蔡岳平，李棟，許馳，王振，張瀟文

（1.重慶大學微電子與通信工程學院，重慶 400030；2.信息物理社會可信服務計算教育部重點實驗室（重慶大學），重慶 400030；3.空天地網絡互聯與信息融合重慶市重點實驗室，重慶 400030；4.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；5.機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經濟研究所，北京 100055）

1 引言

2013 年，在德國漢諾威工業(yè)博覽會上提出的“工業(yè)4.0”概念[1]描繪了制造業(yè)的未來愿景，提出了以信息物理系統為基礎的第四次工業(yè)革命。企業(yè)的數字化轉型驅動了以生產高度數字化、網絡化與智能化為標志的第四次工業(yè)革命的發(fā)生。工業(yè)互聯網是工業(yè)4.0 即第四次工業(yè)革命的關鍵使能技術。工業(yè)互聯網通過新一代信息技術與制造技術深度融合，實現人機物的全面互聯，構建起全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈、全面連接的新型生產制造和服務體系，是數字化轉型的實現途徑[2]。工業(yè)互聯網已成為實體經濟數字化轉型的關鍵，同時也是實現工業(yè)4.0 的基礎。

網絡是工業(yè)互聯網系統互聯互通的基礎。工業(yè)互聯網需要確定有界低時延、低抖動、高可靠、高精度、泛在的通信連接，滿足工業(yè)控制等生產通信的需要。工業(yè)互聯網業(yè)務流量類型眾多，網絡通信需求各異。典型工業(yè)互聯網業(yè)務流量類型及其通信服務質量需求如表1 所示[3]。

表1 典型工業(yè)互聯網業(yè)務流量類型及其通信服務質量需求

在離散工廠或過程自動化工廠中，一般而言，存在自動化控制設備與工廠級系統和應用程序之間的垂直通信，以及自動化設備和控制設備之間的水平通信[3]。垂直通信流量包括控制器、本地工廠管理服務器和云服務數據中心之間的通信，如報警、控制、操作命令等各種事件。水平通信產生實時流量，包括實時同步、循環(huán)同步、循環(huán)異步等流量類型，可以是控制器到控制器的通信，也可以是控制器到現場設備的通信。

實時同步流量具有周期性，要求確定有界低時延、零抖動、零數據分組丟失的通信服務，屬于關鍵高優(yōu)先級通信。典型場景包括同步交換中的控制器到控制器、控制器到輸入輸出設備的通信。循環(huán)同步或異步流量也具有周期性，要求設備間周期性交換大小相同的報文信息，但是此周期與數據傳輸的周期無關，即不要求設備間嚴格時間同步。典型場景包括離散制造工廠中的執(zhí)行器、傳感器和可編程邏輯控制器之間的輸入/輸出更新。事件流包括控制事件流、報警和操作命令事件流，具有偶發(fā)性。當系統中發(fā)生需要引起注意的輸入或輸出變量更改時，將生成事件消息，需要時延界保證。事件可能是狀態(tài)更改、操作員命令，或者是已超過閾值的警報或警告。網絡控制流量類型主要包含網絡控制相關的周期性消息。雖然該類型消息數量較少，但是其通信服務質量要求卻很高。典型場景包括時鐘同步、網絡冗余和拓撲檢測。配置和診斷流量類型用于傳輸配置和診斷數據，例如設備配置和固件下載，具有偶發(fā)性，需要吞吐量保證。視頻或音頻流是終端之間的視頻或音頻數據流，具有周期性，需要吞吐量的保證。“盡力而為”流量類型是傳輸任何應用程序數據的默認類型，不需提供帶寬或時延保證。

傳統的有線工業(yè)通信基于現場總線和工業(yè)以太網技術提供實時可靠的連接服務。常用的現場總線技術包括Modbus、CAN（controller area network）、Profibus（process field bus）等[4]，而工業(yè)以太網技術種類繁多，包括Sercos（serial realtime communication specification）、PROFINET（process fieldnet）、EtherCAT（Ethernet control automation technology）等[5]。這些異構的工業(yè)通信總線和網絡標準兼容性差，數據互通困難，導致形成了工業(yè)生產的一座座信息孤島，無法滿足未來工業(yè)互聯網全面連接的目標。

