2023 工业通信中 5G 金融时感感网白皮书中文版 48 页

5G-ACIA白皮书 5G与工业通信时间敏感网络的集成 面向互联工业和自动化的5G联盟 1目录 2 3 4 5工业自动化TSN标准7 5.1时间敏感型应用程序的同步7 5.2计划流量8 5.3帧抢占10 5.4每流过滤和管制10 5.5帧复制和消除可靠性10 5.6用于工业自动化的TSN10 5.7TSN配置12 6工厂中的TSN13 6.1典型用例13 6.2工业通信要求13 6.3TSN在工业场景中的介绍和使用18 6.3.1TSN部署18 6.3.2TSN功能的使用23 7对TSN的5G支持24 7.15G-TSN桥梁模型24 7.25G支持TSN时间同步26 7.35G支持高度可靠的通信28 7.45GS中的TSN流量处理29 7.55G对有限延迟的支持31 85G-TSN集成选项和验证32 8.1集成的5G-TSN架构32 8.2集成5G-TSN架构中的时间同步35 8.35G-TSN集成工业自动化用例36 8.3.1控制器到控制器36 8.3.2设备到计算37 8.3.3控制器到设备37 8.3.45GTSN验证摘要38 9Conclusion40 10关键术语和定义41 11缩写词和缩写42 12参考文献43 135G-ACIA成员46 2执行摘要 第五代无线通信（5G）和时间敏感网络（TSN）技术是未来工业通信的关键：5G用于无线连接，TSN用于有线连接。这两种技术都被设计为在公共网络基础设施上为广泛的服务提供融合通信,包括用于需要确定性、可靠和低延迟通信的时间敏感应用。通过引入TSN和5G无线通信，可以为相应的工业用例实现重大收益。Procedre，提高了工业设备和网络部署的灵活性。 本文确定了这些应用的要求，并描述了无缝集成5G与TSN所需的功能。本文还简要介绍了支持时间敏感型应用所需的5G和TSN功能。3GPP在版本16中指定了对TSN的5G支持，并在版本17中进一步增强，以允许5G系统（5GS）与TSN网络的无缝集成。在这种类型的集成网络中,5G系统将被简单地视为符合IEEE的虚拟以太网TSN网桥。 本白皮书描述并研究了5G与TSN的集成，用于典型的工业用例，即控制器到控制器，控制器到设备和设备到计算通信。该文件显示 ，版本16和17中指定的5G提供了与TSN集成所需的所有功能，以实现工业自动化。 IEEETSN标准化正在发展，工业自动化TSN配置文件的规范目前正在发展中。重要的是，5G标准与TSN的这一演进保持一致。 关于5G-ACIA 5G互联工业和自动化联盟（5G-ACIA）的成立是为了作为中央和全球论坛，讨论和评估工业领域5G的相关技术、监管和业务方面。 它反映了整个生态系统和所有相关的利益相关者群体，包括运营技术 （OT）行业（工业自动化公司，工程公司，生产系统制造商，最终用户等），ICT行业（芯片制造商，网络基础设施供应商，移动网络运营商等），学术界，研究机构和其他相关参与者。 5G-ACIA的首要目标是确保5G技术和5G网络在工业领域的最佳适用性。5G-ACIA的任务是确保在5G标准化和监管中充分考虑到工业领域的利益和需求，并确保正在进行的5G发展得到工业领域的理解并有效地转移到工业领域。 3Introduction 本白皮书介绍了3GPP为5G指定的标准和IEEE为TSN指定的标准 ，并描述了如何将这两种标准化技术集成到工业通信中。 时间敏感网络（TSN）[17]是一组新颖的开放标准，提供确定性，可靠，高带宽，低延迟通信;它被认为是未来的有线技术，用于融合的工业通信。Procedre，用于工业4.0和智能工厂。5G与TSN的互通被视为使5G适用于未来工业物联网（IIoT）解决方案的主要目标。3GPP已经在该领域进行了重要的5G标准化工作。Procedres.随着从版本15引入超可靠和低延迟通信(URLLC)的规范,并且在版本16中支持TSN;3GPP在版本17中继续这项工作。IIoT的5G标准化工作包括了解如何在智能工厂环境中应用TSN，设想与5G的集成和交互以及功能是什么。 5GS的要求。网络切片和5G与TSN集成之间的关系超出了本文的范围 。 本白皮书介绍了5G与TSN一起应用于工业网络的原因和方式，以及5G与TSN之间需要哪些交互。它将3GPP版本16中的5G规范以及当前在版本17中正在进行的TSN支持规范的功能性作为其基线。对于TSN，基线是2020年之前的IEEE标准。但是，在某种程度上也考虑了IEC/IEEE60802中有关TSN工业自动化配置文件的正在进行的工作。 ThenextsectiondescribesdriversfortheintroductionofTSNand5Gintoindustrialautomation.Sections5and6presentsIEEETSNstandardsanddescribehowtheyareappliedinfacoryenvironments.5GsupportforTSNisdescribedinsection 7.第8节介绍了5G如何在工业部署中与TSN集成。 4数字化转型是自动化中TSN和5G连接的驱动力 数字化转型正在所有领域创造颠覆性的变化[24]。通过互连多个设备，信息不再受到本地限制，而是可以从任何地方访问。第四次工业革命将通过企业范围的网络将数字转型应用于工业生产，以从机器，设备和人员之间获取数据并交换数据[25]。通过使用物联网（IoT）和网络物理系统，传统生产将转变为智能和互连设备的网络。这些系统可以提高未来制造的灵活性、多功能性、可用性和效率[26]。通过使用更大的网络，生产单元将演变为共享信息的生态系统，以增强决策和资源高效生产。此外，设备 、工厂和供应商之间的快速沟通将增加灵活性。 度，使大规模定制能够满足客户在数量、质量、设计和配置等方面的要求。 这些智能生产系统依赖于企业范围内的通信。