面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G-U 與時間敏感網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)與技術(shù)

蔡岳平，李棟，許馳，王振，張瀟文

（1.重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400030；2.信息物理社會可信服務(wù)計算教育部重點實驗室（重慶大學(xué)），重慶 400030；3.空天地網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與信息融合重慶市重點實驗室，重慶 400030；4.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；5.機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，北京 100055）

1 引言

2013 年，在德國漢諾威工業(yè)博覽會上提出的“工業(yè)4.0”概念[1]描繪了制造業(yè)的未來愿景，提出了以信息物理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的第四次工業(yè)革命。企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動了以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化為標志的第四次工業(yè)革命的發(fā)生。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)4.0 即第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵使能技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合，實現(xiàn)人機物的全面互聯(lián)，構(gòu)建起全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈、全面連接的新型生產(chǎn)制造和服務(wù)體系，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實現(xiàn)途徑[2]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為實體經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，同時也是實現(xiàn)工業(yè)4.0 的基礎(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要確定有界低時延、低抖動、高可靠、高精度、泛在的通信連接，滿足工業(yè)控制等生產(chǎn)通信的需要。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量類型眾多，網(wǎng)絡(luò)通信需求各異。典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量類型及其通信服務(wù)質(zhì)量需求如表1 所示[3]。

表1 典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流量類型及其通信服務(wù)質(zhì)量需求

在離散工廠或過程自動化工廠中，一般而言，存在自動化控制設(shè)備與工廠級系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的垂直通信，以及自動化設(shè)備和控制設(shè)備之間的水平通信[3]。垂直通信流量包括控制器、本地工廠管理服務(wù)器和云服務(wù)數(shù)據(jù)中心之間的通信，如報警、控制、操作命令等各種事件。水平通信產(chǎn)生實時流量，包括實時同步、循環(huán)同步、循環(huán)異步等流量類型，可以是控制器到控制器的通信，也可以是控制器到現(xiàn)場設(shè)備的通信。

實時同步流量具有周期性，要求確定有界低時延、零抖動、零數(shù)據(jù)分組丟失的通信服務(wù)，屬于關(guān)鍵高優(yōu)先級通信。典型場景包括同步交換中的控制器到控制器、控制器到輸入輸出設(shè)備的通信。循環(huán)同步或異步流量也具有周期性，要求設(shè)備間周期性交換大小相同的報文信息，但是此周期與數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷跓o關(guān)，即不要求設(shè)備間嚴格時間同步。典型場景包括離散制造工廠中的執(zhí)行器、傳感器和可編程邏輯控制器之間的輸入/輸出更新。事件流包括控制事件流、報警和操作命令事件流，具有偶發(fā)性。當系統(tǒng)中發(fā)生需要引起注意的輸入或輸出變量更改時，將生成事件消息，需要時延界保證。事件可能是狀態(tài)更改、操作員命令，或者是已超過閾值的警報或警告。網(wǎng)絡(luò)控制流量類型主要包含網(wǎng)絡(luò)控制相關(guān)的周期性消息。雖然該類型消息數(shù)量較少，但是其通信服務(wù)質(zhì)量要求卻很高。典型場景包括時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)冗余和拓撲檢測。配置和診斷流量類型用于傳輸配置和診斷數(shù)據(jù)，例如設(shè)備配置和固件下載，具有偶發(fā)性，需要吞吐量保證。視頻或音頻流是終端之間的視頻或音頻數(shù)據(jù)流，具有周期性，需要吞吐量的保證。“盡力而為”流量類型是傳輸任何應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的默認類型，不需提供帶寬或時延保證。

傳統(tǒng)的有線工業(yè)通信基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)提供實時可靠的連接服務(wù)。常用的現(xiàn)場總線技術(shù)包括Modbus、CAN（controller area network）、Profibus（process field bus）等[4]，而工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)種類繁多，包括Sercos（serial realtime communication specification）、PROFINET（process fieldnet）、EtherCAT（Ethernet control automation technology）等[5]。這些異構(gòu)的工業(yè)通信總線和網(wǎng)絡(luò)標準兼容性差，數(shù)據(jù)互通困難，導(dǎo)致形成了工業(yè)生產(chǎn)的一座座信息孤島，無法滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全面連接的目標。

無線通信為工業(yè)自動化系統(tǒng)提供了泛在靈活的通信連接，使其擺脫線纜的束縛，具備移動性支持。常用的工業(yè)無線通信技術(shù)包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等，但是存在連接的實時性差、可靠性與穩(wěn)定性差、易受干擾等問題。目前工廠內(nèi)常用的專用無線通信網(wǎng)絡(luò)包括WIA-FA（wireless network for industrial automation-factory automation）[6]、ISA（international society of automation）100-11a[7]、WirelessHART（wireless highway addressable remote transducer）[7]等，但是它們存在通信距離短、標準不兼容、信號質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,time-sensitive networking）與5G-U（5G unlicensed）是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。下面將分析兩者融合架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)。

