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　　數據產生的價值遠遠大于全球貨物貿易價值

　　——麥肯錫《數字化全球》（2016）

　　在數字化轉型時代，工業通信如何保持領先地位？在這里，我們揭示了5G和時間網絡（TSN）的集成如何幫助開發未來的智能工廠。

　　工業自動化行業正在經歷數字化轉型，也稱為工業4.0。將物理生產世界連接到數字，可以通過更好的自動化系統的可觀察性、控制和規劃來提供靈活性和效率提升。互連多臺機器、設備、云和人員，使信息可以從工廠的任何地方訪問。由此產生的流程和資產的完全透明性將生產工廠轉變為網絡物理生產系統。通過采用云計算、擁抱數字孿生以及在管理和控制中應用人工智能等新范式，智能制造成為可能。

　　這種轉變的通信技術推動者是有線的TSN和無線的5G。這兩種技術都旨在為各種服務在通用網絡基礎設施上提供融合通信，包括需要確定性、可靠和低延遲通信的時間敏感型應用。

　　5G互聯工業和自動化聯盟（5G-ACIA）剛剛發布了一份白皮書，描述了5G如何具有與TSN互通以實現工業自動化所需的所有基本功能。通過引入TSN和5G無線通信，可以為工業用例帶來顯著的好處，例如由于工業設備和網絡部署的靈活性增加。這需要5G為以太網-TSN通信服務提供強大的支持，并與有線TSN網絡互通。

　　工業用例

　　面向未來的工業網絡由三個連接級別組成，如圖1所示。

　　運營技術（OT）機房主機集中控制和管理功能所在，它還可以托管企業邊緣云。在本地機器和單元級別，位于多臺機器和生產單元。每臺機器/單元都配備了現場設備（例如傳感器或執行器），并且可能具有本地可編程邏輯控制器（PLC）。TSN主干網為中央管理級別和本地機器級別提供傳輸服務。連接服務可以在多臺本地計算機之間，也可以在中央管理級別和本地計算機之間。

　　機器/機器人配備了由PLC控制的現場設備。PLC和現場設備之間的實時通信如圖1所示，其中流C表示控制器到設備（C2D）通信，例如運動控制或閉環控制應用需要這種通信。當多臺機器/機器人執行協同任務時，需要協調不同機器的PLC。控制器之間的通信稱為控制器到控制器 （C2C） 通信，如圖 1 中的流 B 表示。C2D 和 C2C 通信非常關鍵 還有其他流量類型，它們對時間不敏感，例如用于監控、數據收集和分析。如圖 1 流 A 所示，這種類型的通信稱為設備到計算 （D2Cmp） 通信，通常在整個生產設施中進行，例如在現場設備和中央房間或企業邊緣云的計算機/服務器之間。

　　在具有TSN支持的融合網絡基礎設施的工業4.0生產環境中，控制應用不再綁定到現場級別的本地網段;它們幾乎可以位于工廠的任何地方。例如，圖 1 中的流 D 說明了機器/單元#N中的現場級設備由位于邊緣云中的虛擬化 PLC 控制。機器/單元#N的PLC可以通過流E與其他虛擬化PLC通信，從而在邊緣云中實現C2C通信。

　　TSN：基于以太網的融合工業通信

　　TSN是IEEE 802指定的一組標準，使以太網網絡能夠為時間敏感和/或任務關鍵型流量和應用提供QoS保證。TSN是一個工具箱，包括四類工具：資源管理，流量整形，可靠性和時間同步。每個類別都包含多個工具選項。例如，資源管理基礎和配置模型由 IEEE 802.1Qcc 標準定義。在完全集中式配置模型中，集中式網絡配置 （CNC） 可以應用于網絡設備（網橋），集中式用戶配置 （CUC） 可以應用于用戶設備（終端站）。TSN通過各種排隊和流量整形技術保證關鍵數據的確定性延遲，例如計劃流量（IEEE 802.1Qbv）和以太網幀搶占（IEEE 802.3br和IEEE 802.1Qbu）。

　　超可靠性由幀復制和消除可靠性 （FRER） （IEEE 802.1CB） 提供，其中數據流通過網絡中的不相交路徑與多個副本一起傳輸。每流過濾和管制 （IEEE 802.1Qci） 通過防止帶寬違規、故障和惡意行為來提高可靠性。廣義精確時間協議 （gPTP） （IEEE 802.1AS） 是用于網橋和終端站時間同步的 TSN 工具。

　　基于TSN的工業通信網絡是一種融合網絡，允許混合各種流量類型。服務要求范圍從盡力而為的流量到關鍵的實時流量。TSN允許在公共網絡上運行的許多不同服務的融合，同時仍然具有確定時間關鍵型服務優先級并為其提供確定性通信性能的工具，從而實現C2C和C2D用例。5G-ACIA 白皮書列出了不同流量類型的 TSN 功能使用示例（表 1）。

　　工廠中的 5G-TSN 部署

　　通過對TSN的標準化支持，5G系統在工廠部署時被視為一組符合IEEE標準的虛擬以太網-TSN網橋。5G系統由5G核心網和無線接入網組成。5G 用戶平面功能 （UPF） 是有線網絡的網關，無線接入網絡跨越生產工廠，為移動設備提供無線連接。TSN轉換器（TT）功能可實現5G和有線TSN網絡之間的互通。在控制平面上，5G 網橋提供與 TSN 網絡的 CNC交互的管理功能（5G TSN 應用功能 （AF））。

