1.1 引言/導(dǎo)讀
中國信息通信研究院作為工業(yè)和信息化部直屬科研事業(yè)單位,致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)研究工作,堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動,圍繞制造強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略重點(diǎn)領(lǐng)域,積極推動新興技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)深度融合和協(xié)同創(chuàng)新,中國信通院擁有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)新與測試驗(yàn)證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)試驗(yàn)與測評工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,為加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步、支撐國內(nèi)企業(yè)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了有力保障。中國信通院在國內(nèi)很早就開展了TSN技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究,承擔(dān)了多項(xiàng)工信部智能制造專項(xiàng)、工業(yè)轉(zhuǎn)型升級專項(xiàng)和工業(yè)創(chuàng)新工程專項(xiàng),最早在國內(nèi)建設(shè)了TSN試驗(yàn)驗(yàn)證測試床并多次開展了TSN產(chǎn)品測試,多次發(fā)布TSN產(chǎn)業(yè)白皮書,有力的推動了國內(nèi)TSN研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物全要素的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺則可以把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù),而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G的重要應(yīng)用場景之一,5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是賦能智慧工廠數(shù)字化、無線化、智能化的重要方向。
5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延、高可靠特性,可以滿足工業(yè)設(shè)備的靈活移動性和差異化業(yè)務(wù)處理能力需求,推動各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)終端、Robot、自動導(dǎo)引運(yùn)輸車(AGV)、場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備等的無線化應(yīng)用,助力工廠柔性化生產(chǎn)大規(guī)模普及。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給5G帶來了廣泛的應(yīng)用場景,同時也帶來了前所未有的挑戰(zhàn),尤其是5G URLLC業(yè)務(wù)對時延和可靠性提出了更高的需求,例如,遠(yuǎn)程駕駛要求在5ms用戶面時延下實(shí)現(xiàn)10-5的可靠性;電力分配系統(tǒng)的要求是2ms用戶面時延下實(shí)現(xiàn)10-6的可靠性;而工廠自動化場景的要求2ms用戶面時延下實(shí)現(xiàn)10-6的可靠性。
時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)是工業(yè)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)低時延、高可靠和確定性傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一,時間敏感網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng),統(tǒng)一擴(kuò)展時間同步、確定流調(diào)度、高可靠無縫冗余、網(wǎng)絡(luò)管控等功能,提供確定有界低時延、低抖動、高可靠流傳輸服務(wù),支持多業(yè)務(wù)流高質(zhì)量共網(wǎng)傳輸。時間敏感網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用至工業(yè)自動化系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、車輛內(nèi)通信、航空宇航系統(tǒng)、運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。時間敏感網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化有望解決工業(yè)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的異構(gòu)性和兼容性問題,實(shí)現(xiàn)有線工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一與互聯(lián)互通。
