基于工業互聯網的5G TSN研究*

樊陸陸，郭 剛

[重慶市工業互聯網發展研究中心（中國工業互聯網研究院重慶分院），重慶 400707]

0 引言

工業互聯網技術是5G、大數據、云計算以及人工智能等新一代信息通信技術和工業網絡、工業控制系統等工業技術的融合，是第4次工業革命的基石[1]。時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）是目前國際產業界比較看好的全新的工業通信技術，能滿足工業互聯時低時延、高可靠和確定性的要求。而5G+TSN是未來實現工業互聯網無線化和柔性制造的重要基礎[2]。

1 5G標準演進情況

2017年12月，3GPP發布了R15非獨立組網（Non-Standalone，NSA）標準。2018年6月，3GPP發布了第一個5G獨立組網（Standalone，SA）標準，標志著3GPP已經完成5G第一階段全功能標準化制定工作，進入產業全面沖刺的新時代。2020年7月，3GPP宣布R16版本標準凍結，標志5G第一個演進版本標準完成。3GPP R16標準相比R15有了很大的變化，主要體現在“新能力拓展”“已有能力挖潛”和“運維降本增效”等方面。R16標準應用于更好的服務行業，在提高5G效率方面做了增強，特別是面向工業互聯網、車聯網以及其他行業應用實現了從“能用”到“好用”的飛躍[3]。

2 5G TSN技術性能評估準則

5G標準3GPP TS 22.104[4]中規范了5G對垂直領域自動化行業的通信業務需求以及物理控制應用業務需求的研究。5G系統應支持與時俱進的網絡配置的完全分布式模型。該模型與多流注冊協議（Multiple Stream Registration Protocol，MSRP）[5]、IEEE P802.1CS鏈路本地注冊協議（Link-local Registraion Protocol，LRP）[6]和IEEE P802.1Qdd資源分配協議（Resource Allocation Protocol，RAP）[7]能夠對齊。另外，5G系統還應支持用戶-網絡接口或網絡-網絡接口配置，確保能動態配置時間敏感網絡的完全分布式模型。

5G標準3GPP 38.825 V16.0.0[8]中規范了TSN性能評估要求。表1給出了3GPP RAN工作組評估TSN性能的基準。該TSN性能評估基準能滿足更高的層冗余，可以實現超過99.999 9%的可靠性目標，且不需要考慮PHY層數據傳輸情況。

3 5G TSN技術

工業互聯網行業正在進入快速發展期，而5G無疑將助力工業互聯網的發展。3GPP R16標準中新增時間敏感通信技術，目的是擴大潛在的工業互聯網用例，實現5G和TSC的互通。TSC將5G系統作為一個TSN網橋集成在TSN系統，利用高精度時間同步、TSN管理協同及網絡拓撲發現等能力，在固網覆蓋困難或存在移動性要求的業務場景輔助TSN網絡，提供確定性網絡傳輸服務[2]。

表1 TSN需求評估考慮的用例和需求

3.1 5G TSN時間同步

時間同步是確定性通信的前提。5G網絡和工業互聯網絡有各自的時鐘同步機制[2]，而實現兩者的時間同步是面向工業應用場景的關鍵能力之一。為了支持TSN時間同步，5GS與外部網絡（如工業互聯網）集成TSN橋。該TSN橋符合工業以太網的TSN采用的廣義精準時鐘協議IEEE Std 802.1AS[9]的要求。對于TSN時間同步，5G網絡中的各網元設備如用戶設備（User Equipment，UE）、5G基站（generation Node Base，gNB）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、網絡側TSN轉換器（Network-side TSN translator，NW-TT）和設備側TSN轉換器（Device-side TSN translator，DS-TT）等與5G內部系統時鐘同步，可以將整個端到端5G系統視為時間感知系統。整個系統中，只有5G系統邊緣的TSN轉換器才需要支持IEEE Std 802.1AS協議，執行與IEEE 802.1AS相關的某些功能，如廣義精準時鐘協議gPTP、時間戳記以及rateRatio等。

5G TSN和工業互聯網的時鐘分配模型如圖1所示。該模型主要包括5GS同步和TSN域同步兩個同步系統，其中5GS同步主要實現5G接入網的同步，TSN域同步主要為TSN網絡提供同步服務。另外，當TSN主時鐘（TSN GM）位于TSN工作域時，要考慮主端口（M）和從端口（S）的情況。標準3GPP TS 23.501 V16.7.0[10]中規范了該版本5GS僅適用于確定精準時鐘協議（Precise Time Protocol，PTP）實例和時間同步生成樹。

圖1 5G TSN和工業互聯網的時鐘分配模型

5GS網橋PTP端口狀態在DS-TT和NW-TT中本地配置時，按照如下規則配置：對于DS-TT端口，所有gPTP域的PTP端口狀態均為MasterPort；當TSN主時鐘（TSN GM）在5GS外部時，對于每個gPTP域的一個NW-TT端口，PTP端口狀態為SlavePort，對于同一gPTP域的所有其他NW-TT端口，PTP端口狀態為PassivePort或MasterPort。將5GS配置為所連接網絡的gPTP域的主服務器（5G GM）時，所有NW-TT端口均處于該gPTP域的MasterPort狀態。

