虹科分享 | 5G＋TSN？工業(yè)4.0、車輛網(wǎng)絡(luò).......TSN能給我們帶來哪些市場機(jī)會？

TSN是一項(xiàng)面向未來的新興技術(shù)，它定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、確定和可靠地傳輸。在上一篇文章中，我們介紹了TSN任務(wù)組如何擴(kuò)展IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)，使其能夠解決以太網(wǎng)在時(shí)間同步、可靠性、延遲和資源管理方面的挑戰(zhàn)。

前文回顧

虹科干貨 | TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）如何提升以太網(wǎng)性能？

這些擴(kuò)展使得以太網(wǎng)能夠應(yīng)用于更加廣泛的行業(yè)中，進(jìn)而帶來了更多新的市場機(jī)會。下面，我們將介紹TSN在5G、工業(yè)自動化、車輛網(wǎng)絡(luò)和航空電子設(shè)備中的應(yīng)用。

01

用于5G移動前傳的TSN

TSN for 5G mobile fronthaul

5G移動網(wǎng)絡(luò)目前正在全球范圍內(nèi)部署，在國內(nèi)也是一個(gè)非常熱門的話題。雖然“5G”這個(gè)叫法似乎暗示了與4G相比將有著性能上的遞增，但實(shí)際上這是一種誤導(dǎo)。5G與4G有很大的不同，它的目標(biāo)是支持比前幾代更廣泛的應(yīng)用。這包括需要超可靠低延時(shí)通信（URLLC）的應(yīng)用和服務(wù)，如圖1所示。

圖1 5G超可靠的低延遲示例

5G遠(yuǎn)程接入網(wǎng)（RAN）基于一個(gè)虛擬化的架構(gòu)，其功能可以分割并部署在電信數(shù)據(jù)中心或離天線很遠(yuǎn)的地方，如圖2所示。這使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員能夠在每項(xiàng)服務(wù)的延遲和回程帶寬要求之間實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。

圖2 用于5G前線的TSN

分割功能節(jié)點(diǎn)之間的接口被稱為前傳接口，TSN正是在這里發(fā)揮重要作用。例如，無線電單元（RU）和分布式單元（DU）之間的接口基于增強(qiáng)型公共無線電接口（eCPRI），該接口依賴于以太網(wǎng)，而中央單元（CU）和DU之間的接口是基于以太網(wǎng)。因此，這兩個(gè)接口都可以基于TSN。

對TSN的支持需要升級或替換當(dāng)前的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，以支持TSN機(jī)制和時(shí)間同步，但這并非一個(gè)苛刻的要求。5G性能的提升，需要在以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中支持時(shí)間同步，以保證端到端的延遲和抖動性能。使用CUC和CNC實(shí)例的集中管理模式與5G中使用的SDN控制器管理模式兼容，并且可以使用其中現(xiàn)有的管理協(xié)議和模型，如NetConf和Yang。

IEEE 802.1CM前傳時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)定義TSN功能和協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，主要用于支持前傳流量的傳輸。它包括A和B兩個(gè)配置文件，分別為滿足1類和2類網(wǎng)絡(luò)的要求而設(shè)計(jì)。1類網(wǎng)絡(luò)基于4G RAN基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)頭（RRH）之間使用的通用公共無線電接口（CPRI）前傳接口，而2類網(wǎng)絡(luò)基于eCPRI前傳接口。此外，描述了四類（A+、A、B和C）的時(shí)間同步要求，定義了每一類的時(shí)間誤差預(yù)算。

02

用于5G移動網(wǎng)絡(luò)共享的TSN

TSN for 5G mobile network sharing

IEEE以太網(wǎng)TSN工作組有一個(gè)活躍的項(xiàng)目，其主要任務(wù)是探索TSN在5G網(wǎng)絡(luò)中的適用性，即IEEE802.1DF中的服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)的TSN配置文件。考慮到5GRAN中的單元密度和設(shè)備數(shù)量，預(yù)計(jì)移動服務(wù)提供商將需要共享5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

5G網(wǎng)絡(luò)切片可用于保留5G RAN中的虛擬資源，以支持第三方通過5G網(wǎng)絡(luò)向其客戶提供的服務(wù)。然而，在這些情況下，保持服務(wù)水平協(xié)議（SLA）將是至關(guān)重要的，特別是對于URLLC服務(wù)和其他時(shí)間敏感的應(yīng)用。TSN能夠在同一個(gè)基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上同時(shí)支持盡最大努力和時(shí)間敏感的應(yīng)用，這使得它作為支持網(wǎng)絡(luò)共享的一種非常有吸引力手段。

03

用于工業(yè)自動化的TSN

TSN for industrial automation

工業(yè)自動化是對TSN最感興趣的領(lǐng)域之一。目前，工業(yè)4.0正在將生產(chǎn)設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)椤?a target="_blank">智能工廠”，能夠根據(jù)工廠車間中數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)反饋?zhàn)詣又匦屡渲?。這些傳感器可提供關(guān)于狀態(tài)和事件的實(shí)時(shí)反饋，它們可以是獨(dú)立的，也可以是工廠機(jī)器中的“代理”。為了使智能工廠實(shí)現(xiàn)自動重新配置，來自傳感器的數(shù)據(jù)以時(shí)間同步的方式進(jìn)行快速傳輸是至關(guān)重要的。反饋延遲會導(dǎo)致對關(guān)鍵事件的反應(yīng)不完整或延遲，甚至對數(shù)據(jù)的誤解導(dǎo)致意外的后果，這可能是昂貴的甚至是危險(xiǎn)的。