对于工业用例，这些通信网络需要满足某些要求[25]。特别是，它们必须保证高可用性、高吞吐量、实时传输、低延迟和低抖动。为了满足这些要求，已经引入了各种通信技术，例如现场总线。Procedre、PROFIBUS和基于以太网的解决方案，如PROFINET或EtherCAT[8][9]。这些解决方案中的每一个都针对特定应用的一组特定要求。结果,它们仅在物理层上相互兼容。这导致工厂商店上的各种协议和硬件。 floors,makingtheinterconnectivityneededforIndustry4.0difficulttoachieve.Toovethisissue,theIEEE802.1TSNEthernetstandardfamilyhasbeenintroducedforreal-al-timedeterminative,enterm-wide,low-latencyindustrialEthernetprotocols. 物理层上的802.3以太网，也包括更高层；此外，它是IEEE802 标准的一部分，指定了以太网桥接网络。 除了工业试验用例的上述要求以及兼容性的需要之外，工业4.0的通信网络还必须支持移动，旋转和灵活对象的无线通信。此外,无线通信系统需要更低的安装成本,并且能够在更大规模上实现生产设施的升级和现代化。由于缺乏可用性，可靠性和实时性，过去无线通信的一般使用仅限于开环控制和制造执行系统（MES）应用。新的5G通信标准旨在满足广泛的现场级应用的这些要求。增加的吞吐量、可靠性 、可用性和低能耗将实现大规模工业使用。The. 5G的优势和相应的工业用例在[1]中更详细地描述。因此，TSN和5G的组合提供了无线和有线解决方案，能够创建工业4.0应用所需的大型实时网络。 图1说明了工业网络从工业3.0到工业4.0的转变。工业3.0自动化金字塔专注于高吞吐量和非常高效的机器，包括专用网络。这是通过为非常特定的产品设计整个生产线来实现的，而与外界的交流很少。这种隔离意味着一个产品线的中断不会影响其他产品线。工业4.0工厂专注于两个不断增长的需求：大规模定制和效率。定制化需要灵活的生产线，这些生产线能够使用现有的工具和机器进行动态调整。这导致了与Idstry3.0不同的流量模式，以及流程描述的中央存储。效率方面类似于过去已经需要的。但是，由于具有更大的灵活性，闲置的生产线可以适应执行其他生产订单，因此没有未充分利用的生产能力 。 工业3.0 过渡 工业4.0 工厂骨干 上行链接到全球 云 ERP增加互动 集中监管/集成MES 虚拟PLC 本地自动化 云 MES/Scada 虚拟PLC 控制/PLC 控制功能是改变 分布式控制 云连接（边缘云控 制器） 字段/IO 字段/IO DisitsrtibriubtuetdedcocnotnrotrlolunintitmmeregregsesPLCLCanadndIOIOModoudleule 安全的远程访问 自动化金字塔转换为自动化支柱 ERP:企业资源规划 MES：制造执行部系统 PLC：可编程逻辑控制器 设备数量大幅增加 数据上传 Fig.1:工业网络的转型 连通性 资料来源：傻瓜的时间敏感网络[13] Fig.2:（闭合）控制回路；需要知道虚线框，以便将其集成到控制回路逻辑中 以太网网桥 I/O传感 器/执行器 PLC 设定点 + 差异 可编程逻辑 控制器(PLC) 延迟 +抖动（网络） – 反馈 延迟 +抖动（网络） Process 来源：5G-ACIA 动态工厂场景需要通信技术的融合使用。随着应用程序的变化，网络需要为此类更改做好准备。使用电缆也使生产线的动态安排变得困难 。 Inaflexibleproductionsystem,anycriticalprocessistypi-callybasedonopen-looporclosed-loopcontrolsasshowninFigure2.Insystemsofthiskindthemostimportantrequirementistounderstandwhencertainmeasurementsocs.To 在确保控制应用的确定性行为的情况下,网络需要遵守该控制应用的相应的服务质量(QoS)要求。在此上下文中的QoS由诸如抖动和等待时间之类的参数来定义。此外，融合网络中的带宽非常重要。工业4.0环境中的解决方案预期使用标准以太网(IEEE802.3)、WLAN(IEEE802.11)和5G(3GPP)技术,结合诸如由IEEE802.1规定的 TSN标准之类的用于时间敏感通信的增强。 5工业自动化TSN标准 TSN是IEEE802规定的一组标准，使以太网网络能够为时间敏感和/或任务关键的流量和应用提供QoS保证。各种TSN标准提供不同的QoS保证。由于来自多个供应商的设备需要提供相互兼容的功能,因此正在定义诸如用于工业自动化的IEC/IEEE60802的简档。这些配置文件集中于一组通用的功能和配置，以降低可能由标准的可能变化产生的复杂性。 5.1对时间敏感的应用程序的同步 时间同步对于确保终端设备的确定性行为至关重要。一些TSN机制还需要时间同步。时间同步的TSN标准是IEEE802.1AS广义精确时间协议（gPTP）[11]，它是IEEE1588精确时间协议（PTP）[12]的配置文件；它只允许通过以太网进行时间同步。具体要求时钟同步 。 ic应用程序和支持TSN调度流量（IEEE802.1Qbv）-并且可能需要用于每流过滤和管制（IEEE802.1Qci），如第5.4节中所述，以确保网桥和终端站可以根据对时间的共享理解按计划运行。 IEEE1588[12]中定义了gPTP同步：主PTP实例向所有直接连接的（ g）PTP实例发送信息，包括当前同步时间， Procedres.Procedre,使用以太网组播。这些PTP实例中的每一个必须通过添加信息所需的传播时间来校