無線通信為工業(yè)自動化系統提供了泛在靈活的通信連接，使其擺脫線纜的束縛，具備移動性支持。常用的工業(yè)無線通信技術包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee 等，但是存在連接的實時性差、可靠性與穩(wěn)定性差、易受干擾等問題。目前工廠內常用的專用無線通信網絡包括WIA-FA（wireless network for industrial automation-factory automation）[6]、ISA（international society of automation）100-11a[7]、WirelessHART（wireless highway addressable remote transducer）[7]等，但是它們存在通信距離短、標準不兼容、信號質量不穩(wěn)定等問題。

時間敏感網絡（TSN,time-sensitive networking）與5G-U（5G unlicensed）是面向工業(yè)互聯網的關鍵有線與無線通信網絡技術。下面將分析兩者融合架構、關鍵技術及挑戰(zhàn)。

2 5G-U 與時間敏感網絡的適配性

2.1 時間敏感網絡簡述

IEEE 802.1 工作組在2012 年由音視頻橋接（AVB,audio/video bridging）任務組更名為TSN 任務組[8]。時間敏感網絡基于以太網，統一擴展時間同步、確定流調度、高可靠無縫冗余、網絡管控等功能，提供確定有界低時延、低抖動、高可靠流傳輸服務，支持多業(yè)務流高質量共網傳輸[9-14]。時間敏感網絡可應用于工業(yè)自動化系統、智能電網、車輛內通信、航空宇航系統、運營商網絡等領域。時間敏感網絡的標準化有望解決工業(yè)現場總線與工業(yè)以太網的異構性和兼容性問題，實現有線工業(yè)通信網絡的統一與互聯互通。

2.2 5G 技術演進與生態(tài)擴展

3GPP 5G無線通信網絡技術也是工業(yè)互聯網的重要連接技術之一[15-16]。5G 的三大典型應用場景包括增強移動寬帶、大規(guī)模機器類通信以及超高可靠低時延通信。5G 可滿足工業(yè)互聯網不同類型業(yè)務的通信需求。5G 通信具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動巡檢、機器人等工業(yè)領域有著廣泛應用前景[17-18]。圖1 是3GPP 標準組織關于5G 技術演進及其應用生態(tài)系統擴展的路線圖[19]。已商用的5G 系統基于Rel-15，包括非獨立組網技術和獨立組網技術。Rel-16 主要針對工業(yè)物聯網、5G 私有網絡以及車聯網C-V2X（cellular vehicle-to-everything）等擴展的生態(tài)系統應用[20]?，F在3GPP 正在研究制定Rel-17 的5G 技術，主要是突出垂直行業(yè)應用生態(tài)全面擴展[21]。增強的5G功能包括免授權/共享頻譜的使用、時敏通信、高精度定位、非地面網絡的融合等。為解決目前5G授權頻段頻譜資源緊缺的問題，基于新空口的免授權頻譜接入5G-U 技術（包括使用授權頻譜與免授權頻譜）成為未來工業(yè)互聯網的關鍵使能技術之一[22-23]。

圖1 3GPP 的5G 技術演進及其生態(tài)系統擴展路線

2.3 5G-U 免授權頻譜擴展

隨著移動網絡業(yè)務流量的暴增，頻譜資源短缺問題凸顯，目前主要解決方法是利用更高頻段（例如毫米波頻段）和免授權頻段。3GPP 提出授權頻譜輔助接入（LAA,licensed assisted access）技術，以將長期演進（LTE,long term evolution）系統擴展到免授權頻帶，即LTE-U（LTE unlicensed）系統[24]。隨著5G 技術的發(fā)展，LTE-U 從5 GHz 以下擴展到60 GHz 毫米波頻段，向前發(fā)展為5G-U 系統[25-30]。5G-U 是LTE-U/LAA 技術從特高頻/超高頻頻段到極高頻頻段（即毫米波頻段）的延伸，通過LAA與載波聚合（CA,carrier aggregation）技術的演進[31]以及5G 新空口技術的擴展，5G-U 系統使用更可靠的授權頻譜作為主載波，在終端和基站之間建立控制鏈路連接，進行控制信令傳輸、認證和移動性管理，而數據流量則通過頻譜感知，利用跨授權和免授權頻譜的聚合無線電資源進行傳輸[22]。5G-U 有效提升了系統性能和容量，解決了目前5G 系統授權頻段頻譜資源緊缺的問題。