以工業(yè)為代表的垂直行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)提出了嚴(yán)苛的業(yè)務(wù)體驗(yàn)、效率及性能要求,TSN技術(shù)憑借其優(yōu)勢使能5G網(wǎng)絡(luò)安全可靠的確定性數(shù)據(jù)傳輸,TSN與5G網(wǎng)絡(luò)融合將成為5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向確定化演進(jìn)的重要技術(shù)方向。目前,如何在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中,對5G和TSN技術(shù)進(jìn)行融合部署,已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、標(biāo)準(zhǔn)組織研究的熱點(diǎn)之一,3GPP已經(jīng)在R16/R17中開始了5G TSN的標(biāo)準(zhǔn)化工作,建立了基本的融合架構(gòu),R17 5G+TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即將凍結(jié)。自2020年以來,國內(nèi)大力推廣5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)部署,5G在垂直行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛,工信部多次發(fā)文,將5G及TSN技術(shù)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)發(fā)展技術(shù),并相關(guān)專項(xiàng)扶植產(chǎn)業(yè)。
基于上述現(xiàn)狀,5G TSN融合技術(shù)測試床旨在驗(yàn)證TSN架構(gòu)與5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合部署演進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù),為TSN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中部署提供參考,為URLLC業(yè)務(wù)應(yīng)用于垂直行業(yè)提供參考解決方案,并推動國際國內(nèi)相關(guān)5G TSN標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。
時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)、5G、核心網(wǎng)、URLLC
中國信息通信研究院,段世惠,18500465398,duanshihui@caict.ac.cn
中國信息通信研究院,朱瑾瑜,15313152798,zhujinyu@caict.ac.cn
北京郵電大學(xué)
中國移動通信集團(tuán)有限公司
中國電信集團(tuán)有限公司
華為技術(shù)有限公司
新華三技術(shù)有限公司
上海諾基亞貝爾股份有限公司
高通(中國)控股有限公司
英特爾(中國)有限公司
深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司
結(jié)合國際上最新的研究進(jìn)展,本測試床主要研究5G與TSN融合技術(shù)的發(fā)展路線、關(guān)鍵技術(shù)以及在垂直行業(yè)應(yīng)用中的痛點(diǎn)問題,模擬現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種真實(shí)情況,對5G與TSN融合的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進(jìn)行驗(yàn)證測試,對各種新算法、新技術(shù)、新設(shè)備、新方案進(jìn)行測試,對多廠家設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通測試以評判組網(wǎng)性能,旨在于為5G技術(shù)在確定性要求嚴(yán)格的垂直行業(yè)場景中的應(yīng)用提供解決思路或者解決方案,為5G技術(shù)的應(yīng)用推廣提供必要的理論依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。
本測試床主要應(yīng)用于以下兩種場景:
1.TSN作為5G網(wǎng)絡(luò)的承載網(wǎng)絡(luò),即利用TSN保證5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸確定性,TSN網(wǎng)絡(luò)連接5G基站與UPF構(gòu)建高可靠低時延承載網(wǎng)絡(luò),滿足TSN終端設(shè)備間確定低時延通信業(yè)務(wù)需求,同時實(shí)現(xiàn)移動承載網(wǎng)絡(luò)中同相流的時間同步需求。現(xiàn)階段考慮把TSN應(yīng)用于5G RAN部分,尤其是前傳部分。
2.5G作為TSN網(wǎng)橋/交換機(jī)互聯(lián)多TSN域,即利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拉遠(yuǎn)傳輸,5G系統(tǒng)作為一個TSN橋,集成在TSN系統(tǒng)中。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉(zhuǎn)換器,用于TSN系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間用戶面的交互。5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能由終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(DS-TT)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(NW-TT)組成。
測試床適用于園區(qū)內(nèi)的工廠內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的TSN域之間使用5G連接、工廠外網(wǎng)使用5G橋接TSN域進(jìn)行廣域連接、5G RAN與CN使用TSN作為承載的多種場景。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的位置
