IIoT 5G 5G NR TSN IEEE 802.1AS 時間同步

IIoT內外網路精確連動 5G搭TSN展現定時/同步傳輸價值

2019-11-05
工業自動化、軌道交通運輸、綠能與風力發電等領域,通常運行於艱困環境,為了保障人身安全與製造效率,對於精確定時、時間同步傳輸的要求更甚以往,而5G與TSN可說是新世代無線和有線技術的明日之星,預期兩者合作將發揮強強聯手的綜效,體現定時、同步傳輸的價值。
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現有的工業網路系統架構在全球有多種參考模型,例如ISA-95參考模型、思科(Cisco)的訊息系統整體框架及其CPwE(Converged Plantwide Ethernet Architecture)聯合架構、美國的NIST智慧製造生態體系模型,德國的RAMI 4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0),以及中國的「國家智能製造標準體系建設指南」智慧製造系統架構等。借助無線通訊技術由終端設備、接入網和核心網來實現數據和控制訊號端到端的傳輸。

u-blox蜂巢式產品中心5G技術主管暨英國UK5G諮詢委員會委員陸曉(圖1)表示,工業4.0無線端對端通訊要求相對於傳統無線通訊要求要高得多,對於不同的應用場景、網路的服務品質機制(Quality of Service, QoS)、可靠性與安全性要求皆大不相同。舉例來說,控制級通訊對於即時性(Real-time)要求達毫秒等級低延遲、可靠性則必須達99.9999%的水準,不僅如此,抗干擾性和安全性的要求等級也相對較高。雖然新設備的引入會增加投資成本,但從長遠來看,5G技術的引入將簡化工廠布局和靈活度,為工業製造業帶來新的應用場景和商業模式,從而加速工業領域的數位化進程。

圖1 u-blox蜂巢式產品中心5G技術主管暨英國UK5G諮詢委員會委員陸曉表示,5G通訊技術的引進將為工業製造帶來嶄新的應用場景和商業模式。

IEEE 802.1工作組主席Glenn Parsons(圖2)認為,只有標準化的無線技術才能實現關鍵物聯網(Critical IoT)應用。5G做為工業通訊的單一無線技術,適用於所有聯網標準,包含802.15.4、WirlessHART、ISA100.11與Wi-Fi的聚合,其本身可提供工業應用場景降低布線/開發成本與靈活性。

圖2 IEEE 802.1工作組主席Glenn Parsons表示,5G-TSN的整合是工業物聯網系統中非常重要的組成。

另一方面,TSN技術本身可提供安全可靠地傳輸數據、保證數據傳輸的低延遲、聚合不同的網路節省運營成本、簡單的系統配置和操作和開放的生態系統,兼具高流量融合(High Traffic Mix)、確定性(Deterministic)、低延遲、安全、可靠與高吞吐量等效能,在傳統昂貴、分散、不可互操作和分段的通訊基礎架構中,可說是帶來一束曙光,點燃工業物聯網端到雲的互連互通願景。

Parsons表示,傳統服務(Traditional Service)的通訊聯網技術,其傳輸的曲線具有長尾,本身有良好平均延遲,但若要進一步降低延遲,可能需要更多的傳輸預留空間,意味著有掉封包的可能性;相較而言,確定性服務(Deterministic Service),也就是如TSN、5G的技術,遺失封包的原因大多來自於設備故障的問題,本身有限制延遲的功能,可在正確的時間點傳輸正確的封包,沒有長尾曲線的問題(圖3)。

圖3 傳統服務與確定性服務比較圖

3GPP積極擬定標準 5G-TSN發展前景可期

陸曉指出,3GPP工作小組在TSN和5G網路結合上提出了幾個方案。TSN主要是通過802.11AS/gPTP協定來實現同步,例如針對單一時域,5G系統和TSN的協同則需要通過解讀gPTP協定來實現協同工作。如圖4所示,UPF(User Plane Function)引入並做為5G系統和TSN的橋樑。在5G系統另一端,在UE端和End Station終端分別引入新的介體來解讀並傳輸時域和同步訊號。

圖4 使用外部時鐘模式方法進行時間同步的概述
資料來源:3GPP TS 23.734

Parsons談到,5G-TSN的整合是工業物聯網系統中非常重要的組成。3GPP R16提供了整合5G-TSN的工具,像是5G需要支援TSN的控制器協作(802.1Qcc)、時間同步(Time Synchronization)(802.1AS)、TSN限制延遲(Bounded Latency)(如802.1Qbv)與TSN可靠性(802.1CB)要求等面向。

隨著R16最終版本底定在即,R17具體標準制定方向會在2019年年底在3GPP全會上確認,屆時也會落實TSN在R17的制定方向。從現有的產業討論方向來看,主要方向以優化TSN為首要,例如減少訊號跳動(Jitter)、延遲、增強同步性,以及擴展TSN應用場景等重點。

吉康科技業務經理顏嘉俊(圖5)表示,過去TSN技術需求較小,沒有真正落地的實際案例,直到近兩年開始陸續有相關方案出籠,因此也刺激一波測試上的需求。一般而言,5G-TSN測試設備通常要求需具備10ns等級的延遲,儀器本身誤差需要低於1ns。

圖5 吉康科技業務經理顏嘉俊表示,5G-TSN強調ns等級的時間同步性能,相較於規格確認,其效能驗證才是測試的主軸。

需達10ns延遲等級 5G-TSN測試挑戰大

顏嘉俊提到,現今可以提供5G-TSN測試方案的廠商屈指可數,而唯一可滿足時間同步測試需求的廠商大概只有Calnex,其因在於一直以來時間同步測試的需求始終存在,但尚屬於小眾市場,故提供相關方案的廠商不多,但隨著5G商用發展的刺激,TSN時間同步的測試需求也隨之而增。

整體而言,TSN測試重點著重於規格確認和效能測試。前者只要確認規格正確性即可,後者才是TSN測試的重頭戲,進行TSN效能驗證部分,包含雜訊產生(Noise Generation)、雜訊容忍(Noise Tolerance)、雜訊傳遞(Noise Transfer)與瞬態響應(Transient Response)等重點,用以評估晶片本身的性能。換言之,TSN測試條件是性能取向,故不僅晶片本身需要做測試,就連TSN設備也要進行測試,其測試方法皆為一致。

顏嘉俊認為,將TSN當作骨幹網路是5G落地最理想的方案。主因是採用TSN可簡化光纖布建與降低成本,同時可沿用既有的光纖,透過網路設備升級的方式擴增頻寬,為5G時間同步效能帶來強勁的助力。相較於過去4G時期,基地台與基地台之間僅需解決干擾消除的問題,5G時代則是更要求基地台間的協作,也就是不同基地台之間合作傳遞資料到接收端,此舉意味著基地台間的延遲不能大於±100ns,否則會遺失訊框,導致資料重傳的問題,也因如此在測試設備上需要具備10ns的效能證明。

現階段5G正在起步當中,雖說已有部分業者進行相關測試,但顏嘉俊分析,實際5G相關布建數量真正起飛時間點預計在2020年上半年,屆時將有更多廠商投入測試。以台灣而言,測試需求大多來自於網通廠商,像是提供高階交換器(Switch)及GPON方案供應商,詢問熱度不斷升溫,如台達、緯創、MOXA、研華、正文與智易等廠商皆對5G-TSN測試有濃厚的興趣。

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