香港應(yīng)用科技研究院（應(yīng)科院）將在9月25日到27日在北京舉行的中國國際信息通信展（https://www.ptexpo.com.cn/index.html）演示5G TSN技術(shù)，及9月24日到28日在上海舉行的第24屆中國國際工業(yè)博覽會（https://www.ciif-expo.com/），聯(lián)合CC-Link協(xié)會（CLPA）演示5G TSN對實(shí)時無線運(yùn)動控制。
時間敏感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)化網(wǎng)絡(luò)的基石
IT（Information Technology）網(wǎng)絡(luò)和OT（Operational Technology）網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的兩個重要組成部分。IT網(wǎng)絡(luò)主要管理數(shù)據(jù)、通信和業(yè)務(wù)應(yīng)用，通常涉及計算機(jī)、服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)連接。OT網(wǎng)絡(luò)則專注于工業(yè)操作，如監(jiān)控和控制物理設(shè)備，常用于制造、能源和交通等行業(yè)。
TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）是一組 IEEE (電機(jī)電子工程師學(xué)會)標(biāo)準(zhǔn)，用于確保 “以太網(wǎng)” （Ethernet）中的低延遲。該標(biāo)準(zhǔn)確保兩個設(shè)備之間的“TSN 流” 延遲保持低于某個限值（例如 1 毫秒）。TSN技術(shù)在IT和OT網(wǎng)絡(luò)融合中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提供高確定性和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，確保實(shí)時通信和精確同步。這對OT網(wǎng)絡(luò)尤為重要，因為它們需要高可靠性和精確的時間控制。通過TSN，IT網(wǎng)絡(luò)可以更有效地與OT系統(tǒng)集成，提升工業(yè)自動化和智能制造的效率。
此外，TSN還增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性和靈活性，使得IT和OT網(wǎng)絡(luò)不僅可以無縫協(xié)作，還能應(yīng)對各種工業(yè)環(huán)境的挑戰(zhàn)。這樣，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)更智能化的運(yùn)營和更高效的數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。例如，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時模擬和優(yōu)化生產(chǎn)過程，通過IT網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和OT設(shè)備的實(shí)時反饋，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的虛擬建模和故障預(yù)測分析；AI實(shí)時質(zhì)檢應(yīng)用則利用IT的計算能力和OT的設(shè)備連接，實(shí)時檢測產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)線的準(zhǔn)確性和效率。
5G 時間敏感網(wǎng)絡(luò) (5G Time-Sensitive Networking, 5G TSN) 是 5G 與 TSN 技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)基于無線網(wǎng)絡(luò)的 TSN技術(shù)。在工業(yè)自動化、智能制造、車聯(lián)網(wǎng)等時間敏感應(yīng)用場景中，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是其中一個重要發(fā)展方向。有線網(wǎng)絡(luò)存在移動性差、不靈活、在特殊和高風(fēng)險環(huán)境中難以部署的問題，5G TSN 通過無線通信、時間同步、確定性傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的融合，能夠滿足對移動性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求。TSN在5G網(wǎng)絡(luò)超高帶寬，超低延遲以及海量接入的網(wǎng)絡(luò)特性上，為5G網(wǎng)絡(luò)帶來高確定性，超低抖動和冗余流量，使5G網(wǎng)絡(luò)可以真正應(yīng)用到對實(shí)時性，移動性和故障率要求極高的工廠網(wǎng)絡(luò)里，完美融合OT和IT網(wǎng)絡(luò)。
應(yīng)科院基于軟件的5G TSN解決方案及關(guān)鍵部件
5G TSN 端到端系統(tǒng)架構(gòu)
應(yīng)科院成功開發(fā)了基于軟件的5G TSN 解決方案，包括了用于5G TSN 的DS-TT (Device Side TSN Translator) 和NW-TT (Network Side TSN Translator)，以及TSN交換機(jī)（圖1）。該方案采用應(yīng)科院自主研發(fā)的基于軟件的高精度時間同步算法，能夠完成納秒級的高精度時間同步。其基于DPDK+VPP的軟件架構(gòu)，展現(xiàn)出高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和良好的可擴(kuò)展性。
圖 1 應(yīng)科院5G TSN端到端系統(tǒng)架構(gòu)
