越來越多的應用部署了時間敏感網絡 (TSN)。但對基于5G的無線時間敏感網絡 (WTSN) 來說，現(xiàn)在還為時尚早。WTSN可以將TSN引入到新的應用中，例如移動機器人、電網、化工廠、智慧城市和其他地理位置分散的應用，以及無法連接到有線TSN網絡的汽車和運輸系統(tǒng)（圖1）。WTSN將為TSN帶來革命性的新功能，并且提高TSN的部署靈活性、降低其安裝成本。基于5G的WTSN已經接近于可部署，但尚未成熟；市場仍在不斷發(fā)展并制定必要的標準，軟硬件也正在開發(fā)中。

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圖1：基于5G的WTSN可以將時間敏感網絡的使用范圍擴展到無法采用有線TSN的新應用。（圖源：wladimir1804/Stock.Adobe.com）

許多工業(yè)應用需要快速、確定的通信來進行實時控制。為提高以太網的確定性，IEEE 802中增加了新的定義。第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 第16版添加了對TSN協(xié)議集成的支持，以確保5G通信的低延遲，而正在制定的的第17版將強化5G對WTSN的支持。即將發(fā)布的IEC/IEEE 60802文件規(guī)定了TSN在工業(yè)自動化中的應用，并就TSN所需的5G支持提供了指導方針。

除了3GPP、IEC和IEEE之外，還有多項工作也正在進行，以便將5G與TSN相結合，構建WTSN/TSN組合式工業(yè)網絡。歐盟資助的5G-SMART是由行業(yè)伙伴和研究機構組成的聯(lián)盟，旨在探索5G支持的智能制造概念（包括WTSN）。5G互聯(lián)工業(yè)和自動化聯(lián)盟 (5G-ACIA) 也已確定5G必須具備何種條件才能與TSN互通，以實現(xiàn)工業(yè)自動化所需的各種基本功能。

IEEE 802.1 TSN標準包括四大領域：時間同步、有界延遲、可靠性，以及資源或網絡管理。本文將著眼于在這四大領域中每個領域如何對應到5G，并探討5G如何推動WTSN向新一代工業(yè)自動化設備和工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 發(fā)展。本文還將分析第16版、第17版和IEC/IEEE 60802中的現(xiàn)有與新興標準，并研究如何通過側行鏈路 (Sidelink) 實現(xiàn)無需通過網絡轉發(fā)數(shù)據的設備間直接通信，從而增強5G超可靠低延遲通信 (URLLC)。此外，本文還探討了無線電頻譜選項和部署選擇，例如公共/專用混合型網絡和網絡切片的架構。

5G時間同步

向基本5G服務的遷移，并沒有導致對無線電網絡時間同步的需求發(fā)生任何根本性變化，但WTSN對5G節(jié)點本地同步精度的要求會更加嚴格。電信業(yè)已將IEEE 1588精確時間協(xié)議 (PTP) 標準化，以便支持毫秒級的同步要求。3GPP TS 23.501規(guī)范明確了如何將5G網絡集成到TSN同步網絡并支持WTSN。IEEE 1588中包含有關特定應用開發(fā)的文件。其中的一項結果，是TSN標準中的IEEE 802.1AS通用PTP (gPTP) 文件，以及用于工業(yè)自動化的TSN文件中定義的實現(xiàn)方式。

工業(yè)自動化網絡將會受益于數(shù)秒內即可完成的快速初始化和時間同步。此外，使用成本和振蕩器精度較低的現(xiàn)成網絡互連卡，也會成為一種可取的做法。與其他PTP實現(xiàn)方式使用的物理諧振（頻率對齊）技術相比，gPTP使用邏輯諧振技術，搭配路徑和設備延遲的實時測量，以便快速、準確地對齊時間。

時間戳消息的交換，用于將時間從主時鐘傳遞給各種橋接和終端設備。與其他PTP實現(xiàn)方式不同，gPTP還使用時間戳消息計算頻率偏移，并在運行過程中進行相應的調整。

5G有界延遲

URLLC和側行鏈路是第17版中的關鍵特性，它們支持WTSN中的有界（超低和確定性）延遲。URLLC旨在確保數(shù)據延遲介于數(shù)十毫秒到1毫秒的具體范圍內，同時確保應用所要求的99%到99.999%理想可靠性水平。