5G-U 系統工作模式如圖2 所示，包括授權輔助接入與獨立免授權頻段操作2 種模式。

圖2 5G-U 系統工作模式

1) 授權輔助接入模式

授權輔助接入模式是5G-U 系統的重點研究模式，通過載波聚合使用授權頻段和免授權頻段共同為5G-U 用戶提供通信服務。其主要思想是在更可靠的授權頻段上承載網絡節(jié)點之間的大多數敏感信令和控制信令，而數據有效載荷的傳送可以根據當前系統的負載由授權頻段和免授權頻段共同承載。融合使用授權和免授權頻段[27-28]的方式包括：①以載波聚合方式融合作為主載波的授權頻段和作為輔助載波的免授權頻段；②以雙連接技術融合作為主載波的授權頻段和作為輔助載波的免授權頻段；③上行鏈路使用授權頻段，下行鏈路使用免授權頻段。在這種授權輔助接入模式下，用戶首先向基站請求免授權資源；然后基站向Wi-Fi 系統控制中心查詢免授權頻段的資源占用情況，通過頻譜感知獲取空閑頻段，并通過分配的授權信道向用戶指示控制信息，以保證控制信令的可靠傳輸；最后用戶使用感知到的空閑免授權頻段進行數據傳輸。

2) 獨立免授權頻段操作模式

獨立免授權頻段操作模式下5G-U 系統只通過免授權頻段進行通信[32-33]，是一種只在毫米波頻段工作的蜂窩技術?？刂菩帕詈蛿祿盘柖荚诿馐跈囝l譜信道中傳輸。由于沒有授權頻譜信道的支持，信號在不可靠的信道上傳輸，可靠性、安全性和資源管理的有效性難以保證。因此，這種模式需要更穩(wěn)健的信令結構。

5G 和Wi-Fi 作為2 種無線標準，都不斷演進以滿足對高級連接的迫切需求，而5G-U 作為5G 的增加免授權頻譜版本，緩解了5G 授權頻譜資源緊缺的壓力，進一步提高了網絡的性能和容量。表2給出了5G-U、5G 和Wi-Fi 在不同指標下的特點對比。Wi-Fi 適用于室內或本地部署以及需要高速和盡力而為流量傳輸的應用。相較于Wi-Fi，5G 結合了中、低頻段的優(yōu)點，具有良好的覆蓋范圍，并且毫米波高頻段具有極高的容量、低預測時延和高精度定位能力。5G 在授權頻段上運行，能提供高可靠性和更好的可預測性，滿足關鍵通信的需求。5G完全支持大規(guī)模機器類通信、增強移動寬帶、TSN等，可以滿足比Wi-Fi 更廣泛QoS 要求的應用。

表2 5G-U、5G 和Wi-Fi 在不同指標下的特點對比

5G-U 系統融合使用授權頻譜和免授權頻譜，結合了5G 和Wi-Fi 的優(yōu)點。一方面，5G-U 將5G擴展到了免授權頻譜，緩解了授權頻譜資源緊缺的壓力，將非關鍵流量卸載到免授權頻譜承載，提高了系統容量，降低了部署成本。另一方面，5G-U使用授權頻譜輔助接入，關鍵控制信息、高安全性要求、時間敏感流量通過授權頻譜傳輸，解決了Wi-Fi 不可靠、不安全的問題。與Wi-Fi 相比，5G-U可以支持更多用例，提供具有移動性的廣域部署和局域覆蓋。但是免授權頻譜的引入也帶來了5G-U與其他免授權系統的頻譜競爭問題，還需進一步研究它們在免授權頻譜上的共存解決方案[34-36]。