2 5G-U 與時間敏感網(wǎng)絡(luò)的適配性

2.1 時間敏感網(wǎng)絡(luò)簡述

IEEE 802.1 工作組在2012 年由音視頻橋接（AVB,audio/video bridging）任務(wù)組更名為TSN 任務(wù)組[8]。時間敏感網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)，統(tǒng)一擴展時間同步、確定流調(diào)度、高可靠無縫冗余、網(wǎng)絡(luò)管控等功能，提供確定有界低時延、低抖動、高可靠流傳輸服務(wù)，支持多業(yè)務(wù)流高質(zhì)量共網(wǎng)傳輸[9-14]。時間敏感網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、車輛內(nèi)通信、航空宇航系統(tǒng)、運營商網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。時間敏感網(wǎng)絡(luò)的標準化有望解決工業(yè)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的異構(gòu)性和兼容性問題，實現(xiàn)有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一與互聯(lián)互通。

2.2 5G 技術(shù)演進與生態(tài)擴展

3GPP 5G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要連接技術(shù)之一[15-16]。5G 的三大典型應(yīng)用場景包括增強移動寬帶、大規(guī)模機器類通信以及超高可靠低時延通信。5G 可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同類型業(yè)務(wù)的通信需求。5G 通信具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動巡檢、機器人等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景[17-18]。圖1 是3GPP 標準組織關(guān)于5G 技術(shù)演進及其應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)擴展的路線圖[19]。已商用的5G 系統(tǒng)基于Rel-15，包括非獨立組網(wǎng)技術(shù)和獨立組網(wǎng)技術(shù)。Rel-16 主要針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G 私有網(wǎng)絡(luò)以及車聯(lián)網(wǎng)C-V2X（cellular vehicle-to-everything）等擴展的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用[20]。現(xiàn)在3GPP 正在研究制定Rel-17 的5G 技術(shù)，主要是突出垂直行業(yè)應(yīng)用生態(tài)全面擴展[21]。增強的5G功能包括免授權(quán)/共享頻譜的使用、時敏通信、高精度定位、非地面網(wǎng)絡(luò)的融合等。為解決目前5G授權(quán)頻段頻譜資源緊缺的問題，基于新空口的免授權(quán)頻譜接入5G-U 技術(shù)（包括使用授權(quán)頻譜與免授權(quán)頻譜）成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)之一[22-23]。

圖1 3GPP 的5G 技術(shù)演進及其生態(tài)系統(tǒng)擴展路線

2.3 5G-U 免授權(quán)頻譜擴展

隨著移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的暴增，頻譜資源短缺問題凸顯，目前主要解決方法是利用更高頻段（例如毫米波頻段）和免授權(quán)頻段。3GPP 提出授權(quán)頻譜輔助接入（LAA,licensed assisted access）技術(shù)，以將長期演進（LTE,long term evolution）系統(tǒng)擴展到免授權(quán)頻帶，即LTE-U（LTE unlicensed）系統(tǒng)[24]。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，LTE-U 從5 GHz 以下擴展到60 GHz 毫米波頻段，向前發(fā)展為5G-U 系統(tǒng)[25-30]。5G-U 是LTE-U/LAA 技術(shù)從特高頻/超高頻頻段到極高頻頻段（即毫米波頻段）的延伸，通過LAA與載波聚合（CA,carrier aggregation）技術(shù)的演進[31]以及5G 新空口技術(shù)的擴展，5G-U 系統(tǒng)使用更可靠的授權(quán)頻譜作為主載波，在終端和基站之間建立控制鏈路連接，進行控制信令傳輸、認證和移動性管理，而數(shù)據(jù)流量則通過頻譜感知，利用跨授權(quán)和免授權(quán)頻譜的聚合無線電資源進行傳輸[22]。5G-U 有效提升了系統(tǒng)性能和容量，解決了目前5G 系統(tǒng)授權(quán)頻段頻譜資源緊缺的問題。

