5G、工业4.0、车载以太网……TSN时间敏感网络能给我们带来哪些市场机会？

news/2024/4/26 6:20:56/文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_47677928/article/details/129703267

TSN是一项面向未来的新兴技术，它定义了以太网数据传输的时间敏感机制，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保数据实时、确定和可靠地传输。这些扩展使得以太网能够应用于更加广泛的行业中，进而带来了更多新的市场机会。

1. 5G

1.1 用于5G移动前传的TSN

5G移动网络目前正在全球范围内部署，在国内也是一个非常热门的话题。虽然“5G”这个叫法似乎暗示了与4G相比将有着性能上的递增，但实际上这是一种误导。5G与4G有很大的不同，它的目标是支持比前几代更广泛的应用。这包括需要超可靠低延时通信（URLLC）的应用和服务，如图1所示。
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图1 5G超可靠的低延迟示例

5G远程接入网（RAN）基于一个虚拟化的架构，其功能可以分割并部署在电信数据中心或离天线很远的地方，如图2所示。这使网络规划人员能够在每项服务的延迟和回程带宽要求之间实现最适当的权衡。

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图2 用于5G前传的TSN

分割功能节点之间的接口被称为前传接口，TSN正是在这里发挥重要作用。例如，无线电单元（RU）和分布式单元（DU）之间的接口基于增强型公共无线电接口（eCPRI），该接口依赖于以太网，而中央单元（CU）和DU之间的接口是基于以太网。因此，这两个接口都可以基于TSN。

对TSN的支持需要升级或替换当前的以太网节点，以支持TSN机制和时间同步，但这并非一个苛刻的要求。5G性能的提升，需要在以太网节点中支持时间同步，以保证端到端的延迟和抖动性能。使用CUC和CNC实例的集中管理模式与5G中使用的SDN控制器管理模式兼容，并且可以使用其中现有的管理协议和模型，如NetConf和Yang。

IEEE 802.1CM前传时间敏感网络是一个定义TSN功能和协议的标准，主要用于支持前传流量的传输。它包括A和B两个配置文件，分别为满足1类和2类网络的要求而设计。1类网络基于4G RAN基带处理单元（BBU）和射频拉远头（RRH）之间使用的通用公共无线电接口（CPRI）前传接口，而2类网络基于eCPRI前传接口。此外，描述了四类（A+、A、B和C）的时间同步要求，定义了每一类的时间误差预算。

1.2 用于5G移动网络共享的TSN

IEEE以太网TSN工作组有一个活跃的项目，其主要任务是探索TSN在5G网络(https://1.ieee802.org/tsn/802-1df/)中的适用性，即IEEE802.1DF中的服务提供商网络的TSN配置文件。考虑到5GRAN中的单元密度和设备数量，预计移动服务提供商将需要共享5G网络基础设施。5G网络切片可用于保留5G RAN中的虚拟资源，以支持第三方通过5G网络向其客户提供的服务。然而，在这些情况下，保持服务水平协议（SLA）将是至关重要的，特别是对于URLLC服务和其他时间敏感的应用。TSN能够在同一个基于以太网的网络基础设施上同时支持尽最大努力和时间敏感的应用，这使得它作为支持网络共享的一种非常有吸引力手段。

2. 用于工业自动化的TSN

工业自动化是对TSN最感兴趣的领域之一。目前，工业4.0正在将生产设置转变为“智能工厂”，能够根据工厂车间中数字传感器网络的连续反馈自动重新配置。这些传感器可提供关于状态和事件的实时反馈，它们可以是独立的，也可以是工厂机器中的“代理”。为了使智能工厂实现自动重新配置，来自传感器的数据以时间同步的方式进行快速传输是至关重要的。反馈延迟会导致对关键事件的反应不完整或延迟，甚至对数据的误解导致意外的后果，这可能是昂贵的甚至是危险的。

虽然今天的工厂已经实现了大量的自动化，但它往往会涉及不同的协议，从而需要用昂贵的网关进行互连，这将带来额外的成本甚至产生更多复杂问题。如果可以使用一个单一的网络就可以避免，例如，ISA-95一级现场总线，如Profibus，通常处理实时生产过程传感器之间的低级通信，而Ethernet和IP网络用于更高ISA-95级别的更大、更少的通信，以进行监控控制和调度。

有了TSN，就可以用一个与更高级别的以太网网络兼容的网络来取代1级总线，而不需要使用网关，如图3所示。TSN可以提供工业传感器网络所需的可靠性和延迟控制，并可用于向监督控制实体可靠地传送数据。此外，资源管理模型提供了配置和管理TSN网络的灵活性，其方式与工业4.0所需的其他管理系统兼容。

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图3 工业自动化中的TSN

3. 用于车载通信的TSN

车辆越来越依赖传感器网络来提供关于驾驶体验的实时反馈，并确保驾驶安全。车载网络通常依赖于工业总线系统，如CAN和MOST总线进行通信，但随着传感器和车载计算资源变得更加复杂，车载网络不得不扩展带宽，而这对总线系统来说是一个挑战。

CAN和LIN总线是为低速通信和控制而设计的。像FlexRAY这样的总线能够提供高达10Mbps的速度，但成本较高。高保真传感器和摄像头以及信息娱乐系统的广泛使用导致车载网络必须采用更高速的总线系统，如MOST以及LVDDS、CML等物理层，但这些技术的实现可能是厂商专属的。

推出以太网的最初目的是为了扩展带宽，但现在汽车生产商正在考虑将TSN作为所有车内通信的基础，因为它可以提供现代汽车所需的可靠和实时通信，如图4所示。例如，自动驾驶汽车的最终目标需要一个高带宽和可靠的通信网络来实时传递时间敏感的传感器信息，既要在车内，也要通过5G移动网络到中央控制中心。另一个考虑因素是成本。以太网的普遍实施以及定义明确的标准有望通过简化车载网络和取代更昂贵的专有组件来降低成本。
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图4 用于车载通信的TSN

4. 用于航空电子设备的TSN

虽然IEEE已经为5G前传、服务提供商网络、工业自动化和汽车车载通信定义了配置文件，但还没有为航空电子设备定义类似的配置文件。然而，航空电子领域是一个可以从TSN技术发展中大大受益的细分市场。航空电子设备与汽车车载通信有着类似的挑战，因此可以用类似的方式使用TSN来简化航空电子设备网络，并提供一个单一的、具有成本效益的通信网络。今天的航空电子网络使用时间触发以太网（TTEthernet），这是航空电子全双工交换以太网（AFDX）的一个时间关键型网络演化。它在SAE AS6802中被标准化，并根据离线计划表和全球同步提供严格的数据定时传输。

2019年10月，SAE标准组织成立了一个名为Aerospace TSN Profile（AS6675）的工作组，以开发适用于航空电子案例的以太网TSN配置文件。SAE组织正在与IEEE 802.1合作开发航空领域的TSN配置文件。