面向工業(yè)自動(dòng)化的5G與TSN協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

李 衛(wèi)，孫 雷，王健全，馬彰超

1) 北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083

工業(yè)制造業(yè)是5G的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如何利用5G先進(jìn)信息通信技術(shù)打造組織靈活、生產(chǎn)高效的智能工廠，助力制造業(yè)數(shù)字化、智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型，成為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)話題[1-3].然而，工業(yè)業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延、抖動(dòng)及可靠性等具有嚴(yán)格的要求，尤其是工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，需由支持有界的時(shí)延和抖動(dòng)、極其嚴(yán)苛的丟包率和可靠性保證的網(wǎng)絡(luò)承載. 網(wǎng)絡(luò)具有確定性時(shí)延這一特征對(duì)工業(yè)業(yè)務(wù)傳輸尤為重要，意味著整個(gè)系統(tǒng)的可行與可靠，是工業(yè)系統(tǒng)安全可控的基礎(chǔ). 雖然5G在R16版本中針對(duì)低時(shí)延和超高可靠技術(shù)方面做了較大提升，但在滿足工業(yè)實(shí)時(shí)類、工業(yè)自動(dòng)控制類業(yè)務(wù)確定性傳輸需求方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)[4-6].

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-sensitive networking, TSN)是由國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) 802.1工作組在802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及802.1Q虛擬局域網(wǎng)基礎(chǔ)上對(duì)媒體接入控制層機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)的一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[7].TSN是二層橋接網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間高精度時(shí)間同步基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)的有界性及確定性；此外，由于TSN能兼容以太網(wǎng)協(xié)議，因此受到了工業(yè)、航天電子及音視頻傳輸領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，成為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的重要趨勢(shì)之一，諸多工業(yè)企業(yè)對(duì)在工廠內(nèi)部引入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣，西門子等工業(yè)巨頭也紛紛開展了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床的建設(shè)驗(yàn)證工作[8].

本文基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中信息技術(shù)(Information technology, IT)與生產(chǎn)技術(shù) (Operation technology,OT)融合需求，面向構(gòu)建統(tǒng)一、開放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，重點(diǎn)針對(duì)構(gòu)建5G與TSN協(xié)同的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)體系、時(shí)間同步機(jī)制、聯(lián)合資源管理模型等進(jìn)行了闡述，并結(jié)合5GTSN協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在智能工廠中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了介紹. 文章組織結(jié)構(gòu)如下：第1部分重點(diǎn)介紹時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及5G+TSN的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀；第2部分主要介紹5G+TSN的關(guān)鍵技術(shù)特征，并對(duì)當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析；第3部分簡(jiǎn)要介紹5G+TSN在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景；第4部分對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié).

1 研究現(xiàn)狀

1.1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

TSN并不是近年興起的新技術(shù)和新網(wǎng)絡(luò)，只是隨著近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及而被通信領(lǐng)域所熟知. IEEE 802.1工作組圍繞TSN的架構(gòu)、時(shí)間同步、流管控、流整形及資源預(yù)留等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，形成802.1系列協(xié)議族，其目的是意圖構(gòu)建一個(gè)開放、統(tǒng)一的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，并通過標(biāo)準(zhǔn)化為不同應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持. 其中，IEEE802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、802.1Qbu、802.3Qbr、802.1Qci等是TSN較為基礎(chǔ)核心的協(xié)議[9-11].

時(shí)間同步是TSN實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)及時(shí)延有界性的基礎(chǔ)，IEEE 802.1AS在1588V2基礎(chǔ)上采用通用精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議(General precise time protocol,gPTP)，通過在主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間傳遞時(shí)間事件消息(帶有精準(zhǔn)時(shí)間戳的消息)，并通過計(jì)算點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路傳輸時(shí)延、駐留時(shí)延等信息后完成時(shí)間補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步[12-13].

IEEE802.1Qcc提出了中心化配置模式，網(wǎng)絡(luò)中由1個(gè)或多個(gè)集中用戶配置中心(Centralized user configuration, CUC)和1個(gè)集中網(wǎng)絡(luò)控制器(Centralized network configuration, CNC)組成. 當(dāng)接收到來自CUC的數(shù)據(jù)傳輸需求后，CNC基于各節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步信息的基礎(chǔ)上，完成資源預(yù)留、調(diào)度等決策，并將相關(guān)信息配置到相應(yīng)交換節(jié)點(diǎn)，基于集中式的TSN架構(gòu)如圖1所示. 此外，IEEE802.1Qcc也支持分布式的TSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14-15].