3.2 5GS TSN橋管理

對于TSN網絡，5GS功能充當一個或多個TSN橋的角色。5GS網橋由單個UPF側的端口、UE和UPF之間的用戶平面隧道和DS-TT側的端口組成。對于TSN網絡的每個5GS網橋，NW-TT上的端口都支持與TSN網絡的連接，同時DS-TT側上的端口與PDU會話相關聯，從而提供與TSN網絡的連接。

5GS TSN橋的粒度是每個網絡實例的每個UPF，如圖2所示。5GS TSN網橋的網橋ID和UPF的UPF ID綁定在一起。5GS在報告5GS TSN網橋信息期間，TSN應用功能實體（TSN AF）存儲UE/DS-TT側的端口與PDU會話之間的綁定關系。與此同時，TSN AF還存儲有關UPF/NW-TT一側的端口信息。UPF/NW-TT根據流量轉發信息將流量轉發到適當的出口端口。從TSN AF的角度來看，5GS TSN橋在UPF中具有單個NW-TT實體，且NW-TT可能具有用于流量轉發的多個端口。

圖2 基于UPF的5GS網橋

對于給定的UPF，每個DS-TT端口只有一個PDU會話。通過特定的UPF連接到同一TSN網絡的所有PDU會話都被分組為一個5GS橋接器。UE/DS-TT側和UPF/NW-TT側的每個端口的功能已集成為5GS橋接器配置的一部分，并通知給TSN AF，交付給CNC以進行TSN橋接器注冊和修改。

為了在5GS橋接器上支持TSN調度的流量，5G標準中規范5GS應支持包括在5GS中配置網橋信息、在PDU會話建立后將5GS網橋的網橋信息報告給TSN網絡等功能。TSN網絡使用5GS橋的橋信息來為5GS橋進行適當的管理配置。5GS Bridge的網橋信息至少包括網橋ID、港口數量以及端口號列表等信息。

4 5G TSN典型應用場景

3GPP R16中定義了運動控制、有線到無線連接替換、智能搬運、移動機器人以及控制到控制通信等5種典型的應用場景[4]，可以極大地豐富工業互聯網應用場景。

4.1 運動控制

運動控制系統負責以明確定義的方式控制機器或旋轉部件的運動，可應用在印刷機、機床或包裝機中。運動控制系統的示意圖，如圖3所示。運動控制器（Motion Controller）周期性地將設置的自動化程序發送給一個或多個線性驅動器（Actuator），以期在隨后的一個或者多個過程中自動化地執行相應的動作，如驅動某個組件的運動或者旋轉等。同時，傳感器（Sensor）評估設備當前的狀態，并將評估結果反饋給運動控制器。該過程嚴格執行閉環循環，以便在一個應用周期內，運動控制器能將新的應用程序發送給所有執行器，且所有傳感器將其實際值發送回運動控制器。

圖3 運動控制系統

4.2 有線到無線連接替換

在傳統工廠中，生產環境是固定的，通常使用工業以太網技術通過電纜連接相互協作的機器或者設備。在將來的工業互聯網場景中，為了增加生產設備的靈活性，可用無線連接替代現有的有線連接。假設有4臺機器在生產過程中相互配合，為了方便更換電纜，每臺機器都配備了一個與控制器連接的5G UE（如圖4所示），利用5G網絡實現PLC之間、PLC與廠內系統間的系統數據傳輸，減少工廠內有線連接，快速實現產線產能匹配。

圖4 具有無線連接的4臺協作機器的示例

4.3 智能搬運

在未來的智能工廠中，大型或重型工件將由多個移動機器人/自動引導車搬運到另一個地方。這些移動機器人/自動引導車需要協同工作才能安全地搬運大型或重型工件。這種合作是通過網絡物理控制應用程序實現的，以協調的方式控制移動機器人/自動引導車的驅動和移動，從而將大型或重型工件從一個地方平穩安全地運送到另一個地方（如圖5所示）。協作移動機器人/自動引導車之間的通信需要高通信服務可用性和超低延遲?？刂泼詈涂刂品答伒慕粨Q是通過周期性、確定性通信并使用時間敏感型網絡完成的。

圖5 協作搬運大型工件的移動機器人/自動引導車

4.4 移動機器人

移動機器人在工業和內部物流環境中具有大量應用，并將在未來工廠中發揮越來越重要的作用。移動機器人實質上是一種可編程機器，能夠按照編程路徑執行多種操作來完成各種任務。這意味著移動機器人可以執行諸如在工作步驟中的協助以及貨物、材料和其他物體的運輸之類的活動。移動機器人系統的特點是相對于環境具有最大的靈活性，具有一定程度的自主權和感知能力，即它們可以感知和響應環境。移動機器人最常見的應用是工廠中的自動導引車。

5 結語

目前，在5G R16第一版本標準中已經規范了與工業互聯網相關的技術如5G TSN、業務需求等內容，在后續R16標準中將進一步研究與工業互聯網相關的接入組網業務需求、網絡架構和功能、空口技術增強等內容[11-13]。5G TSN是實現工業互聯網的關鍵技術，能滿足工業互聯網低時延、低抖動的通信要求，助力工業互聯網的發展。