智能工廠場(chǎng)景下的5G 與TSN 技術(shù)融合應(yīng)用

李洪名

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引言

工業(yè)4.0 中智能工廠概念日益成熟，使得有效數(shù)據(jù)通信成為智能工廠運(yùn)營(yíng)核心。5G 具有高速度、低延遲和廣泛連接特性，能夠?yàn)橹悄芄S提供強(qiáng)大無線通信基礎(chǔ)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）技術(shù)則能夠?yàn)榇_定性數(shù)據(jù)傳輸提供關(guān)鍵支持。兩種技術(shù)結(jié)合，能夠充分利用各自優(yōu)勢(shì)，為智能工廠帶來前所未有的通信效率和生產(chǎn)靈活性。

1 5G 與TSN 技術(shù)概述

1.1 5G 概述

5G 由國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）和第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP） 共 同 推動(dòng)，其網(wǎng)絡(luò)核心特性為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、超可靠低延遲通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和海量機(jī)器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）這3 個(gè) 方 面。eMBB 支 持 高 達(dá)10 Gb·s-1的峰值下載速度和1 Gb·s-1的上行速度，uRLLC 則提供低至1 ms 的延遲，mMTC 能夠支持大規(guī)模設(shè)備連接。

5G 無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）由新一代節(jié)點(diǎn)B（the next Generation Node B，gNB）組成，可以同時(shí)提供eMBB、uRLLC 和mMTC 服務(wù)。核心網(wǎng)（Core Network，CN）采用服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)（Service-Based Architecture，SBA）設(shè)計(jì)，會(huì)話管理功能（Session Management Function，SMF）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）可作為獨(dú)立微服務(wù)運(yùn)行[1-2]。5G 覆蓋從低頻段（600 MHz）到毫米波頻段（28 ～39 GHz）的寬頻譜范圍。

5G 中網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）功能支持運(yùn)營(yíng)商在同一物理網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片都可以根據(jù)特定應(yīng)用或服務(wù)的需求進(jìn)行優(yōu)化。邊緣計(jì)算（Edge Computing）與5G 相結(jié)合，可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離。動(dòng)態(tài)頻譜共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）技術(shù)支持5G 和4G 網(wǎng)絡(luò)共享相同頻譜資源，使得運(yùn)營(yíng)商可以在不影響4G 服務(wù)的情況下引入5G 服務(wù)。

1.2 TSN 技術(shù)概述

TSN 技術(shù)起源于音視頻橋接應(yīng)用（Audio and Video Bridging，AVB），能夠提供確定性數(shù)據(jù)傳輸。TSN 時(shí)間同步協(xié)議為IEEE 802.1AS，能夠確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘高度一致。IEEE 802.1CB 幀復(fù)制和消除功能能夠提供數(shù)據(jù)傳輸冗余，從而提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力。

TSN 定義網(wǎng)絡(luò)配置的3 種模型為全集中式配置模型、混合式配置模型和全分布式配置模型。其中，全集中式配置模型包括集中式用戶配置器（Centralized User Configurator，CUC）和集中式網(wǎng)絡(luò)配 置 器（Centralized Network Configurator，CNC），發(fā)送端會(huì)使用用戶配置協(xié)議向CUC 發(fā)送連接請(qǐng)求，CUC 將這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)配置指令轉(zhuǎn)發(fā)給CNC，CNC 可以根據(jù)TSN 流要求確定每個(gè)交換機(jī)的配置[3-4]。完成配置后，CNC 將傳輸調(diào)度信息發(fā)送回CUC，CUC 再將這些信息傳遞給發(fā)送端和接收端，完成網(wǎng)絡(luò)配置。

2 5G 與TSN 融合技術(shù)

2.1 融合架構(gòu)

5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（5G System，5GS）為融合架構(gòu)的核心，應(yīng)用UPF/NW-TT 側(cè)端口、UE/DS-TT 側(cè)端口與TSN 網(wǎng)絡(luò)連接。TSN 轉(zhuǎn)換器可以應(yīng)用功能將控制指令轉(zhuǎn)換為5GS 能理解的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息互通。融合架構(gòu)在UPF 和用戶設(shè)備（User Equipment，UE）側(cè)增加了NW-TT 和DS-TT，能夠應(yīng)用時(shí)間戳和修正字段向UE 側(cè)傳輸時(shí)間消息[5]。為進(jìn)一步支持TSN 流量的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求，5GS 需要向TSN 網(wǎng)絡(luò)報(bào)告網(wǎng)橋ID、以太網(wǎng)端口及其媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）地址，同時(shí)計(jì)算每對(duì)端口和流量類別的網(wǎng)橋延遲（Bridge Delay，BD）（如圖1 所示），其計(jì)算公式為

圖1 5GS 向TSN 網(wǎng)絡(luò)報(bào)告路徑

式中：tpropagation代表信號(hào)在物理媒介中傳播的時(shí)間，tprocessing表示數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中處理的時(shí)間，tqueue是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中排隊(duì)等待傳輸?shù)臅r(shí)間。

2.2 5GS 網(wǎng)橋配置

5GS 網(wǎng)橋配置需要滿足TSN 流QoS，并將TSN QoS 要求映射至5G QoS 配置文件中。5GS 策略控制功能（Policy Control Function，PCF）需要將TSN流優(yōu)先級(jí)映射為5QI（QoS 標(biāo)識(shí)符）9。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)能夠虛擬化網(wǎng)絡(luò)，使得5GS 網(wǎng)橋配置更加靈活。

3 智能工廠場(chǎng)景下的5G 與TSN 技術(shù)融合應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1.1 定制化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