圖1 IEEE802.1 Qcc集中管理架構(gòu)圖Fig.1 IEEE 802.1Qcc centralized management architecture

IEEE802.1Qbv是在多業(yè)務(wù)環(huán)境下保障強(qiáng)實(shí)時(shí)需求時(shí)延敏感業(yè)務(wù)傳輸需求的業(yè)務(wù)流調(diào)度增強(qiáng)機(jī)制. 802.1Qbv提出了時(shí)間感知整形器 (Time aware shaper, TAS)，使TSN交換機(jī)能夠來控制隊(duì)列流量，通過時(shí)間感知門，只有在規(guī)定時(shí)間窗口才能傳輸相應(yīng)隊(duì)列的報(bào)文，保證了高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的傳輸將不會(huì)被突發(fā)性的低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)所打斷，實(shí)現(xiàn)端到端傳輸?shù)拇_定性[16].

IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr是針對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)年?duì)列轉(zhuǎn)發(fā)保障機(jī)制，提出了幀搶占機(jī)制，允許在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可讓高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀打斷低優(yōu)先級(jí)的幀，優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列數(shù)據(jù)，最大限度地降低高優(yōu)先級(jí)信息流的延遲[17].

IEEE802.1Qci提出了基于TSN流的入口過濾與監(jiān)管，能夠用來防止出現(xiàn)因數(shù)據(jù)重傳及DDOS攻擊等造成的業(yè)務(wù)過載情況，從而提升網(wǎng)絡(luò)的健壯性[18].

IEEE針對(duì)TSN的標(biāo)準(zhǔn)還在不斷的演進(jìn)及擴(kuò)展，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸、TSN網(wǎng)絡(luò)的部署及配置提供了多樣化的功能選擇，從而支持在已有工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)確定時(shí)延及可靠性的數(shù)據(jù)傳輸[19].

1.2 5G+TSN 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

如圖2所示，該圖是3GPP R16定義的5G支持TSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[20]. 在該架構(gòu)中，將5G系統(tǒng)看作是TSN交換機(jī)，嵌入到IEEE 802.1 Qcc的TSN集中化管控整體架構(gòu)下. 為了使得5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持TSN的基本協(xié)議，5G核心網(wǎng)及終端側(cè)對(duì)用戶面和控制面兩個(gè)層面進(jìn)行了相應(yīng)的功能增強(qiáng)[21-25].

圖2 3GPP R16定義的5G TSN網(wǎng)橋架構(gòu)Fig.2 5G TSN bridge architecture defined by 3GPP R16

在用戶面，在UPF中擴(kuò)展支持網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(Network TSN translator, NW-TT)、在5G終端側(cè)增加了設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(Device side TSN translator, DS-TT)功能，NW-TT及DS-TT支持IEEE802.1AS、802.1AB及802.1Qbv協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了將TSN功能暴露給5G網(wǎng)絡(luò)而不對(duì)現(xiàn)有5G系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)元造成影響. 另一方面，在時(shí)間同步基礎(chǔ)上，5G用戶面功能UPF需實(shí)現(xiàn)TSN基于精準(zhǔn)時(shí)間的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，這是5G網(wǎng)絡(luò)支持TSN的最核心功能. 5G系統(tǒng)作為TSN網(wǎng)絡(luò)中的透明橋梁，由DS-TT和NW-TT提供TSN數(shù)據(jù)流的駐留和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制.

在控制面，提出了TSN應(yīng)用功能實(shí)體(TSN-application function, TSN-AF)，與5G核心網(wǎng)中策略控制功能(Policy control function, PCF)、會(huì)話管理功能(Session management function, SMF)等實(shí)體模塊的交互，實(shí)現(xiàn)TSN業(yè)務(wù)流關(guān)鍵參數(shù)在5G時(shí)鐘下的修正與傳遞，讓5G基站實(shí)現(xiàn)對(duì)TSN業(yè)務(wù)流確定性時(shí)間要求的感知，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于TSN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)時(shí)延傳輸；另一方面，TSN-AF與5G邊界網(wǎng)關(guān)用戶面功能實(shí)體(User plane function, UPF)及終端側(cè)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)DS-TT交互，實(shí)現(xiàn)5G TSN網(wǎng)橋端口配置管理等功能.

