5G+工业互联网技术标准体系简析

一、URLLC 激活工业控制变革创新

5G URLLC 标准持续演进，不断提升对工业控制应用支撑能力。当前，“5G+工业互联网”应用主要基于5G R15增强移动宽带（eMBB）特性，以大带宽传输类融合应用为主。3GPP 于 2020 年 7 月冻结了5G 第二版本 R16，进一步增强了 5G 服务行业应用的能力。其中 5G超可靠低延迟通信（URLLC）特性不断成熟，保障了 5G URLLC 的应用从单链路的远程操控，逐步开始进入工业自动化控制的人机界面控制和产线实时控制。随着 3GPP R18 标准的持续演进，5G URLLC 的能力将不断增强，时延将进一步降低，可靠性提高，可满足大多数的工业自动化的实时控制场景。

5G URLLC 标准逐步落地应用，分阶段匹配工业控制需求。5G URLLC 在工业领域主要应用在现场级 OT 网络，面向实时 RT（Real Time）和运动控制同步实时 IRT（Isochronous Real Time）场景，以低时延和可靠性匹配控制网络需求。5G URLLC 标准定义了无线接口时延可达 1ms，当前基于 5G URLLC 标准的落地，5G 网络端到端时延可达 20ms，能够满足机器视觉、环境监测、预测管理等场景需求。未来 2-5 年，端到端时延最低可达到 4ms，可实现人机控制界面、多台机器人控制协作、PLC 南向剪辫子等场景。理想情况下在同步实时性能上有望达到 1ms 端到端时延，以期满足运动控制场景的时延需求，助力 5G 技术深入融入工业应用场景。

5G URLLC 深度融入工业体系，将激活工业网络和产线的变革。通过标准演进和场景的不断落地，5G URLLC 技术推动工业自动化走向网络化、柔性化和智能化的变革，使工业制造实现产业升级。一是助力网络化变革。从传统 IT/OT 多层分级互相独立的多张单一网络，向一网多能的移动网络演进，扁平化架构极大简化组网复杂性。二是助力柔性化变革。利用 5G 连接去掉有线束缚，减少因线缆拖拽导致的停机等问题，彻底释放工业柔性化装备和工艺的潜能，实现工艺流程的并行预处理，推动柔性制造从柔性设备到柔性工艺到柔性产线演进。三是助力智能化变革。基于网络和流程的改变，设备层面从传统专用化的本地设备，变为软化的云-边-端协同的智能化装备，可更好利用大数据、人工智能等技术，进行有效的数据采集和分析，助力智能化生产制造。

二、5G+TSN 分阶段有序部署推进

5G 网络确定性传输和 TSN 设计需求相互匹配。5G 网络端到端确定性传输是能够在工业互联网落地的关键。5G 相比 4G 进一步提高终端的传输速率，网络系统将面临更大的数据传输压力，利用以太网承载 5G 前传网络的技术方向受到关注。成立于 2012 年的 IEEE时间敏感网络（TSN 工作组），制定 802.1CM 用于解决以太网传输机制下的移动前传网络的确定性问题，与 5G 网络的确定性传输需求相互匹配。3GPP R16 开始 Vertical LAN 项目研究，针对工业互联网场景开展 5G 支持 TSN、5G LAN 以及 5G NPN 相关技术的研究及标准化工作。R17 提出 TSN增强架构，即实现 5G核心网架构增强，控制面设计支持 TSN 相关控制面功能；实现 5G 核心网确定性传输调度机制，而不依赖于外部 TSN 网络；通过 UPF 增强实现终端的确定性传输；实现可靠性保障增强；实现工业以太网协议对接；支持多时钟源技术等。R18 阶段提出进一步完善支持 IEEE TSN 协议的 5G网络系统，确立 5G 系统的确定性机制并进行标准化。

5G+TSN 融合部署分三个阶段有序推进。一是拼接式融合。主要实现 5G 网络与 TSN 网络的互通,即将原有已经具备时间敏感网络特性的业务系统（如工业控制网络、车载网络等）与 5G 系统进行网络拼接、流量调度协同，通过分段实现业务传输的确定性来提升端到端业务传送质量。二是 5G 承载网融合。随着 5G 在园区网络的部署及 URLLC 特性的成熟，TSN 技术用于 5G 前传网络成为现阶段试点应用方向，以 eCPRI 为接口的 5G 前传网络已经具备了与 TSN 融合部署的技术前提。三是深度融合。随着 5G 技术在工业体系下的深度应用，5G 技术将与 TSN 进一步融合，整个 5G 网络系统逻辑上将升级为具备时间敏感网络特性的桥接系统，承载业务系统流量的远程确定性传送。