綜上所述，5G-U 系統的融合優(yōu)勢可以滿足工業(yè)自動化領域多種類型流量對時延、可靠性、安全性等指標的不同要求，并且在經濟高效的免授權頻譜中承載大部分非關鍵應用流量，減少了授權頻譜的負載壓力，大大降低了部署和維護成本，是未來工業(yè)互聯網經濟高效的無線解決方案之一。

3 5G-U 與TSN 融合架構

基于以太網的TSN 通過功能增強提供高可靠與確定有界低時延流傳送服務，是面向未來工業(yè)互聯網、車輛內通信、智能電網等高可靠確定低時延應用的核心網絡技術之一。隨著IEEE 802.1 工作組關于TSN 相關標準工作的推進，TSN 功能不斷增強并逐漸得到工業(yè)界的廣泛支持，具備在工業(yè)互聯網中實際部署應用的基礎和前景。無線通信技術也是工業(yè)互聯網的重要連接技術之一。無線通信技術具備不需要布線、部署靈活以及移動性支持等優(yōu)勢，在自動巡檢、機器人等工業(yè)領域有著廣泛的應用前景。TSN 與5G-U 分別是未來有線與無線工業(yè)互聯網網絡的關鍵技術。5G-U 與TSN 融合是構建未來靈活、高效、柔性、可靠及安全工業(yè)互聯網的基礎。

3.1 5G-U 與TSN 融合研究現狀

如何利用5G-U 技術實現TSN 功能并與其無縫融合是目前產業(yè)界與學術界的研究熱點之一。高通公司提出并設計了面向工業(yè)互聯網的利用5G 實現TSN 交換機功能的思想和原型系統，以實現5G 與TSN 的互聯互通[37]。英特爾公司闡述了將TSN 技術能力應用至無線網絡面臨的技術挑戰(zhàn)，以及如何擴展現有無線網絡包括Wi-Fi 與5G 的可靠性與低時延能力的相關技術，并討論了無線TSN 與有線TSN 融合面臨的挑戰(zhàn)[38]。德國應用科學大學聯合諾基亞貝爾實驗室提出了融合5G 與工業(yè)以太網的方案并對相應的融合應用場景進行了分析，對融合網絡的配置管理技術進行了討論[39]。同時，諾基亞公司還發(fā)布了面向工業(yè)4.0 的3GPP 5G 系統與工業(yè)以太網融合部署的白皮書[40]，特別闡述了5G 支持時間敏感通信的相關標準。愛立信公司發(fā)表了5G-TSN 融合滿足工業(yè)自動化網絡需求的論文[41]，分析了智慧工廠通信需求，闡述了5G 與TSN 各自滿足該通信需求的技術，以及5G-TSN 融合的相關技術。文獻[42]研究了工業(yè)互聯網場景下5G TSN關鍵技術，分析了相關工業(yè)互聯網應用場景，以及5G-TSN 融合的關鍵技術。

在標準化方面，3GPP 在Rel-16 中規(guī)定了對TSN 的5G 支持，并在Rel-17 中進一步增強，以允許5G 系統與TSN 的無縫融合[43]。另外，5G 互聯工業(yè)與自動化聯盟5G ACIA 也發(fā)布了5G 與TSN/工業(yè)以太網融合的白皮書[44-45]。該白皮書描述并研究了5G 與TSN/工業(yè)以太網在典型工業(yè)用例中的融合，即控制器到控制器、控制器到設備和設備到計算的通信，分析了5G 系統在Rel-16 與Rel-17 版本中支持與TSN/工業(yè)以太網融合所需的所有功能。中國工業(yè)互聯網產業(yè)聯盟AII 也對5G 與TSN 融合部署的場景、需求以及技術進行了分析[46]。

