1工业无线网络现状
前面我们花费了大量的章节来了解工业以太网、TSN技术以及CC-LinkIETSN技术，众所周知复杂的工业现场环境中有线的链接一直以稳定、有效的特点适应着大部分的应用场景但我们并不否认无限网络正在悄悄的占据一定的市场份额。市场份额正是反应一项技术的应用领域跟场景的未来发展方向。我们可以从今年瑞典HMS公司发布的对工业网络市场的年度研究中得出，从新安装节点来看，工业以太网的市场份额增加到64%（去年为59%），无线技术的市场份额从年的4%到现在6%。
图1HMS发布的年工网络市场报告
图2HMS发布的年工网络市场报告
无线技术占有6%的市场份额，WLAN仍然是最受欢迎的技术，其次是蓝牙技术。“无线的市场份额保持在一个增长的市场，这是不错的，但我们预计随着时间的推移，无线的份额会增加。HMS公司总裁AndersHansson说到。“随着全球所有正在进行的有关无线蜂窝技术的活动（如专用LTE/5G网络）成为下一阶段智能制造的推动者，市场对无线连接设备和机器的需求将会增加，未来将会有更少的电缆和灵活的自动化架构”
我国5G技术研发试验将在-年进行，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段实施。年3月，工信部副部长陈肇雄表示：5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。
与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。
从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。
从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。
工业互联网是5G商用的主要场景，工业和信息化部年3月印发的《关于推动5G加快发展的通知》提出要加快垂直领域“5G+工业互联网”的先导应用，内网建设改造覆盖10个重点行业。全国*协经济委员会副主任苗圩也曾表示，5G真正的应用场景，80%在工业互联网领域，这是5G最让人期待的领域。5G技术与现有的工业以太网、现场总线、工业WiFi和4G等技术不是替代关系，而是互补关系并将长期共存。
25G与TSN技术的切合点在哪
事实上，早在去年汉诺威工业博览会上，CC-Link协会便携手NEC（日本电气）展示了首款无线技术解决方案。该方案由插入服务器扩展槽的ExpEther板和扩展单元组成，可以连接相隔很远的多台服务器的计算机资源。这是一项支持扩展的技术，即使使用一般的通用以太网交换机设备或无线LAN设备，它也具有可在不丢失数据的情况下实现高可靠性通信的功能。CC-Link协会将“ExpEther”特点与“CC-LinkIETSN”特点相结合，以实现在无线通信下，也可确保时间同步、高可靠性的数据通信。
作为率先推出TSN网络的组织之一，着眼于未来工业网络的发展，CC-Link协会在基于TSN技术和5G迅速发展的基础上，正在积极参与无线技术方面更深层次的探索与开发。
那么话说回来，相比传统有线工业以太网，无线网络、5G他TSN高级在哪？
比如，在工业环境下，未来工业的发展肯定是需要进一步提高制造业智能化生产水平、增强工业现场安全性等，这些要求都为工业物联网（OT）和物理网络系统带来新的挑战。
相比有线工业以太网，工业无线网络提供了灵活的工业现场设备的配置方案，增强了工业生产的安全性，保障了人身财产安全，其目前已经开始应用于工业自动化等领域。
不过，当下绝大多数工业场景使用的依然是基于IEEE.11b/g/a/h的无线以太网，各种弊端显而易见。
尽管各厂家均使用了自己独特的方法来规避这些缺陷，但是并没有从根本上解决数据实时传输的问题。
