5G面向工业领域的确定性保障增强技术

        5G网络是数字化社会建设的信息底座。面向ToC的消费型互联网不仅提供语音电话、影音直播等业务，也已经融入以移动支付为代表的数字化生活；此外，5G网络还拓展了面向电力、煤矿、制造等ToB行业的生产型互联网，助力企业向数字化、智能化转型。

        与面向消费领域的ToC网络不同，工业生产领域的应用场景需要更低的时延、更低的抖动和更高可靠性等传输保障能力，对5G网络提出了更严苛的确定性传输要求。

工业OT领域的业务场景和需求

        工业OT技术（operational technology）通常指工业生产过程中对各类终端、过程和事件进行监测和控制的软硬件技术，如传感器、控制器、机器人等硬件设施以及相关的软件技术，用于采集数据、监测和控制工业设备和过程，实现自动化生产管理和制造，以提高生产效率、降低成本，确保安全可靠。

        传统工业OT网络中，由于对时延可靠性等要求较高，大都采用专用网络，如现场总线、工业以太网。不同的应用场景对网络的SLA指标也有不同的要求，按业务流的特征可以分为如下两大类：

        - 周期性业务通信：指终端侧或业务侧发出的数据流是循环发送的，具有固定的传输间隔；大部分PLC（Programmable Logic Controller）控制类场景均采用周期性的通信方式。

        - 非周期性业务通信：指终端侧或业务侧发出的数据流是突发的，通常由事件来触发，如告警/通知类的业务流。

        针对时延敏感类的周期性业务，根据对时延、抖动等指标容忍度的差异，还可以细分为如下三种类型：

        - 等时同步通信（isochronous）：对时延和抖动均有非常严苛的要求，需要高精度时间同步机制来保证收发两端的严格同步。通常业务流的循环周期时间为微秒到十毫秒级别，时间同步精度小于1微秒，并且对网络丢包零容忍。典型应用为高精度的运动控制类的PLC业务，如伺服电机等。

        - 周期同步通信（cyclic-synchronous）：对时延和抖动均有较高的要求，同样需要精准时间同步机制来保证收发两端的严格同步。通常业务流的循环周期时间为百微秒到百毫秒级别，时间同步精度一般在百微秒到十毫秒级别，并且对网络丢包零容忍。典型应用为控制类业务、差动保护等。

        - 周期异步通信（cyclic-asynchronous）：对时延和抖动的要求相比前两种同步通信方式来说比较宽松，也无需精准时间同步。通常业务流的循环周期时间为毫秒到秒级，抖动小于时延即可满足要求，并且还可以容忍少量的1~3个连续报文的丢失。典型应用为AGV小车等。

5G网络适配工业OT领域的关键技术

        为了使5G网络更好地服务于工业OT领域，5G标准中引入了多种增强技术，提供确定性网络保障能力。图1展示了5G确定性网络的总体架构。

5G LAN技术

        5G LAN技术实现了类似二层以太网交换机的通信能力，5G网络为UE终端建立一个Ethernet类型的PDU会话，不需要给UE分配IP地址。此时，UE与UE之间、UE与业务网络之间可以直接通过5G来传输以太网帧，并且可以进行组播和广播通信，满足工业网络中的点到点、点到多点的二/三层信息传递。

URLLC技术

        URLLC技术提供了低时延和高可靠的移动数据传输能力。5G空口引入了mini-slot、1D1S帧结构等一系列增强的调度优化技术，降低空口的传输时延。

        5G系统还引入了多种双路径的冗余传输机制，来提供高可靠的数据传输能力，如PDCP复制、双PDU会话/双发选收等机制。结合双频点无线，可以大幅降低无线干扰、设备故障等异常导致的服务中断和网络丢包等风险。

TSC技术

        TSC（Time-Sensitive Communication）技术是在URLLC技术的基础上，针对周期性业务流进一步优化调度机制，以达到更低时延和抖动等确定性传输能力。UE、RAN和UPF可感知业务数据的突发到达时间和循环周期等信息，从而优化调度行为，降低业务流的传输时延。

