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　　數(shù)據(jù)產(chǎn)生的價值遠遠大于全球貨物貿(mào)易價值

　　——麥肯錫《數(shù)字化全球》（2016）

　　在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時代，工業(yè)通信如何保持領(lǐng)先地位？在這里，我們揭示了5G和時間網(wǎng)絡(luò)（TSN）的集成如何幫助開發(fā)未來的智能工廠。

　　工業(yè)自動化行業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也稱為工業(yè)4.0。將物理生產(chǎn)世界連接到數(shù)字，可以通過更好的自動化系統(tǒng)的可觀察性、控制和規(guī)劃來提供靈活性和效率提升。互連多臺機器、設(shè)備、云和人員，使信息可以從工廠的任何地方訪問。由此產(chǎn)生的流程和資產(chǎn)的完全透明性將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)。通過采用云計算、擁抱數(shù)字孿生以及在管理和控制中應(yīng)用人工智能等新范式，智能制造成為可能。

　　這種轉(zhuǎn)變的通信技術(shù)推動者是有線的TSN和無線的5G。這兩種技術(shù)都旨在為各種服務(wù)在通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上提供融合通信，包括需要確定性、可靠和低延遲通信的時間敏感型應(yīng)用。

　　5G互聯(lián)工業(yè)和自動化聯(lián)盟（5G-ACIA）剛剛發(fā)布了一份白皮書，描述了5G如何具有與TSN互通以實現(xiàn)工業(yè)自動化所需的所有基本功能。通過引入TSN和5G無線通信，可以為工業(yè)用例帶來顯著的好處，例如由于工業(yè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性增加。這需要5G為以太網(wǎng)-TSN通信服務(wù)提供強大的支持，并與有線TSN網(wǎng)絡(luò)互通。

　　工業(yè)用例

　　面向未來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)由三個連接級別組成，如圖1所示。

　　運營技術(shù)（OT）機房主機集中控制和管理功能所在，它還可以托管企業(yè)邊緣云。在本地機器和單元級別，位于多臺機器和生產(chǎn)單元。每臺機器/單元都配備了現(xiàn)場設(shè)備（例如傳感器或執(zhí)行器），并且可能具有本地可編程邏輯控制器（PLC）。TSN主干網(wǎng)為中央管理級別和本地機器級別提供傳輸服務(wù)。連接服務(wù)可以在多臺本地計算機之間，也可以在中央管理級別和本地計算機之間。

　　機器/機器人配備了由PLC控制的現(xiàn)場設(shè)備。PLC和現(xiàn)場設(shè)備之間的實時通信如圖1所示，其中流C表示控制器到設(shè)備（C2D）通信，例如運動控制或閉環(huán)控制應(yīng)用需要這種通信。當多臺機器/機器人執(zhí)行協(xié)同任務(wù)時，需要協(xié)調(diào)不同機器的PLC。控制器之間的通信稱為控制器到控制器 （C2C） 通信，如圖 1 中的流 B 表示。C2D 和 C2C 通信非常關(guān)鍵 還有其他流量類型，它們對時間不敏感，例如用于監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集和分析。如圖 1 流 A 所示，這種類型的通信稱為設(shè)備到計算 （D2Cmp） 通信，通常在整個生產(chǎn)設(shè)施中進行，例如在現(xiàn)場設(shè)備和中央房間或企業(yè)邊緣云的計算機/服務(wù)器之間。

　　在具有TSN支持的融合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)4.0生產(chǎn)環(huán)境中，控制應(yīng)用不再綁定到現(xiàn)場級別的本地網(wǎng)段;它們幾乎可以位于工廠的任何地方。例如，圖 1 中的流 D 說明了機器/單元#N中的現(xiàn)場級設(shè)備由位于邊緣云中的虛擬化 PLC 控制。機器/單元#N的PLC可以通過流E與其他虛擬化PLC通信，從而在邊緣云中實現(xiàn)C2C通信。

　　TSN：基于以太網(wǎng)的融合工業(yè)通信

　　TSN是IEEE 802指定的一組標準，使以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠為時間敏感和/或任務(wù)關(guān)鍵型流量和應(yīng)用提供QoS保證。TSN是一個工具箱，包括四類工具：資源管理，流量整形，可靠性和時間同步。每個類別都包含多個工具選項。例如，資源管理基礎(chǔ)和配置模型由 IEEE 802.1Qcc 標準定義。在完全集中式配置模型中，集中式網(wǎng)絡(luò)配置 （CNC） 可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（網(wǎng)橋），集中式用戶配置 （CUC） 可以應(yīng)用于用戶設(shè)備（終端站）。TSN通過各種排隊和流量整形技術(shù)保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的確定性延遲，例如計劃流量（IEEE 802.1Qbv）和以太網(wǎng)幀搶占（IEEE 802.3br和IEEE 802.1Qbu）。