本測試床是為了驗(yàn)證5G與TSN融合技術(shù)的結(jié)合,以保證5G網(wǎng)絡(luò)確定性技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。在AII總體架構(gòu)中屬于網(wǎng)絡(luò)視圖中的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)部分,即通過有線、無線方式,將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系相關(guān)的人機(jī)物料法環(huán)以及企業(yè)上下游、智能產(chǎn)品、用戶等全要素連接,支撐業(yè)務(wù)發(fā)展的多要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)根據(jù)協(xié)議層次有底向上可以分為多方式接入、網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸層傳送。
多方式接入包括有線接入和無線接入,通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)PON、TSN等有線方式,以及5G/4G、WiFi/WiFi6、WIA、WirelessHART、ISA100.11a等無線方式,將工廠內(nèi)的各種要素接入工廠內(nèi)網(wǎng),包括人員(如生產(chǎn)人員、設(shè)計(jì)人員、外部人員)、機(jī)器(如裝備、辦公設(shè)備)、材料(如原材料、在制品、制成品)、環(huán)境(如儀表、監(jiān)測設(shè)備)等;將工廠外的各要素接入工廠外網(wǎng),包括用戶、協(xié)作企業(yè)、智能產(chǎn)品、智能工廠以及公共基礎(chǔ)支撐的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、安全系統(tǒng)、標(biāo)識系統(tǒng)等;網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)工業(yè)非實(shí)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)管理等功能;傳輸層基于TCP、UDP等實(shí)現(xiàn)設(shè)備到系統(tǒng)的端到端數(shù)據(jù)傳輸功能。
5G TSN融合技術(shù)測試床將網(wǎng)絡(luò)體系中的實(shí)現(xiàn)多方式接入、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)和端到端數(shù)據(jù)傳輸功能,5G TSN融合技術(shù)測試床的在AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能視圖網(wǎng)絡(luò)體系框架中的位置如圖 1所示。
圖:5G TSN融合技術(shù)測試床在AII體系架構(gòu)2.0中的位置
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施框架的位置
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時框架中,本測試床內(nèi)容包含設(shè)備層的5G終端、5G RAN、邊緣和企業(yè)層的5G無線網(wǎng)絡(luò)、本地私有云等,如下圖所示:
圖:5G TSN融合技術(shù)測試床在AII體系架構(gòu)2.0中實(shí)施框架中的位置
5G TSN融合技術(shù)測試床嘗試建立一個具備端到端確定性的測試床。在本測試床中,按照網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)營的模式,仿真運(yùn)營體系和網(wǎng)絡(luò)體系,運(yùn)營體系負(fù)責(zé)對用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的配置和監(jiān)測,網(wǎng)絡(luò)體系負(fù)責(zé)對用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端的實(shí)現(xiàn)。從用戶角度來看,用戶并不關(guān)注網(wǎng)絡(luò)體系的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),用戶對其業(yè)務(wù)給出具體需求后,由運(yùn)營體系將用戶的需求進(jìn)行SLA轉(zhuǎn)譯并配置對應(yīng)的業(yè)務(wù)模板,該業(yè)務(wù)模板最終通過網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行全網(wǎng)端到端的下發(fā)和配置,在業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中,運(yùn)營體系收集網(wǎng)絡(luò)體系的網(wǎng)絡(luò)之類評估信息和業(yè)務(wù)質(zhì)量評估信息,根據(jù)所收集的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整。
圖:5G TSN融合技術(shù)測試床體系架構(gòu)
隨著3GPP R16/R17/R18以及IEEE 802.3 TSN等系列標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展以及相關(guān)設(shè)備的研發(fā),本測試床將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善,最終實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)驅(qū)動的端到端確定性網(wǎng)絡(luò)。基于現(xiàn)有設(shè)備的成熟度和研發(fā)進(jìn)度(目前上市的設(shè)備基本上都是R15階段的設(shè)備),本測試床擬分為兩個階段,兩個階段對應(yīng)于前述的兩個應(yīng)用場景。
(1)第一階段
第一階段,本測試床主要考慮利用TSN保證5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸確定性,尤其是在5G承載網(wǎng)部分,最終實(shí)現(xiàn)從RRU到核心網(wǎng)端到端的5G TSN融合,實(shí)現(xiàn)高可靠性,高精度,低延遲的確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸。測試床計(jì)劃部署方案如下圖所示:
