工厂从5G-TSN集成中受益之前需要解决的3个问题
智能制造正在如火如荼地进行，即将达到临界规模，但工业厂房还有一些工作要做，才能为这种转变做好准备。
根据德勤的数据，86%的制造商认为智能制造举措将在未来五年内推动提升行业竞争力；83%的人认为这些举措将改变产品的制造方式。
然而，与此同时，只有5%的制造商拥有全面实现智能化的制造工厂，而只有30%的制造商正在实施智能工厂举措。
5G-TSN集成：智能制造之路的关键
在最近的一篇博客中，我们解释了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在可能。
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融为一体可以为完全连接和更高效的工业环境创造新的机会，实现对工厂运营的可见性并查明改进机会，以便经理和员工可以更智能地工作并做出更好的决策。
虽然5G拥有与TSN合作所需的功能，而且标准组织3GPP在将5G系统与TSN集成方面取得了长足的进步，但障碍仍然存在。
在工业自动化从5G-TSN集成中受益之前，该行业需要克服三大挑战。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，在第3层运行基于IP的通信。
对于工业网络，这两种寻址同样重要。通常，工业协议使用第2层寻址进行PLC与传感器或执行器之间的通信。SCADA和监控应用程序则使用第3层寻址。
为了实现通过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）和用户面功能（UPF）：以太网和IP。简而言之，用户设备根据数据包中的标头决定5G系统应将数据包作为交换机（用于以太网）还是作为路由器（用于IP）通信进行处理。
但今天的工业5G核心系统不支持这种通信差异化。它们仅支持IP通信。请考虑使用传统的交换机。该设备“学习”第2层地址的位置。交换机收到数据包时，会知道将其放置在哪里。5G系统的行为就像路由器一样。在收到第2层通信时，基本上会将信息弃置一旁，却不会像原本那样传递该通信。该系统不知道如何处理第2层通信。5G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，工业网络或网段需要同步以支持成功的控制回路操作。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给云，时间同步可实现一致的事件序列。
需要时间协议，例如PTP（精确时间协议）来管理控制环路或事件序列。但5G目前不支持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）。尽管标准中已经定义了这些功能，但其尚未全面融入工业网络产品中。
3. 服务质量能力
在传统的以太网LAN中，设备产生的所有数据都以类似的方式处理。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适当性能，并最大限度地减少延迟、数据包丢失和抖动等干扰。流量类型的这种差异保证了数据的交付和服务。
由于用于支持QoS的3GPP定义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数据传输期间缺乏QoS这一情况会产生性能问题，从而导致应用程序超时等后果。
5G-TSN解决方案即将推出
Belden正在努力开发一种架构，帮助工业环境迈出5G-TSN集成的第一步，以便届时工业环境就能以经济实惠的方式利用上述集成提供的机会。
我们的解决方案将通过集成5G和TSN实现无缝有线和无线集成，帮助制造工厂构建未来。
在未来的博客中，我们将分享更多这些解决方案的进展，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年开始就职于Belden，从测试自动化工程师逐步晋升为我们CTO办公室的技术架构师。他还是埃斯林根大学的教师和研究员，在那里他向学生教授IT和网络安全以及工业网络，同时研究工业4.0、无线通信以及工业通信与安全等领域。