在該方案中，不僅所有的二層轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議是基于軟件實(shí)現(xiàn)，TSN 相關(guān)的協(xié)議也是基于軟件實(shí)現(xiàn)的，例如：IEEE 802.1AS和IEEE 1588 精確時間同步協(xié)議， IEEE 802.1Qbv時間感知調(diào)度， IEEE 802.1Qbu 幀搶占協(xié)議，以及IEEE 802. 1CB幀復(fù)制與消除等協(xié)議。通過簡單的軟件配置，該方案可以運(yùn)行于TSN 交換機(jī)， 3GPP 5G NW-TT和 3GPP 5G DS-TT三種不同的工作模式。
應(yīng)科院開發(fā)的5G TSN方案，能運(yùn)行于各種通用服務(wù)器或者小型工業(yè)PC上，對硬件的依賴程度低，可以方便的應(yīng)用于不同的硬件平臺以及不同的工業(yè)應(yīng)用場景，包括x86，ARM以及國產(chǎn)硬件平臺。通過適用于不同硬件平臺，有效減少網(wǎng)絡(luò)部署成本，提高生產(chǎn)效率，降低故障幾率和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。
應(yīng)科院開發(fā)的DS-TT模塊化軟件方案，實(shí)現(xiàn)5G TSN 的關(guān)鍵部件
作為5G 時間敏感網(wǎng)絡(luò)中的一個關(guān)鍵組件，設(shè)備側(cè)的TSN轉(zhuǎn)換器（DS-TT）擔(dān)負(fù)著協(xié)議轉(zhuǎn)換、時間同步、流量管理等多項重要功能，確保了工業(yè)自動化、智能交通等時間敏感無線終端應(yīng)用能夠順利接入 TSN 網(wǎng)絡(luò)并獲得所需的實(shí)時性能。
應(yīng)科院的基于軟件的DS-TT，具備了高精度時間同步通道和5G數(shù)據(jù)通道協(xié)議棧，支持多種TSN協(xié)議，其中包括IEEE 802.1AS、 IEEE 802.1Qbv和 IEEE 802.1Qbu，并包含了雙時鐘域處理、B碼處理模塊、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)功能、動態(tài)配置管理等特性。該軟件方案同時包括了基于Web界面和Rest服務(wù)的北向接口，使用NETCONF和gPRC進(jìn)行南向管理的網(wǎng)管方案，并提供一站式服務(wù)，包括24個月的技術(shù)支持，代碼培訓(xùn)和bug修復(fù)服務(wù)。商務(wù)模式也支持二進(jìn)制授權(quán)或者代碼授權(quán)等多種靈活方式。
與合作伙伴聯(lián)手，完成5G TSN和軟件方案的DS-TT技術(shù)驗證
在2024上海世界移動通信大會期間，應(yīng)科院聯(lián)合中國聯(lián)通研究院，英特爾成功現(xiàn)場演示了基于軟件的DS-TT方案，並與是德科技演示了5G TSN測試方案的端到端測試(圖2)。在該5G端到端的測試結(jié)果中，應(yīng)科院基于軟件方案的DS-TT 在TSN時間域的同步精度可以達(dá)到600納秒，端到端高精度時間同步可以小于2微秒，端到端時間抖動可以小于10微秒。
圖 2 應(yīng)科院DS-TT 5G端到端測試架構(gòu)
5G TSN高確定性和納秒級精準(zhǔn)抖動特性，引領(lǐng)工業(yè)無線控制升級
5G TSN技術(shù)通過提供確定性和納秒級的超低抖動，可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性和可靠性，使工業(yè)自動化系統(tǒng)能夠更精確地管理機(jī)械設(shè)備的動作，減少誤差和延遲。此外，5G TSN還能夠支持大量設(shè)備的同時連接，而不影響各設(shè)備的實(shí)時性能。
其中超低抖動的特性意味著系統(tǒng)可以在更短的時間內(nèi)對外部變化做出響應(yīng)，從而提高了實(shí)時性能。這種能力在需要精確控制和快速反應(yīng)的場景中尤為重要，例如機(jī)器人制造、自動化流水線以及遠(yuǎn)程醫(yī)療操作等。在這些應(yīng)用中，任何延遲或信號不穩(wěn)定都會導(dǎo)致質(zhì)量下降或出現(xiàn)安全隱患，因此5G TSN的低抖動能力直接提升了這些系統(tǒng)的可靠性和安全性。
應(yīng)科院最近進(jìn)行了5G TSN端到端的機(jī)械臂控制測試，圖3展示了兩種不同情況下的機(jī)械臂控制延遲表現(xiàn)。左側(cè)圖表描述了在5G端到端網(wǎng)絡(luò)中未啟用時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的情況下，機(jī)器人控制系統(tǒng)的延遲波動顯著，出現(xiàn)高抖動現(xiàn)象。延遲的高方差意味著控制信號的傳遞不穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)械臂的動作出現(xiàn)波動和滯后，這種不確定性會影響精密操作和系統(tǒng)整體效率。右側(cè)圖表則展示了5G端到端網(wǎng)絡(luò)中啟用TSN后的測試結(jié)果，其中延遲波動顯著降低，抖動幾乎不可見。測試結(jié)果比較表明，啟用TSN后，延遲的方差大大減少，機(jī)械臂控制變得更加穩(wěn)定和流暢，這種穩(wěn)定性對工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。
圖 3 5G TSN端到端機(jī)械臂控制測試結(jié)果
5G TSN技術(shù)的應(yīng)用可以推動工業(yè)無線控制的全面升級。通過提供更高的精度和穩(wěn)定性，它不僅提升了生產(chǎn)效率，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了停機(jī)時間和維護(hù)成本。
5G TSN技術(shù)帶來的新興應(yīng)用展望