在第一階段中,本測試床主要以5G承載網(wǎng)在各個部分和TSN的融合。主要可劃分為:5G前傳+TSN的結(jié)合;5G回傳+TSN的結(jié)合;5G核心網(wǎng)+TSN的結(jié)合。
(2)第二階段
在第二階段中,5G系統(tǒng)作為一個TSN橋,集成在TSN系統(tǒng)中,具體架構(gòu)參見下圖。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉(zhuǎn)換器(TT),用于TSN系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間用戶面的交互。5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能由終端側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(DS-TT)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器(NW-TT)組成,當(dāng)前市面上尚無成熟的TSN轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。
5GS網(wǎng)元可作為TSN網(wǎng)絡(luò)的一個或多個TSN網(wǎng)橋。5GS網(wǎng)橋由單個UPF(即PSA)側(cè)的端口、UE和UPF之間的用戶平面隧道以及DS-TT側(cè)的端口組成。對于TSN網(wǎng)絡(luò)的每個5GS網(wǎng)橋,NW-TT上的端口都支持與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接,DS-TT側(cè)的端口與PDU會話相關(guān)聯(lián),從而提供了與TSN網(wǎng)絡(luò)的連接。
1. 5G系統(tǒng)與TSN系統(tǒng)時鐘同步
TSN采用gPTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時間同步,5G系統(tǒng)有自身的時鐘同步技術(shù),5G網(wǎng)絡(luò)和TSN有各自的主時鐘(GM)。5G網(wǎng)絡(luò)中的各網(wǎng)元設(shè)備,包括用戶設(shè)備(UE)、5G基站(gNB)、UPF、NW-TT和DS-TT與5G GM同步(即5G內(nèi)部系統(tǒng)時鐘)。如何實(shí)現(xiàn)5G與TSN融合系統(tǒng)的跨域時間同步是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一。目前的時間同步方法主要有透明時鐘法,整個端到端的5G系統(tǒng)可視為IEEE 802.1AS“時間感知系統(tǒng)”,只有NW-TT和DS-TT需要支持IEEE 802.1AS協(xié)議,并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)保持時鐘同步,執(zhí)行與IEEE 802.1AS相關(guān)的所有功能,例如gPTP、時間戳、最佳主時鐘算法(BMCA)、rateRatio等。針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量繁多的交換設(shè)備往往會帶來較大的時間積聚誤差問題,基于透明時鐘法不需要維持主從時鐘狀態(tài),也不需要進(jìn)行時鐘同步操作。TSN作為主時鐘,通過UPF/UE預(yù)測5G入口和出口的時間延遲,將消息的時間戳填入gPTP事件消息的修正字段,TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時鐘收到gPTP消息后可根據(jù)駐留時間對積聚誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)與TSN跨網(wǎng)時間同步。5G系統(tǒng)各組成部分使用5G系統(tǒng)內(nèi)部時鐘,通過NW-TT與DS-TT實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)時鐘與TSN系統(tǒng)時鐘的轉(zhuǎn)換。因此,DS-TT和NW-TT需要同時支持5G網(wǎng)絡(luò)和TSN兩種時鐘,并需要計(jì)算兩種時鐘的偏差。當(dāng)TSN業(yè)務(wù)需要DS-TT和NW-TT通過門控進(jìn)行流量調(diào)度以消除5G網(wǎng)絡(luò)的時延抖動時,通知給5G網(wǎng)絡(luò)的報文達(dá)到時間和周期時間將以TSN的時鐘為基準(zhǔn)。因此,5G網(wǎng)絡(luò)收到調(diào)度設(shè)置請求后,調(diào)度周期需要先轉(zhuǎn)化為以5G時鐘為基準(zhǔn)的時間,然后進(jìn)行流量門控的調(diào)度。
2. 數(shù)據(jù)平面QoS映射
5G QoS機(jī)制主要負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)的角度進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和提供業(yè)務(wù)的差異性,網(wǎng)絡(luò)實(shí)體根據(jù)不同的質(zhì)量需求來處理不同業(yè)務(wù),涉及QoS的主要參數(shù)有資源類型(GBR、delay critical GBR和Non-GBR)、優(yōu)先級、分組時延、分組錯誤率、平滑窗大小、最大數(shù)據(jù)量等,和URLLC密切相關(guān)的是時延關(guān)鍵GBR(delay critical GBR)。
