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    新闻详情

    5G和TSN结合是未来智能工厂的需求【连载4】

    时间:2020-06-17   来源:CC-Link协会

      5G与TSN为何能够融合?我们前一篇连载中已有了一些了解。


    连载回顾  


    --5G和TSN为何能够整合?取决于这些特点与基础【连载3】

    --TSN与5G技术有效整合,将为工业领域应用提供无限可能【连载2】
    --TSN与5G将擦出怎样的火花?【连载1】



    从前述的相关文章中我们知道,5G URLLC功能提供了与TSN功能的良好匹配,因此,在实际应用中,我们可以将这两项关键技术进行整合和集成,以提供端到端的确定性连接。


    例如在工业自动化领域,我们可以在输入/输出(I / O)设备之间以及设备与云端的边缘控制器之间传送数据和指令。 这种整合和集成不仅仅包括对必要的基本桥接功能的支持,还包括5G对TSN附加组件的支持。


    咱们用图来解释:

    5G和TSN结合是未来智能工厂的需求【连载4】

     

    通过上图,我们可以看出,由5G构成的那部分网络,在整个网络中是作为一组TSN桥的形式出现的——如图所示,一个用户面功能(UPF)一个虚拟桥,在这个 5G网络内部包括TSN转换程序(TT)的功能,这一功能使5G在用户面和控制面都能够适用于TSN。而对于整个网络而言,其他TSN桥接网络也可以将这个5G网络也看作一个TSN桥接网络,其内部过程是被隐藏的。


    5G通过TT功能提供TSN桥接网络的输入输出端口操作,例如,TT功能支持保持和转发功能以消除抖动。上图使用了带有两个PDU会话的两个用户设备(UE)示例来说明这一功能,这两个PDU会话支持两个相关的TSN流以实现冗余。但是在实际使用中,可能只使用了一个具备双连接功能的物理设备,该设备在5G RAN中连接了两个PDU会话。图中的示例说明了5G连接终端和桥接网络的情况;同样的,5G系统也可以连接桥接网络。


    5G系统支持控制和管理工业网络所需的LLDP功能,例如拓扑发现和5G虚拟网桥等功能。同时,5G系统还需要适应桥接网络中使用的环路防止方法,该方法可以完全由SDN控制,而无需LLDP以外的任何分布式协议。



    5G支持时间敏感网络






    通过在TSN和5G域上应用FRER,可以提供端到端的超可靠性,这要求两个域上FRER端点之间的路径不相交,如上图所示。


    在以上示例中,我们可以看到,5G 用户设备(UE)配置为建立两个PDU会话,这两个会话在5G网络用户面上是冗余的。3GPP的机制涉及到对CN和RAN节点(UPF和5G基站(gNB))的选择,以使两个PDU会话的用户面路径不相交。RAN可以使用双连接特性来提供不相交的用户面路径,在这种情况下,单个UE可以通过两个RAN节点在空中接口发送和接收数据。


    对于配备多个UE的设备,也可以使用其他冗余(包括UE冗余),FRER端点在5G系统之外,这意味着5G系统不需要自己指定FRER功能。而且,逻辑结构并不限制实施方案,包括使用同一个物理设备作为终端站和UE。


    对于TSN来说,只有当资源管理为沿整个路径的每个跃点分配网络资源时,才能满足TSN流的要求。与TSN配置(802.1Qcc)相一致,这也是通过5G系统和集中式网络配置(CNC)之间的交互来实现的(请参见上图)。5G系统和集中式网络配置之间的接口允许后者学习5G虚拟网桥的特性,并允许5G系统根据从集中式网络配置接收的信息建立具有特定参数的连接。


    有限的延迟时间需要来自5G系统的延迟时间一定是确定的,就像TSN和5G域上的QoS校正一样。需要注意的是,5G系统可以在组件之间提供直接的无线跃点,否则这些跃点则需要通过传统工业有线网络中的多个跃点进行连接。无论如何,对于5G来说最重要的因素是需要提供确定性的延迟时间,只有这样,集中式网络配置(CNC)可以发现和利用5G系统所支持的TSN功能。


    在5G虚拟网桥充当TSN网桥时,5GS会根据流量整形(802.1Qbv)模拟时控分组传送。对于5G控制面而言,5G系统应用功能(AF)中的TT从CNC接收TSN流量类别的传输时间信息。在5G用户面中,UE的TT和UPF的TT可以相应地调节基于时间的分组传输。TT内部细节还需要3GPP来规定。例如,每个流量类别的播控(去抖动)缓冲区可以是一种解决方案。AF和策略控制功能(PCF)则将不同的TSN流量类别映射到不同的5G QoS标识符(5QI),作为两个域之间QoS校正的一部分,并根据其QoS要求对不同的5QI进行处理。