随着工业应用对工业无线网络需求的增加，业界也制定了多种协议标准以实现工业环境下数据通信的实时性保证，CC-LinkIE和CC-LinkIETSN等具有无线应用能力的工业网络将在实践中将得到更广泛的应用。
相对于传统工业以太网，TSN（时间敏感网络）是扩展基于IEEE.1标准的以太网网络，能够完美实现工业网络中的互联互通和实时通信，并支持无线传输。
在实际应用中，有线TSN应该往往需要与无线TSN进行无线整合。在TSN网络的标准规范下，需要进一步完善TSN无线网络技术，改进相关的协议标准，使得工业无线网络可以应用到更多更复杂的场景中。
当前，市面上现有的一些工业无线网络本质上是WIFI技术，传输介质主要是2.4GHz和5GHz电磁波，与有线通信相比，反而更易受到干扰。而工业现场的情况尤其严重，多种类型的电磁信号、障碍物、以及信号源之间的相互干扰，都会造成数据传输的不确定性，同时，也很难保证实时数据的准确传送。
为了满足工业无线网络数据传输严格的实时性和可靠性要求，目前工业界主要是在保证高精度时间同步的前提下，使用多种调度算法来有效地分配无线网络的时隙和信道。利用相应的调度策略，基于链路质量和性能反馈进行预测从而分配网络资源，有效应对了网络的干扰，提升控制系统性能。
此外，除了无线局域网技术，目前工业网络的无线解决方案也可以通过移动网络，即我们所熟知的手机网络来实现。然而，目前我们所使用的4G网络并非是为工业系统所设计，它在保证大容量移动数据传输的基础上，并不能实现超低延时通信，因此无法保证实时数据在链路上进行精确传输，这一先天缺陷使得移动网络在工业领域的应用受到了诸多限制。
伴随着5G时代的来临，5G的低延时特性使得移动网络在工业领域的应用成为可能，因此，未来的工业无线网络可能将不再局限于无线局域网的简单应用，而向移动网络迈进，使得互联网、物联网和工业网络相结合，使得基于移动网络的各种远程控制得以实现。届时，能够实现智能的不再仅仅是我们的家庭和工厂，而是通过移动网络串联起我们工作、学习、生活和医疗的方方面面，实现智能城市和智能社会。
在这场信息化的革命中，CC-LinkIETSN也会在实现无线解决方案的基础上，继续向5G迈进，并为未来的工业网络提供最新的技术。
我们已经身处TSN的时代，同时，5G的时代也已经近在眼前，我们都相信，5G必将和TSN一起成为未来工业网络的明星，而这二者将在其中扮演什么样的角色，发挥什么样的作用呢？接下来我们将详细讲讲5G和TSN的细节，并一起展望这二者相结合的未来工业互联网。
35G与TSN在工业领域提供的无限可能
有了5G，电影可以1秒下载完；
有了5G，我们可以躺在床上看4K大电影；
有了5G，吃鸡可以更流畅；
有了5G，10GB流量瞬间就没了
……
总之，有了5G，我们的网络世界似乎全变了，但是5G究竟是什么呢？似乎又是云里雾里，不可捉摸。5G的确能够给我们的网络带来巨大的改变，但这些改变并不仅仅是在我们的日常生活使网速变得更快，更多的应该是体现在高速的网络响应将会带来诸多领域内的通信革命。
比如工业领域！
在工业领域，随着智能工厂的进一步发展和建设，基于以太网技术的IEEE.1时间敏感网络（TSN）正在成为工业4.0的网络标准的重要组成部分。
作为移动通信的5G，拥有极短的网络延时，因此和TSN一样，也有望可以在工厂中部署，并与TSN共存并解决工业生产的主要需求，充分发挥5G的灵活性和TSN的极低延迟性。例如，有效减少电缆铺设、移动设备广泛应用等。
除此之外，5G和TSN也可以集成在一起，以提供最优的解决方案，满足工业控制中点对点的控制所需的无缝连接和高稳定性。最终，这些关键技术的整合将会满足智能工厂的需要。
在我们的理解中，5G是为智能手机或平板电脑等消费设备提供增强的移动宽带服务，实际上工业才是发挥其最核心价值的领域。能够为物联网（IoT）通信和工业网络系统量身定制。那为什么在之前的移动通信中我们很少提到这一应用场景呢？难道仅仅是因为5G的速度比较快吗？并不尽然。