雖然5G 與TSN 融合架構的研究已得到業(yè)界關注，但當前研究工作仍存在以下問題與挑戰(zhàn)：①現有技術方案主要考慮5G 系統作為TSN 虛擬網橋，較少考慮其他架構模式；②5G 系統作為虛擬網橋與TSN 的協同調度、同步、管控等技術尚處于預研階段；③5G 系統使用的授權頻段頻譜資源有限，難以滿足未來工業(yè)互聯網業(yè)務發(fā)展的需求，特別是超高清視頻、虛擬現實與增強現實等大帶寬應用。另一方面，5G-U 與TSN 融合的研究才剛剛開始。與5G 系統相比，5G-U 可更經濟高效地同時使用授權頻譜與免授權頻譜滿足工業(yè)互聯網各種類型業(yè)務的通信需求，同時降低網絡資本成本（CAPEX,capital expenditure）和運營成本（OPEX,operational expenditure）支出。如何靈活構建5G-U 與TSN 融合架構并高效使用授權頻譜與免授權頻譜滿足不同工業(yè)互聯網業(yè)務需求成為亟待解決的關鍵技術難題之一。

3.2 5G-U 與TSN 融合架構模式

5G-U 與TSN 融合架構的4 種模式包括5G-U獨立作為TSN 網絡，5G-U 作為TSN 鏈路（單TSN域），5G-U 作為TSN 網橋/交換機（多TSN 域），以及TSN 作為5G-U 承載網絡。

1) 5G-U 獨立作為TSN 網絡

5G-U 獨立作為TSN 網絡模式如圖3 所示。5G-U 系統直接互聯控制器與5G-U 終端，實現控制器與傳感器/執(zhí)行器間通信，通過UE（user equipment）或者UPF（user plane function）向TSN 終端或者控制器提供TSN 服務。該工作模式具備不用布線、靈活部署、支持終端移動性等諸多優(yōu)點，適合移動終端與控制器間的通信。典型應用場景包括無線傳感/驅動控制。

圖3 5G-U 獨立作為TSN 網絡模式

2) 5G-U 作為TSN 鏈路（單TSN 域）

5G-U 作為現有TSN 系統的無線鏈路實現相應連接功能，位于單個TSN 工作域內，如圖4 所示。TSN 終端直接與無線UE 相連，或者通過其他TSN 網橋或交換機連接，擴展TSN 系統，通過有線與無線網絡系統無縫連接，結合有線通信與無線通信兩者優(yōu)點，滿足各種業(yè)務和場景需要。典型應用場景包括自動引導小車（含多TSN終端站）。

圖4 5G-U 作為TSN 鏈路模式

3) 5G-U 作為TSN 網橋/交換機（多TSN 域）

如圖5 所示，5G-U 與多TSN 域互聯網絡模型中，5G-U 系統作為TSN 網橋/交換機互聯多個TSN 域，滿足不同網絡系統間的無線協同，既能確定可靠傳輸關鍵業(yè)務數據流，也可共網傳輸普通數據流，不用布線，部署靈活方便，滿足各種場景需要。典型應用場景包括不同工業(yè)產線的協同控制。

圖5 5G-U 作為TSN 網橋/交換機（多TSN 域）模式

4) TSN 作為5G-U 承載網絡

如圖6 所示，在TSN 作為5G-U 的承載網絡模式中，TSN 連接5G-U 基站與UPF 構建高可靠低時延承載網絡，滿足TSN 終端設備間確定低時延通信業(yè)務需求，同時實現移動承載網絡中同相流的時間同步需求。相比基于電路交換的光承載網絡，TSN能實現分組統計復用，提高帶寬利用效率，降低網絡成本。典型應用場景包括移動前傳網絡。

圖6 TSN 作為5G-U 承載網絡模式

3.3 5G-U 與TSN 融合架構應用與演進路線

5G-U 與TSN 融合架構的4 種模式均可按需在工業(yè)互聯網中應用，下面以智慧工廠內網為例進行說明，如圖7 所示[44]。不同生產單元可使用不同的工業(yè)通信網絡技術。例如1 號生產單元使用的是PROFINET 技術，2 號生產單元使用的卻是Modbus技術，3 號和4 號生產單元使用的是5G-U 無線網絡技術。在有線工業(yè)網絡部分，雖然單個生產單元內部控制器至傳感器/驅動器的通信可以由各自技術獨立解決，但是生產單元間控制器至控制器、控制器至傳感器/驅動器的通信，需要通過5G-U 與TSN 融合架構實現。由TSN 核心互聯網絡實現基于不同現場總線或工業(yè)以太網構建的生產單元間互聯，而5G-U 無線網絡用于互聯具備5G-U 模組的異構固定終端或者移動終端，并通過終端適配器與各種工業(yè)系統實現互通。5G-U 系統數據平面基于TSN 的承載網絡連接無線站點與用戶平面功能UPF，而UPF 通過網絡適配器與TSN 核心互聯網絡實現協議適配/轉換。5G-U 系統控制平面通過應用功能（AF,application function）模塊實現與TSN集中網絡/用戶配置器之間的通信，以及網絡配置信息和管理信息的互通和映射。異構工業(yè)網絡控制器或者云化控制器通過5G-U 和TSN 融合網絡實現終端/控制器至云化控制器間的通信。

