工厂受益于 5G-TSN 集成之前需要解决的 3 个问题
智能制造正在全面展开，即将达到临界规模—但工业工厂仍需做一些工作来为这一转型做好准备。
据 德勤调查显示，86% 的制造商认为智能制造举措将在未来五年内提升行业竞争力；83% 的制造商认为这些举措将改变产品的制造方式。
但与此同时，只有 5% 的制造商拥有全面运营的智能制造工厂，只有 30% 的制造商正在实施智能工厂计划。
5G-TSN 集成：智能制造之路的关键
在 最近的一篇博客中，我们阐述了 5G 将 TSN（时间敏感网络）的实时功能引入无线网络以支持工业通信的潜力。
TSN引入了保障服务质量、可靠性和配置的机制，允许不同类型的数据流量共享同一网络，同时确保在特定时间内保持可靠吞吐量。
5G 和 TSN 的统一可以为完全连接和更高效的工业环境创造新的机会，使工厂运营更加透明，并找出改进的机会，以便管理人员和员工能够更智能地工作并做出更好的决策。
虽然 5G 具备与 TSN 协同工作所需的能力，并且 标准组织 3GPP 尽管在 5G 系统与 TSN 集成方面取得了实质性进展，但实现这一目标的道路上仍然存在障碍。
在工业自动化能够从 5G-TSN 集成中受益之前，行业需要克服三大挑战。让’让我们仔细看看。
1.跨 OSI 层的数据通信
工业通信通过 OSI 模型第 2 层内的以太网协议运行。同时，基于 IP 的通信位于第 3 层。
对于工业网络来说，两种寻址同样重要。通常，工业协议使用第 2 层寻址来实现 PLC 与传感器或执行器之间的通信。SCADA 和监控应用程序使用第 3 层寻址。
为了能够通过 5G 网络转发第 2 层和第 3 层通信，3GPP 开发了两种类型的协议数据单元 (PDU) 和用户平面功能 (UPF)：以太网和 IP。简而言之，用户设备根据数据包中的报头来决定 5G 系统是否应将数据包作为交换机（用于以太网）或路由器（用于 IP）通信来处理。
但今天’工业 5G 核心系统’t 支持这种沟通上的差异化。它们仅支持 IP 通信。考虑一下传统的开关。此设备 “学习” 第 2 层地址所在的位置。当交换机接收到数据包时，它知道将它们放在哪里。5G 系统充当路由器的角色。当它接收到第 2 层通信时，它实际上会将信息丢弃到一边，而不是像应该的那样传递它。它没有’不知道如何处理第 2 层通信。5G 可以’目前不支持跨层数据通信。
2.缺乏时间同步
为了实现工作流程自动化、确保质量并防止设备故障，工业网络或网络段需要同步以支持成功的操作控制回路。例如，控制回路使 PLC 能够控制无线机械臂，或使多个传感器能够将其数据报告到云端，而时间同步则可以实现一致的事件序列。
需要时间协议（例如 PTP（精确时间协议））来管理控制回路或事件序列。但目前 5G 不支持 IEEE 1588（PTP）和 IEEE 802.1AS。
为了将 5G 系统集成到工业自动化应用中，3GPP 提供了实现时间同步的可能性（例如，通过 SIB9 消息）。尽管他们’在标准中重新定义，这些功能还没有’尚未渗透到工业网络产品中。
3.服务质量能力
在传统的以太网 LAN 中，来自设备的所有数据都得到类似的处理。但在工业和控制网络中，需要 QoS 来控制和管理流量，确保关键任务应用程序的正常运行，并最大限度地减少延迟、数据包丢失和抖动等干扰。这种流量类型的区分保证了数据的传输和服务。
由于 3GPP 定义的支持 QoS 的功能尚未在工业网络的 5G 核心系统中提供，因此来自一个终端设备的所有流量都将以相同的优先级处理。5G 数据传输过程中缺乏 QoS 会产生性能问题，从而导致应用程序超时等后果。
5G-TSN 解决方案即将问世
Belden 正在致力于开发一种架构，帮助工业环境迈出 5G-TSN 集成的第一步，以便时机成熟时，他们能够以经济高效的方式利用其提供的机会。’
我们的解决方案将通过集成 5G 和 TSN 实现无缝的有线和无线集成，帮助制造工厂打造未来。
在未来的博客中，我们’将分享更多关于这些解决方案的内容，以及它们’如何帮助工业环境为即将到来的数字化转型做好准备。’
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关于作者
Lukas Bechtel 自 2012 年起就职于 Belden，从测试自动化工程师晋升为 CTO 办公室的技术架构师。 他还是埃斯林根大学的教员和研究员，在那里他为学生讲授 IT 和网络安全以及工业网络，同时研究工业 4.0、无线通信和工业通信与安全等领域。