2 5G 與 TSN 協(xié)同傳輸關(guān)鍵技術(shù)

在3GPP提出的5G TSN橋接網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，本節(jié)將針對(duì)跨5G與TSN端到端確定性傳輸需求，對(duì)5G與TSN協(xié)同傳輸面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前業(yè)界在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)針對(duì)時(shí)間同步機(jī)理、5G超高可靠低時(shí)延連接模型、5G與TSN聯(lián)合調(diào)度算法與資源映射模型等方面的關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行了分析和探討.

2.1 問題與挑戰(zhàn)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)要確保傳輸路徑上所有節(jié)點(diǎn)都在同一時(shí)間基準(zhǔn)上，并且能“感知”信息的傳輸時(shí)間，從而確保信息在一個(gè)精準(zhǔn)的、確定的、可預(yù)測(cè)的時(shí)間范圍內(nèi)從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)[20]. 然而，TSN基于以太網(wǎng)架構(gòu)，采用有線的方式進(jìn)行信息傳輸，有線信道變化較小，信道特征對(duì)于信息傳輸時(shí)間的影響較小，具有較好的“可控性”，而5G蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)重要的特征是空口無線傳輸，因此，如何在5G與TSN協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的確定性傳輸，面臨如下的關(guān)鍵技術(shù)難題：

首先，如何克服無線信道時(shí)變帶來的不確定性. 無線信道是時(shí)變信道，并且由于無線終端的移動(dòng)特性，無線信道中快衰落和慢衰落同時(shí)存在，這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽斐闪藰O大的影響. 終端移動(dòng)、無線信道變化會(huì)帶來數(shù)據(jù)的丟失，并進(jìn)而帶來數(shù)據(jù)重傳，這將對(duì)確定性低時(shí)延、低抖動(dòng)等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來挑戰(zhàn).

其次，如何提升5G網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)設(shè)備及基站設(shè)備的時(shí)間感知能力，實(shí)現(xiàn)基于精準(zhǔn)時(shí)間的資源調(diào)度與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā). 傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的資源分配是基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、隊(duì)列情況等進(jìn)行綜合調(diào)度，雖然也強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延的優(yōu)化，但并未嚴(yán)苛的按照精準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行資源調(diào)度及數(shù)據(jù)發(fā)送. 如何在5G網(wǎng)絡(luò)中將TSN的機(jī)制進(jìn)行引入增強(qiáng)，成為5G與TSN協(xié)同傳輸面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn).

最后，跨5G與TSN 網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源優(yōu)化難題.混合工業(yè)業(yè)務(wù)環(huán)境下如何統(tǒng)籌跨網(wǎng)狀態(tài)信息以針對(duì)TSN業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端資源優(yōu)化決策，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)跨域的確定性調(diào)度. 在當(dāng)前3GPP提出的5G TSN橋接方案中，是通過在終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)構(gòu)建網(wǎng)關(guān)，將TSN的參數(shù)特性傳遞給5G網(wǎng)絡(luò)；但對(duì)于端到端的優(yōu)化傳輸來說，如何讓TSN中的決策節(jié)點(diǎn)了解5G網(wǎng)絡(luò)信息，從而實(shí)現(xiàn)端到端的資源優(yōu)化決策.

2.2 跨網(wǎng)高精度時(shí)間同步機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)確定性時(shí)延傳輸?shù)幕A(chǔ)和關(guān)鍵. 然而，5G和TSN屬于不同的時(shí)間域，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均有各自域內(nèi)的主時(shí)鐘，因此，如何實(shí)現(xiàn)兩者的時(shí)間同步成為5G與TSN協(xié)同傳輸?shù)氖滓P(guān)鍵問題[26].

對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)時(shí)間同步，主要有兩種方案，一種是邊界時(shí)鐘補(bǔ)償方案，另外一種就是時(shí)鐘信息透明傳輸方案. 兩種方案的示意圖如圖3和圖4所示.

圖3 邊界時(shí)鐘補(bǔ)償方案示意圖Fig.3 Mechanism of the boundary time synchronization

圖4 時(shí)鐘信息透明傳輸方案示意圖Fig.4 Mechanism of the transparent mode of clock information

對(duì)于邊界時(shí)鐘補(bǔ)償方案，5G網(wǎng)絡(luò)中終端側(cè)及網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)關(guān)處將能同時(shí)感知到兩個(gè)時(shí)間域的時(shí)鐘消息，邊界網(wǎng)關(guān)將對(duì)兩個(gè)時(shí)鐘間的誤差進(jìn)行測(cè)量，通過將測(cè)量值補(bǔ)償?shù)?G時(shí)鐘信息上，使得5G和TSN兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)能夠處于同樣的時(shí)間基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)設(shè)備及5G基站(gNB, Next generation node B)的精準(zhǔn)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)功能. 對(duì)于該方案而言，兩個(gè)時(shí)鐘間誤差測(cè)量的精度及誤差更新的頻度，成為跨網(wǎng)時(shí)鐘同步的關(guān)鍵.

