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繼續TSN技術科普連載

前情回顧：

TSN與5G技術有效整合，將為工業領域應用提供無限可能【連載2】

TSN與5G將擦出怎樣的火花？【連載1】

通過上一篇↑文章的介紹，相信大家已經了解到

5G能夠整合TSN網絡應用于工業自動化領域

5G技術的出現對于移動互聯網來說，是具有顛覆性的技術變革

它的諸多特性突破了過去移動互聯網的技術界限

也為移動互聯技術帶來了更加廣闊的應用空間和更加豐富的應用場景

今天

我們不妨在這里探究一下

5G和TSN能夠整合的技術特點和基礎

先上圖，后邊咱們掰開揉碎了慢慢講

5G的技術特點

1、5G的低延時性

5G技術引入了5G 無線接入網（5G RAN）功能，5G RAN及其5GNR（5G New Radio）接口包括一些功能，可實現特定數據流的低延遲。

比如，NR使無線子幀中的時隙更短，這有利于低延遲應用。NR還引入了mini-slots，在這里可以啟動優先傳輸，而無需等待時隙邊界，進一步減少了延遲。由于使用了優先權，并能更快速的無線接入URLLC，NR引入了搶占機制——URLLC數據傳輸可以搶占正在進行的非URLLC傳輸。另外，由于NR使用了非常快速的處理，輕易實現了在短延遲范圍內的數據重傳。

2、5G的無線資源管理

無線資源管理 Radio Resource Management（RRM）：是在有限帶寬的條件下，為網絡內無線用戶終端提供業務質量保障。其基本出發點是在網絡話務量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，靈活分配和動態調整無線傳輸部分和網絡的可用資源，最大程度地提高無線頻譜利用率，防止網絡擁塞和保持盡可能小的信令負荷。

5G NR上在RRC支持三種狀態，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED，這和3G/4G并不相同，相較于4GLTE只有RRC IDLE和RRCCONNECTED兩種RRC狀態，5G NR引入了一個新狀態——RRC INACTIVE。在RRC INACTIVE狀態下，終端處于省電的“睡覺”狀態，但它仍然保留部分RAN上下文（安全上下文，UE能力信息等），始終保持與網絡連接，并且可以通過類似于尋呼的消息快速從RRC INACTIVE狀態轉移到RRC CONNECTED狀態，且減少信令數量。

5G的這一設計就是為了滿足萬物互聯和超低延時的需求：

1）在5G的規劃中網絡需要連接大量的依靠電池供電的終端，降低設備功耗成為使用的關鍵。

2）對于關鍵任務型的物聯網來說，要求超低的時延，在任務觸發時，數據包必須快速的傳送到網絡或終端。

3）在大規模物聯網內，大量的設備零星傳送少量的數據，會帶來過高的信令開銷。

為了滿足以上三點：降低用戶設備功耗；快速接入，降低時延；同時還要減少信令開銷， 5G引入了RRC INACTIVE狀態。這樣，5G的無線資源管理也更有利于實時的周期性數據傳送。

3、5G的高可靠性

5G定義了超魯棒傳輸模式，以提高數據無線信道和控制無線信道的可靠性。并通過各種技術進一步提高可靠性，例如多天線傳輸、多載波和獨立無線鏈路上的分組復制等。

4、5G的時間同步

時間同步作為5G蜂窩無線系統運行的一個重要部分被嵌入到5G蜂窩無線系統中，這早已經是之前蜂窩網絡的普遍做法。無線網絡組件本身也是時間同步的，例如，可以通過精密時間協議的電信配置行規（ITU-T G.8275.1 支持網絡定時的相位/時間同步精準時間協議電信行規）來完成。而這則為時間關鍵型應用程序打下了堅實的基礎。

除了5G RAN功能外，5G系統（5GS）還在核心網絡（CN）中提供以太網和URLLC的解決方案。5G CN支持本地以太網協議數據單元（PDU）會話。5G能協助通過5GS（包括RAN、CN和傳輸網絡）建立冗余用戶面路徑。5GS還允許冗余用戶面分為RAN和CN節點，同時，也允許冗余用戶面分為UE和RAN節點。

時間敏感網絡（TSN）的協議特點

我們在之前的系列文章中已經詳細了解了TSN的協議特點（往期系列連載會放文末），我們在這里回顧一下，也便于和5G網絡技術做一個初步的比較：

1、調度和流量整形

調度和流量整形為關鍵幀保留資源，允許在同一網絡上具有不同優先級的數據流共存——而這些數據能夠各自根據需要適應帶寬和網絡延時，已滿足網絡的延時需求。為了充分利用帶寬和減少延時，TSN還使用了時間片、保護帶和幀搶占機制。

2、資源管理

資源預約和分配是網絡保證服務質量的前提。TSN網絡中有兩種類型的服務質量保證，一是帶寬預約流量，一種是周期性的時間敏感流量。為保證這些流量的服務質量，一方面需要在包含網絡接口適配器和交換機的端到端路徑上進行資源預留，另一方面需要TSN網絡接口適配器對預約資源流量進行整形和過濾，避免其他正常流量產生影響。因此，TSN網絡需要對交換機和網絡適配器上的資源進行相應的集中式配置。

TSN資源管理由TSN配置模型（802.1Qcc）定義：集中式網絡配置可應用于網絡設備（網橋），而集中式用戶配置可應用于用戶設備（終端站）。所有的集中配置模型均遵循軟件定義網絡（SDN）。

3、時間同步

在大多數情況下，TSN使用IEEE 1588精確時間協議來進行時鐘分配，利用以太網幀來分配時間同步信息，這一時間協議為TSN帶來了可靠的時間同步，并可以供給其他TSN工具使用

4、可靠性

TSN通過IEEE802.1BC所定義的“為提高可靠性而進行的幀復制和消除（FRER）”技術，在“數據包”級別為數據流提供了超高可靠性，這一機制大大提高了TSN的可靠性，從而也帶來了高可用性；TSN還通過在網絡中互不相交的路徑上傳輸相同數據包的多個副本的方式，來提高網絡傳輸的可靠性；同時，在TSN中，流過濾和流管理（802.1Qci）則通過防止帶寬沖突、故障和惡意行為來提高網絡的可靠性。

通過上述文字和兩幅圖，我們能夠看到5G技術尤其是URLLC其實是具有支持TSN的能力，因此，伴隨著通信技術的不斷發展，我們可以拭目以待，在不久的未來，5G一定能夠充分發揮自身優勢，和TSN一起在工業自動化領域得到廣泛的應用。