如上所述，側行鏈路是一種新的通信范式，使5G設備無需通過網絡轉發(fā)數(shù)據，就能直接通信。在傳統(tǒng)的上行鏈路和下行鏈路中，資源和鏈路適配是由網絡集中控制的。而在側行鏈路中，每個設備都在本地執(zhí)行這兩種功能，從而更好地控制網絡資源的使用。即將發(fā)布的第17版預計將增加對側行鏈路中繼甚至多鏈路中繼的支持。隨著側行鏈路功能日益豐富，側行鏈路和URLLC的組合將越來越多地支持在IIoT中使用基于5G的WTSN（圖2）。

圖2：側行鏈路使網絡設備無需通過網絡轉發(fā)數(shù)據，就能直接通信，并有望將WTSN 5G深入拓展至IIoT。（圖源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

側行鏈路可以支持更加豐富的5G用例。例如在關鍵任務工業(yè)應用中，將通信鏈路限制為一跳，可大幅降低延遲。公共安全網絡也可以受益于側行鏈路提供的設備間直接通信能力。在毫秒級的應用中，側行鏈路可以將通過5G基站的兩跳通信轉變?yōu)樵O備間的一跳直接通信。這可以顯著改善性能和延遲，因而側行鏈路是一項重大進步。

未來，在IIoT網絡中使用的新一代側行鏈路多跳中繼將支持更低的功耗。多跳中繼是側行鏈路的一種潛在用例，它使用多個側行鏈路連接在設備間跳躍，從而克服鏈路預算限制。它甚至有望部分取代目前用來連接IIoT設備的藍牙和Wi-Fi鏈路。

融合網絡中的WTSN

即將出爐的IEC/IEEE 60802標準將為工業(yè)自動化融合網絡的互操作性奠定基礎。這些融合網絡包括工業(yè)以太網和無線通信（包括5G和/或Wi-Fi通信）。IEC/IEEE 60802是IEC SC65C/MT9和IEEE 802融合而成的，預計于2022年首次正式發(fā)布。這項標準將包含有關TSN在工業(yè)自動化中應用的信息，包括集成基于5G的WTSN的準則。一旦發(fā)布，用于建構TSN/WTSN網絡的各種組件都將采用IEC/IEEE 60802進行標準化。

IEC/IEEE 60802包含兩種設備類型——網橋和終端站。初期，該標準將分別為這兩種設備類型定義兩個類別：功能豐富的設備將被稱為A類；B類設備支持的功能相對較少。同一類別的設備將具有相同的強制與可選TSN/WTSN功能。

所有設備類型和類別都需要支持鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (LLDP) (802.1AB) 和時間同步。LLDP支持發(fā)現(xiàn)網絡拓撲和鄰居信息。在時間同步方面，A類設備至少支持三個時域，B類設備至少支持兩個時域。A類設備需要支持各種TSN功能，包括計劃流量、幀搶占、每流過濾和監(jiān)管、幀復制和可靠性消除 (FRER) 以及TSN配置，但這些對于B類設備來說是可選的。

IEC/IEEE 60802的最終目標是為工業(yè)自動化提供結構清晰的TSN/WTSN文件。該文件同時也具備一定的靈活性，可提供各種選項以支持融合網絡的部署，進而將各種協(xié)議有效地融合到單一網絡中。

WTSN專用5G網絡

融合部署可能會在專用5G網絡（也稱為非公共網絡 (NPN)）上首次實現(xiàn)。除了支持融合網絡，5G還提供了支持各種工業(yè)應用需求的統(tǒng)一架構，包括三大服務類別：連接密度高達每平方米100個節(jié)點的大規(guī)模機器類型通信 (mMTC)、峰值數(shù)據速率高達10Gbps的增強型移動寬帶 (eMBB)，以及延遲低至1毫秒、可靠性大于99.999%的URLLC。用戶可通過不同的選擇來優(yōu)化特定應用的服務質量 (QoS)。5G與4G或Wi-Fi等其他無線技術不同，能為關鍵工業(yè)應用提供具有保證的服務質量。