如何將TSN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量QoS準(zhǔn)確的映射至5G流量QoS,進(jìn)行相應(yīng)處理并保證時間敏感流量的性能尤為關(guān)鍵。在5G系統(tǒng)中,通過時延關(guān)鍵GBR(DC-GBR),結(jié)合時間敏感通信輔助信息(TSCAI)對無線資源進(jìn)行預(yù)約,保證時延性能需求。5QI(5G QoS indicator)是5G系統(tǒng)定義的服務(wù)質(zhì)量QoS指標(biāo)。對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中高實(shí)時周期性同步流,如運(yùn)動控制,將采用5QI提高在無線側(cè)調(diào)度的優(yōu)先級,降低傳輸時延。同時,采用TSCAI來描述流量特征,包括:通信模式(周期與非周期)、流量方向(上行與下行)、流量的時間(到達(dá)與上界)等。根據(jù)業(yè)務(wù)流特征和模型,采用相應(yīng)協(xié)同的流量調(diào)度策略,減少時延抖動,同時保證時間同步。5G TSN支持電IEEE 802.1Qbv中定義的流量調(diào)度的保持和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,其數(shù)據(jù)包僅需在預(yù)定的周期上,打開門控以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,就可以控制報文經(jīng)過5G TSN的時延。
3. 網(wǎng)絡(luò)管控與資源協(xié)同
5G系統(tǒng)控制平面的網(wǎng)絡(luò)暴露功能(NEF)通過應(yīng)用功能AF模塊與TSN集中網(wǎng)絡(luò)配置器(CN)實(shí)現(xiàn)通信。通信可以基于802.1AB的數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(LLDP)實(shí)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)與鏈路信息交互。
TSN流的需求信息將映射為5G的流量QoS信息,通過配置5G系統(tǒng)以滿足流量需求。因此,為了確保5G系統(tǒng)與時間敏感網(wǎng)絡(luò)無縫融合,網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)也需要融合。5G虛擬TSN網(wǎng)橋需要支持SNMP代理功能,通過連接UE和UPF的DS-TT和NW-TT以太網(wǎng)端口,收集連接設(shè)備與端口的相關(guān)狀態(tài)信息,特別是端口狀態(tài)的管理。同時,5G虛擬TSN網(wǎng)橋通過端口和LLDP收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息,保存至SMNP MIB庫,任何端口狀態(tài)變化或端口間連接變化,都需通知集中網(wǎng)絡(luò)配置器CNC,以便重新配置該虛擬網(wǎng)橋。
5G TSN網(wǎng)絡(luò)體系中TSN AF除了受TSN系統(tǒng)集中管理控制,對上還可承接網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維所需的配置管理,對下能通過能力開放NEF與5G系統(tǒng)通信實(shí)現(xiàn)QoS參數(shù)協(xié)同。結(jié)合終端側(cè)的業(yè)務(wù)質(zhì)量評估數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和研判,進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)QoS策略,實(shí)現(xiàn)由業(yè)務(wù)體驗(yàn)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)和流量調(diào)度。
本測試床方案是中國信息通信研究院基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合體系架構(gòu),將TSN技術(shù)應(yīng)用于到5G網(wǎng)絡(luò)中以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全程端到端的確定性為目標(biāo)開展的研究和技術(shù)驗(yàn)證。測試床的實(shí)施方案經(jīng)過需求分析、關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和可行性分析后得出。相關(guān)軟硬件系統(tǒng)由聯(lián)合體單位自主研發(fā),以上工作均體現(xiàn)了本測試床方案的自主研發(fā)性。
目前,國內(nèi)并沒有完整的5G TSN的融合系統(tǒng)的測試床,大部分對于5G TSN融合的應(yīng)用還停留在部分承載網(wǎng)部分或理論和模擬仿真中,作為當(dāng)前5G確定性技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向之一,5G TSN融合測試床可以有效驗(yàn)證該方向技術(shù)融合的成熟度,為5G確定性技術(shù)提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù),并推動5G確定性技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的落地應(yīng)用,具有較大的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。
在建設(shè)初期,本測試床將在封閉的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)行,不接入公共互聯(lián)網(wǎng),使用各種儀表來仿真真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,以確保本測試床設(shè)備和數(shù)據(jù)運(yùn)行的安全性。
在建設(shè)后期,本測試床將形成特定的解決方案,后續(xù)將考慮在現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行過程中遇到的各種安全問題并采用5G網(wǎng)絡(luò)中成熟的安全技術(shù)來保障本測試床特定解決方案在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的安全性。
時間 | 任務(wù) | 具體工作 | 輸出內(nèi)容 |
2021.1-2021.2 | 第一階段需求分析 | 確認(rèn)第一階段測試床的具體需求 | 第一階段測試床建設(shè)需求表 |
2021.2-2021.3 | 第一階段方案制定 | 完成第一階段測試床建設(shè)方案 | 第一階段測試床建設(shè)方案 |
