智能工厂场景下的5G 与TSN 技术融合应用

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

工业4.0 中智能工厂概念日益成熟，使得有效数据通信成为智能工厂运营核心。5G 具有高速度、低延迟和广泛连接特性，能够为智能工厂提供强大无线通信基础，时间敏感网络（Time-Sensitive Networking，TSN）技术则能够为确定性数据传输提供关键支持。两种技术结合，能够充分利用各自优势，为智能工厂带来前所未有的通信效率和生产灵活性。

1 5G 与TSN 技术概述

1.1 5G 概述

5G 由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）和第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP） 共 同 推动，其网络核心特性为增强型移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、超可靠低延迟通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）和海量机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）这3 个 方 面。eMBB 支 持 高 达10 Gb·s-1的峰值下载速度和1 Gb·s-1的上行速度，uRLLC 则提供低至1 ms 的延迟，mMTC 能够支持大规模设备连接。

5G 无线接入网（Radio Access Network，RAN）由新一代节点B（the next Generation Node B，gNB）组成，可以同时提供eMBB、uRLLC 和mMTC 服务。核心网（Core Network，CN）采用服务基础架构（Service-Based Architecture，SBA）设计，会话管理功能（Session Management Function，SMF）、用户平面功能（User Plane Function，UPF）可作为独立微服务运行[1-2]。5G 覆盖从低频段（600 MHz）到毫米波频段（28 ～39 GHz）的宽频谱范围。

5G 中网络切片（Network Slicing）功能支持运营商在同一物理网络中创建多个虚拟网络，每个网络切片都可以根据特定应用或服务的需求进行优化。边缘计算（Edge Computing）与5G 相结合，可以在网络边缘处理数据，减少数据在网络中的传输距离。动态频谱共享（Dynamic Spectrum Sharing，DSS）技术支持5G 和4G 网络共享相同频谱资源，使得运营商可以在不影响4G 服务的情况下引入5G 服务。

1.2 TSN 技术概述

TSN 技术起源于音视频桥接应用（Audio and Video Bridging，AVB），能够提供确定性数据传输。TSN 时间同步协议为IEEE 802.1AS，能够确保网络设备时钟高度一致。IEEE 802.1CB 帧复制和消除功能能够提供数据传输冗余，从而提高网络容错能力。

TSN 定义网络配置的3 种模型为全集中式配置模型、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户配置器（Centralized User Configurator，CUC）和集中式网络配 置 器（Centralized Network Configurator，CNC），发送端会使用用户配置协议向CUC 发送连接请求，CUC 将这些请求转换为网络配置指令转发给CNC，CNC 可以根据TSN 流要求确定每个交换机的配置[3-4]。完成配置后，CNC 将传输调度信息发送回CUC，CUC 再将这些信息传递给发送端和接收端，完成网络配置。

2 5G 与TSN 融合技术

2.1 融合架构

5G 网络系统（5G System，5GS）为融合架构的核心，应用UPF/NW-TT 侧端口、UE/DS-TT 侧端口与TSN 网络连接。TSN 转换器可以应用功能将控制指令转换为5GS 能理解的参数，实现数据和信息互通。融合架构在UPF 和用户设备（User Equipment，UE）侧增加了NW-TT 和DS-TT，能够应用时间戳和修正字段向UE 侧传输时间消息[5]。为进一步支持TSN 流量的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，5GS 需要向TSN 网络报告网桥ID、以太网端口及其媒体访问控制（Media Access Control，MAC）地址，同时计算每对端口和流量类别的网桥延迟（Bridge Delay，BD）（如图1 所示），其计算公式为

图1 5GS 向TSN 网络报告路径

式中：tpropagation代表信号在物理媒介中传播的时间，tprocessing表示数据在网络设备中处理的时间，tqueue是数据在网络设备中排队等待传输的时间。

2.2 5GS 网桥配置

5GS 网桥配置需要满足TSN 流QoS，并将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）需要将TSN流优先级映射为5QI（QoS 标识符）9。网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术能够虚拟化网络，使得5GS 网桥配置更加灵活。