大家都知道，5G的前辈叫“4G”，4G的系统构架主要包括无线侧（即LTE）和网络侧（SAE）。准确点讲，这个4G系统构架在3GPP里叫EPS（EvolvedPacketSystem，演进分组系统）。EPS指完整的端到端4G系统，它包括UE（用户设备）、E-UTRAN（演进的通用陆地无线接入网络）和EPC核心网络（演进的分组核心网），这个EPS是专为移动宽带而设计的，从3G到4G的演进属于整体演进，即核心网和接入网整体从3G演进到4G。
可是到了5G这里，发生了一些变化，3GPP组织把接入网（5GNR）和核心网（5GCore）拆分开了，可以独立演进，这样，5G就不仅仅是针对增强型移动宽带服务了，它主要可以面对三大场景：增强型移动宽带（eMBB），连接大量设备/传感器的大规模机器通信（mMTC）、控制系统之间的超可靠低延迟通信（Ultra-ReliableLowLatencyCommunication，URLLC）与关键通信。针对这三大场景，国际电信联盟（ITU）也提出了三大关键性指标：
●增强型移动宽带（eMMB）：峰值数据速率10Gb/s
●大规模机器类型通信（mMTC）：接入密度1M/km2●超可靠的低延迟通信（URLLC）：端到端延迟1ms
之前，我们的移动通信网络，包括3G和4G主要都集中在eMBB的应用上，而在5G的发展中，基于mMTC的技术特性，可以实现机器联网、万物联网，基于URLLC的技术特性，使5G得以成为无线通信领域中时间敏感网络最合适候选者。
同样，这URLLC的特性对于工业自动化也至关重要，因为它可以创建实时交互通信系统，也可以满足与TSN集成的要求，从图4中，我们可以看到，mMTC和URLLC特性大大拓展了5G的应用领域，为移动网络的发展提供了无数种新的可能。
5G在阶段1（3GPPRelease15）和阶段2（3GPPRelease16，于年3月完成）引入了一些新的功能，这些功能减少了单向延迟，并使通过无线信息传输的可靠性高达99.%，同时具有灵活的上行链路调度和精确的时间同步，这将加强进一步5G对TSN流量的支持。随着5G的不断发展，一些新的应用趋势正在出现，越来越多的垂直行业得以支持，如：非地面网络、车辆应用、公共安全和工业物联网（IoT），而这也可以实现其在工业自动化等控制领域的应用。
随着物联网、工业互联网和工业信息化、智能化的不断发展，无线技术将成为未来发展的大趋势。通过5G技术，将可以在不需要电缆的情况下增加新的设备，也可以使用具有高度灵活性的移动设备，且由于5G支持远程连接，这些设备不需要位于同一站点，这将可以通过网络连接位于不同地点的分散型生产线。
而在去年的汉诺威工博会上，无线TSN网络和技术作为未来工业网络的发展趋势着实是大放异彩。目前，CC-Link协会也在无线技术领域积极参与开发，并已在以太网无线通信下，实现高可靠性的数据通信。相信随着TSN的进一步发展和5G技术的商业化及成熟应用，CC-LinkIETSN和5G技术的有效整合也将指日可待，我们可以大胆的展望未来，届时将在更多的工业场景和应用领域见到CC-LinkIETSN的身影。
45G与TSN能够整合的技术特点和基础
先看图6我们来了解下5G的技术特点：
（1）5G的低延时性：
5G技术引入了5G无线接入网（5GRAN）功能，5GRAN及其5GNR（5GNewRadio）接口包括一些功能，可实现特定数据流的低延迟。比如，NR使无线子帧中的时隙更短，这有利于低延迟应用。NR还引入了mini-slots，在这里可以启动优先传输，而无需等待时隙边界，进一步减少了延迟。
由于使用了优先权，并能更快速的无线接入URLLC，NR引入了抢占机制——URLLC数据传输可以抢占正在进行的非URLLC传输。另外，由于NR使用了非常快速的处理，轻易实现了在短延迟范围内的数据重传。