　　5G可以通過在前面描述的三個網絡級別提供通信服務來支持上一節所述的各種工業用例，如圖2所示。

　　如圖 1 所示，機器/單元 #2 說明了 5G-TSN 集成場景，其中 5G 虛擬網橋在工業 TSN 骨干網中使用。機器/單元#1可以使用5G用戶設備（UE）而不是電纜連接到骨干網。如圖5所示，2G互連機器/單元，流B，并通過“UE-to-UE”通信提供C2C通信，即從一個UE通過5G網絡回到另一個UE的通信。

　　在機器/單元的本地段內，傳感器/執行器可以通過現有的有線網絡連接到PLC（如圖2中的流C所示）;TSN和傳統現場總線協議都可以在機器/單元中使用。對于D2Cmp，圖2中的非時間敏感數據流A首先通過機器/單元#5內的有線網絡從現場設備傳輸到1G UE，然后通過5G無線連接進一步傳輸到中央機房的后端服務器或邊緣云。連接到PLC的UE也可以通過骨干網與其他PLC通信，實現流B所示的C2C通信。

　　機器/單元#2描述了一個集成示例，其中5G橋從主干延伸到機器/單元段。在這種情況下，5G還為本地機器/單元內的設備提供無線連接。例如，PLC 和現場級設備連接到單獨的 UE，因此 C2D 通信在一個 5G UE 之間通過 5G 網絡與另一個 5G UE 之間進行，如圖 2 中的流 C 所示。此外，5G在將數據收集器和設備連接到邊緣云以進行D2Cmp通信時引入了極大的靈活性。如圖 2 中的 TSN 流 F 所示;由于現場設備連接到UE，數據可以直接傳輸到邊緣云，邊緣云本身連接到5G系統的UPF。

　　由于5G無線的靈活性，機器/單元#3可以是移動的，例如AGV或移動機器人。機器 #3 的設備可以通過中央機房或邊緣云中的虛擬化 PLC 進行控制，如圖 2 中的流 D 所示。5G系統在所有三個網絡級別上提供無線連接。中央房間中虛擬 PLC 之間的 C2C 通信如圖 2 中的流 E 所示。

　　機器/單元#N只有有線連接。它顯示了5G和有線TSN在同一工廠車間共存的示例。這意味著，在工廠可能引入5G的棕地中，通過電線連接到工業骨干網絡的現有機器不受新引入的5G的影響，并且可以通過骨干網絡與5G連接的機器進行通信。

　　標準化

　　3GPP已經進行了重要的標準化工作，以實現基于5G的工業通信并支持TSN：在第15版中，為5G指定了超可靠和低延遲通信（URLLC）;在版本 16 中添加了對 TSN 的支持，并且在版本 17 中繼續進一步改進。IIoT的5G標準化工作包括了解如何在智能工廠環境中應用TSN，并且已經指定了5G功能以與TSN網絡集成和交互。

　　5G 系統已被指定為作為一組支持TSN的虛擬5G網橋出現在外部TSN網絡上。5G核心網絡功能TSN AF提供與CNC的交互，以報告5G網橋功能，并獲取配置，例如5G系統橋接的幀轉發，以及TSN特定的配置，例如每流過濾和監管（IEEE 802.1Qci）和流量類的時間調度（IEEE 802.1Qbv）。

　　5G系統有一個QoS框架，可用于傳輸具有不同QoS特征的流量，并且已經指定了到TSN流配置的映射。例如，通過將 802.1Q 優先級（點的優先級代碼）映射到特定 802G QoS 標識符的優先級，可以支持 IEEE 1.5Q 嚴格優先級。5G 還根據 IEEE 5.802AS，通過 gPTP 在 1G 系統上引入時間同步;使網絡節點和終端設備通過 5G 同步到主時鐘的東西。充當時間感知系統的5G系統可以將TSN定時信息中繼到工廠任何地方的工業應用。它可以同時支持多達 128 個獨立 gPTP 時域的同步。

　　有關 5G-ACIA的更多信息

　　5G-ACIA于2018年5月推出。它首先旨在建立運營技術（OT）和信息和通信技術（ICT）之間的通用語言，其次，確保在5G標準化中考慮工業領域的要求，最終為工業領域的80G生態系統鋪平道路。該聯盟已大幅增長，已接近5個全球成員。它一直在研究5G對自動化行業的重要性，研究領域包括用例和要求，流量建模，工業以太網，非公共網絡部署，安全性，網絡暴露以及最近的時間敏感網絡。

　　不同行業部門（包括運營技術行業、移動網絡運營商和設備供應商）的合作伙伴密切合作，就該主題達成了全行業的理解和共識。5G-SMART項目為其5G與TSN集成的工作提供了可交付成果。5G-SMART是一個由行業合作伙伴和研究機構組成的聯盟，正在探索支持5G的智能制造概念，并在5G測試臺中進行驗證。

　　如前所述，TSN是自動化行業的重要課題。5G-ACIA將在來年研究其他相關和重要的主題，例如工業5G設備的概況，邊緣云的架構和用例，5G與資產管理殼的關系，或工業5G的認證框架。此外，測試平臺活動已于2021年上半年啟動，來自ICT和OT的參與者將展示5G如何能夠解決實際環境中的一些工業用例，例如生產工廠。