5G-U 系統(tǒng)工作模式如圖2 所示，包括授權(quán)輔助接入與獨立免授權(quán)頻段操作2 種模式。

圖2 5G-U 系統(tǒng)工作模式

1) 授權(quán)輔助接入模式

授權(quán)輔助接入模式是5G-U 系統(tǒng)的重點研究模式，通過載波聚合使用授權(quán)頻段和免授權(quán)頻段共同為5G-U 用戶提供通信服務(wù)。其主要思想是在更可靠的授權(quán)頻段上承載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的大多數(shù)敏感信令和控制信令，而數(shù)據(jù)有效載荷的傳送可以根據(jù)當前系統(tǒng)的負載由授權(quán)頻段和免授權(quán)頻段共同承載。融合使用授權(quán)和免授權(quán)頻段[27-28]的方式包括：①以載波聚合方式融合作為主載波的授權(quán)頻段和作為輔助載波的免授權(quán)頻段；②以雙連接技術(shù)融合作為主載波的授權(quán)頻段和作為輔助載波的免授權(quán)頻段；③上行鏈路使用授權(quán)頻段，下行鏈路使用免授權(quán)頻段。在這種授權(quán)輔助接入模式下，用戶首先向基站請求免授權(quán)資源；然后基站向Wi-Fi 系統(tǒng)控制中心查詢免授權(quán)頻段的資源占用情況，通過頻譜感知獲取空閑頻段，并通過分配的授權(quán)信道向用戶指示控制信息，以保證控制信令的可靠傳輸；最后用戶使用感知到的空閑免授權(quán)頻段進行數(shù)據(jù)傳輸。

2) 獨立免授權(quán)頻段操作模式

獨立免授權(quán)頻段操作模式下5G-U 系統(tǒng)只通過免授權(quán)頻段進行通信[32-33]，是一種只在毫米波頻段工作的蜂窩技術(shù)?？刂菩帕詈蛿?shù)據(jù)信號都在免授權(quán)頻譜信道中傳輸。由于沒有授權(quán)頻譜信道的支持，信號在不可靠的信道上傳輸，可靠性、安全性和資源管理的有效性難以保證。因此，這種模式需要更穩(wěn)健的信令結(jié)構(gòu)。

5G 和Wi-Fi 作為2 種無線標準，都不斷演進以滿足對高級連接的迫切需求，而5G-U 作為5G 的增加免授權(quán)頻譜版本，緩解了5G 授權(quán)頻譜資源緊缺的壓力，進一步提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和容量。表2給出了5G-U、5G 和Wi-Fi 在不同指標下的特點對比。Wi-Fi 適用于室內(nèi)或本地部署以及需要高速和盡力而為流量傳輸?shù)膽?yīng)用。相較于Wi-Fi，5G 結(jié)合了中、低頻段的優(yōu)點，具有良好的覆蓋范圍，并且毫米波高頻段具有極高的容量、低預(yù)測時延和高精度定位能力。5G 在授權(quán)頻段上運行，能提供高可靠性和更好的可預(yù)測性，滿足關(guān)鍵通信的需求。5G完全支持大規(guī)模機器類通信、增強移動寬帶、TSN等，可以滿足比Wi-Fi 更廣泛QoS 要求的應(yīng)用。

表2 5G-U、5G 和Wi-Fi 在不同指標下的特點對比

5G-U 系統(tǒng)融合使用授權(quán)頻譜和免授權(quán)頻譜，結(jié)合了5G 和Wi-Fi 的優(yōu)點。一方面，5G-U 將5G擴展到了免授權(quán)頻譜，緩解了授權(quán)頻譜資源緊缺的壓力，將非關(guān)鍵流量卸載到免授權(quán)頻譜承載，提高了系統(tǒng)容量，降低了部署成本。另一方面，5G-U使用授權(quán)頻譜輔助接入，關(guān)鍵控制信息、高安全性要求、時間敏感流量通過授權(quán)頻譜傳輸，解決了Wi-Fi 不可靠、不安全的問題。與Wi-Fi 相比，5G-U可以支持更多用例，提供具有移動性的廣域部署和局域覆蓋。但是免授權(quán)頻譜的引入也帶來了5G-U與其他免授權(quán)系統(tǒng)的頻譜競爭問題，還需進一步研究它們在免授權(quán)頻譜上的共存解決方案[34-36]。

綜上所述，5G-U 系統(tǒng)的融合優(yōu)勢可以滿足工業(yè)自動化領(lǐng)域多種類型流量對時延、可靠性、安全性等指標的不同要求，并且在經(jīng)濟高效的免授權(quán)頻譜中承載大部分非關(guān)鍵應(yīng)用流量，減少了授權(quán)頻譜的負載壓力，大大降低了部署和維護成本，是未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟高效的無線解決方案之一。

3 5G-U 與TSN 融合架構(gòu)

