時控分組傳送。對于5G控制面而言，5G系統應用功能（AF）中的TT從CNC接收TSN流量類別的傳輸時間信息。在5G用戶面中，UE的TT和UPF的TT可以相應地調節基于時間的分組傳輸。TT內部細節還需要3GPP來規定。例如，每個流量類別的播控（去抖動）緩沖區可以是一種解決方案。AF和策略控制功能（PCF）則將不同的TSN流量類別映射到不同的5G QoS標識符（5QI），作為兩個域之間QoS校正的一部分，并根據其QoS要求對不同的5QI進行處理。
時間同步
時間同步是所有移動數據網絡中的關鍵組成部分（上圖中藍色的5G系統時鐘所示）。在5G-TSN混合的工業網絡中提供時間同步是完全全新的方法，在大多數情況下，無論TSN橋接網絡是否將其用于內部操作，最終設備都需要一個參考時間，并且，如果其他網橋也使用基于時間的TSN功能（例如流量整形（802.1Qbv）），那么，它們也需要參考時間。上圖中藍色時鐘表明網橋和終端站都是時間同步的。
從之前的文章中，我們可以知道，在實際使用中，基于TSN的工業自動化系統往往使用IEEE802.3AS所定義的廣義的精確時鐘同步系統（ gPTP）作為默認的時間同步解決方案，因此5G系統需要與所連接的TSN網絡的gPTP互通。這時，5G系統可以作為虛擬的gPTP時間感知系統，并支持通過5G用戶面TT在終端站和網橋之間轉發gPTP時間同步信息，并且還考慮了在時間同步過程中5G系統的停留時間。在一些特殊的情況下，5G系統時鐘可以充當主時鐘時，不僅為5G提供參考時間，而且還為整個系統中的其他設備（包括連接的TSN橋和終端站）提供參考時間。
對于分布范圍廣泛的網絡系統而言，目前我國的北斗系統已經能夠提供納米級別的時間同步，相信未來這也不失為工業網絡系統時間同步的一個方式。
總體而言，當前已經完成和未來即將完成的5G標準解決了5G-TSN集成所需的關鍵方面。
5G和TSN的結合是未來智能工廠的需求
5G和時間敏感網絡TSN相結合可以滿足工業4.0的苛刻的網絡要求。5G-TSN集成也是未來工業網絡應用重要的議題之一。我們從以上的介紹中可以看出，5G和TSN的結合極其適合智能工廠，因為這二者都具有高可靠性和低延遲性。也就是說，在未來的實際使用中必將會將兩種技術集成并應用，為用戶提供端到端的網絡解決方案，以滿足工業需求。
通過無線5G和有線TSN域而集成的時間同步為工業網絡點對點的傳輸應用提供了參考時間。5G還集成了工業應用中使用的TSN工具，并提供超可靠的低延時特性。5G和TSN網段在不相交的轉發路徑可以保證端到端傳輸的超可靠性和高可用性。
因此，我們可以說，從根本上講，5G和TSN包括工業自動化場景中的聯合應用所需的關鍵技術，并且具有極高的可用性。
CC-Link IE TSN在追隨無線技術和時間敏感網絡的發展上，也將步步緊趨，目前也正積極參與無線技術的探索與研究，或將在不久推出了相關無線模塊，隨著移動網絡對于超低延時性的進一步支持，必定也將逐步跟隨智能工廠工業網絡的腳步而不斷完善。
編輯精選