對(duì)于時(shí)鐘信息透明傳輸方案，將TSN域內(nèi)時(shí)間同步消息，即PTP消息，在5G域內(nèi)進(jìn)行透明傳輸. 但是，在傳輸鏈路上經(jīng)過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，都需要將在該節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間進(jìn)行標(biāo)記，即記錄進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)入口和離開該節(jié)點(diǎn)出口時(shí)的時(shí)間戳，并將時(shí)間戳消息填入PTP事件消息的修正字段，TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)鐘收到PTP消息后可根據(jù)駐留時(shí)間對(duì)積聚誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)5G-TSN跨網(wǎng)時(shí)間同步. 對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)而言，空口時(shí)間同步的精度將影響其時(shí)間戳的精度，進(jìn)而影響端到端時(shí)間同步的精度. 因此，目前在跨5G-TSN的時(shí)間同步方案研究中，仍然以邊界時(shí)鐘補(bǔ)償方案為主.

2.3 適配 TSN 的 5G 高可靠連接增強(qiáng)技術(shù)

終端移動(dòng)及無線信道時(shí)變是5G與TSN協(xié)同傳輸面臨的首要關(guān)鍵難題. 在R15和R16版本中，針對(duì)低時(shí)延和高可靠保證，5G在支持更大子載波間隔配置、mini-slot設(shè)置、更低頻譜效率的MCS等物理層技術(shù)及免授權(quán)調(diào)度、快速接入、雙連接等高層協(xié)議等方面做了較多的增強(qiáng)和改進(jìn)，進(jìn)一步降低無線網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延和調(diào)度等待時(shí)延[27-29].文獻(xiàn)[30]針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延敏感通信業(yè)務(wù)流的資源分配機(jī)制進(jìn)行了研究，基于物理層信道質(zhì)量信息(Channel quality indicator, CQI)，對(duì)5G無線接入網(wǎng)的半靜態(tài)調(diào)度(Semi-persistent scheduling, SPS)和動(dòng)態(tài)分組調(diào)度機(jī)制(Dynamic packet scheduling,DPS)支持時(shí)延敏感通信業(yè)務(wù)流數(shù)目的情況進(jìn)行了分析.

為了讓5G無線接入網(wǎng)更有效的適配確定性傳輸機(jī)制，5G引入了時(shí)延敏感通信輔助信息(Time sensitive communication associate information,TSCAI)，5G核心網(wǎng)將通過N2接口向gNB進(jìn)行傳遞TSCAI參數(shù)，用于描述gNB入口和UE出口接口上的TSC流業(yè)務(wù)模式，分別用于下行鏈路和上行鏈路方向的業(yè)務(wù)[31-32]. TSCAI來自于AF，經(jīng)由PCF/SMF/AMF發(fā)送給 gNB，以便 NG-RAN預(yù)知TSN業(yè)務(wù)流的到達(dá)時(shí)間，提前預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，以便對(duì)TSN業(yè)務(wù)流進(jìn)行更有效的周期性調(diào)度：

(1). 突發(fā)到達(dá)時(shí)間：用于指示在給定流向（上行為DS-TT到NW-TT，下行為NW-TT到DS-TT）下5G網(wǎng)絡(luò)入口端口的突發(fā)到達(dá)時(shí)間，以幫助在5G空口上傳輸TSN業(yè)務(wù)流.

(2). 周期時(shí)間：用于指示突發(fā)之間的時(shí)間，以協(xié)助5G空口上TSN業(yè)務(wù)流的傳輸.

(3). 流方向：以指示上述參數(shù)對(duì)應(yīng)的是上行流還是下行流.

