5G与TSN联手，将带来怎样的优势？

越来越多的应用部署了时间敏感网络 (TSN)。但对基于5G的无线时间敏感网络 (WTSN) 来说，现在还为时尚早。WTSN可以将TSN引入到新的应用中，例如移动机器人、电网、化工厂、智慧城市和其他地理位置分散的应用，以及无法连接到有线TSN网络的汽车和运输系统（图1）。WTSN将为TSN带来革命性的新功能，并且提高TSN的部署灵活性、降低其安装成本。基于5G的WTSN已经接近于可部署，但尚未成熟；市场仍在不断发展并制定必要的标准，软硬件也正在开发中。

图源：Tierney/Shutterstock.com

图1：基于5G的WTSN可以将时间敏感网络的使用范围扩展到无法采用有线TSN的新应用。（图源：wladimir1804/Stock.Adobe.com）

许多工业应用需要快速、确定的通信来进行实时控制。为提高以太网的确定性，IEEE 802中增加了新的定义。第三代合作伙伴计划 (3GPP) 第16版添加了对TSN协议集成的支持，以确保5G通信的低延迟，而正在制定的的第17版将强化5G对WTSN的支持。即将发布的IEC/IEEE 60802文件规定了TSN在工业自动化中的应用，并就TSN所需的5G支持提供了指导方针。

除了3GPP、IEC和IEEE之外，还有多项工作也正在进行，以便将5G与TSN相结合，构建WTSN/TSN组合式工业网络。欧盟资助的5G-SMART是由行业伙伴和研究机构组成的联盟，旨在探索5G支持的智能制造概念（包括WTSN）。5G互联工业和自动化联盟 (5G-ACIA) 也已确定5G必须具备何种条件才能与TSN互通，以实现工业自动化所需的各种基本功能。

IEEE 802.1 TSN标准包括四大领域：时间同步、有界延迟、可靠性，以及资源或网络管理。本文将着眼于在这四大领域中每个领域如何对应到5G，并探讨5G如何推动WTSN向新一代工业自动化设备和工业物联网 (IIoT) 发展。本文还将分析第16版、第17版和IEC/IEEE 60802中的现有与新兴标准，并研究如何通过侧行链路 (Sidelink) 实现无需通过网络转发数据的设备间直接通信，从而增强5G超可靠低延迟通信 (URLLC)。此外，本文还探讨了无线电频谱选项和部署选择，例如公共/专用混合型网络和网络切片的架构。

5G时间同步

向基本5G服务的迁移，并没有导致对无线电网络时间同步的需求发生任何根本性变化，但WTSN对5G节点本地同步精度的要求会更加严格。电信业已将IEEE 1588精确时间协议 (PTP) 标准化，以便支持毫秒级的同步要求。3GPP TS 23.501规范明确了如何将5G网络集成到TSN同步网络并支持WTSN。IEEE 1588中包含有关特定应用开发的文件。其中的一项结果，是TSN标准中的IEEE 802.1AS通用PTP (gPTP) 文件，以及用于工业自动化的TSN文件中定义的实现方式。

工业自动化网络将会受益于数秒内即可完成的快速初始化和时间同步。此外，使用成本和振荡器精度较低的现成网络互连卡，也会成为一种可取的做法。与其他PTP实现方式使用的物理谐振（频率对齐）技术相比，gPTP使用逻辑谐振技术，搭配路径和设备延迟的实时测量，以便快速、准确地对齐时间。

时间戳消息的交换，用于将时间从主时钟传递给各种桥接和终端设备。与其他PTP实现方式不同，gPTP还使用时间戳消息计算频率偏移，并在运行过程中进行相应的调整。

5G有界延迟

URLLC和侧行链路是第17版中的关键特性，它们支持WTSN中的有界（超低和确定性）延迟。URLLC旨在确保数据延迟介于数十毫秒到1毫秒的具体范围内，同时确保应用所要求的99%到99.999%理想可靠性水平。

如上所述，侧行链路是一种新的通信范式，使5G设备无需通过网络转发数据，就能直接通信。在传统的上行链路和下行链路中，资源和链路适配是由网络集中控制的。而在侧行链路中，每个设备都在本地执行这两种功能，从而更好地控制网络资源的使用。即将发布的第17版预计将增加对侧行链路中继甚至多链路中继的支持。随着侧行链路功能日益丰富，侧行链路和URLLC的组合将越来越多地支持在IIoT中使用基于5G的WTSN（图2）。

图2：侧行链路使网络设备无需通过网络转发数据，就能直接通信，并有望将WTSN 5G深入拓展至IIoT。（图源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

侧行链路可以支持更加丰富的5G用例。例如在关键任务工业应用中，将通信链路限制为一跳，可大幅降低延迟。公共安全网络也可以受益于侧行链路提供的设备间直接通信能力。在毫秒级的应用中，侧行链路可以将通过5G基站的两跳通信转变为设备间的一跳直接通信。这可以显著改善性能和延迟，因而侧行链路是一项重大进步。

未来，在IIoT网络中使用的新一代侧行链路多跳中继将支持更低的功耗。多跳中继是侧行链路的一种潜在用例，它使用多个侧行链路连接在设备间跳跃，从而克服链路预算限制。它甚至有望部分取代目前用来连接IIoT设备的蓝牙和Wi-Fi链路。

融合网络中的WTSN

即将出炉的IEC/IEEE 60802标准将为工业自动化融合网络的互操作性奠定基础。这些融合网络包括工业以太网和无线通信（包括5G和/或Wi-Fi通信）。IEC/IEEE 60802是IEC SC65C/MT9和IEEE 802融合而成的，预计于2022年首次正式发布。这项标准将包含有关TSN在工业自动化中应用的信息，包括集成基于5G的WTSN的准则。一旦发布，用于建构TSN/WTSN网络的各种组件都将采用IEC/IEEE 60802进行标准化。