基于以太網(wǎng)的TSN 通過功能增強提供高可靠與確定有界低時延流傳送服務(wù)，是面向未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車輛內(nèi)通信、智能電網(wǎng)等高可靠確定低時延應(yīng)用的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。隨著IEEE 802.1 工作組關(guān)于TSN 相關(guān)標準工作的推進，TSN 功能不斷增強并逐漸得到工業(yè)界的廣泛支持，具備在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中實際部署應(yīng)用的基礎(chǔ)和前景。無線通信技術(shù)也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要連接技術(shù)之一。無線通信技術(shù)具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動巡檢、機器人等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。TSN 與5G-U 分別是未來有線與無線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。5G-U 與TSN 融合是構(gòu)建未來靈活、高效、柔性、可靠及安全工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

3.1 5G-U 與TSN 融合研究現(xiàn)狀

如何利用5G-U 技術(shù)實現(xiàn)TSN 功能并與其無縫融合是目前產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的研究熱點之一。高通公司提出并設(shè)計了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的利用5G 實現(xiàn)TSN 交換機功能的思想和原型系統(tǒng)，以實現(xiàn)5G 與TSN 的互聯(lián)互通[37]。英特爾公司闡述了將TSN 技術(shù)能力應(yīng)用至無線網(wǎng)絡(luò)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及如何擴展現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)包括Wi-Fi 與5G 的可靠性與低時延能力的相關(guān)技術(shù)，并討論了無線TSN 與有線TSN 融合面臨的挑戰(zhàn)[38]。德國應(yīng)用科學(xué)大學(xué)聯(lián)合諾基亞貝爾實驗室提出了融合5G 與工業(yè)以太網(wǎng)的方案并對相應(yīng)的融合應(yīng)用場景進行了分析，對融合網(wǎng)絡(luò)的配置管理技術(shù)進行了討論[39]。同時，諾基亞公司還發(fā)布了面向工業(yè)4.0 的3GPP 5G 系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)融合部署的白皮書[40]，特別闡述了5G 支持時間敏感通信的相關(guān)標準。愛立信公司發(fā)表了5G-TSN 融合滿足工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)需求的論文[41]，分析了智慧工廠通信需求，闡述了5G 與TSN 各自滿足該通信需求的技術(shù)，以及5G-TSN 融合的相關(guān)技術(shù)。文獻[42]研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下5G TSN關(guān)鍵技術(shù)，分析了相關(guān)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，以及5G-TSN 融合的關(guān)鍵技術(shù)。

在標準化方面，3GPP 在Rel-16 中規(guī)定了對TSN 的5G 支持，并在Rel-17 中進一步增強，以允許5G 系統(tǒng)與TSN 的無縫融合[43]。另外，5G 互聯(lián)工業(yè)與自動化聯(lián)盟5G ACIA 也發(fā)布了5G 與TSN/工業(yè)以太網(wǎng)融合的白皮書[44-45]。該白皮書描述并研究了5G 與TSN/工業(yè)以太網(wǎng)在典型工業(yè)用例中的融合，即控制器到控制器、控制器到設(shè)備和設(shè)備到計算的通信，分析了5G 系統(tǒng)在Rel-16 與Rel-17 版本中支持與TSN/工業(yè)以太網(wǎng)融合所需的所有功能。中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII 也對5G 與TSN 融合部署的場景、需求以及技術(shù)進行了分析[46]。

雖然5G 與TSN 融合架構(gòu)的研究已得到業(yè)界關(guān)注，但當前研究工作仍存在以下問題與挑戰(zhàn)：①現(xiàn)有技術(shù)方案主要考慮5G 系統(tǒng)作為TSN 虛擬網(wǎng)橋，較少考慮其他架構(gòu)模式；②5G 系統(tǒng)作為虛擬網(wǎng)橋與TSN 的協(xié)同調(diào)度、同步、管控等技術(shù)尚處于預(yù)研階段；③5G 系統(tǒng)使用的授權(quán)頻段頻譜資源有限，難以滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，特別是超高清視頻、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實等大帶寬應(yīng)用。另一方面，5G-U 與TSN 融合的研究才剛剛開始。與5G 系統(tǒng)相比，5G-U 可更經(jīng)濟高效地同時使用授權(quán)頻譜與免授權(quán)頻譜滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各種類型業(yè)務(wù)的通信需求，同時降低網(wǎng)絡(luò)資本成本（CAPEX,capital expenditure）和運營成本（OPEX,operational expenditure）支出。如何靈活構(gòu)建5G-U 與TSN 融合架構(gòu)并高效使用授權(quán)頻譜與免授權(quán)頻譜滿足不同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

3.2 5G-U 與TSN 融合架構(gòu)模式

5G-U 與TSN 融合架構(gòu)的4 種模式包括5G-U獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)，5G-U 作為TSN 鏈路（單TSN域），5G-U 作為TSN 網(wǎng)橋/交換機（多TSN 域），以及TSN 作為5G-U 承載網(wǎng)絡(luò)。

