什么是通过5G实现的时间敏感网络？

时间敏感网络是一套IEEE 802.1标准，它将传统以太网转变为确定性的实时通信平台。标准以太网以“尽力而为”的方式运行，优先考虑可靠性，但不能保证数据包何时到达。虽然这对于日常IT应用（如网页浏览或电子邮件）是可以接受的，但对于任务关键型系统来说则远远不够，在这种系统中，即使是微秒级的延迟或抖动也可能导致故障。TSN通过提供有保证的低延迟、高可靠性和精确同步来解决这一差距，使其对工业自动化、汽车系统、能源电网、航空航天以及专业音视频等行业具有重要价值。

时间敏感网络如何工作？

时间敏感网络通过扩展标准以太网，使用规则和机制来保证数据包可预测且准时地传递。每个IEEE 802.1标准都解决了实时通信的特定方面，它们共同实现了确定性网络。 TSN的核心建立在下述关键特性和原则之上：

• 时间同步。TSN网络上的所有设备，包括网络交换机和终端，都使用IEEE 802.1AS协议同步到单一的共享时钟。这确保了每个设备对时间有共同的理解，这是调度和协调数据流的基础元素。
• 流量整形与调度。TSN不让所有网络流量平等竞争，而是将通信划分为精确的时间槽。关键数据流被分配预留的槽位，保证它们能在需要时精确传输，不受次要流量的干扰。这种机制确保了可预测的交付，就像交通信号灯让普通汽车停下，以便救护车能毫无延迟地通过一样。
• 帧抢占。TSN使用一种称为帧抢占的技术，它允许高优先级数据帧中断正在传输的低优先级帧。这种机制通过确保紧急数据包不被批量或非必要数据延迟，从而降低时间关键型业务的延迟。当高优先级帧到达时，正在进行的低优先级传输会暂时暂停，让关键数据立即通过。一旦优先帧发送完毕，被中断的帧会从暂停处继续传输。
• 容错与冗余。TSN使用帧复制和消除来确保任务关键型应用中的可靠性。在这种方法中，设备通过独立的网络路径发送关键数据包的重复副本。接收设备处理最先到达的数据包并丢弃副本，从而防止单点故障（例如电缆切断）中断时间敏感通信。
• 集中式与分布式控制。TSN网络可以通过集中式控制器管理，也可以通过将控制功能分布在设备本身来管理。在集中式模型中，控制器监督带宽和时隙等资源的分配，确保整个网络协调一致以满足严格的实时要求。在分布式方法中，设备在本地协商和管理这些资源，提供更大的灵活性和可扩展性。两种方法都保证关键业务始终能获得所需资源而不被中断。

为什么低延迟和高可靠性很重要？

低延迟和高可靠性很重要，因为许多现代系统依赖于快速、可预测且不间断的通信才能安全有效地运行。

为什么低延迟很重要

低延迟（通常以毫秒为单位）对于需要即时反馈的应用很重要，即使轻微的延迟也可能造成严重后果。它重要的原因包括以下几点：

• 实时控制。在自动驾驶汽车中，传感器数据的几毫秒延迟可能意味着成功刹车与碰撞之间的差别。工业自动化和机器人技术也是如此，机器必须对环境变化做出即时反应，以避免故障或危险。
• 金融交易。在高频交易中，算法在微秒内执行交易，任何延迟都可能意味着错失机会。低延迟直接影响竞争力，因为执行速度更快的组织在动荡的市场中获得优势。
• 触觉反馈。远程手术和机器人操作需要近乎即时的反馈，使外科医生能够感知和控制数千英里外的仪器，这使得延迟成为关乎患者安全的问题。
• 用户体验。在云游戏、增强现实和虚拟现实中，即使是轻微的延迟也可能导致卡顿、晕动症或迷失方向，破坏用户沉浸感并引起挫败感。因此，低延迟对于使这些体验对用户来说无缝且自然至关重要。
• 流媒体与会议。在直播、在线课堂和视频会议中，低延迟确保音视频保持同步，减少尴尬的停顿和缓冲延迟。它使参与者能够实时流畅互动，防止人们互相抢话，保持讨论的流畅性。低延迟也改善了整体用户体验，使虚拟交流感觉更自然、更具吸引力。

