5G+TSN在工业互联网场景下的应用

习餐厅

点击上方蓝字，关注我们

点击右上角「…」选择「设为星标」

TSN基本概念

相关阅读：

TSN（Time Sensitive Network，时间敏感网络）是由IEEE 802.1 TSN任务组制定的一系列IEEE 802以太网子标准集，该任务组成立于2012年，由IEEE 802.1 AVB（audio video bridging，音视频桥接）任务组改名而成。AVB工作组致力于解决音频视频数据在以太网介质上传输时的时延较高、抖动较大、传输不确定等问题。TSN通过无缝冗余等机制扩展了AVB技术的性能，为网络提供有界低时延、低抖动和极低数据丢失率的能力，使得以太网能适用于可靠性和时延要求严苛的时间敏感型应用场景。

图1：以太网的发展历程

TSN的主要特性包括时间同步、确定性传输、网络的动态配置、兼容性和安全等。

（1）时间同步：全局时间同步是大多数 TSN 标准的基础，用于保证数据帧在各个设备中传输时隙的正确匹配，满足通信流的端到端确定性时延和无排队传输要求。TSN利用IEEE 802.1AS在各个时间感知系统之间传递同步消息，提供精确的时间同步。

（2）确定性传输：在数据传输方面，对于TSN而言，重要的不是“最快的传输”和“平均传输时延”，而是在最坏情况下的数据传输时延。TSN通过对数据流量的整形、无缝冗余传输、过滤和基于优先级调度等，实现对关键数据的高可靠、低时延、零分组丢失的确定性传输。

（3）网络的动态配置：大多数网络的配置需要在网络停止运行期间进行，这对于工业控制等应用来说几乎是不可能的。TSN通过IEEE 802.1Qcc引入集中网络控制器（centralized network configuration，CNC）和集中用户控制器（centralized user configuration，CUC）来实现网络的动态配置，在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流。

（4）兼容性：TSN以传统以太网为基础，支持关键流量和尽力而为（best-effort，BE）的流量共享同一网络基础设施，同时保证关键流量的传输不受干扰。同时TSN是开放的以太网标准而非专用协议，来自不同供应商的支持TSN的设备都可以相互兼容，为用户提供了极大的便利。

（5）安全：TSN利用IEEE 802.1Qci对输入交换机的数据进行筛选和管控，对不符合规范的数据帧进行阻拦，能及时隔断外来入侵数据，实时保护网络的安全，也能与其他安全协议协同使用，进一步提升网络的安全性能。

随着TSN技术在各个应用领域受到更为广泛和高度的关注，吸引了各类通信标准及行业机构针对TSN相关技术在垂直行业的部署应用展开研究。除了电气与电子工程师协会（IEEE），对时间敏感网络相关的技术研究和标准的制定已经扩展到多个标准组织,包括:IEC、IETF、通用公共无线接口联盟（CPRI）、中国通信标准化协会（CCSA）等，参与TSN研究和技术推广的研究机构和产业联盟也已经包括:中国的工业互联网产业联盟（AII）、美国的工业互联网联盟（IIC），德国的LNI4.0、AVNU、OPC基金会、OpenStack基金会等等。主要的研究领域及相关进展如图2所示。

图2：时间敏感网络研究现状示意图

在5G网络方面，3GPP R16将5G端到端时延目标定为1ms或更低，就现有5G超可靠和低延迟通信（uRLLC）标准而言，主要用于实现无线终端与基站之间的传输，其技术思路与时间敏感网络并不相同。在3GPP R16 23.501中，已经开始将TSN技术纳入5G标准，用于满足5G承载网的高可靠、确定性需求，与uRLLC形成确定性传输的技术接力。相比5G uRLLC技术主要关注在可靠性和时延方面的业务保证，TSN技术则将在时延抖动以及时间同步方面对5G网络进行进一步增强。3GPP R17提出TSN增强架构，即实现5G核心网架构增强，控制面设计支持TSN相关控制面功能；实现5G核心网确定性传输调度机制，而不依赖于外部TSN网络；通过UPF增强实现终端间的确定性传输；实现可靠性保障增强；实现工业以太网协议对接；支持多时钟源技术。

TSN关键技术

TSN协议族位于开放式系统互连（OSI）模型的第二层，即数据链路层。它可以采用IEEE 802.3的以太网或IEEE 802.3cg《IEEE标准 补篇5：单对平衡导线上10Mb/s运行和相关电力输送的物理层规范和管理参数》的标准网络来实现物理层。