1) 5G-U 獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)

5G-U 獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)模式如圖3 所示。5G-U 系統(tǒng)直接互聯(lián)控制器與5G-U 終端，實現(xiàn)控制器與傳感器/執(zhí)行器間通信，通過UE（user equipment）或者UPF（user plane function）向TSN 終端或者控制器提供TSN 服務(wù)。該工作模式具備不用布線、靈活部署、支持終端移動性等諸多優(yōu)點，適合移動終端與控制器間的通信。典型應(yīng)用場景包括無線傳感/驅(qū)動控制。

圖3 5G-U 獨立作為TSN 網(wǎng)絡(luò)模式

2) 5G-U 作為TSN 鏈路（單TSN 域）

5G-U 作為現(xiàn)有TSN 系統(tǒng)的無線鏈路實現(xiàn)相應(yīng)連接功能，位于單個TSN 工作域內(nèi)，如圖4 所示。TSN 終端直接與無線UE 相連，或者通過其他TSN 網(wǎng)橋或交換機連接，擴展TSN 系統(tǒng)，通過有線與無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無縫連接，結(jié)合有線通信與無線通信兩者優(yōu)點，滿足各種業(yè)務(wù)和場景需要。典型應(yīng)用場景包括自動引導(dǎo)小車（含多TSN終端站）。

圖4 5G-U 作為TSN 鏈路模式

3) 5G-U 作為TSN 網(wǎng)橋/交換機（多TSN 域）

如圖5 所示，5G-U 與多TSN 域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型中，5G-U 系統(tǒng)作為TSN 網(wǎng)橋/交換機互聯(lián)多個TSN 域，滿足不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間的無線協(xié)同，既能確定可靠傳輸關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，也可共網(wǎng)傳輸普通數(shù)據(jù)流，不用布線，部署靈活方便，滿足各種場景需要。典型應(yīng)用場景包括不同工業(yè)產(chǎn)線的協(xié)同控制。

圖5 5G-U 作為TSN 網(wǎng)橋/交換機（多TSN 域）模式

4) TSN 作為5G-U 承載網(wǎng)絡(luò)

如圖6 所示，在TSN 作為5G-U 的承載網(wǎng)絡(luò)模式中，TSN 連接5G-U 基站與UPF 構(gòu)建高可靠低時延承載網(wǎng)絡(luò)，滿足TSN 終端設(shè)備間確定低時延通信業(yè)務(wù)需求，同時實現(xiàn)移動承載網(wǎng)絡(luò)中同相流的時間同步需求。相比基于電路交換的光承載網(wǎng)絡(luò)，TSN能實現(xiàn)分組統(tǒng)計復(fù)用，提高帶寬利用效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本。典型應(yīng)用場景包括移動前傳網(wǎng)絡(luò)。

圖6 TSN 作為5G-U 承載網(wǎng)絡(luò)模式

3.3 5G-U 與TSN 融合架構(gòu)應(yīng)用與演進路線

5G-U 與TSN 融合架構(gòu)的4 種模式均可按需在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用，下面以智慧工廠內(nèi)網(wǎng)為例進行說明，如圖7 所示[44]。不同生產(chǎn)單元可使用不同的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如1 號生產(chǎn)單元使用的是PROFINET 技術(shù)，2 號生產(chǎn)單元使用的卻是Modbus技術(shù)，3 號和4 號生產(chǎn)單元使用的是5G-U 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在有線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部分，雖然單個生產(chǎn)單元內(nèi)部控制器至傳感器/驅(qū)動器的通信可以由各自技術(shù)獨立解決，但是生產(chǎn)單元間控制器至控制器、控制器至傳感器/驅(qū)動器的通信，需要通過5G-U 與TSN 融合架構(gòu)實現(xiàn)。由TSN 核心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基于不同現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建的生產(chǎn)單元間互聯(lián)，而5G-U 無線網(wǎng)絡(luò)用于互聯(lián)具備5G-U 模組的異構(gòu)固定終端或者移動終端，并通過終端適配器與各種工業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)互通。5G-U 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平面基于TSN 的承載網(wǎng)絡(luò)連接無線站點與用戶平面功能UPF，而UPF 通過網(wǎng)絡(luò)適配器與TSN 核心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)協(xié)議適配/轉(zhuǎn)換。5G-U 系統(tǒng)控制平面通過應(yīng)用功能（AF,application function）模塊實現(xiàn)與TSN集中網(wǎng)絡(luò)/用戶配置器之間的通信，以及網(wǎng)絡(luò)配置信息和管理信息的互通和映射。異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制器或者云化控制器通過5G-U 和TSN 融合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)終端/控制器至云化控制器間的通信。