为什么高可靠性很重要

高可靠性对于连接必须保持的系统至关重要，因为它确保了稳定且不会意外中断的连接。它重要的原因包括以下几点：

• 关键与应急服务。高可靠性对于应急服务和关键基础设施至关重要。例如，急救人员依赖于可靠的通信在紧急情况下共享信息，而无需担心连接中断的风险。同样，在智能电网中，高可靠性确保了稳定的电力分配和连续的远程控制，有助于防止停电。
• 工业自动化。在工厂中，网络持续可靠的连接确保了机器人和机械能够不间断通信，防止系统故障和昂贵的停机。
• 金融交易。可靠的网络保证了金融交易能够正确无误地完成，维持对银行系统的信任。
• 用户信任与体验。对于视频会议、流媒体或物联网设备，高可靠性确保了持续稳定的性能。如果没有它，用户将面临服务中断和对技术信心的下降。

对于下一代应用，仅具备其中一项是不够的。例如，一个频繁掉线的低延迟连接是无法使用的，而一个引入延迟的高可靠性连接则无法支持实时操作。

通过5G实现时间敏感网络面临的挑战

虽然5G提供低延迟和高吞吐量，但将其与TSN集成带来了若干架构和运营挑战，包括：

• 时间同步精度。TSN要求跨设备的精确时间同步，通常需达到微秒级。虽然5G通过精确时间协议和基于全球导航卫星系统的同步等功能支持时间同步，但在异构网络和变化的无线条件下维持这种精度水平仍然是一个挑战。
• 无线环境中的延迟保证。5G理论上可以提供超低延迟，有时低至1毫秒，但实际上，延迟会受到网络拥塞、干扰和信号质量的影响。因此，确保TSN所需的确定性延迟在无线介质中比在有线以太网网络中更具挑战性。
• TSN与5G标准之间的互操作性。TSN标准最初是为基于以太网的有线网络设计的。将流量整形、帧抢占和时隙感知调度等TSN功能转换到5G核心网和无线接入网架构中是一个仍在不断演进的复杂过程。
• 可靠性。TSN要求极高的可靠性，通常是五个九（99.999%）或更高。然而，无线链路由于其固有的衰落、干扰和移动性等因素，本质上较不可预测。在实际的5G部署中达到这种可靠性水平需要采用冗余通信路径、强大的纠错和精细的频谱管理等策略。
• 部署成本与基础设施准备。通过5G部署TSN需要初始投资，通常涉及升级或更换现有的工业网络、集成5G兼容硬件以及配置符合TSN标准的软件。这些因素导致了相当大的部署成本。由于许多工业环境仍依赖有线TSN，向完全无线设置的转变既昂贵又需要逐步进行。
• 安全担忧。TSN通常支持任务关键型系统，但引入5G可能会增加新的攻击面，例如网络切片错误配置、欺骗或GPS干扰，必须加以缓解以维持端到端安全。
• 可扩展性与资源分配。随着工业和商业环境中支持TSN的设备数量持续增长，管理有限的5G频谱和网络资源的分配变得具有挑战性。确保时间敏感型业务保持优先级而不降低其他应用的性能，需要有效的调度、编排和持续优化。