圖7 智慧工廠內5G-U 與TSN 融合架構應用示意

5G-U 與TSN 融合不可能一蹴而就，將會隨著關鍵技術的突破以及應用場景的需求變化而不斷向前演進，為未來工業(yè)互聯網部署奠定技術基礎。

1) 初期：5G-U 實現TSN 功能

如何使5G-U 具備TSN 功能是融合首先需要解決的技術難題，包括5G-U 與TSN 實現精確時間同步的能力；5G-U 實現類似TSN 的流調度與資源分配機制，對關鍵通信流量保證確定有界低時延和低抖動的能力等。

2) 中期：5G-U 與TSN 并行部署

當5G-U 成為無線TSN 時，具備實現無線工業(yè)以太網的能力，可以與TSN 并行部署，實現有線與無線網絡的冗余部署，可有效提高工業(yè)互聯網系統的靈活性與可靠性。但是，5G-U 與TSN 管控等功能尚未完全融合。

3) 后期：5G-U 與TSN 無縫融合

當5G-U 與TSN 無縫融合時，5G-U 可以作為TSN 網橋/交換機間的無線鏈路或直接作為TSN 網橋/交換機系統實現數據交換功能，同時TSN 作為5G-U 的承載網絡，并且融合網絡實現統一網絡管控和資源分配。5G-U 與TSN 融合成為一個整體，作為工業(yè)互聯網網絡連接的解決方案。

4 5G-U 與TSN 融合關鍵技術

4.1 時間同步平面融合

有線TSN 與無線5G-U 實現時間同步是面向工業(yè)應用場景的關鍵能力需求之一[47-50]。有線TSN 采用gPTP（generalized precise time protocol）實現時間同步，5G-U 系統有自身的時鐘同步技術。如何實現5G-U 與TSN 融合系統的跨域時間同步是關鍵技術挑戰(zhàn)之一。

目前的時間同步方法主要有透明時鐘法，如圖8所示。針對大規(guī)模網絡中數量繁多的交換設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)，也不需要進行時鐘同步操作。TSN 作為主時鐘，通過UPF/UE 預測5G 入口和出口的時延，將消息的時間戳填入gPTP 事件消息的修正字段，TSN 設備時鐘收到gPTP 消息后可根據駐留時間對積聚誤差進行誤差補償，從而實現5G-U 系統與TSN 跨網時間同步。5G-U 系統各組成部分使用5G-U 系統內部時鐘，通過NW-TT（network side TSN translator）與DS-TT（device side TSN translator）實現5G-U 系統時鐘與TSN 系統時鐘的轉換。

圖8 5G-U 與TSN 融合的透明時鐘同步機制

4.2 數據平面融合-流量QoS 框架

如何將TSN 業(yè)務流量QoS 準確地映射至5G-U流量QoS，進行相應處理并保證時間敏感流量的性能尤為關鍵[51-52]。如圖9 所示，在5G-U 系統中采用5G 系統關于流量處理的相關概念。通過時延關鍵保證比特速率（DC-GBR,delay critical guaranteed bit rate），結合時間敏感通信輔助信息（TSCAI,time-sensitive communication assisted information）對無線資源進行預約，保證時延性能需求。5QI（5G QoS indicator）是5G 系統定義的服務質量（QoS,quality of service）指標。對于工業(yè)網絡中高實時周期性同步流，如運動控制，將采用5QI 提高在無線側調度的優(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（到達與上界）等。根據業(yè)務流特征和模型，采用相應協同的流量調度策略，減少時延抖動，同時保證時間同步。利用5G-U 的免授權頻譜通信，卸載大吞吐量時延不敏感應用流量，滿足其應用需求的同時，減少對時間敏感流量的影響。