圖7 智慧工廠內(nèi)5G-U 與TSN 融合架構(gòu)應(yīng)用示意

5G-U 與TSN 融合不可能一蹴而就，將會隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及應(yīng)用場景的需求變化而不斷向前演進，為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1) 初期：5G-U 實現(xiàn)TSN 功能

如何使5G-U 具備TSN 功能是融合首先需要解決的技術(shù)難題，包括5G-U 與TSN 實現(xiàn)精確時間同步的能力；5G-U 實現(xiàn)類似TSN 的流調(diào)度與資源分配機制，對關(guān)鍵通信流量保證確定有界低時延和低抖動的能力等。

2) 中期：5G-U 與TSN 并行部署

當5G-U 成為無線TSN 時，具備實現(xiàn)無線工業(yè)以太網(wǎng)的能力，可以與TSN 并行部署，實現(xiàn)有線與無線網(wǎng)絡(luò)的冗余部署，可有效提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性與可靠性。但是，5G-U 與TSN 管控等功能尚未完全融合。

3) 后期：5G-U 與TSN 無縫融合

當5G-U 與TSN 無縫融合時，5G-U 可以作為TSN 網(wǎng)橋/交換機間的無線鏈路或直接作為TSN 網(wǎng)橋/交換機系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能，同時TSN 作為5G-U 的承載網(wǎng)絡(luò)，并且融合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管控和資源分配。5G-U 與TSN 融合成為一個整體，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的解決方案。

4 5G-U 與TSN 融合關(guān)鍵技術(shù)

4.1 時間同步平面融合

有線TSN 與無線5G-U 實現(xiàn)時間同步是面向工業(yè)應(yīng)用場景的關(guān)鍵能力需求之一[47-50]。有線TSN 采用gPTP（generalized precise time protocol）實現(xiàn)時間同步，5G-U 系統(tǒng)有自身的時鐘同步技術(shù)。如何實現(xiàn)5G-U 與TSN 融合系統(tǒng)的跨域時間同步是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

目前的時間同步方法主要有透明時鐘法，如圖8所示。針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量繁多的交換設(shè)備往往會帶來較大的時間積聚誤差問題，基于透明時鐘法不需要維持主從時鐘狀態(tài)，也不需要進行時鐘同步操作。TSN 作為主時鐘，通過UPF/UE 預(yù)測5G 入口和出口的時延，將消息的時間戳填入gPTP 事件消息的修正字段，TSN 設(shè)備時鐘收到gPTP 消息后可根據(jù)駐留時間對積聚誤差進行誤差補償，從而實現(xiàn)5G-U 系統(tǒng)與TSN 跨網(wǎng)時間同步。5G-U 系統(tǒng)各組成部分使用5G-U 系統(tǒng)內(nèi)部時鐘，通過NW-TT（network side TSN translator）與DS-TT（device side TSN translator）實現(xiàn)5G-U 系統(tǒng)時鐘與TSN 系統(tǒng)時鐘的轉(zhuǎn)換。

圖8 5G-U 與TSN 融合的透明時鐘同步機制

4.2 數(shù)據(jù)平面融合-流量QoS 框架

如何將TSN 業(yè)務(wù)流量QoS 準確地映射至5G-U流量QoS，進行相應(yīng)處理并保證時間敏感流量的性能尤為關(guān)鍵[51-52]。如圖9 所示，在5G-U 系統(tǒng)中采用5G 系統(tǒng)關(guān)于流量處理的相關(guān)概念。通過時延關(guān)鍵保證比特速率（DC-GBR,delay critical guaranteed bit rate），結(jié)合時間敏感通信輔助信息（TSCAI,time-sensitive communication assisted information）對無線資源進行預(yù)約，保證時延性能需求。5QI（5G QoS indicator）是5G 系統(tǒng)定義的服務(wù)質(zhì)量（QoS,quality of service）指標。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中高實時周期性同步流，如運動控制，將采用5QI 提高在無線側(cè)調(diào)度的優(yōu)先級，降低傳輸時延。同時，采用TSCAI來描述流量特征，包括通信模式（周期與非周期）、流量方向（上行與下行）、流量的時間（到達與上界）等。根據(jù)業(yè)務(wù)流特征和模型，采用相應(yīng)協(xié)同的流量調(diào)度策略，減少時延抖動，同時保證時間同步。利用5G-U 的免授權(quán)頻譜通信，卸載大吞吐量時延不敏感應(yīng)用流量，滿足其應(yīng)用需求的同時，減少對時間敏感流量的影響。

圖9 時間敏感網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量至5G-U 系統(tǒng)QoS 映射