專用5G 網(wǎng)絡(luò)部署需要考慮工廠內(nèi)部多樣化通信需求，應(yīng)用支持eMBB 和uRLLC 的5G 小區(qū)。每個(gè)5G NR 基站可配置提供100 MHz 帶寬，實(shí)現(xiàn)每秒上行和下行速率分別達(dá)到1.4 Gb·s-1、2.7 Gb·s-1。智能工廠局域網(wǎng)可部署具有48 個(gè)以上10 Gb·s-1端口的TSN 交換機(jī)，每個(gè)端口配置最大幀傳輸速率為10 Gb·s-1。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)在關(guān)鍵區(qū)域部署雙重5G NR基站及TSN 交換機(jī)，確保即使一部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)施發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)仍能維持運(yùn)行。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)性能調(diào)優(yōu)

智能工廠中的5G 網(wǎng)絡(luò)可以在高需求時(shí)段將5G 小區(qū)帶寬從標(biāo)準(zhǔn)100 MHz 提升至200 MHz，對(duì)重要通信流可以設(shè)置最高優(yōu)先級(jí)，確保這些信息即使在網(wǎng)絡(luò)擁擠時(shí)也能夠被優(yōu)先處理。最佳路由可以基于機(jī)器學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)路由選擇機(jī)制，以保持延遲在10 ms 以下。

為提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，可以在關(guān)鍵路徑上部署雙重或多重網(wǎng)絡(luò)連接以提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力。TSN網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸窗口為100 μs，并按照精確的時(shí)間表發(fā)送，從而減少數(shù)據(jù)碰撞和重傳。工廠生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析功能預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并相應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)配置，并在5GS 網(wǎng)橋中部署先進(jìn)緩存和快速轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。其中，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控流量可配置500 MB 緩存大小，并設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)延遲≤5 ms。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與分析

3.2.1 高效采集傳輸數(shù)據(jù)

高效采集傳輸數(shù)據(jù)可在5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，配備Intel Xeon E-2276M 六核處理器和至少64 GB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）的服務(wù)器，從而顯著減輕核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。5G 網(wǎng)絡(luò)配置可以為時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流分配高優(yōu)先級(jí)，將生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流配置為QoS 等級(jí)9，網(wǎng)絡(luò)可以為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)流提供≥1 Gb·s-1的傳輸速率及≤10 ms 的端到端延遲。網(wǎng)絡(luò)可使用支持802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)的無線接入點(diǎn)減少數(shù)據(jù)傳輸中的丟包錯(cuò)誤，并配備雙電源及冗余連接。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析和決策支持

數(shù)據(jù)捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)可采用具有至少8 核心處理器和16 GB 內(nèi)存的工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，智能工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則需要部署支持Release 16 標(biāo)準(zhǔn)的5G NR 基站，并使其覆蓋工廠生產(chǎn)線、倉(cāng)庫和質(zhì)檢區(qū)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）或高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（Advanced Message Queuing Protocol，AMQP）保證數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)分析中心可使用配備NVIDIA Tesla V100 圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）和具有1 TB 固態(tài)硬盤（Solid State Disk，SSD）存儲(chǔ)能力的服務(wù)器，以支持復(fù)雜機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法實(shí)時(shí)運(yùn)算。

機(jī)器學(xué)習(xí)和AI 算法可應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）處理并分析收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可配備TensorFlow 或PyTorch 框架提供高效計(jì)算性能，具體配置參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)配置參數(shù)

3.3 應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)施

3.3.1 自動(dòng)化生產(chǎn)線

智能工廠可為在生產(chǎn)線上部署的機(jī)器人配備支持n77/n78 頻段的5G 模塊，機(jī)器人應(yīng)裝備具有低至1 ms 延遲的RT-Linux 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。自動(dòng)化設(shè)備可選擇支持5G 連接的工業(yè)級(jí)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并應(yīng)用MQTT 或約束應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制指令。工廠網(wǎng)絡(luò)可部署支持IEEE 802.1AS 的TSN 交換機(jī)，其端口速率需不低于10 Gb·s-1。裝配機(jī)器人、傳送帶和檢測(cè)設(shè)備的控制單元需要配置IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP），以確保設(shè)備能夠在同一時(shí)間參考下運(yùn)行。

3.3.2 物流監(jiān)控與遠(yuǎn)程維護(hù)

物流監(jiān)控可設(shè)置智能物流系統(tǒng)并為其部署基于射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的NXP UCODE 8 RFID 芯片傳感器，從而追蹤工廠內(nèi)部各種物料和產(chǎn)品。工廠內(nèi)部需要部署支持eMBB 服務(wù)的5G 基站，采用支持n77/n78 頻段的基站模型。遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷系統(tǒng)可在關(guān)鍵設(shè)備上安裝具有振動(dòng)、溫度和聲音傳感器的Bosch BME680 環(huán) 境傳感器，并將數(shù)據(jù)通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程診斷中心。遠(yuǎn)程診斷中心可搭載Intel Xeon Gold 6230 處理器和128 GB RAM 服務(wù)器，并使用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）模型預(yù)測(cè)設(shè)備故障。

4 結(jié)語

研究表明，5G 與TSN 的融合能夠滿足智能工廠對(duì)高帶寬、低延遲和高可靠性通信的需求，然而仍較為依賴現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施且融合架構(gòu)復(fù)雜，未來研究可優(yōu)化融合架構(gòu)、降低實(shí)施成本。5G 和TSN技術(shù)將隨著時(shí)間進(jìn)一步發(fā)展和完善，在推動(dòng)智能工廠及工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。