5G NPN的部署不限于許可頻段；它也可利用非許可頻段，例如Wi-Fi、藍牙、ZigBee和其他協(xié)議已經使用的2.4GHz、5GHz和6GHz頻段。非許可頻段原則上是開放共享的，而且已經納入到部分4G-LTE網絡中。非許可頻段中的5G可以通過兩種方式來實現(xiàn)。

獨立的非許可NPN完全在非許可頻段中運行。預計5G的非許可運行將以不提供公共移動網絡服務并且專注于非關鍵用例的私人組織為主。它的主要吸引力之一，就是可以在無需昂貴的許可頻段的情況下部署。Multefire協(xié)議是4G在非許可頻段上對應的實現(xiàn)方式。它使用先聽后送 (LBT) 協(xié)議與同一頻段的其他頻譜用戶有效共存。如果沒有側行鏈路，獨立的非授權5G部署中可能就無法實現(xiàn)超低延遲的目標。

結合使用許可和非許可頻段的NPN稱為許可錨點運行。LTE與之對應的功能是許可頻段輔助接入 (LAA)，其中非許可頻段用于對可用的許可頻段進行補充。由營運商部署且需要額外性能的專用網絡，預計將使用許可錨點運行。

5G網絡切片

網絡切片是網絡工程師在重點工業(yè)應用中從5G獲益的另一種工具。網絡切片是5G的新概念，它能在單個物理基礎設施上創(chuàng)建多個邏輯網絡。每個邏輯網絡都可以根據特定應用要求量身打造（圖3）。各種功能，例如業(yè)務流程、物流運作和時間關鍵型流程和制造，都可以在專用的隔離網絡上運行。在網絡中創(chuàng)建網絡，對于融合網絡和NPN而言會特別有用。

圖3：網絡切片可以在一個共同的物理基礎設施上創(chuàng)建多個邏輯網絡，每個邏輯網絡都根據特定應用要求進行優(yōu)化。（圖源：metamorworks/Stock.Adobe.com）

網絡切片可成為資源及網絡管理的強大工具。例如，一個公共5G網絡可借此進行分割，從而包含一個專屬于特定活動的獨立專用5G網絡。5G NPN可滿足不同服務質量需求的各種異質工業(yè)通信的要求。一部分切片還可以專門用于非時間敏感通信，而其他切片可支持工業(yè)流程閉環(huán)控制所需的中等服務質量。此外，還可創(chuàng)建專用切片，以提供移動機器人等實時通信所需的高服務質量。

網絡切片可用于改善計算、存儲和一般網絡資源的管理，從而有效提高組織的整體資源利用率。它還可針對安全、隱私、訪問級別等要求量身打造特定切片的策略。

結語

基于5G的WTSN將為TSN帶來革命性新功能，但就其部署而言，仍言之過早。一旦時機來臨，時間同步、有界延遲、側行鏈路和跨設備類別的互操作性等功能將有助于加速基于5G的WTSN的部署。它能支持融合網絡、專用網絡和網絡切片，從而改善資源分配和網絡管理。而基于5G的WTSN將提高部署靈活性，降低TSN的安裝成本。

作者簡介

Jeff是Jeta電力系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，該公司是一家被Computer Products公司收購的大功率開關電源制造商。Jeff還是個發(fā)明家。他在熱能收集和光學超材料領域擁有17項美國專利。他是業(yè)內知名人士，經常就電力電子領域的全球趨勢發(fā)表演講。他曾受邀在許多行業(yè)活動上發(fā)表演講，包括IEEE應用電力電子會議全會、Semico West、全球半導體聯(lián)盟新機遇會議、IBM電力和冷卻研討會以及Delta Electronics全球電信電力高級員工研討會。Jeff擁有加州大學戴維斯分校的定量方法和數(shù)學碩士學位。他在電力電子、電子元器件和其他技術主題方面有著30多年的寫作經驗。他從擔任《EETimes》雜志的高級編輯時就開始撰寫電力電子方面的文章。他創(chuàng)辦了《Powertechniques》，這是一本有關電力電子設計的雜志，每月發(fā)行量超過3萬份。隨后，他又創(chuàng)立了全球電力電子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group發(fā)布了PowerPulse.net，為全球電力電子工程社區(qū)提供每日新聞。Jeff曾編寫過一本開關電源教科書《Power Supplies》，由普倫蒂斯霍爾出版社的雷斯頓分部出版。