（2）5G的无限资源管理：
无线资源管理RadioResourceManagement（RRM）：是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质量保障。其基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱和干扰而起伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。
5GNR上在RRC支持三种状态，RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED，这和3G/4G并不相同，相较于4GLTE只有RRCIDLE和RRCCONNECTED两种RRC状态，5GNR引入了一个新状态——RRCINACTIVE。在RRCINACTIVE状态下，终端处于省电的“睡觉”状态，但它仍然保留部分RAN上下文（安全上下文，UE能力信息等），始终保持与网络连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRCINACTIVE状态转移到RRCCONNECTED状态，且减少信令数量。
（3）5G的高可靠性：
5G定义了超鲁棒传输模式，以提高数据无线信道和控制无线信道的可靠性。并通过各种技术进一步提高可靠性，例如多天线传输、多载波和独立无线链路上的分组复制等。
（4）5G的时间同步：
时间同步作为5G蜂窝无线系统运行的一个重要部分被嵌入到5G蜂窝无线系统中，这早已经是之前蜂窝网络的普遍做法。无线网络组件本身也是时间同步的，例如，可以通过精密时间协议的电信配置行规（ITU-TG..1支持网络定时的相位/时间同步精准时间协议电信行规）来完成。而这则为时间关键型应用程序打下了坚实的基础。除了5GRAN功能外，5G系统（5GS）还在核心网络（CN）中提供以太网和URLLC的解决方案。5GCN支持本地以太网协议数据单元（PDU）会话。5G能协助通过5GS（包括RAN、CN和传输网络）建立冗余用户面路径。5GS还允许冗余用户面分为RAN和CN节点，同时，也允许冗余用户面分为UE和RAN节点。
图7我们再来看看图7了解下TSN的协议特点：我们在之前的系列文章中已经详细了解了TSN的协议特点，我们在这里回顾一下，也便于和5G网络技术做一个初步的比较：
（1）调度和流量整形：
调度和流量整形为关键帧保留资源，允许在同一网络上具有不同优先级的数据流共存——而这些数据能够各自根据需要适应带宽和网络延时，已满足网络的延时需求。为了充分利用带宽和减少延时，TSN还使用了时间片、保护带和帧抢占机制。
（2）资源管理：
资源预约和分配是网络保证服务质量的前提。TSN网络中有两种类型的服务质量保证，一是带宽预约流量，一种是周期性的时间敏感流量。为保证这些流量的服务质量，一方面需要在包含网络接口适配器和交换机的端到端路径上进行资源预留，另一方面需要TSN网络接口适配器对预约资源流量进行整形和过滤，避免其他正常流量产生影响。因此，TSN网络需要对交换机和网络适配器上的资源进行相应的集中式配置。TSN资源管理由TSN配置模型（.1Qcc）定义：集中式网络配置可应用于网络设备（网桥），而集中式用户配置可应用于用户设备（终端站）。所有的集中配置模型均遵循软件定义网络（SDN）。
（3）时间同步：
在大多数情况下，TSN使用IEEE精确时间协议来进行时钟分配，利用以太网帧来分配时间同步信息，这一时间协议为TSN带来了可靠的时间同步，并可以供给其他TSN工具使用
（4）可靠性：