在針對(duì)TSN業(yè)務(wù)流的無線資源分配方面，5G基站引入了半靜態(tài)調(diào)度方法，以更好應(yīng)對(duì)周期性的時(shí)間敏感業(yè)務(wù)流；此外，5G基站應(yīng)根據(jù)分配給5G系統(tǒng)的整體時(shí)延預(yù)算，結(jié)合當(dāng)前終端的信道狀況反饋，在信道狀況較差時(shí)，選擇頻譜效率較低但可靠性更高的調(diào)制編碼方式(MCS)，從而保證空口數(shù)據(jù)的可靠傳輸. 總而言之，TSCAI為5G空口的調(diào)度提供了時(shí)延限制和要求，但并未實(shí)現(xiàn)5G空口的確定性調(diào)度機(jī)制，僅限制了5G系統(tǒng)(含核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng))應(yīng)保證TSN數(shù)據(jù)的處理和傳輸時(shí)延應(yīng)盡可能的低，并保證空口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

2.4 5G-TSN 統(tǒng)一資源管理模型

關(guān)于5G與TSN聯(lián)合調(diào)度及聯(lián)合管理的研究從2019年才興起，目前主要集中在對(duì)于5G-TSN聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)的部署場(chǎng)景、針對(duì)時(shí)間敏感通信的5G空口調(diào)度機(jī)制框架開展研究，還欠缺對(duì)5G與TSN統(tǒng)一資源管理方面的系統(tǒng)研究.

對(duì)于5G與TSN協(xié)同傳輸而言，并非只將5G網(wǎng)絡(luò)作為TSN網(wǎng)橋，而應(yīng)該從系統(tǒng)全局角度實(shí)現(xiàn)5G與TSN的聯(lián)合管理和聯(lián)合資源優(yōu)化，因此，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software defined network, SDN)成為實(shí)現(xiàn)端到端統(tǒng)一管理的關(guān)鍵技術(shù)，并開始被引入到TSN的研究中[33]. 如圖5所示，該圖展示了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的5G與TSN集中化管控架構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)5G和TSN跨域信息的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一配置.

圖5 基于SDN的5G-TSN管控架構(gòu)Fig.5 SDN-based 5G-TSN management architecture

5G與TSN在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信機(jī)理、協(xié)議機(jī)制、數(shù)據(jù)格式等各方面均存在明顯的差異，而5GTSN的協(xié)同融合，其本質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或強(qiáng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的跨網(wǎng)精準(zhǔn)時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)，關(guān)鍵在于兩張異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的映射與配合，只有高效的資源協(xié)同，才能實(shí)現(xiàn)柔性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適配及無縫的跨網(wǎng)高可靠承載.

TSN是在以太網(wǎng)架構(gòu)上對(duì)二層機(jī)制的增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)端到端的確定性時(shí)延保障及高可靠傳輸，其物理層機(jī)制仍然是以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，以時(shí)分的方式實(shí)現(xiàn)資源的復(fù)用. 在控制層面，則通過資源預(yù)留、流量整形、時(shí)間感知的調(diào)度、幀搶占、幀復(fù)制與刪除等機(jī)制來保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性及可靠性.

5G在資源屬性及資源管控層面與TSN存在較大不同[34-35]. 在資源屬性層面，5G的資源屬性相比TSN而言更加多維化，除了時(shí)間維度(時(shí)隙)屬性外，還增加了空域(多入多出)和頻域(載波)兩個(gè)維度的資源，從而為業(yè)務(wù)的承載提供了更多的資源選擇；在資源管控層面，由于5G系統(tǒng)的傳輸瓶頸在空口，而空口資源是多用戶共享，需要通過調(diào)度策略來進(jìn)行資源的分配；基于5G服務(wù)質(zhì)量索引(5G quality of service index, 5QI)為相應(yīng)業(yè)務(wù)配置服務(wù)質(zhì)量(Quality of service, QoS)模板，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)到QoS流的映射，并通過PCF完成不同流的QoS策略制定，基于不同QoS策略來完成空口資源的預(yù)留、搶占，從而保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的可靠傳輸[36].

