當今工業4.0與智慧工廠概念不斷興起，IIoT日趨朝向無線化發展，例如感測器、移動機器人(AMR)、AR/VR、人機介面等技術逐漸成為工廠主要設備，工業網路的傳輸方式不再僅單單依靠有線形式的工業乙太網路(Industrial Ethernet)，無線網路的重要性也開始滲入。
從此趨勢發展下，由英特爾(Intel)、思科(Cisco)和哈曼國際工業(Harman International Industries)等大廠主導，來建立和認證時效性網路(Time-Sensitive Networking, TSN)標準的Avnu聯盟(Avnu Alliance)在2020年8月發布名為《Wireless TSN-Definitions, Use Cases & Standards Roadmap》白皮書表示，由於5G和IEEE 802.11技術出現，目前正在朝向無線TSN技術發展，能夠降低工廠布線成本，讓傳輸資料更具靈活性和行動性。
有線與無線傳輸並行工業網路
在追求轉型工業4.0的時代，資料是工業生產智慧化重要的養分，透過前端感測裝置蒐集的資料來當作設計生產流程的依據，相對地，後端的資料分析也同時成為前端生產裝置執行動作的參考，為了提升生產過程更智慧化與自動化，更加要求IT與OT資訊的同步性。802.1 TSN指出TSN標準需具備4種指標，時間同步化(Time Synchronization)、限制延遲(Bounded Latency)、可靠性(Reliability)和資源管理(Resource Management)等。亞德諾半導體(ADI)亞太區工業市場行銷經理簡百鍾(圖1)認為，TSN是因應工業現場即時通訊需求而產生的底層協定，其優勢讓IEEE乙太網路技術滿足了當下許多工業自動化技術的供應商可以獨立於設備製造商的開放式通訊平台，而在系統範圍內實現更高的自動化流程。
圖1 亞德諾半導體亞太區工業市場行銷經理簡百鍾認為，TSN讓乙太網路技術滿足了當下許多工業自動化技術來實現更高的自動化流程
除此之外，瑞薩電子(Renesas)物聯網暨基礎設施事業本部市場行銷部主任劉子建(圖2)也認為，TSN能夠管理非即時性關鍵的資訊資料(Non-time-critical Information Data)，例如統計數據，以及即時性關鍵的操作資料(Time-critical Operational Data)，例如馬達控制、機器手臂等，這之間無法容許任何的延遲，才能維持服務的質量(Quality of Service, QoS)。
圖2 瑞薩電子物聯網暨基礎設施事業本部市場行銷部主任劉子建強調TSN無法容許任何的延遲，才能維持服務的質量
由於，工廠內的多數生產設備的建置都是固定，機器間、OT/IT之間的傳輸都採取乙太網路來串接，但現今更多設備和應用以無線化的姿態出現在工業現場，不僅能夠降低維護與建置成本，還能提高部署設備的靈活性，包括閉迴路控制系統(Closed Loop Control)、電網(Power Grid)、行動機器人(Mobile Robots)等，並且資料除了存放在實體資料庫外，越來越多企業也開始直接利用無線網路上傳至雲端。機器之間的資料已經無法僅透過有線的工業乙太網路，也必須部署無線網路設備來傳輸。
5G/Wi-Fi 6助攻TSN無線化
TSN作為工業乙太網路的底層，僅要求工業乙太網路達到802.1 TSN的指標，卻未把無線網路放入規範範圍內。根據Avnu聯盟發布白皮書內文指出，雖然無線網路能根據當前環境所需的功能和傳輸接口的選擇，改變不同的傳輸量，但訊號與傳輸通道較容易受到干擾，造成封包錯誤率(The Packet Error Rate, PER)比乙太網路還高。
然而，自從5G誕生後，因其擁有超可靠低延遲通訊(URLLC)的特性標準，能夠解決無線網路傳輸資料難以同步化的困境，簡百鍾指出，儘管在技術性能指標上，5G能承載工業網路不同的典型業務，但5G仍存在很多關鍵問題有待解決，包括網路中斷對於工廠設備和生產的影響是不可接受的，需要解決安全性和可靠性；傳統生產設備的現場總線和資料擷取設備相容性存在很多問題，改造難度和成本高；針對工業應用場景的URLLC 0.5ms的上下行延遲目標很難滿足部分時間敏感性工業應用的要求等。另外，國家儀器(NI)亞太區高級市場經理郭翹(圖3)也認為，5G雖然可以做到低延遲，但在高精度的智慧製造等場景，端對端之間的抖動(Jitter)需要更小。
圖3 國家儀器亞太區高級市場經理郭翹指出，5G針對工業應用場景的URLLC 0.5ms的上下行延遲目標很難滿足部分時間敏感性工業應用需求
對此，一部分業界提出能夠與TSN相互結合成5G-TSN，郭翹表示，3GPP R16版本對5G NR IIoT進行新的研究，目標就是整合5G和TSN網路，TSN在同步傳輸方面引入高精密度的時鐘，實現工廠內的全部網路在同一種時間下進行調度，這樣既滿足即時要求，又合理地控制了端對端的抖動時間，若結合乙太網和TSN，可進一步增強工業網路傳輸的可靠性，靈活地調度上行鏈路，時間同步更精確。
不僅如此，基於802.11ax標準的Wi-Fi 6與前幾代Wi-Fi相比，Wi-Fi 6降低到平均20ms的延遲時間，同樣具備低延遲的特性，也能夠結合TSN來部署無線TSN。目前，儘管在802.11ax中，還沒有訂定實現TSN性能的目標，但根據白皮書說明，下一個Wi-Fi版本802.11be能夠解決延遲與抖動的疑慮，並且更能融合802.1 TSN標準來達到TSN性能的目標，包括提供更大的頻寬(320MHz)、提供多重連結/通道操作(Multi-link/Channel Operation)來隔離具時效性的流量與其他網路流量、建立多個AP協調(Multi-AP Coordination)來提升可靠性，以及優先存取具時效性流量(Time-sensitive Streams)等。
因此，從上述5G和Wi-Fi 6特性來看，目前多數無線網路的標準已經足以支援TSN功能，預期未來TSN也會基於802.11和3GPP的無線解決方案來擴展，包括訂定更能符合TSN的標準、連結接口等，讓無線網路設備在工業網路中，不僅能夠提供即時同步化的資料傳輸，更可以協助企業在部署設備方面更靈活和降低成本。
由於無線TSN尚有部分技術問題需要解決，例如無線TSN配置和管理減少無線訊號干擾、建構冗餘(Redundancy)機制，以及設備的移動性等。目前，Avnu聯盟和IEEE 802.1小組已經進一步研究無線網路，包括802.11ax/Wi-Fi 6和5G的調度功能與性能，來了解能夠達到同步化的性能界限，進一步提出與TSN結合的折衷方法，以及訂定無線TSN的接口，也提出無線TSN的測試計畫(例如時間同步、Traffic Shaping、可靠性和效率等)，都令人期待未來能夠很快看到無線TSN的願景實現。