TSN通过IEEE.1BC所定义的“为提高可靠性而进行的帧复制和消除（FRER）”技术，在“数据包”级别为数据流提供了超高可靠性，这一机制大大提高了TSN的可靠性，从而也带来了高可用性；TSN还通过在网络中互不相交的路径上传输相同数据包的多个副本的方式，来提高网络传输的可靠性；同时，在TSN中，流过滤和流管理（.1Qci）则通过防止带宽冲突、故障和恶意行为来提高网络的可靠性。通过上述文字和两幅图，我们能够看到5G技术尤其是URLLC其实是具有支持TSN的能力，因此，伴随着通信技术的不断发展，我们可以拭目以待，在不久的未来，5G一定能够充分发挥自身优势，和TSN一起在工业自动化领域得到广泛的应用。
5未来智能工厂对5G与TSN的融合需求
上面的内容我们分析了5GURLLC功能提供了与TSN功能的良好匹配，因此，在实际应用中，我们可以将这两项关键技术进行整合和集成，以提供端到端的确定性连接。
例如在工业自动化领域，我们可以在输入/输出（I/O）设备之间以及设备与云端的边缘控制器之间传送数据和指令。这种整合和集成不仅仅包括对必要的基本桥接功能的支持，还包括5G对TSN附加组件的支持。
通过图8，我们可以看出，由5G构成的那部分网络，在整个网络中是作为一组TSN桥的形式出现的——如图8所示，一个用户面功能（UPF）一个虚拟桥，在这个5G网络内部包括TSN转换程序（TT）的功能，这一功能使5G在用户面和控制面都能够适用于TSN。而对于整个网络而言，其他TSN桥接网络也可以将这个5G网络也看作一个TSN桥接网络，其内部过程是被隐藏的。
5G通过TT功能提供TSN桥接网络的输入输出端口操作，例如，TT功能支持保持和转发功能以消除抖动。上图使用了带有两个PDU会话的两个用户设备（UE）示例来说明这一功能，这两个PDU会话支持两个相关的TSN流以实现冗余。但是在实际使用中，可能只使用了一个具备双连接功能的物理设备，该设备在5GRAN中连接了两个PDU会话。图中的示例说明了5G连接终端和桥接网络的情况；同样的，5G系统也可以连接桥接网络。
5G系统支持控制和管理工业网络所需的LLDP功能，例如拓扑发现和5G虚拟网桥等功能。同时，5G系统还需要适应桥接网络中使用的环路防止方法，该方法可以完全由SDN控制，而无需LLDP以外的任何分布式协议。
●5G支持时间敏感网络
通过在TSN和5G域上应用FRER，可以提供端到端的超可靠性，这要求两个域上FRER端点之间的路径不相交，如图8所示。
在以上示例中，我们可以看到，5G用户设备（UE）配置为建立两个PDU会话，这两个会话在5G网络用户面上是冗余的。3GPP的机制涉及到对CN和RAN节点（UPF和5G基站（gNB））的选择，以使两个PDU会话的用户面路径不相交。RAN可以使用双连接特性来提供不相交的用户面路径，在这种情况下，单个UE可以通过两个RAN节点在空中接口发送和接收数据。对于配备多个UE的设备，也可以使用其他冗余（包括UE冗余），FRER端点在5G系统之外，这意味着5G系统不需要自己指定FRER功能。而且，逻辑结构并不限制实施方案，包括使用同一个物理设备作为终端站和UE。
对于TSN来说，只有当资源管理为沿整个路径的每个跃点分配网络资源时，才能满足TSN流的要求。与TSN配置（.1Qcc）相一致，这也是通过5G系统和集中式网络配置（CNC）之间的交互来实现的（请参见图8）。5G系统和集中式网络配置之间的接口允许后者学习5G虚拟网桥的特性，并允许5G系统根据从集中式网络配置接收的信息建立具有特定参数的连接。有限的延迟时间需要来自5G系统的延迟时间一定是确定的，就像TSN和5G域上的QoS校正一样。需要注意的是，5G系统可以在组件之间提供直接的无线跃点，否则这些跃点则需要通过传统工业有线网络中的多个跃点进行连接。无论如何，对于5G来说最重要的因素是需要提供确定性的延迟时间，只有这样，集中式网络配置（CNC）可以发现和利用5G系统所支持的TSN功能。