3 智能工厂场景下的5G 与TSN 技术融合应用

3.1 网络设计与优化

3.1.1 定制化网络设计

专用5G 网络部署需要考虑工厂内部多样化通信需求，应用支持eMBB 和uRLLC 的5G 小区。每个5G NR 基站可配置提供100 MHz 带宽，实现每秒上行和下行速率分别达到1.4 Gb·s-1、2.7 Gb·s-1。智能工厂局域网可部署具有48 个以上10 Gb·s-1端口的TSN 交换机，每个端口配置最大帧传输速率为10 Gb·s-1。网络设计应在关键区域部署双重5G NR基站及TSN 交换机，确保即使一部分网络设施发生故障，网络仍能维持运行。

3.1.2 网络性能调优

智能工厂中的5G 网络可以在高需求时段将5G 小区带宽从标准100 MHz 提升至200 MHz，对重要通信流可以设置最高优先级，确保这些信息即使在网络拥挤时也能够被优先处理。最佳路由可以基于机器学习的动态路由选择机制，以保持延迟在10 ms 以下。

为提高数据传输可靠性，可以在关键路径上部署双重或多重网络连接以提高网络容错能力。TSN网络可以设置每个数据包传输窗口为100 μs，并按照精确的时间表发送，从而减少数据碰撞和重传。工厂生产自动化系统可以利用实时数据分析功能预测网络负载并相应调整网络配置，并在5GS 网桥中部署先进缓存和快速转发机制。其中，实时视频监控流量可配置500 MB 缓存大小，并设置转发延迟≤5 ms。

3.2 实时数据处理与分析

3.2.1 高效采集传输数据

高效采集传输数据可在5G 网络边缘部署边缘计算节点，配备Intel Xeon E-2276M 六核处理器和至少64 GB 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）的服务器，从而显著减轻核心网络负担。5G 网络配置可以为时间敏感数据流分配高优先级，将生产监控数据流配置为QoS 等级9，网络可以为高优先级数据流提供≥1 Gb·s-1的传输速率及≤10 ms 的端到端延迟。网络可使用支持802.11ax 标准的无线接入点减少数据传输中的丢包错误，并配备双电源及冗余连接。

3.2.2 数据分析和决策支持

数据捕获系统设计可采用具有至少8 核心处理器和16 GB 内存的工业级计算机，智能工厂网络架构则需要部署支持Release 16 标准的5G NR 基站，并使其覆盖工厂生产线、仓库和质检区。网络设计可使用消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）或高级消息队列协议（Advanced Message Queuing Protocol，AMQP）保证数据安全。数据分析中心可使用配备NVIDIA Tesla V100 图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）和具有1 TB 固态硬盘（Solid State Disk，SSD）存储能力的服务器，以支持复杂机器学习及人工智能（Artificial Intelligence，AI）算法实时运算。

机器学习和AI 算法可应用卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）和循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）处理并分析收集数据，数据分析系统可配备TensorFlow 或PyTorch 框架提供高效计算性能，具体配置参数如表1 所示。

表1 数据分析系统配置参数

3.3 应用场景实施

3.3.1 自动化生产线

智能工厂可为在生产线上部署的机器人配备支持n77/n78 频段的5G 模块，机器人应装备具有低至1 ms 延迟的RT-Linux 实时操作系统。自动化设备可选择支持5G 连接的工业级可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），并应用MQTT 或约束应用协议（Constrained Application Protocol，CoAP）优化网络数据传输和设备控制指令。工厂网络可部署支持IEEE 802.1AS 的TSN 交换机，其端口速率需不低于10 Gb·s-1。装配机器人、传送带和检测设备的控制单元需要配置IEEE 1588 精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP），以确保设备能够在同一时间参考下运行。

3.3.2 物流监控与远程维护

物流监控可设置智能物流系统并为其部署基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的NXP UCODE 8 RFID 芯片传感器，从而追踪工厂内部各种物料和产品。工厂内部需要部署支持eMBB 服务的5G 基站，采用支持n77/n78 频段的基站模型。远程维护与诊断系统可在关键设备上安装具有振动、温度和声音传感器的Bosch BME680 环 境传感器，并将数据通过5G 网络传输到远程诊断中心。远程诊断中心可搭载Intel Xeon Gold 6230 处理器和128 GB RAM 服务器，并使用长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）模型预测设备故障。

4 结语

研究表明，5G 与TSN 的融合能够满足智能工厂对高带宽、低延迟和高可靠性通信的需求，然而仍较为依赖现有网络基础设施且融合架构复杂，未来研究可优化融合架构、降低实施成本。5G 和TSN技术将随着时间进一步发展和完善，在推动智能工厂及工业自动化的进程中发挥重要作用。