IEC/IEEE 60802包含两种设备类型——网桥和终端站。初期，该标准将分别为这两种设备类型定义两个类别：功能丰富的设备将被称为A类；B类设备支持的功能相对较少。同一类别的设备将具有相同的强制与可选TSN/WTSN功能。

所有设备类型和类别都需要支持链路层发现协议 (LLDP) (802.1AB) 和时间同步。LLDP支持发现网络拓扑和邻居信息。在时间同步方面，A类设备至少支持三个时域，B类设备至少支持两个时域。A类设备需要支持各种TSN功能，包括计划流量、帧抢占、每流过滤和监管、帧复制和可靠性消除 (FRER) 以及TSN配置，但这些对于B类设备来说是可选的。

IEC/IEEE 60802的最终目标是为工业自动化提供结构清晰的TSN/WTSN文件。该文件同时也具备一定的灵活性，可提供各种选项以支持融合网络的部署，进而将各种协议有效地融合到单一网络中。

WTSN专用5G网络

融合部署可能会在专用5G网络（也称为非公共网络 (NPN)）上首次实现。除了支持融合网络，5G还提供了支持各种工业应用需求的统一架构，包括三大服务类别：连接密度高达每平方米100个节点的大规模机器类型通信 (mMTC)、峰值数据速率高达10Gbps的增强型移动宽带 (eMBB)，以及延迟低至1毫秒、可靠性大于99.999%的URLLC。用户可通过不同的选择来优化特定应用的服务质量 (QoS)。5G与4G或Wi-Fi等其他无线技术不同，能为关键工业应用提供具有保证的服务质量。

5G NPN的部署不限于许可频段；它也可利用非许可频段，例如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和其他协议已经使用的2.4GHz、5GHz和6GHz频段。非许可频段原则上是开放共享的，而且已经纳入到部分4G-LTE网络中。非许可频段中的5G可以通过两种方式来实现。

独立的非许可NPN完全在非许可频段中运行。预计5G的非许可运行将以不提供公共移动网络服务并且专注于非关键用例的私人组织为主。它的主要吸引力之一，就是可以在无需昂贵的许可频段的情况下部署。Multefire协议是4G在非许可频段上对应的实现方式。它使用先听后送 (LBT) 协议与同一频段的其他频谱用户有效共存。如果没有侧行链路，独立的非授权5G部署中可能就无法实现超低延迟的目标。

结合使用许可和非许可频段的NPN称为许可锚点运行。LTE与之对应的功能是许可频段辅助接入 (LAA)，其中非许可频段用于对可用的许可频段进行补充。由营运商部署且需要额外性能的专用网络，预计将使用许可锚点运行。

5G网络切片

网络切片是网络工程师在重点工业应用中从5G获益的另一种工具。网络切片是5G的新概念，它能在单个物理基础设施上创建多个逻辑网络。每个逻辑网络都可以根据特定应用要求量身打造（图3）。各种功能，例如业务流程、物流运作和时间关键型流程和制造，都可以在专用的隔离网络上运行。在网络中创建网络，对于融合网络和NPN而言会特别有用。

图3：网络切片可以在一个共同的物理基础设施上创建多个逻辑网络，每个逻辑网络都根据特定应用要求进行优化。（图源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

网络切片可成为资源及网络管理的强大工具。例如，一个公共5G网络可借此进行分割，从而包含一个专属于特定活动的独立专用5G网络。5G NPN可满足不同服务质量需求的各种异质工业通信的要求。一部分切片还可以专门用于非时间敏感通信，而其他切片可支持工业流程闭环控制所需的中等服务质量。此外，还可创建专用切片，以提供移动机器人等实时通信所需的高服务质量。

网络切片可用于改善计算、存储和一般网络资源的管理，从而有效提高组织的整体资源利用率。它还可针对安全、隐私、访问级别等要求量身打造特定切片的策略。

结语

基于5G的WTSN将为TSN带来革命性新功能，但就其部署而言，仍言之过早。一旦时机来临，时间同步、有界延迟、侧行链路和跨设备类别的互操作性等功能将有助于加速基于5G的WTSN的部署。它能支持融合网络、专用网络和网络切片，从而改善资源分配和网络管理。而基于5G的WTSN将提高部署灵活性，降低TSN的安装成本。

作者简介

Jeff是Jeta电力系统公司的联合创始人，该公司是一家被Computer Products公司收购的大功率开关电源制造商。Jeff还是个发明家。他在热能收集和光学超材料领域拥有17项美国专利。他是业内知名人士，经常就电力电子领域的全球趋势发表演讲。他曾受邀在许多行业活动上发表演讲，包括IEEE应用电力电子会议全会、Semico West、全球半导体联盟新机遇会议、IBM电力和冷却研讨会以及Delta Electronics全球电信电力高级员工研讨会。Jeff拥有加州大学戴维斯分校的定量方法和数学硕士学位。他在电力电子、电子元器件和其他技术主题方面有着30多年的写作经验。他从担任《EETimes》杂志的高级编辑时就开始撰写电力电子方面的文章。他创办了《Powertechniques》，这是一本有关电力电子设计的杂志，每月发行量超过3万份。随后，他又创立了全球电力电子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group发布了PowerPulse.net，为全球电力电子工程社区提供每日新闻。Jeff曾编写过一本开关电源教科书《Power Supplies》，由普伦蒂斯霍尔出版社的雷斯顿分部出版。