工业互联网场景下5G TSN关键技术研究

张强/ZHANG Qiang，王卫斌/WANG Weibin，陆光辉/LU Guanghui

（中兴通讯股份有限公司，中国 深圳 518057）

1 5G+工业互联网的需求和挑战

1.1 工业互联网中5G应用场景分析

工业互联网可以实现人、机、物全要素的网络互联。工业互联网平台则可以把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接且并融合起来。5G是工业互联网的关键使能技术，而工业互联网是5G的重要应用场景之一，5G+工业互联网是赋能智慧工厂数字化、无线化、智能化的重要方向。

5G网络的大带宽、低时延、高可靠特性，可以满足工业设备的灵活移动性和差异化业务处理能力需求，推动各类增强现实（AR）/虚拟现实（VR）终端、Robot、自动导引运输车（AGV）、场内产线设备等的无线化应用，助力工厂柔性化生产大规模普及。工业互联网给5G带来了广泛的应用场景，同时也带来了前所未有的挑战。例如，有的工业应用可能需要网络具备1 ms时延、1 μs抖动和99.999999%的网络传输质量[1]。

时间敏感网络（TSN）是工业互联实现低时延、高可靠和确定性传输的重要技术之一，5G+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2 ms；每周期内发送的数据长度相对稳定，一般不超过100 B；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。

1.2 5G TSN在工业互联网中的应用

如图1所示，TSN在工业互联网中的应用场景，可以包括控制器与现场设备之间、控制器与控制器之间、信息技术（IT）网络与运营技术（OT）网络之间等。5G TSN兼具TSN确定性传输和5G网络移动性的特点，在工业互联网中，可以替代部分有线工业以太网实现无线化和柔性制造。

5G TSN典型的应用场景包括场内产线设备控制、机器人控制、AGV控制、5G可编程逻辑控制器（PLC）。

（1）场内产线设备控制：面向数控机床、立体仓库、制造流水线，基于5G TSN打通产线设备和集中控制中心的数据链路，实现工业制造产线的远程、集中控制，以更好地提升生产效率。

（2）机器人控制：在工业自动化产线，利用5G TSN低时延特性，结合传感器技术，实现机器人和机械臂的环境感知、姿态控制、远程操作、自动控制等功能，满足智能生产需求。

表1 工业互联网业务流分类示例

▲图1 5G TSN在工业互联网中的应用

（3）AGV控制：在生产车间及园区中，通过视觉、雷达、无线等多种技术进行融合定位和障碍物判断，经低时延5G网络上传位置和运动信息，实现AGV的自动避障和相互协同工作，提升产线自动化水平。

（4）5G PLC：在生产过程中，利用5G网络实现PLC之间、PLC与厂内系统间的系统数据传输，在保证数据安全和实时性的同时，减少车间内布线成本，快速实现产线产能匹配，助力柔性制造。

2 5G+工业互联网TSN关键技术分析

2.1 5G与TSN的融合架构

目前，如何在工业互联网中，对5G和TSN技术进行融合部署，已经成为产业界、学术界、标准组织研究的热点之一，尤其是第3代合作伙伴计划（3GPP），已经开始了5G TSN的标准化工作，并建立了基本的融合架构。目前TSN与5G融合架构主要采用桥接技术[2-4]。

如图2所示，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。

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。5G和TSN融合具有如下的技术挑战：

（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）（IEEE 802.1AS）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[5-6]。

（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。因此，在工业互联网实际环境中，不是所有的设备都支持TSN协议。如何保障这些设备在初期的确定性传输，而不需要支持复杂的TSN协议是需要进一步考虑的问题。TSN与5G的融合是需要逐步推进的，并将会随着关键技术的突破以及应用场景的需求变化不断向前演进。

2.2 5G TSN关键技术

2.2.1 低时延低抖动敏感通信

如图3所示，在5G TSN中，整体传输时延是T=(T1+...+T7)。其中，无线侧的时延T3+T4和传输的时延T2，在整个时延中是最难保障且容易出现抖动的。

那么，5G TSN是如何降低抖动，并保证时延传输的确定性呢？首先，采用延时关键可保障比特速率（Delay Critical GBR）、切片、用户面功能（UPF）下沉分流等技术来降低传输的时延，然后再结合时延敏感通信辅助信息（TSCAI）、保持和转发机制等消除抖动。

（1）延时关键GBR。

首先，根据工业互联网业务流的特征，对业务进行分类，例如周期性低时延的同步实时流、对时延无特殊要求的Best Effort业务流等。对于要求高的同步实时流的工业互联网业务（如Motion Control），建议采用专门的5G服务质量特性（5QI），如表2中所示的85、86等，从而提高工业互联网业务在无线侧调度的优先级，降低传输的时延。

▲图2 5G TSN融合架构

▲图3 5G TSN传输时延

（2）5G TSN+网络切片。

如图4所示，对于高隔离、低时延的工业互联网业务，如果无线与2C网络共享，则建议无线侧采用物理资源承载（PRB）预留的切片，传输采用灵活以太网（FlexE）硬切片，核心网采用专用UPF；对于时延要求特别高的业务，如场内产线设备控制，UPF可以下沉至园区，以减少传输网络带来的时延，如图4中的工业切片2中的UPF。