图3：TSN 在 OSI 模型中的位置

TSN标准主要包括应用行规、配置标准和基础技术三类标准，通过这些标准的组合，时间敏感网络可以完成对网络的调度管理，并提供优良的调度结果。

图4：TSN标准分类

TSN标准按功能分为时间同步、可靠性、时延、资源管理4类，如下图所示。其中较为核心的功能协议有IEEE 802.1AS、802.1Qcc、802.1Qbv、IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr、802.1Qci等。

图5：TSN标准协议族功能分类

以工业为核心的特性包括：时间同步、流量调度、帧抢占、逐流过滤和监管、帧复制和帧消除、流预留等。

（1）时间同步

TSN标准中由IEEE 802.1AS提供全局精准时间同步。IEEE 802.1AS标准是IEEE std 1588精准时间协议（precision time protocol，PTP）的特定配置文件，定义了广义精准时间协议（generalized PTP，gPTP），并拥有更简洁易操作的选项和功能。IEEE 802.1AS通过在gPTP域的时间感知系统之间传递相关时间事件消息来完成网络设备间的同步。

gPTP与PTP的同步机制类似，利用最佳主时钟算法（best master clock algorithm，BCMA）在网络中选择主时钟并建立同步时钟树，然后利用对等路径时延测量机制计算主从时钟端口间的时间误差来进行同步。近期修订的IEEE 802.1 AS rev改进了gPTP，为主时钟故障提供了更快的反应时间，极大提升了系统可用性和容错性。IEEE 802.1 AS rev在网络中提供冗余主时钟和多个时钟同步路径，当前主时钟出现故障时，设备可快速切换至冗余主时钟，冗余主时钟与网络节点间的冗余同步路径还能在网络链路甚至网桥丢失时依然提供同步时基，实时保证网络的正常运行。

图6：IEEE 802.1 AS 架构

（2）流量调度

IEEE 802.1Qbv则提供了基于服务等级的流量调度，能够避免不同等级流量间的相互干扰，为时间关键的流量提供确定的端到端时延。IEEE 802.1Qbv 中定义了时间感知整形器（time-aware shaper，TAS），利用时间周期的概念来调度数据流。时间感知整形器如下图所示，进入TSN交换机的数据流根据其帧头中的信息会被重新赋予优先级并送至输出端口的指定队列，每个队列都有一个控制传输的时间感知门/传输门。当门的状态为开（open）时，传输选择算法会在相应的时间窗口根据优先级选择数据流进行传输；当门的状态为关（close）或者当前时间窗口的剩余时间不足以传输整个帧，则不允许传输。时间感知门的状态由基于IEEE 802.1AS的门控列表（gate control list，GCL）指定，门控列表周期性地调度每个队列的流量，并控制每个队列传输时间窗口的长度。

图7：时间流量整形器

为了避免已传输的非关键流量干扰即将传输的关键流量，通常会在非关键流量的时间窗口后加入保护带，保护带的长度为非关键流量中的最大帧的传输时间。在关键流量开始传输时，上一个周期传输的非关键数据帧（干扰帧）还没发送完并占用后续时隙，导致关键流量不能在其传输窗口完成全部的数据传输。加入保护带后，在保护带时间段内不允许非关键帧的传输，从而保证了关键帧的及时传输。

（3）帧抢占

IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br协同制定标准化的抢占机制。IEEE 802.1Qbv虽然能保护关键流量免受其他网络流量的干扰，但不一定带来最佳的带宽利用率和最小的通信时延。在支持IEEE 802.1Qbu帧抢占的链路上，允许中断非关键的标准以太网帧或者巨型帧的传输（如下图中的（1）和（2）所示），并优先传输时间关键帧，然后在不丢弃先前传输的非关键帧片段的情况下恢复传输中断的数据，一个非关键的数据帧可以被多次抢占。在应用保护带机制时，帧抢占能有效减小保护带的最大长度（如下图中（3）和（4）所示），缩短信道空闲时间。帧抢占机制在保证关键型数据确定性低时延的同时，也提供了更细粒度的服务质量，提高了带宽利用率。