2021.3-2021.4 | 第一階段測試床建設(shè) | 完成測試床的第一階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè) | 第一階段的測試床 |
2021.5-2021.12 | 第一階段測試床驗(yàn)證 | 對第一階段測試床開展各種技術(shù)驗(yàn)證 | 第一階段技術(shù)驗(yàn)證報告 |
2021.7-2021.8 | 第二階段需求分析 | 確認(rèn)第二階段測試床的具體需求 | 第二階段測試床建設(shè)需求表 |
2021.9-2021.10 | 第二階段方案制定 | 完成第二階段測試床建設(shè)方案 | 第二階段測試床建設(shè)方案 |
2021.11-2021.12 | 第二階段測試床建設(shè) | 完成測試床的第二階段網(wǎng)絡(luò)建設(shè) | 第二階段的測試床 |
2022.1-2022.6 | 第二階段測試床驗(yàn)證 | 對第二階段測試床開展各種技術(shù)驗(yàn)證 | 第二階段技術(shù)驗(yàn)證報告 |
2022.7-2022.12 | 解決方案驗(yàn)證及測試床總結(jié) | 針對特定行業(yè)形成特定的行業(yè)解決方案并驗(yàn)證 梳理并總結(jié)測試床 | 特定解決方案 測試床總結(jié)報告 |
本測試床參與方分工協(xié)作,共同支撐與保障本測試床的實(shí)施工作:
中國信息通信研究院負(fù)責(zé)與各家聯(lián)合體成員單位協(xié)商完成測試床的設(shè)計(jì)、部署和驗(yàn)證方案,由中國信息通信研究院完成測試床的部署實(shí)施。
本測試床由中國信息通信研究院及各家聯(lián)合體成員單位提供技術(shù)支撐,并聯(lián)合行業(yè)客戶進(jìn)行應(yīng)用場景落地及驗(yàn)證。
本測試床所涉及的網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)施均由聯(lián)合體成員單位自主生產(chǎn)和提供,具有自主可控性。
1.關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證
針對5G與TSN融合過程中的時鐘同步、QoS映射、網(wǎng)絡(luò)管控與資源協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證并形成技術(shù)驗(yàn)證報告以及相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)草案、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、專利和軟著。
2.端到端確定性實(shí)施方案
針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不同業(yè)務(wù)對于確定性的差異化要求,給出具體實(shí)施方案,包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)模板、網(wǎng)絡(luò)資源配置等方面,最終形成可實(shí)施的方案。
目前TSN技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本上較為成熟,5G系統(tǒng)從3GPP R14開始到目前的R17,基本框架也基本上已經(jīng)確定,R15設(shè)備已經(jīng)在市場上銷售了,因此,未來1-2年時間內(nèi)不存在頻繁更新軟硬件額帶來復(fù)雜高昂的設(shè)備及維護(hù)成本。然而,在兩項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟的情況下,相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域卻并沒有對兩者結(jié)合進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。建成本測試床將有效加速該融合技術(shù)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)落地的速度。
本測試床構(gòu)建后,將積極開展5G TSN融合技術(shù)方面的研究和驗(yàn)證工作,在各個聯(lián)合體成員單位的合作之下,一方面大力推動5G TSN融合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程,另一方面加速5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中對于確定性要求嚴(yán)苛場景的落地實(shí)施應(yīng)用,促進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)企業(yè)深度應(yīng)用。
本測試床建成后,將有力推動5G TSN融合應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,積極響應(yīng)國家大力推廣5G的戰(zhàn)略部署,在網(wǎng)絡(luò)層面自主拓展前沿技術(shù)研究,助力工業(yè)及通信行業(yè)蓬勃發(fā)展。
本測試床初步建成后,首先考慮將聯(lián)合體各個成員單位的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入到測試床,結(jié)合發(fā)起單位采購的各種網(wǎng)絡(luò)測試儀表,充分模擬各種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境,對測試床各項(xiàng)指標(biāo)和所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行充分測試,輸出成果將考慮轉(zhuǎn)化為國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。
其次,本測試床后續(xù)將陸續(xù)接入國內(nèi)其他廠家的5G相關(guān)設(shè)備,結(jié)合各個成員單位的行業(yè)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn),在本測試床基礎(chǔ)上搭建各種行業(yè)特色模擬網(wǎng)絡(luò),對行業(yè)典型5G應(yīng)用場景進(jìn)行驗(yàn)證,輸出成果將考慮轉(zhuǎn)化為行業(yè)典型解決方案并向企業(yè)進(jìn)行宣傳推廣。