在5G虚拟网桥充当TSN网桥时，5GS会根据流量整形（.1Qbv）模拟时控分组传送。对于5G控制面而言，5G系统应用功能（AF）中的TT从CNC接收TSN流量类别的传输时间信息。在5G用户面中，UE的TT和UPF的TT可以相应地调节基于时间的分组传输。TT内部细节还需要3GPP来规定。例如，每个流量类别的播控（去抖动）缓冲区可以是一种解决方案。AF和策略控制功能（PCF）则将不同的TSN流量类别映射到不同的5GQoS标识符（5QI），作为两个域之间QoS校正的一部分，并根据其QoS要求对不同的5QI进行处理。
●时间同步
时间同步是所有移动数据网络中的关键组成部分（上图中蓝色的5G系统时钟所示）。在5G-TSN混合的工业网络中提供时间同步是完全全新的方法，在大多数情况下，无论TSN桥接网络是否将其用于内部操作，最终设备都需要一个参考时间，并且，如果其他网桥也使用基于时间的TSN功能（例如流量整形（.1Qbv）），那么，它们也需要参考时间。图8中蓝色时钟表明网桥和终端站都是时间同步的。
从之前的文章中，我们可以知道，在实际使用中，基于TSN的工业自动化系统往往使用IEEE.3AS所定义的广义的精确时钟同步系统（gPTP）作为默认的时间同步解决方案，因此5G系统需要与所连接的TSN网络的gPTP互通。这时，5G系统可以作为虚拟的gPTP时间感知系统，并支持通过5G用户面TT在终端站和网桥之间转发gPTP时间同步信息，并且还考虑了在时间同步过程中5G系统的停留时间。在一些特殊的情况下，5G系统时钟可以充当主时钟时，不仅为5G提供参考时间，而且还为整个系统中的其他设备（包括连接的TSN桥和终端站）提供参考时间。
对于分布范围广泛的网络系统而言，目前我国的北斗系统已经能够提供纳米级别的时间同步，相信未来这也不失为工业网络系统时间同步的一个方式。总体而言，当前已经完成和未来即将完成的5G标准解决了5G-TSN集成所需的关键方面。
●智能工厂对5G与TSN的融合需求
5G和时间敏感网络TSN相结合可以满足工业4.0的苛刻的网络要求。5G-TSN集成也是未来工业网络应用重要的议题之一。我们从以上的介绍中可以看出，5G和TSN的结合极其适合智能工厂，因为这二者都具有高可靠性和低延迟性。也就是说，在未来的实际使用中必将会将两种技术集成并应用，为用户提供端到端的网络解决方案，以满足工业需求。
通过无线5G和有线TSN域而集成的时间同步为工业网络点对点的传输应用提供了参考时间。5G还集成了工业应用中使用的TSN工具，并提供超可靠的低延时特性。5G和TSN网段在不相交的转发路径可以保证端到端传输的超可靠性和高可用性。
因此，我们可以说，从根本上讲，5G和TSN包括工业自动化场景中的联合应用所需的关键技术，并且具有极高的可用性。
CC-LinkIETSN在追随无线技术和时间敏感网络的发展上，也将步步紧趋，目前也正积极参与无线技术的探索与研究，或将在不久推出了相关无线模块，随着移动网络对于超低延时性的进一步支持，必定也将逐步跟随智能工厂工业网络的脚步而不断完善。
至此，本部连载文章暂且告一段落。但我相信TSN技术的发展及运用会随着时间的推移不断前行。TSN工作组在年成立，年9月召开第一次Shaper整形器工作组，年在NI的IICTSN测试床的架构，到了年CLPA全球首发的全新一代工业开放式网络CC-LinkIETSN，截至年11月已经有50多款CC-LinkIETSN的兼容产品发布并投入工业现场使用。以TSN的发展速度而言，较之以往的总线推进速度来说，这是非常快的。由此我们也看到了CCLinkIETSN带来的巨大的应用场景。让我们共同期待新一代工业开放式网络时代的到来同时也会跟各位业界人士共同营造这样的一个网络环境而不断努力！
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