图8：帧抢占

（4）逐流过滤和监管

IEEE 802.1Qci定义的逐流过滤和监管（per-stream filtering and policing，PSFP）基于规则匹配过滤和监控每个输入设备的流，防止端点或网桥上的软件错误，抵御恶意设备和攻击（如DOS等）。PSFP根据每个数据帧所携带的流识别号和优先级信息来匹配流过滤器，由流过滤器执行逐流过滤和监管操作；流门用于协调所有的流，确定流的服务等级并有序确定地处理流。流计量用于执行流的预定义带宽配置文件，规定最大信息速率和突发流量大小等。PSFP处理的步骤如下图所示。

图9：逐流过滤和监管原理

（5）帧复制和帧消除

IEEE 802.1CB中定义的帧复制和消除（frame replication and elimination for reliability，FRER）实现了与高可用性无缝冗余（high-availability seamless redundancy，HSR）和并行冗余协议（parallel redundancy protocol，PRP）类似的无缝冗余机制，目的是增加给定数据分组的交付概率，防止拥塞丢失并降低由于设备故障导致数据分组丢失的概率。帧复制和消除过程如下图所示，FRER在发送端将需要传输的数据帧复制多个副本并生成序列号，然后在不相交的冗余网络路径A-B-C和D-E-F上传送，在目的地或者目的地附近（如B、E）依据数据帧的序列号检查并丢弃重复的副本，以实现无缝冗余传输。

图10：帧复制和消除过程

FRER机制适用于任何网络拓扑，为降低分组丢失概率，IEEE 802.1CB 可以使用许多条在IEEE 802.1Qca路径控制和预留协议中定义的冗余路径，也可与IEEE 802.1Qcc等协议结合，实现网络的无缝冗余和快速恢复。

（6）流预留

IEEE 802.1Qcc提供了对IEEE 802.1Qat流预留协议（stream reservation protocol，SRP）的增强和全局管理与控制网络的工具，支持静态或动态网络配置，通过减少预留消息的大小和频率改善原有的SRP，仅通过链路状态或预留变化来触发更新。

IEEE 802.1Qcc提供了TSN应用程序与网络组件之间的用户网络接口（user network interface，UNI）。完全集中式的网络管理模型如下图所示，网络开始运行之前，集中用户配置（CUC）会向网络集中控制器（CNC）发起检索网络物理拓扑请求，CNC遍历网络拓扑后将结果返回至CUC。CUC接收网络拓扑后开始收集网络资源需求，如哪些终端设备之间要进行通信、TSN流的周期、大小和时延界限等，并发送至CNC。CNC根据网络物理拓扑和网络需求计算每个TSN帧的调度表并发送至每个网桥，同时CUC将调度表分发至每个终端设备并要求终端设备依据调度表进行数据传输。至此，CUC和CNC分别通过代理的方式完成了网络的配置。当有新的设备加入网络或有新的TSN流产生时，依然可以用此方式在网络运行时重新配置。

图11：完全集中式的网络管理模型

5G和TSN融合的部署需求

5G+TSN是未来实现工业互联网无线化和柔性制造的重要基础。TSN在做数据转发时，可以针对工业互联网不同优先级的业务数据进行队列调度，从而实现质量差异化保证。在工业互联网场景下，TSN可以针对各类工业应用涉及的业务流特性进行建模和定义，并在此基础上，提供不同的优先级与调度机制。工业互联网的业务流量类型非常多，例如视频、音频、同步实时控制流、事件、配置&诊断等，表1是工业互联网业务流的典型分类示例。

从表1中可以看出，工业互联网中不同的业务流有不同的服务级别协议（SLA）需求。按照周期性划分，业务流可以分为周期和非周期两种。同步实时流对时延的要求最高，时延主要用于运动控制，其特点是:周期性发包，其周期一般小于2ms；每周期内发送的数据长度相对稳定，一般不超过100B；端到端传输具有时限要求，即数据需要在一个特定的绝对时间之前抵达对端。事件、配置&诊断、Best Effort类无时延特定要求；音频和视频类主要是依赖于帧率和采样率；周期循环和网络控制类对时延有要求，但相比同步实时类要低。

表1：工业互联网业务流分类示例

在以工业为代表的垂直行业业务中，安全可靠确定性地传输数据是通信技术的关键要求之一。面对工业互联网及车联网等应用对5G网络的极致高可靠低时延业务体验、效率及性能要求，对5G网络架构设计及技术选型提出了几点需求：