4.3 數(shù)據(jù)平面融合-可靠橋接機制

5G-U 系統(tǒng)是連接有線TSN 與工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)總線的候選技術(shù)之一。如何使5G-U 系統(tǒng)實現(xiàn)類似于TSN 交換機的高可靠橋接功能是實現(xiàn)5G-U 與TSN 融合的關(guān)鍵技術(shù)之一。如圖10 所示，終端站或者TSN 網(wǎng)橋可通過不同終端轉(zhuǎn)換器向不同UPF構(gòu)建冗余PDU（protocol data unit）會話，從而構(gòu)建冗余通信連接，實現(xiàn)高可靠橋接功能。TSN 的幀復(fù)制與消除可靠性機制可與5G-U 的可靠橋接機制實現(xiàn)無縫融合，當復(fù)制分組進入5G-U 系統(tǒng)時，通過可靠橋接進行并行轉(zhuǎn)發(fā)，提高分組的可靠性。

圖10 5G-U 邏輯網(wǎng)橋高可靠橋接功能示意

4.4 網(wǎng)絡(luò)管控平面融合

5G-U 系統(tǒng)控制平面的網(wǎng)絡(luò)暴露功能（NEF,network exposure function）通過應(yīng)用功能AF 模塊與TSN 集中網(wǎng)絡(luò)配置器（CNC,centralized network configuration）實現(xiàn)通信，如圖11 所示。通信可以基于IEEE 802.1AB 的數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議（LLDP,link layer discovery protocol）實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)與鏈路信息交互。TSN 流的需求信息將映射為5G-U 的流量QoS 信息，通過配置5G-U 系統(tǒng)以滿足流量需求。

圖11 5G-U 與TSN 管控平面融合設(shè)計

簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP,simple network management protocol）基于IP 用于網(wǎng)橋和終端的監(jiān)測與管理，是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。因此，為了確保5G-U 系統(tǒng)與時間敏感網(wǎng)絡(luò)無縫融合，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)也需要融合。5G-U 虛擬TSN 網(wǎng)橋需要支持SNMP 代理功能，通過連接UE 和UPF 的DS-TT 和NW-TT 以太網(wǎng)端口，收集連接設(shè)備與端口的相關(guān)狀態(tài)信息，特別是端口狀態(tài)的管理。同時，5G-U 虛擬TSN 網(wǎng)橋通過端口和LLDP 收集網(wǎng)絡(luò)拓撲與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，保存至MIB（managing information base），任何端口狀態(tài)變化或端口間連接變化，都需通知集中網(wǎng)絡(luò)配置器CNC，以便重新配置該虛擬網(wǎng)橋[40]。

隨著網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的演進，TSN CNC 集中網(wǎng)絡(luò)配置器未來將采用NETCONF（IETF RFC 6241）或者RESTCONF（IETF RFC 8040）協(xié)議，以及YANG 數(shù)據(jù)建模語言[53]，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端進行統(tǒng)一管理。5G-U 虛擬網(wǎng)橋需要支持MIB、NETCONF、RESTCONF、YANG 等協(xié)議，以便與TSN 實現(xiàn)管控平面的融合。

5 5G-U 與TSN 融合研究挑戰(zhàn)

5.1 多工作時鐘域同步及容錯

不同的工廠生產(chǎn)單元各自使用獨立的工作時鐘，而整個工廠有一個全局時鐘。如何協(xié)同工廠內(nèi)多工作時鐘域的同步并實現(xiàn)可靠容錯，是5G-U 與TSN 融合的研究挑戰(zhàn)之一。TSN 設(shè)備包括終端和網(wǎng)橋，均支持至少2 個gPTP 時鐘域（一個工作時鐘域、一個全局時鐘域），為了可靠冗余設(shè)計，一般還同時具備至少2 個冗余的gPTP 時鐘域。5G-U 系統(tǒng)可以支持多達32 甚至128 個gPTP 工作時鐘域[44]。5G-U 與TSN 融合網(wǎng)絡(luò)如何進行多工作時鐘域的協(xié)同及容錯設(shè)計十分關(guān)鍵。同時，通過5G-U 與TSN融合網(wǎng)絡(luò)相連的多個工作時鐘域UE 終端設(shè)備間的同步機制和同步精度需進一步研究與提升。因為UE 終端設(shè)備間同步需雙向無線電傳播或者有線加無線傳播，且時延不確定。另外，上行鏈路TSN 時間同步也是3GPP 正在研究的難點問題之一。