　　超可靠性由幀復(fù)制和消除可靠性 （FRER） （IEEE 802.1CB） 提供，其中數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)中的不相交路徑與多個副本一起傳輸。每流過濾和管制 （IEEE 802.1Qci） 通過防止帶寬違規(guī)、故障和惡意行為來提高可靠性。廣義精確時間協(xié)議 （gPTP） （IEEE 802.1AS） 是用于網(wǎng)橋和終端站時間同步的 TSN 工具。

　　基于TSN的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是一種融合網(wǎng)絡(luò)，允許混合各種流量類型。服務(wù)要求范圍從盡力而為的流量到關(guān)鍵的實時流量。TSN允許在公共網(wǎng)絡(luò)上運行的許多不同服務(wù)的融合，同時仍然具有確定時間關(guān)鍵型服務(wù)優(yōu)先級并為其提供確定性通信性能的工具，從而實現(xiàn)C2C和C2D用例。5G-ACIA 白皮書列出了不同流量類型的 TSN 功能使用示例（表 1）。

　　工廠中的 5G-TSN 部署

　　通過對TSN的標準化支持，5G系統(tǒng)在工廠部署時被視為一組符合IEEE標準的虛擬以太網(wǎng)-TSN網(wǎng)橋。5G系統(tǒng)由5G核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)組成。5G 用戶平面功能 （UPF） 是有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，無線接入網(wǎng)絡(luò)跨越生產(chǎn)工廠，為移動設(shè)備提供無線連接。TSN轉(zhuǎn)換器（TT）功能可實現(xiàn)5G和有線TSN網(wǎng)絡(luò)之間的互通。在控制平面上，5G 網(wǎng)橋提供與 TSN 網(wǎng)絡(luò)的 CNC交互的管理功能（5G TSN 應(yīng)用功能 （AF））。

　　5G可以通過在前面描述的三個網(wǎng)絡(luò)級別提供通信服務(wù)來支持上一節(jié)所述的各種工業(yè)用例，如圖2所示。

　　如圖 1 所示，機器/單元 #2 說明了 5G-TSN 集成場景，其中 5G 虛擬網(wǎng)橋在工業(yè) TSN 骨干網(wǎng)中使用。機器/單元#1可以使用5G用戶設(shè)備（UE）而不是電纜連接到骨干網(wǎng)。如圖5所示，2G互連機器/單元，流B，并通過“UE-to-UE”通信提供C2C通信，即從一個UE通過5G網(wǎng)絡(luò)回到另一個UE的通信。

　　在機器/單元的本地段內(nèi)，傳感器/執(zhí)行器可以通過現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)連接到PLC（如圖2中的流C所示）;TSN和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線協(xié)議都可以在機器/單元中使用。對于D2Cmp，圖2中的非時間敏感數(shù)據(jù)流A首先通過機器/單元#5內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場設(shè)備傳輸?shù)?G UE，然后通過5G無線連接進一步傳輸?shù)街醒霗C房的后端服務(wù)器或邊緣云。連接到PLC的UE也可以通過骨干網(wǎng)與其他PLC通信，實現(xiàn)流B所示的C2C通信。

　　機器/單元#2描述了一個集成示例，其中5G橋從主干延伸到機器/單元段。在這種情況下，5G還為本地機器/單元內(nèi)的設(shè)備提供無線連接。例如，PLC 和現(xiàn)場級設(shè)備連接到單獨的 UE，因此 C2D 通信在一個 5G UE 之間通過 5G 網(wǎng)絡(luò)與另一個 5G UE 之間進行，如圖 2 中的流 C 所示。此外，5G在將數(shù)據(jù)收集器和設(shè)備連接到邊緣云以進行D2Cmp通信時引入了極大的靈活性。如圖 2 中的 TSN 流 F 所示;由于現(xiàn)場設(shè)備連接到UE，數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)竭吘壴疲吘壴票旧磉B接到5G系統(tǒng)的UPF。