需求一：端到端极致确定性业务体验

在工业互联网场景下的应用系统中,典型的闭环控制过程周期可能低至毫秒级别，同时对可靠性也有极高的要求，对于业务的传输都有十分严格的确定性要求。需要整个5G网络系统中包括NR RAN核心网在内的各个环节进行性能的优化以及系统整体处理效率的提升，才可能实现端到端的极致高可靠低时延。时间敏感网络技术在现有的以太网QoS功能基础上增加了包括时间片调度、抢占、流监控及过滤等一系列流量调度特性，根据业务流量的特点配合使用相关特性，可以确保流量的高质量确定性传输。将时间敏感网络技术原理与5G网络的传输过程进行融合，可以更为有效地保证5G网络的端到端高可靠低时延传输要求。

需求二：异构系统的精密协作

5G网络系统将以业务为中心全方位构建信息生态系统,使能各类连接设备之间的全面连接和精密协作，以智能工厂为例，生产设备、移动机器人、AGV小车等智能系统内部存在异构的网络连接，并且系统又可能通过不同的方式接入到5G网络中来，需要实现这些设备系统之间的密切协同及无碰撞作业，就需要业务系统彼此之间能够做到互联互通。

TSN+OPC UA的组合被认为解决异构系统互联互通问题的最佳组合，可以同时达成网络的互联和数据层面的互通。TSN技术基于标准以太网协议标准解决数据报文在数据链路层中确定性传输问题；OPC UA则提供一套通用的数据解析机制，应用于业务系统端设备，解决数据交换及系统互操作的复杂性问题。

需求三：全业务承载差异化的传输质量保证

5G网络全面使能垂直行业新业务模式，仍旧以智能工厂为例，工业增强现实可以通过音视频实现生产环境远程感知，实现在线的生产监控及指导；远程控制可以用于实现远程人机交互及控制，在恶劣的环境下用机器人代替人员参与，实现安全生产；此外还有大量设备维护、原材料及产品数据需要通过传感器、RFID、智能终端等方式上传云端。上述业务涉及的音视频、控制信号、物联网数据的传输则采用不同的传输机制和质量要求。5G应用切片技术来实现不同业务之间的差异化业务保证，然而目前的分片仅可以在空口及核心网实现，对于承载网部分则没有特定的技术方案。时间敏感网络基于SDN架构实现网络资源的集中管理和按需调度，配合精确时间同步、流量调度等核心特性，可为不同类型的业务流量提供智能化、差异化承载服务。将时间敏感网络技术与5G承载网融合部署，或许可以为5G端到端分片提供一种解决思路。

5G和TSN融合的技术挑战

TSN是时延敏感网络，而5G网络本身是一个Best Effort网络；因此融合的难点和关键点为如何在不确定性的5G网络上实现确定性网络。如何将无线5G技术与有线TSN技术实现无缝融合是工业互联网重要且关键的技术难题之一，如时间同步机制、协同流量调度机制、高可靠桥接技术等。5G和TSN融合面临如下的技术挑战：

（1）5G网络低时延、低抖动的实现。5G TSN包括终端、无线、传输和核心网，其中无线侧是实现端到端确定性的关键，无线传输容易受到环境影响，时延难以保障。

（2）5G与TSN融合网络的时间同步。当前TSN与5G网络有各自的时钟同步机制，实现时间同步是面向工业应用场景的关键能力需求之一。工业以太网的TSN采用广义精准时钟协议（gPTP）（IEEE802.1AS）实现时间同步。如何协同实现5G网络与工业控制系统的时钟同步是需要考虑的问题。

（3）5G TSN终端到终端的直接通信。在工业互联网中，存在场内设备之间的直接通信，如移动机器人之间、AGV小车之间的协同工作。如何保障终端到终端之间的确定性通信也是需要考虑的问题。

（4）5G TSN的工业互联网部署环境。TSN的产业链比较长，在工业互联网中实现TSN，会涉及工业设备、工业以太网、控制系统等的升级改造。另外，TSN技术也在发展和完善中，规模商用还需要一定的时间。

5G和TSN融合方案

从 3GPP R16相关标准中可以看出，端到端确定性传输是 5G 网络能够在工业互联网等对网络传输有极致要求的垂直领域落地的关键。结合目前产业界需求及相关研究成果分析，TSN与5G的融合部署大体可以分为拼接式融合、5G承载网融合及深度融合三个阶段。