雖然今天的工廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大量的自動化，但它往往會涉及不同的協(xié)議，從而需要用昂貴的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互連，這將帶來額外的成本甚至產(chǎn)生更多復(fù)雜問題。如果可以使用一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)就可以避免，例如，ISA-95一級現(xiàn)場總線，如Profibus，通常處理實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程傳感器之間的低級通信，而Ethernet和IP網(wǎng)絡(luò)用于更高ISA-95級別的更大、更少的通信，以進(jìn)行監(jiān)控控制和調(diào)度。

有了TSN，就可以用一個(gè)與更高級別的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)兼容的網(wǎng)絡(luò)來取代1級總線，而不需要使用網(wǎng)關(guān)，如圖3所示。TSN可以提供工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的可靠性和延遲控制，并可用于向監(jiān)督控制實(shí)體可靠地傳送數(shù)據(jù)。此外，資源管理模型提供了配置和管理TSN網(wǎng)絡(luò)的靈活性，其方式與工業(yè)4.0所需的其他管理系統(tǒng)兼容。

圖3 工業(yè)自動化的TSN

04

用于車載通信的TSN

TSN for in-vehicle communication

車輛越來越依賴傳感器網(wǎng)絡(luò)來提供關(guān)于駕駛體驗(yàn)的實(shí)時(shí)反饋，并確保駕駛安全。車載網(wǎng)絡(luò)通常依賴于工業(yè)總線系統(tǒng)，如CAN和MOST總線進(jìn)行通信，但隨著傳感器和車載計(jì)算資源變得更加復(fù)雜，車載網(wǎng)絡(luò)不得不擴(kuò)展帶寬，而這對總線系統(tǒng)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

CAN和LIN總線是為低速通信和控制而設(shè)計(jì)的。像FlexRAY這樣的總線能夠提供高達(dá)10Mbps的速度，但成本較高。高保真?zhèn)鞲衅骱蛿z像頭以及信息娛樂系統(tǒng)的廣泛使用導(dǎo)致車載網(wǎng)絡(luò)必須采用更高速的總線系統(tǒng)，如MOST以及LVDDS、CML等物理層，但這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可能是廠商專屬的。

推出以太網(wǎng)的最初目的是為了擴(kuò)展帶寬，但現(xiàn)在汽車生產(chǎn)商正在考慮將TSN作為所有車內(nèi)通信的基礎(chǔ)，因?yàn)樗梢蕴峁┈F(xiàn)代汽車所需的可靠和實(shí)時(shí)通信，如圖4所示。例如，自動駕駛汽車的最終目標(biāo)需要一個(gè)高帶寬和可靠的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)傳遞時(shí)間敏感的傳感器信息，既要在車內(nèi)，也要通過5G移動網(wǎng)絡(luò)到中央控制中心。另一個(gè)考慮因素是成本。以太網(wǎng)的普遍實(shí)施以及定義明確的標(biāo)準(zhǔn)有望通過簡化車載網(wǎng)絡(luò)和取代更昂貴的專有組件來降低成本。

圖4 用于車載通信的TSN

05

用于航空電子設(shè)備的TSN

TSN for avionics

雖然IEEE已經(jīng)為5G前傳、服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)自動化和汽車車載通信定義了配置文件，但還沒有為航空電子設(shè)備定義類似的配置文件。然而，航空電子領(lǐng)域是一個(gè)可以從TSN技術(shù)發(fā)展中大大受益的細(xì)分市場。航空電子設(shè)備與汽車車載通信有著類似的挑戰(zhàn)，因此可以用類似的方式使用TSN來簡化航空電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，并提供一個(gè)單一的、具有成本效益的通信網(wǎng)絡(luò)。今天的航空電子網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTEthernet），這是航空電子全雙工交換以太網(wǎng)（AFDX）的一個(gè)時(shí)間關(guān)鍵型網(wǎng)絡(luò)演化。它在SAE AS6802中被標(biāo)準(zhǔn)化，并根據(jù)離線計(jì)劃表和全球同步提供嚴(yán)格的數(shù)據(jù)定時(shí)傳輸。

2019年10月，SAE標(biāo)準(zhǔn)組織成立了一個(gè)名為Aerospace TSN Profile（AS6675）的工作組，以開發(fā)適用于航空電子案例的以太網(wǎng)TSN配置文件。SAE組織正在與IEEE 802.1合作開發(fā)航空領(lǐng)域的TSN配置文件。

總結(jié)

Conclusion

TSN是一個(gè)跨越不同行業(yè)邊界的機(jī)遇，并且這些不同的行業(yè)正憑借5G變得更加緊密。5G是專門為支持網(wǎng)絡(luò)共享、工業(yè)自動化和自動駕駛汽車的解決方案而設(shè)計(jì)的，TSN能夠解決5G前端、網(wǎng)絡(luò)共享、工業(yè)自動化和車載通信需求，并具有可擴(kuò)展、靈活和與傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)兼容的特點(diǎn)。

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