        此外，TSC技术中还引入了5G系统和TSN（Time-Sensitive Network）网络间融合互通的能力，把整个5G系统看作一个TSN逻辑网桥，在UE和UPF中引入基于时间感知的802.1Qbv调度机制，实现低时延、低抖动的确定性转发能力，确保跨5G的E2E确定性转发保障。

高精度时间同步

        高精度时间同步为周期性基于时间门控的调度转发系统提供了百纳秒级别的端到端高精度时间同步功能，可分为如下两大能力：

        - 端到端跨5G高精度时间同步：5G系统接收来自终端侧或者网络侧的802.1AS/1588v2时间同步消息，并跨越5G网络向另一侧传递该时间同步消息，连通终端侧和网络侧工业OT域，实现端到端高精度时间同步。

        - 5G开放高精度授时服务：RAN从5G GM（例如：BDS/GPS）获取时间后，向UE和UPF进行时间同步，然后UE或UPF可作为时钟源向终端侧和业务侧的OT网络提供授时服务。

其他

        5G网络还提供切片保障、MEC加速等技术，为工业OT业务提供进一步的确定性保障；3GPP R18标准中还引入了和DetNet（Deterministic Networking）网络融合互通的架构，为以后对接DetNet的OT网络提供技术基础。

        此外，5G系统还持续增强面向OT网络的能力开放机制，强化5G网络和业务应用之间的协同能力，达到进一步降低时延、减少丢包的保障效果，增强确定性保障能力。

5G在工业OT网络中的应用探讨

        5G网络已增强了较多的技术来适配OT网络的业务应用，针对不同的业务场景可选择最合适的技术。例如：

        - 针对非周期性、周期异步的业务场景，可以引入切片、QoS等来进行保障；并且可以引入URLLC技术来保障对时延要求较苛刻的业务。

        - 针对周期同步、等时同步的业务场景，可以同时引入URLLC和TSC技术进行增强保障。

        - 对于对丢包比较敏感的业务，可以引入双路径冗余传输机制。

        不过工业现场网的协议繁多，且部分工业协议还可能存在较多的定制化特性，如基于串口的工业现场网、非标准的以太网、各种时间同步协议等，虽然5G已经增强了URLLC、TSC等技术，也依然很难适配所有的工业场景。此时需要引入合适的工业网关进行协议的适配转换，如图2所示。

        此外，部分OT网络对时延的要求非常高，例如，有些运动控制的等时同步场景中，甚至要求端到端传输时延小于1毫秒，以5G网络当前的能力还不足以满足该类业务的应用需求，需要5G-A和6G网络的持续增强和优化。

        因此，5G在工业OT领域的应用，可以从中高时延场景向低时延、低抖动场景逐渐引入，分为如下几个阶段：

        - 阶段一：引入5G LAN和双发选收技术，提供二层以太网的转发能力和高可靠能力，并结合切片和QoS保障技术，满足5G在工业OT网络的基础应用能力，适用于对时延、抖动要求不太严苛的场景，如数据采集、视频监控等。

        - 阶段二：引入URLLC低时延调度和高可靠纠错技术，进一步降低网络传输时延，提高传输可靠性，深入5G网络在工业OT领域工业现场级的应用场景，适用于远程控制、紧急告警等场景。

        - 阶段三：引入TSC增强调度能力和高精度时间同步能力，满足超低时延和抖动的周期同步、等时同步等场景需求。此外，通过引入工业网关，实现工业OT网络和5G TSC确定性网络之间的互通适配能力。

        工业和信息化部自2019年发布《“5G+工业互联网”512工程推进方案》以来，一直持续推动5G与工业互联网的融合创新发展，推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变。当前面向工业OT网络的5G产业链已经逐渐走向成熟，开始支持5G LAN、URLLC、双发选收、TSC等5G/5G-A增强特性。

        中兴通讯自从2021年率先推出5G TSN系统以来，已完成了多个工业OT项目的应用验证。随着5G-A临近的脚步声，中兴通讯5G系统也已经开始支持R18的增强特性，将提供更低时延、更高可靠、更完善和更灵活的确定性保障能力，更广泛、更深入地应用到工业领域中。