因此，針對(duì)TSN與5G在資源維度、調(diào)度控制等方面的差異性，如何突破TSN信息向5G網(wǎng)絡(luò)的單向傳遞，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)信息的相互感知和共享，從而實(shí)現(xiàn)兩者在資源分配、調(diào)度策略方面的協(xié)同，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[37-39]，文獻(xiàn)[40]針對(duì)5G與TSN的在資源方面的差異性，分析了5G無線鏈路呈現(xiàn)的丟包、設(shè)備移動(dòng)性、上下行時(shí)延不對(duì)稱的特征對(duì)確定性傳輸機(jī)制帶來的影響，重點(diǎn)關(guān)注5G與TSN QoS等級(jí)劃分的差異性. 如圖6所示，其中，λi,i∈ [0,n]表示進(jìn)入時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)出口不同隊(duì)列的數(shù)據(jù)幀速率，即單位時(shí)間的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)；是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)針對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)速率，即單位時(shí)間可發(fā)送的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù). 而λ′j,j∈[0,n]表示通過時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度整形后，進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)不同隊(duì)列的數(shù)據(jù)幀速率，′是5G空口的服務(wù)速率，即單位時(shí)間可服務(wù)的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)幀個(gè)數(shù). 若5G和TSN在QoS映射、資源調(diào)度等方面未能聯(lián)動(dòng)分析，將會(huì)造成數(shù)據(jù)的積壓或傳輸時(shí)延的上升. 因此，針對(duì)TSN數(shù)據(jù)流的協(xié)同管理機(jī)制、基于5G傳輸時(shí)延反饋的TSN鏈路層流量整形和幀搶占機(jī)制增強(qiáng)機(jī)制、5G與TSN協(xié)同資源分配等關(guān)鍵技術(shù)方面需開展進(jìn)一步研究.

圖6 5G-TSN聯(lián)合資源管理及QoS映射示意圖Fig.6 Key technologies for 5G-TSN joint management and QoS mapping

3 5G+TSN 在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)控制領(lǐng)域是“5G+TSN”的重要應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合未來智能工廠中跨產(chǎn)線、跨車間實(shí)現(xiàn)多設(shè)備協(xié)同生產(chǎn)需求，集中控制需求將變得更為迫切，原先分布式的控制功能將集中到具有更強(qiáng)大計(jì)算能力的控制云中，一方面更加有利于生產(chǎn)協(xié)同，另一方面是智能化發(fā)展的需要[41-45].

少人化、無人化是未來智能工廠的典型特征，隨著機(jī)器視覺等人工智能技術(shù)的發(fā)展和成熟，大量的重復(fù)性勞動(dòng)將會(huì)由機(jī)械臂、移動(dòng)機(jī)器人來承擔(dān). 在復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中，則需要多個(gè)機(jī)械臂及移動(dòng)機(jī)器人間相互配合才能完成產(chǎn)品的裝配及生產(chǎn).然而，傳統(tǒng)的工業(yè)控制大多在設(shè)備邊緣進(jìn)行直接控制，豎井式特征導(dǎo)致多設(shè)備間的協(xié)同協(xié)作難以實(shí)現(xiàn)，不能滿足智能工廠的生產(chǎn)需求. 借助“5G+TSN”協(xié)同傳輸技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)不僅能支持移動(dòng)類型智能工業(yè)設(shè)備，并且還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的確定性低時(shí)延傳輸與高可靠保障，能實(shí)現(xiàn)感知、執(zhí)行與控制的解耦，實(shí)現(xiàn)了控制決策的集中，為大規(guī)模設(shè)備間的協(xié)同協(xié)作提供了有力的技術(shù)支撐，具體場(chǎng)景如圖7所示.

圖7 5G-TSN網(wǎng)絡(luò)在智能工廠中的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖Fig.7 Scenarios for 5G-TSN applied in a smart factory

此外，由于設(shè)備間無需進(jìn)行有線組網(wǎng)，能夠較好的根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行設(shè)備組合，從而實(shí)現(xiàn)跨車間、跨產(chǎn)線的生產(chǎn)協(xié)同，為智能工廠柔性生產(chǎn)提供了扎實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)支撐條件.

4 總結(jié)

先進(jìn)信息通信技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用的融合將成為5G及后續(xù)移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的重要主題，確定性網(wǎng)絡(luò)也將成為其演進(jìn)的重要方向之一. 5G+TSN網(wǎng)絡(luò)在關(guān)鍵技術(shù)及適配工業(yè)應(yīng)用兩個(gè)維度也將持續(xù)的深化研究，一方面是5G與TSN協(xié)同傳輸如何與當(dāng)前工業(yè)場(chǎng)景、工業(yè)流程和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適配；另一方面是5G+TSN如何與確定性網(wǎng)絡(luò)(Deterministic network, DetNet)進(jìn)行協(xié)同融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣域確定性傳輸，支持智能工廠邊界的不斷延伸和擴(kuò)展. 隨著5G與TSN協(xié)同傳輸技術(shù)的不斷完善和演進(jìn)，未來移動(dòng)確定性網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮出更大的價(jià)值.