（3）周期性确定服务质量（QoS）。

5G TSN如何解决周期性确定QoS？首先，5G TSN采用TSCAI来描述工业互联网业务的流量特征，包括通信模式（周期、非周期）、流量方向（上行、下行）、流量到达的时间；其次，DS-TT和NW-TT根据业务流量的特征信息和流量调度策略，采用保持和转发的调度机制，以减少时延抖动。

如表3所示，5G TSN支持电气与电子工程师学会标准（IEEE 802.1Qbv）中定义的流量调度的保持和转发机制，其数据包仅需在预定的周期上，打开门控以进行数据传送，就可以控制报文经过5G TSN的时延。例如，对于工业控制的业务，数据和门控发送周期都是20 ms。第1个报文于T1到达5G入口（DS-TT或NWTT），5G传输时延为10 ms，5G在出口侧T1+10 ms发送报文；第2个报文5G传输时延为9 ms，达到5G出口提前了1 ms，出现了抖动，如图5所示。此时，报文2需要等待1 ms，在T1+30 ms才发送，这样一来报文2在5G的时延延长到10 ms，从而消除了报文经过5G网络传输带来的1 ms抖动。保持转发可消除早到报文引发的抖动，但是无法消除延迟带来的抖动；因此，5G网络需要采用加速技术快速的转发报文，例如延时关键GBR、切片、UPF下沉等。

表2 延时关键可保障比特速率

▲图4 5G TSN +网络切片

表3 5G时间敏感网络流量调度

▲图5 NW-TT流量调度消除时延抖动

2.2.2 5G与TSN融合的时钟同步

时钟同步是确定性通信的前提，那么5G TSN是如何与工业互联网协同实现时钟同步的呢？

如图6所示，5G网络和工业互联网有各自的主时钟（GM）。5G网络中的各网元设备，包括用户设备（UE）、5G基 站（gNB）、UPF、NW-TT和DS-TT与5G GM同步（即5G内部系统时钟）。整个端到端的5G系统可视为IEEE 802.1AS“时间感知系统”，只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS协议，并与工业互联网保持时钟同步，执行与IEEE 802.1AS相关的所有功能，例如gPTP、时间戳、最佳主时钟算法（BMCA）、rateRatio等。因此，DS-TT和NW-TT需要同时支持5G网络和工业互联网两种时钟，并需要计算两种时钟的偏差。

当工业互联网业务需要DS-TT和NW-TT通过门控进行流量调度以消除5G网络的时延抖动时，通知给5G网络的报文达到时间和周期时间将以工业互联网的时钟为基准。因此，5G网络收到调度设置请求后，调度周期需要先转化为以5G时钟为基准的时间,然后进行流量门控的调度。

2.2.3 5G TSN中用户设备（UE）的通信

在工业互联网中，经常有工业设备之间的协同且设备都是移动的，比如AGV协同搬运、机器人协同作业等，因此，需要终端与终端直接进行确定性的通信。当前，满足如下条件的DS-TT/UE可以直接进行5G TSN的通信。

（1）相同的数据网络名（DNN）和单网络切片选择辅助信息（S-NSSAI）；

（2）相同UPF的网络实例。

因此，当工业互联网中的设备之间需要进行TSN直接通信时，需要合理地划分切片，设置DNN，部署相应的UPF，如图7所示。

UE-UE的通信，需要考虑5G网桥的时延计算变化，需要叠加两个UE的包时延预算（PDB）和UE-DS-TT驻留时延。工业互联网中的集中网络配置（CNC）需要分别给两个UE下发门控调度策略。

2.2.4 5G TSN内生确定性

如图8所示，在工业互联网的应用场景中，并不是所有的控制系统都支持TSN。那么，如何保证5G不在TSN网桥的场景下，仍可以进行确定性时延传输是需要考虑的问题，这就涉及内生确定性。所谓内生确定性，就是5G自身保证传输时延的确定，消除抖动。

▲图6 5G TSN与工业互联网时钟同步

▲图7 终端到终端的5G TSN通信

▲图8 5G TSN内生确定性通信

5G内生确定性在工业互联网中应用时要考虑的问题包括：（1）工业互联网如何获取5G网络的QoS信息？（2）工业互联网如何提供确定性通信要求？

首先，可以考虑工业互联网应用通过网络暴露功能（NEF）/策略控制功能（PCF）获取DS-TT/UE间、DSTT/UE间，以及NW-TT/UPF间的时延和抖动。

其次，因为没有TSN的CNC，所以工业互联网应用可以自己构造TSN QoS需求，保持和转发门控制参数，并通过NEF向5G提供。通过5G内生确定性，工业互联网在初期不需要支持复杂的TSN协议。

3 结束语

5G TSN是实现工业互联网的重要技术。一方面，延时关键GBR、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。因此，需要逐步地推进商用，预计2020—2022年是5G TSN的研发与试点验证阶段，2022年以后逐步开始应用。