　　由于5G無線的靈活性，機器/單元#3可以是移動的，例如AGV或移動機器人。機器 #3 的設(shè)備可以通過中央機房或邊緣云中的虛擬化 PLC 進行控制，如圖 2 中的流 D 所示。5G系統(tǒng)在所有三個網(wǎng)絡(luò)級別上提供無線連接。中央房間中虛擬 PLC 之間的 C2C 通信如圖 2 中的流 E 所示。

　　機器/單元#N只有有線連接。它顯示了5G和有線TSN在同一工廠車間共存的示例。這意味著，在工廠可能引入5G的棕地中，通過電線連接到工業(yè)骨干網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有機器不受新引入的5G的影響，并且可以通過骨干網(wǎng)絡(luò)與5G連接的機器進行通信。

　　標準化

　　3GPP已經(jīng)進行了重要的標準化工作，以實現(xiàn)基于5G的工業(yè)通信并支持TSN：在第15版中，為5G指定了超可靠和低延遲通信（URLLC）;在版本 16 中添加了對 TSN 的支持，并且在版本 17 中繼續(xù)進一步改進。IIoT的5G標準化工作包括了解如何在智能工廠環(huán)境中應(yīng)用TSN，并且已經(jīng)指定了5G功能以與TSN網(wǎng)絡(luò)集成和交互。

　　5G 系統(tǒng)已被指定為作為一組支持TSN的虛擬5G網(wǎng)橋出現(xiàn)在外部TSN網(wǎng)絡(luò)上。5G核心網(wǎng)絡(luò)功能TSN AF提供與CNC的交互，以報告5G網(wǎng)橋功能，并獲取配置，例如5G系統(tǒng)橋接的幀轉(zhuǎn)發(fā)，以及TSN特定的配置，例如每流過濾和監(jiān)管（IEEE 802.1Qci）和流量類的時間調(diào)度（IEEE 802.1Qbv）。

　　5G系統(tǒng)有一個QoS框架，可用于傳輸具有不同QoS特征的流量，并且已經(jīng)指定了到TSN流配置的映射。例如，通過將 802.1Q 優(yōu)先級（點的優(yōu)先級代碼）映射到特定 802G QoS 標識符的優(yōu)先級，可以支持 IEEE 1.5Q 嚴格優(yōu)先級。5G 還根據(jù) IEEE 5.802AS，通過 gPTP 在 1G 系統(tǒng)上引入時間同步;使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和終端設(shè)備通過 5G 同步到主時鐘的東西。充當時間感知系統(tǒng)的5G系統(tǒng)可以將TSN定時信息中繼到工廠任何地方的工業(yè)應(yīng)用。它可以同時支持多達 128 個獨立 gPTP 時域的同步。

　　有關(guān) 5G-ACIA的更多信息

　　5G-ACIA于2018年5月推出。它首先旨在建立運營技術(shù)（OT）和信息和通信技術(shù)（ICT）之間的通用語言，其次，確保在5G標準化中考慮工業(yè)領(lǐng)域的要求，最終為工業(yè)領(lǐng)域的80G生態(tài)系統(tǒng)鋪平道路。該聯(lián)盟已大幅增長，已接近5個全球成員。它一直在研究5G對自動化行業(yè)的重要性，研究領(lǐng)域包括用例和要求，流量建模，工業(yè)以太網(wǎng)，非公共網(wǎng)絡(luò)部署，安全性，網(wǎng)絡(luò)暴露以及最近的時間敏感網(wǎng)絡(luò)。

　　不同行業(yè)部門（包括運營技術(shù)行業(yè)、移動網(wǎng)絡(luò)運營商和設(shè)備供應(yīng)商）的合作伙伴密切合作，就該主題達成了全行業(yè)的理解和共識。5G-SMART項目為其5G與TSN集成的工作提供了可交付成果。5G-SMART是一個由行業(yè)合作伙伴和研究機構(gòu)組成的聯(lián)盟，正在探索支持5G的智能制造概念，并在5G測試臺中進行驗證。

　　如前所述，TSN是自動化行業(yè)的重要課題。5G-ACIA將在來年研究其他相關(guān)和重要的主題，例如工業(yè)5G設(shè)備的概況，邊緣云的架構(gòu)和用例，5G與資產(chǎn)管理殼的關(guān)系，或工業(yè)5G的認證框架。此外，測試平臺活動已于2021年上半年啟動，來自ICT和OT的參與者將展示5G如何能夠解決實際環(huán)境中的一些工業(yè)用例，例如生產(chǎn)工廠。