5.2 端到端協(xié)同流量調(diào)度

TSN 同步和異步流量調(diào)度機制是保證分組有界低時延、低抖動傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，標準化程度較高。5G-U 網(wǎng)絡(luò)通過MAC（media access control）機制按照流量QoS 需求進行無線資源的分配和調(diào)度，以滿足流量的傳輸需求。5G-U 與TSN 融合網(wǎng)絡(luò)如何進行端到端的協(xié)同流量調(diào)度是研究挑戰(zhàn)之一。同時，如何優(yōu)化利用5G-U 網(wǎng)絡(luò)免授權(quán)頻譜的流量卸載功能，且不影響業(yè)務(wù)流量QoS 性能仍待進一步研究。端到端協(xié)同流量調(diào)度相關(guān)研究課題包括異構(gòu)流量QoS 特征建模與映射機制、有線與無線網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同分配機制、QoS 感知5G-U 虛擬網(wǎng)橋設(shè)計、5G-U免授權(quán)頻譜智能流量卸載機制等。

5.3 融合網(wǎng)絡(luò)無縫冗余

TSN 采用幀復(fù)制與消除（FRER,frame replication and elimination for reliability）可靠性機制實現(xiàn)可靠服務(wù)[9]。5G-U 網(wǎng)絡(luò)可通過不同方法實現(xiàn)不同程度的冗余設(shè)計[54]。5G-U 系統(tǒng)可通過為單個PDU 會話創(chuàng)建冗余獨立的N3 傳送網(wǎng)路徑（隧道）實現(xiàn)RAN（radio access network）與錨點UPF 的可靠傳送，即基于冗余業(yè)務(wù)流的高可靠傳輸；也可通過多天線、多載波及數(shù)據(jù)復(fù)制實現(xiàn)UE 與RAN 之間的可靠接入，即基于冗余接入的可靠傳輸；還可通過RAN的雙連接包括獨立的RAN 節(jié)點和UPF 節(jié)點實現(xiàn)雙PDU 會話傳遞冗余分組，實現(xiàn)鏈路和節(jié)點的雙重冗余，即基于冗余會話的高可靠傳輸。最后，5G-U系統(tǒng)可通過在UPF 和NG-RAN 之間提供2 條冗余的傳輸層路徑來實現(xiàn)冗余傳輸，即基于傳輸層冗余的高可靠傳輸。目前TSN 與5G-U 的可靠冗余機制各自獨立，如何在5G-U 和TSN 融合網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)有線無線網(wǎng)絡(luò)的無縫冗余是研究挑戰(zhàn)之一。

5.4 統(tǒng)一有線無線網(wǎng)絡(luò)管控

TSN 的控制平面包括集中式、分布式以及網(wǎng)絡(luò)集中用戶分布3 種模式[12]。TSN 通常基于集中用戶配置（CUC,centralized user configuration）和CNC實現(xiàn)對用戶和網(wǎng)絡(luò)的配置。5G-U 網(wǎng)絡(luò)的控制平面基于服務(wù)架構(gòu)（SBA,service based architecture），支持包括AMF（access and mobility function）、SMF（session management function）、PCF（policy control function）、NEF 等多種網(wǎng)絡(luò)功能的部署。5G-U 與TSN 融合網(wǎng)絡(luò)通過TSN AF 應(yīng)用功能模塊實現(xiàn)CNC與5G-U 控制平面間通信。AF 一方面將TSN 流量QoS 和調(diào)度配置信息用于5G-U 虛擬橋的配置，另一方面將5G-U 虛擬網(wǎng)橋的能力告知TSN 集中網(wǎng)絡(luò)配置器CNC。雖然通過AF 可基本實現(xiàn)兩者控制平面的互通，要真正實現(xiàn)5G-U 與TSN 內(nèi)生統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管控機制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

5.5 融合網(wǎng)絡(luò)安全接入控制

有線TSN 與無線5G-U 融合應(yīng)用至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景存在一定安全風(fēng)險，特別是無線5G-U 技術(shù)使用了免授權(quán)頻譜，可能與Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)沖突且容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。如何在5G-U 與TSN 融合的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下對潛在安全因素進行分析并提出相應(yīng)解決方案，是5G-U 與TSN 融合架構(gòu)實際部署前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

6 結(jié)束語

TSN 與5G-U 分別是未來面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的有線與無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。5G-U 與TSN 融合是構(gòu)建未來靈活、高效、柔性、可靠及安全的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。本文分析了5G-U 與TSN 融合架構(gòu)的4 種模式，討論了時間同步平面、數(shù)據(jù)平面與網(wǎng)絡(luò)管控平面三大平面5G-U 與TSN 融合的關(guān)鍵技術(shù)，并展望了融合架構(gòu)的五大研究挑戰(zhàn)。TSN有線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與5G-U 無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互為補充、無縫融合，將為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展奠定堅實技術(shù)基礎(chǔ)。