    时间同步






    时间同步是所有移动数据网络中的关键组成部分(上图中蓝色的5G系统时钟所示)。在5G-TSN混合的工业网络中提供时间同步是完全全新的方法,在大多数情况下,无论TSN桥接网络是否将其用于内部操作,最终设备都需要一个参考时间,并且,如果其他网桥也使用基于时间的TSN功能(例如流量整形(802.1Qbv)),那么,它们也需要参考时间。上图中蓝色时钟表明网桥和终端站都是时间同步的。


    从之前的文章中,我们可以知道,在实际使用中,基于TSN的工业自动化系统往往使用IEEE802.3AS所定义的广义的精确时钟同步系统( gPTP)作为默认的时间同步解决方案,因此5G系统需要与所连接的TSN网络的gPTP互通。这时,5G系统可以作为虚拟的gPTP时间感知系统,并支持通过5G用户面TT在终端站和网桥之间转发gPTP时间同步信息,并且还考虑了在时间同步过程中5G系统的停留时间。在一些特殊的情况下,5G系统时钟可以充时钟时,不仅为5G提供参考时间,而且还为整个系统中的其他设备(包括连接的TSN桥和终端站)提供参考时间。


    对于分布范围广泛的网络系统而言,目前我国的北斗系统已经能够提供纳米级别的时间同步,相信未来这也不失为工业网络系统时间同步的一个方式。


    总体而言,当前已经完成和未来即将完成的5G标准解决了5G-TSN集成所需的关键方面。



    5G和TSN的结合是未来智能工厂的需求






    5G和时间敏感网络TSN相结合可以满足工业4.0的苛刻的网络要求。5G-TSN集成也是未来工业网络应用重要的议题之一。我们从以上的介绍中可以看出,5G和TSN的结合极其适合智能工厂,因为这二者都具有高可靠性和低延迟性。也就是说,在未来的实际使用中必将会将两种技术集成并应用,为用户提供端到端的网络解决方案,以满足工业需求。


    通过无线5G和有线TSN域而集成的时间同步为工业网络点对点的传输应用提供了参考时间。5G还集成了工业应用中使用的TSN工具,并提供超可靠的低延时特性。5G和TSN网段在不相交的转发路径可以保证端到端传输的超可靠性和高可用性。


    因此,我们可以说,从根本上讲,5G和TSN包括工业自动化场景中的联合应用所需的关键技术,并且具有极高的可用性。


    CC-Link IE TSN在追随无线技术和时间敏感网络的发展上,也将步步紧趋,目前也正积极参与无线技术的探索与研究,或将在不久推出了相关无线模块,随着移动网络对于超低延时性的进一步支持,必定也将逐步跟随智能工厂工业网络的脚步而不断完善。




     术语:

    5GS – 5G System

    5QI – 5G QoS Indicator

    AF – Application Function

    CN – Core Network

    CNC – Centralized Network Configuration

    CUC – Centralized User Configuration

    FRER – Frame Replication and Elimination for Reliability

    gNB – Next generation Node B (5G base station)

    gPTP – Generalized Precision Time Protocol

    IOT – Internet of Things

    LLDP – Link Layer Discovery Protocol

    NR – New Radio

    OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing

    OPC – Open Platform Communications

    PCF – Policy Control Function

    PDU – Protocol Data Unit

    SDN – Software-Defined Networking

    TSN – Time-Sensitive Networking

    TT – TSN Translator 

    UE – User Equipment 

    UL – Uplink

    UPF – User Plane Function

    URLLC – Ultra-Reliable Low-Latency Communication 


     参考文献:

    1.Ericsson Technology Review, Boosting smart manufacturing with 5G wireless connectivity, January 2019, Sachs, J.; Wallstedt, K.; Alriksson, F.; Eneroth, G.

    2.3GPPTS23.501, SystemArchitectureforthe5GSystem;Stage2

    3.3GPP TS 38.300, NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2

    4.ITU-T G.8275.1 Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with full timing support from the network

    5.IEEE 802.1, Time-Sensitive Networking (TSN) Task Group

    6.IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation

    7.OPC Foundation, Initiative: Field Level Communications (FLC) OPC Foundation extends OPC UA including TSN down to field level, April 2019

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