圖9 時間敏感網絡業(yè)務流量至5G-U 系統QoS 映射

4.3 數據平面融合-可靠橋接機制

5G-U 系統是連接有線TSN 與工業(yè)以太網或工業(yè)總線的候選技術之一。如何使5G-U 系統實現類似于TSN 交換機的高可靠橋接功能是實現5G-U 與TSN 融合的關鍵技術之一。如圖10 所示，終端站或者TSN 網橋可通過不同終端轉換器向不同UPF構建冗余PDU（protocol data unit）會話，從而構建冗余通信連接，實現高可靠橋接功能。TSN 的幀復制與消除可靠性機制可與5G-U 的可靠橋接機制實現無縫融合，當復制分組進入5G-U 系統時，通過可靠橋接進行并行轉發(fā)，提高分組的可靠性。

圖10 5G-U 邏輯網橋高可靠橋接功能示意

4.4 網絡管控平面融合

5G-U 系統控制平面的網絡暴露功能（NEF,network exposure function）通過應用功能AF 模塊與TSN 集中網絡配置器（CNC,centralized network configuration）實現通信，如圖11 所示。通信可以基于IEEE 802.1AB 的數據鏈路層發(fā)現協議（LLDP,link layer discovery protocol）實現鄰居發(fā)現與鏈路信息交互。TSN 流的需求信息將映射為5G-U 的流量QoS 信息，通過配置5G-U 系統以滿足流量需求。

圖11 5G-U 與TSN 管控平面融合設計

簡單網絡管理協議（SNMP,simple network management protocol）基于IP 用于網橋和終端的監(jiān)測與管理，是現在應用最廣泛的網絡管理協議。因此，為了確保5G-U 系統與時間敏感網絡無縫融合，網絡管理系統也需要融合。5G-U 虛擬TSN 網橋需要支持SNMP 代理功能，通過連接UE 和UPF 的DS-TT 和NW-TT 以太網端口，收集連接設備與端口的相關狀態(tài)信息，特別是端口狀態(tài)的管理。同時，5G-U 虛擬TSN 網橋通過端口和LLDP 收集網絡拓撲與網絡狀態(tài)信息，保存至MIB（managing information base），任何端口狀態(tài)變化或端口間連接變化，都需通知集中網絡配置器CNC，以便重新配置該虛擬網橋[40]。

隨著網絡管理技術的演進，TSN CNC 集中網絡配置器未來將采用NETCONF（IETF RFC 6241）或者RESTCONF（IETF RFC 8040）協議，以及YANG 數據建模語言[53]，對網絡設備與終端進行統一管理。5G-U 虛擬網橋需要支持MIB、NETCONF、RESTCONF、YANG 等協議，以便與TSN 實現管控平面的融合。

5 5G-U 與TSN 融合研究挑戰(zhàn)

5.1 多工作時鐘域同步及容錯

不同的工廠生產單元各自使用獨立的工作時鐘，而整個工廠有一個全局時鐘。如何協同工廠內多工作時鐘域的同步并實現可靠容錯，是5G-U 與TSN 融合的研究挑戰(zhàn)之一。TSN 設備包括終端和網橋，均支持至少2 個gPTP 時鐘域（一個工作時鐘域、一個全局時鐘域），為了可靠冗余設計，一般還同時具備至少2 個冗余的gPTP 時鐘域。5G-U 系統可以支持多達32 甚至128 個gPTP 工作時鐘域[44]。5G-U 與TSN 融合網絡如何進行多工作時鐘域的協同及容錯設計十分關鍵。同時，通過5G-U 與TSN融合網絡相連的多個工作時鐘域UE 終端設備間的同步機制和同步精度需進一步研究與提升。因為UE 終端設備間同步需雙向無線電傳播或者有線加無線傳播，且時延不確定。另外，上行鏈路TSN 時間同步也是3GPP 正在研究的難點問題之一。