（1）拼接式融合

5G网络与TSN网络的互通,即将原有已经具备时间敏感网络特性的业务系统（如工业控制网络、车载网络等）与5G系统进行网络拼接，流量调度协同，通过分段实现业务传输的确定性来提升端到端业务传送质量。

在此类方案中，整个业务系统被看成一个UE，时间敏感网络中的流量分类要与5G网络系统的业务类型建立映射关系，同时需要保留TSN对于流量配置的相关标记，在经过5G网络系统的远程传输后剥离5G封装，进入到协同业务系统中后，仍然按照TSN流量调度类型进行确定性传输。本方案的关键点在于TSN网络与5G网络边缘处应部署对应网关，按照部署位置可以分为部署于TSN网络与蜂窝无线网络间的UE侧网关以及部署于TSN与5G核心网之间的核心网侧网关两种类型。TSN与5G融合部署网关应在业务系统网络侧的接口需要具备时间敏感网络的相关特性功能，兼具将业务系统数据及包含TSN特性的以太包头封装进5G传输包头中，在封装过程中还要将相关的业务流量标识映射到5G网络传输结构中，对于UE侧网关还需要支持有线网络向无线蜂窝网络转换能力。

图12：TSN与5G网络系统拼接部署示意图

（2）承载网融合

5G网络系统除了提出新的空口NR标准及新的核心网架构以外，对于承载网络的重构也是一项重要研究方向。5G网络系统中承载网络通常采用有线网络进行流量承载，在DU和CU合设的情况下，通常可以分为前传和回传两部分，如下图所示。

图13：TSN与5G承载网络融合部署示意图

自3G开始移动回传网络通常采用包转发技术进行基站到核心网之间的流量承载，典型的方案以IPRAN及PTN为代表，借助MPLS标签转发技术实现业务流量的转发、调度及保护倒换，基本承载技术相对稳定成熟。5G时代的回传网络一方面结合SDN及NFV技术将驱动回传网络的智能化演进；一方面也天然具备支持利用确定性网络技术（MPLS Over TSN）实现回传网络的低时延、低抖动业务传输。

TSN与5G承载网的融合，不仅存在利用TSN技术驱动承载网实现确定性传输的需求，也具备从回传到前传再到中传部署TSN技术的基本技术前提。TSN与5G承载融合部署的实现，将确定性传输方案从业务系统TSN网络与5G URLLC的拼接模式向5G网络系统内部承载网融合方向演进。

（3）深度融合

在TSN与5G深度融合阶段中，整个5G网络系统逻辑上将升级为具备时间敏感网络特性的桥接系统，承载业务系统流量的远程确定性传送。3GPP R16 23.501中已经明确提出相关技术思路，如下图所示。

图14：TSN与5G深度融合部署示意图

5G整个网络包括终端、无线、承载和核心网，在TSN中作为一个逻辑网桥。TSN与5G网络之间通过TSN转换器功能进行用户面和控制面的转换和互通。5G TSN转换器包括设备侧TSN转换器（DS-TT）和网络侧TSN转换器（NW-TT），其中DS-TT位于终端侧，NW-TT位于网络侧。5G网络对TSN是透明性的，通过DS-TT和NW-TT提供TSN入口和出口端口。

在深度融合的架构下，5G网络相对于业务系统被视为黑盒的TSN交换机，支持TSN集中式架构和时间同步机制，并通过定义新的QoS模型（流方向、周期、突发到达时间）来实现精准的流量调度，实现5GS中UE到UPF之间的确定性多种业务流量的共网高质量传输。

总结

TSN与5G分别是未来有线与无线工业互联网的关键技术。TSN与5G融合是构建未来灵活、高效、柔性、可靠及安全的工业互联网的基础。TSN有线通信网络技术与5G无线通信网络技术互为补充，无缝融合，将为未来工业互联网的蓬勃发展奠定坚实技术基础。5G和TSN融合部署，一方面，切片技术、精准授时、流量调度和内生确定性等为工业互联网提供低时延、低抖动的确定性通信，助力工业互联网的无线化和柔性制造；另一方面，5G TSN当前的产业链发展还不够成熟，并涉及终端、无线、核心网，甚至传输的改造。

相关阅读：

资料下载：

关注微信公众号并加小编微信入群交流：

①关注微信公众号“习餐厅”（xictwx）获取更多信息及可下载精选文档，习餐厅不吃饭，只聊科技互联网！

②添加美女小编微信（xict5g）交流，并邀请加入讨论微信群。