在現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域，5G與TSN的結(jié)合正在引領(lǐng)一場技術(shù)革命。這一強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合為許多關(guān)鍵行業(yè)帶來了前所未有的靈活性和效率。5G網(wǎng)絡(luò)的帶來的高速率、低延遲和大規(guī)模設(shè)備連接能力，與TSN引領(lǐng)的網(wǎng)絡(luò)確定性和高精度時間同步特性完美契合。這種組合在以下領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力：
智能制造：5G與TSN的結(jié)合使得工業(yè)通訊協(xié)議數(shù)據(jù)在5G系統(tǒng)的傳輸成為可能，極大的方便了智能制造工廠的建設(shè)，融合IT和OT網(wǎng)絡(luò)，更有效的支持智能制造工廠里的柔性制造以及黑燈工廠特性。同時，企業(yè)能夠創(chuàng)造更加智能化、自動化的生產(chǎn)環(huán)境，推動工業(yè)4.0的進(jìn)一步發(fā)展。
自動駕駛：在自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)中，5G TSN可以提供確定性，低延遲通信，確保車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息傳遞高效及快速，提高交通安全和效率。例如多桿光學(xué)雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合應(yīng)用和高精度無線時間同步，提供更加精準(zhǔn)的定位精度。應(yīng)科院已和多家合作伙伴展開合作，在實(shí)驗室和實(shí)際環(huán)境進(jìn)行5G TSN的相關(guān)測試。
遠(yuǎn)程醫(yī)療：通過5G TSN技術(shù)，醫(yī)生可以在全球任何地方為患者提供高質(zhì)量、確定性的醫(yī)療服務(wù)。5G TSN的低延遲和高可靠性確保了手術(shù)過程中的每一個細(xì)微動作都能準(zhǔn)確無誤地傳達(dá)。此外，醫(yī)生可實(shí)時監(jiān)控病人的生命體征數(shù)據(jù)，并快速響應(yīng)任何突發(fā)情況，提升了急救反應(yīng)的效率，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者提供了更便捷的醫(yī)療服務(wù)。
能源管理：在智能電網(wǎng)中，5G TSN支持設(shè)備之間的高精度時間同步和確定性通信，有助于實(shí)現(xiàn)更高效的能源分配和故障管理。同時，確定性的通信使得故障檢測和修復(fù)速度大幅提升，減少停電時間和影響。
5G TSN 白皮書
為進(jìn)一步推廣5G TSN技術(shù)，應(yīng)科院參與撰寫《中國聯(lián)通5G-TSN 技術(shù)發(fā)展白皮書》（以下簡稱“白皮書”），該白皮書已于今年6月在上海世界移動通信大會期間發(fā)布。
白皮書首先對5G TSN的技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)進(jìn)行了說明，其中包括了5G TSN標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)路線和方向，以及5G TSN目前在實(shí)際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中遇到的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢。另外，白皮書還詳細(xì)介紹了聯(lián)合研發(fā)的技術(shù)成果：一套完整的5G TSN端到端系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的測試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。最后，白皮書總結(jié)了5G TSN的幾個應(yīng)用場景并對未來進(jìn)行了展望。
另外，白皮書還提出了一種云原生、輕量化的5G-TSN技術(shù)解決方案，可實(shí)現(xiàn)低至10ms的網(wǎng)絡(luò)時延，有效滿足工業(yè)生產(chǎn)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景的嚴(yán)苛要求，并有助于用戶節(jié)約在部署、調(diào)試、優(yōu)化方案方面的成本，加快5G-TSN的商業(yè)應(yīng)用。
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小結(jié)
目前，5G TSN技術(shù)正在向工業(yè)核心領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)科院基于自身的平臺優(yōu)勢，正在進(jìn)一步加強(qiáng)與智能工業(yè)制造領(lǐng)域，智慧出行領(lǐng)域合作伙伴的合作，開展了5G TSN端到端網(wǎng)絡(luò)和與相關(guān)智能應(yīng)用的驗證和測試，包括對智能工業(yè)控制系統(tǒng)，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以及車載網(wǎng)絡(luò)在5G端到端確定性網(wǎng)絡(luò)上的驗證工作，共同加速5G TSN在工業(yè)核心和智慧出行領(lǐng)域的應(yīng)用落地。
應(yīng)科院在未來幾年內(nèi)，將持續(xù)進(jìn)行5G TSN相關(guān)的研發(fā)，部署和落地工作，以及開展相關(guān)的智能應(yīng)用在真實(shí)環(huán)境的實(shí)地測試，積極以5G TSN技術(shù)推動新質(zhì)生產(chǎn)力和新型工業(yè)化的發(fā)展，融入國家科技和新型工業(yè)發(fā)展的大局，對接大灣區(qū)建設(shè)和一帶一路等高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略。 