5.2 端到端協同流量調度

TSN 同步和異步流量調度機制是保證分組有界低時延、低抖動傳輸的關鍵技術，標準化程度較高。5G-U 網絡通過MAC（media access control）機制按照流量QoS 需求進行無線資源的分配和調度，以滿足流量的傳輸需求。5G-U 與TSN 融合網絡如何進行端到端的協同流量調度是研究挑戰(zhàn)之一。同時，如何優(yōu)化利用5G-U 網絡免授權頻譜的流量卸載功能，且不影響業(yè)務流量QoS 性能仍待進一步研究。端到端協同流量調度相關研究課題包括異構流量QoS 特征建模與映射機制、有線與無線網絡資源協同分配機制、QoS 感知5G-U 虛擬網橋設計、5G-U免授權頻譜智能流量卸載機制等。

5.3 融合網絡無縫冗余

TSN 采用幀復制與消除（FRER,frame replication and elimination for reliability）可靠性機制實現可靠服務[9]。5G-U 網絡可通過不同方法實現不同程度的冗余設計[54]。5G-U 系統可通過為單個PDU 會話創(chuàng)建冗余獨立的N3 傳送網路徑（隧道）實現RAN（radio access network）與錨點UPF 的可靠傳送，即基于冗余業(yè)務流的高可靠傳輸；也可通過多天線、多載波及數據復制實現UE 與RAN 之間的可靠接入，即基于冗余接入的可靠傳輸；還可通過RAN的雙連接包括獨立的RAN 節(jié)點和UPF 節(jié)點實現雙PDU 會話傳遞冗余分組，實現鏈路和節(jié)點的雙重冗余，即基于冗余會話的高可靠傳輸。最后，5G-U系統可通過在UPF 和NG-RAN 之間提供2 條冗余的傳輸層路徑來實現冗余傳輸，即基于傳輸層冗余的高可靠傳輸。目前TSN 與5G-U 的可靠冗余機制各自獨立，如何在5G-U 和TSN 融合網絡中實現有線無線網絡的無縫冗余是研究挑戰(zhàn)之一。

5.4 統一有線無線網絡管控

TSN 的控制平面包括集中式、分布式以及網絡集中用戶分布3 種模式[12]。TSN 通?；诩杏脩襞渲茫–UC,centralized user configuration）和CNC實現對用戶和網絡的配置。5G-U 網絡的控制平面基于服務架構（SBA,service based architecture），支持包括AMF（access and mobility function）、SMF（session management function）、PCF（policy control function）、NEF 等多種網絡功能的部署。5G-U 與TSN 融合網絡通過TSN AF 應用功能模塊實現CNC與5G-U 控制平面間通信。AF 一方面將TSN 流量QoS 和調度配置信息用于5G-U 虛擬橋的配置，另一方面將5G-U 虛擬網橋的能力告知TSN 集中網絡配置器CNC。雖然通過AF 可基本實現兩者控制平面的互通，要真正實現5G-U 與TSN 內生統一網絡管控機制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

5.5 融合網絡安全接入控制

有線TSN 與無線5G-U 融合應用至工業(yè)互聯網場景存在一定安全風險，特別是無線5G-U 技術使用了免授權頻譜，可能與Wi-Fi 網絡沖突且容易受到網絡攻擊。如何在5G-U 與TSN 融合的工業(yè)互聯網場景下對潛在安全因素進行分析并提出相應解決方案，是5G-U 與TSN 融合架構實際部署前必須解決的關鍵技術挑戰(zhàn)之一。

6 結束語

TSN 與5G-U 分別是未來面向工業(yè)互聯網的有線與無線網絡關鍵技術。5G-U 與TSN 融合是構建未來靈活、高效、柔性、可靠及安全的工業(yè)互聯網的基礎。本文分析了5G-U 與TSN 融合架構的4 種模式，討論了時間同步平面、數據平面與網絡管控平面三大平面5G-U 與TSN 融合的關鍵技術，并展望了融合架構的五大研究挑戰(zhàn)。TSN有線通信網絡技術與5G-U 無線通信網絡技術互為補充、無縫融合，將為未來工業(yè)互聯網的蓬勃發(fā)展奠定堅實技術基礎。