5G如何帮助实现时间敏感网络？

5G通过提供必要的无线能力来帮助实现TSN，将TSN的确定性性能扩展到有线网络的限制之外。以下重点介绍了5G如何帮助实现TSN：

• 有界延迟与确定性调度。5G引入了超可靠低延迟通信，支持低至1毫秒的延迟和高达99.9999%的可靠性。这对于需要保证交付时间和最小抖动的TSN至关重要。5G网络可以使用时隙感知调度优先处理TSN业务，并将其映射到保持时间约束的服务质量流中。这种能力在自动驾驶汽车、工业机器人和边缘推理系统等人工智能驱动环境中至关重要，因为在这些环境中，实时同步是不可妥协的。通过将5G的URLLC与TSN的确定性交付相结合，AI模型可以在毫秒内对传感器数据采取行动，确保速度和可预测性。
• 与TSN域的无缝集成。5G充当TSN网桥，将无线段与有线TSN网络连接起来。在其系统架构内，它支持基本的TSN功能，包括流量整形、帧抢占和每流过滤。这使得工业控制器、传感器和执行器能够跨统一的、时间敏感的网络进行通信，无论连接是有线还是无线。
• 网络切片。5G的网络切片能力使得单个物理网络可以被划分为多个逻辑网络，每个网络针对特定服务进行优化。例如，组织可以创建一个具有URLLC特性的专用网络切片，以优先考虑并保证其TSN业务的性能，使其与尽力而为的消费者业务分离。
• TSN转换器。为了实现5G与现有有线TSN网络的无缝集成，第三代合作伙伴计划定义了TSN转换器功能。这些功能在5G系统的设备和网络两侧实施，充当虚拟网桥，在5G和以太网域之间转换数据和控制信息。这使得支持TSN的设备可以在工厂内无线移动，同时仍然是确定性TSN网络的一部分，这对于AI引导的物流机器人至关重要。
• 工业用例的灵活架构。5G和TSN集成支持多样化的通信模型，例如控制器到控制器、控制器到设备和设备到计算，跨越混合网络。这种灵活性支持在智能工厂、能源系统和实时分析平台中进行可扩展的部署。

TSN与5G技术的未来

TSN和5G技术的未来正朝着确定性无线通信的时代融合，特别是在工业自动化、自主系统和人工智能驱动的基础设施领域。根据最近的一份报告，TSN市场预计将从2025年的4.563亿美元增长到2035年的18.458亿美元。 值得关注的关键发展包括：

• 无缝互操作性。当前大多数网络面临的挑战是弥合使用以太网的层二时间敏感网络与运行在互联网协议上的层三五G之间的差距。未来的标准将提高这一过程的效率和透明度，确保当数据从有线域移动到无线域时，时间同步和流量优先级信息不会丢失。
• 智能制造中的全面集成。TSN和5G有望成为工业4.0环境的基础。随着工厂采用人工智能、增强现实和自动导引车，机器与系统之间无缝、实时通信的需求将会加剧。TSN确保精确的时序和可靠性，而5G将这种能力无线扩展到大型动态环境中。
• 边缘原生智能。将TSN与多接入边缘计算相结合，将使人工智能和机器学习更接近生成数据的设备。这使得能够实时优化流量、进行工厂的预测性维护以及根据网络状况即时做出反应的适应性调度。
• 6G中的微秒级延迟。虽然5G提供毫秒级延迟，但6G有望进一步突破界限，目标是微秒级响应。这将扩展支持TSN的应用范围，支持超逼真的AR/VR、近乎零延迟的远程手术和下一代机器人技术。
• 自主编排。人工智能驱动的编排将自动化管理TSN流量类别、QoS实施以及跨复杂网络的同步。这将减少手动配置的需要，同时确保时间敏感型应用始终满足其性能要求。
• 演进的标准与互操作性。3GPP第16版和第17版已经为5G中的TSN支持奠定了基础，但未来的版本将改进同步协议、QoS映射和冗余机制。这将提高不同供应商之间的互操作性，并使得在有线-无线混合网络中进行更广泛的部署成为可能。
• 可持续自动化。通过减少布线、提高能源效率和实现灵活部署，基于5G的TSN支持更可持续的工业设计。这些自动化系统可以自我监控、实时调整和优化资源使用，兼顾运营效率和环境目标。