本測試床部署在中國信息通信研究院內(nèi),根據(jù)3GPP、IEEE、IETF等國際標(biāo)準(zhǔn)組織的最新進(jìn)展,并結(jié)合現(xiàn)有的在售5G和TSN產(chǎn)品,按照兩個階段搭建測試床,并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,具體時間計(jì)劃見測試床實(shí)施規(guī)劃時間表。
測試床成果驗(yàn)證主要分為基礎(chǔ)技術(shù)驗(yàn)證、第一階段驗(yàn)證、第二階段驗(yàn)證、整體網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證,相關(guān)驗(yàn)證內(nèi)容如下:
1. 基礎(chǔ)技術(shù)驗(yàn)證
? 時鐘同步技術(shù)驗(yàn)證
? 網(wǎng)絡(luò)QoS映射技術(shù)驗(yàn)證
? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理技術(shù)驗(yàn)證
? 其他技術(shù)驗(yàn)證
2. 第一階段驗(yàn)證
? 前傳網(wǎng)絡(luò)確定性驗(yàn)證
? 5G RAN確定性驗(yàn)證
? 5G核心網(wǎng)確定性驗(yàn)證
? 端到端業(yè)務(wù)確定性的驗(yàn)證
3. 第二階段驗(yàn)證
? 5G內(nèi)生確定性驗(yàn)證
? TT設(shè)備功能和性能驗(yàn)證
? 端到端業(yè)務(wù)確定性驗(yàn)證
4. 整體網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證
? 特定場景確定性驗(yàn)證
本測試床和之前已經(jīng)審批的測試床無關(guān)聯(lián)。
最終交付成果應(yīng)包含:
1. 一套5G TSN融合技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺,驗(yàn)證的成功標(biāo)準(zhǔn)是可以在平臺中實(shí)現(xiàn)兩個階段的5G TSN融合方案并通過系統(tǒng)的測試來驗(yàn)證平臺的各項(xiàng)指標(biāo)。
2. 3份以上測試報告,包括兩個階段的整體測試報告以及各種關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的測試報告。
3. 形成2項(xiàng)以上專利,基于5G TSN融合技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用方面的專利。
4. 形成2項(xiàng)以上行業(yè)/團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),基于5G TSN融合技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn),考慮在CCSA、AII、中國通信學(xué)會等組織開展標(biāo)準(zhǔn)研究。
5. 形成1項(xiàng)以上的行業(yè)解決方案。
本測試床可以應(yīng)用于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多個場景中,尤其是對于端到端確定性有明確要求的場景,例如工廠生產(chǎn)線控制、AGV控制、自動駕駛等場景,也可以用于5G作為工業(yè)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)連接多個車間的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。隨著5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的深入應(yīng)用,本測試床可以應(yīng)用的場景將進(jìn)一步拓展擴(kuò)大。
本測試床是對5G TSN技術(shù)融合方案的一種測試驗(yàn)證,與現(xiàn)有的企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng),如ERP、MES等完全獨(dú)立,沒有耦合性。可以在各企業(yè)部署并完成測試驗(yàn)證,因此具有很高的開放性。目前,本測試床現(xiàn)在已經(jīng)包含多設(shè)備商的設(shè)備,后續(xù)將繼續(xù)開放給更多設(shè)備商、運(yùn)營商和制造企業(yè)共同參與測試床驗(yàn)證與推廣工作。
中國信息通信研究院負(fù)責(zé)具體組織測試床方案設(shè)計(jì)與部署、后續(xù)運(yùn)營技術(shù)支持等工作。歡迎所有的AII成員企業(yè)參與和使用本測試床項(xiàng)目,需要參加單位對測試床的建設(shè)提供必要的驗(yàn)證設(shè)備或必要的驗(yàn)證場景,這些企業(yè)可以基于測試床開展相關(guān)研究工作。在初始階段,由于試驗(yàn)站點(diǎn)的訪問權(quán)限有限,本測試床將僅限于現(xiàn)有的聯(lián)合體成員單位。之后,本測試床將逐步開放給更多AII成員企業(yè)使用。
中國信息通信研究院與聯(lián)合體成員對測試床的建設(shè)、運(yùn)營以及使用擁有權(quán)。
本測試床將部署于中國信息通信研究院內(nèi),由中國信息通信研究院運(yùn)營,并提供相關(guān)技術(shù)支持。對測試床的訪問使用需經(jīng)過申請同意,并通過付費(fèi)、知識產(chǎn)權(quán)共享等多種方式有條件使用。
測試床的資金將來自于測試床參與單位。
本測試床的建設(shè)面向5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用,計(jì)劃逐步應(yīng)用5G URLLC的典型場景,未來將考慮推廣至工業(yè)專網(wǎng)中,為5G在確定性要求明確的場景中應(yīng)用提供全新的解決方案,充分促進(jìn)5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。