Rozszerzanie możliwości standardu TSN na 5G i inne sieci bezprzewodowe

Sieci TSN przyciągnęły ostatnio większą uwagę firm produkcyjnych, ponieważ możliwości takie jak oferowane przez technologię 5G stały się bardziej dostępne dla przemysłu. Korzyści te obejmują szybszy przesył danych, lepszą mobilność i wysoką niezawodność.

Sieci wrażliwe na czas (time-sensitive networking ? TSN) zyskują obecnie na popularności w zastosowaniach w przemyśle produkcyjnym, ponieważ możliwości oferowane przez technologię 5G stają się bardziej dostępne. W przemyśle potrzebne jest bowiem szybkie i precyzyjne przesyłanie danych. Członkowie konsorcjum Avnu Alliance, (konsorcjum firm przemysłowych współpracujących nad ustanowieniem i uzyskaniem certyfikatów dla interoperacyjności otwartych standardów audio-wideo AVB oraz sieci TSN): Dave Cavalcanti, główny inżynier w firmie Intel, Stephen Bush, starszy naukowiec w firmie GE oraz Alon Regev, starszy dyrektor ds. rozwoju produktów w firmie Keysight Technologies, przedstawiają w artykule praktyczne informacje na temat korzyści płynących ze standardów TSN dla producentów oraz perspektywy na przyszłość.

Pytanie: Dlaczego sieci wrażliwe na czas (TSN) przyciągają obecnie uwagę specjalistów od standardów i protokołów komunikacji bezprzewodowej? Jak wygląda rynek w tej branży?

Dave Cavalcanti: Będące częścią IEEE 802.1 standardy Sieci Wrażliwych Na Czas (TSN) zostały znacznie rozbudowane w ciągu ostatnich trzech do pięciu lat w branży przemysłowej, stając się coraz częściej wdrażaną technologią w ramach Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) i na halach produkcyjnych. Jednocześnie inne rynki, takie jak profesjonalnych mediów (audio-wideo), również rozszerzają adaptację sieci TSN za pomocą rozwiązań takich jak protokół Milan, tworząc połączenie między audio-wideo, informatyką oraz elektroniką, aby umożliwić prawdziwą konwergencję technologii operacyjnej z informatyczną (OT/IT).

Ostatnie postępy w technologiach łączności bezprzewodowej 5G i opisanych w standardzie IEEE 802.11, polegające na zapewnianiu niskich opóźnień (latencji) i wysokiej niezawodności przesyłu danych, wywołały znaczne zainteresowanie rozszerzeniem możliwości sieci TSN o komunikację bezprzewodową. Systemy komunikacji bezprzewodowej są korzystne z wielu powodów, w tym ze względu na umożliwienie elastyczności i redukcję kosztów instalowania (eliminacja okablowania), a także na umożliwienie mobilności.

Funkcja centralnej konfiguracji użytkownika (central user configuration ? CUC) jest połączona z urządzeniami końcowymi, a funkcja centralnej konfiguracji sieciowej (central network configuration ? CNC) jest połączona z mostkami sieci wrażliwej na czas (TSN). | Źródło: Avnu Alliance

Pytanie: TSN był i jest standardem opartym na sieci Ethernet. Co oznacza termin ?bezprzewodowy TSN??

Dave Cavalcanti: Chociaż istnieje kilka standardów IEEE 802.1 dla sieci bezprzewodowych, to większość wdrożeń profilowanych specyficznie dla rynku, testy interoperacyjności i prace nad certyfikacjami, które są realizowane przez konsorcjum Avnu, skupiają się na Ethernecie jako głównym medium transportowym. W miarę jak zaczynają być wdrażane urządzenia i sieci w standardzie TSN, naturalnym kolejnym krokiem jest umożliwienie rozszerzenia podobnych funkcjonalności na sieci bezprzewodowe. Przewiduje się, że zastosowanie sieci TSN rozszerzy się od domen przewodowych (Ethernet) do bezprzewodowych. Termin ?Bezprzewodowy TSN? (?Wireless TSN?) jest używany w odniesieniu do sieci bezprzewodowej, która rozszerza możliwości sieci TSN opisanych w standardzie IEEE 802.1 na media bezprzewodowe. Łącza bezprzewodowego standardu TSN mogą umożliwić bezprzewodowy dostęp do urządzeń końcowych i zasobów obliczeniowych, a także rozszerzyć zasięg przewodowych sieci TSN. Ale nie każda technologia bezprzewodowa może obsługiwać funkcje TSN. Dlatego grupa Wireless TSN w konsorcjum Avnu zdecydowała się zawęzić naszą uwagę do standardów IEEE 802.11/Wi-Fi i 5G, biorąc pod uwagę najnowsze postępy i dostępne funkcje umożliwiające osiągnięcie wydajności na poziomie TSN przez te dwie technologie.

Stephen Bush: Aby wykorzystać standardy TSN opisane w IEEE 802.1 oraz ekosystem stworzony wokół nich, ważne jest, aby umożliwić bezproblemowe działanie i interoperacyjność między domenami TSN przewodowymi i bezprzewodowymi. Niektóre wyzwania związane z mapowaniem możliwości przewodowych sieci TSN na bezprzewodowe obejmują fundamentalne różnice między komunikacją bezprzewodową i przewodową ? zmienna przepustowość łączy bezprzewodowych oraz pakietowa stopa błędów (packet error rate ? PER), która jest zazwyczaj wyższa w przypadku sieci bezprzewodowej. Innym ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę, jest natura rozchodzenia się medium bezprzewodowego (fal radiowych). Choć może to otwierać możliwość dotarcia do większej liczby urządzeń za pomocą jednej transmisji danych, jest również bardziej podatne na zakłócenia. Bardzo ważny jest zarówno skoordynowany dostęp do medium, jak i odporność na zakłócenia.

Pytanie: Jakie są niektóre korzyści z wdrożenia bezprzewodowej sieci TSN?

Dave Cavalcanti: Rodzinę TSN standardów 802.1 można podzielić na cztery główne obszary, z których większość jest bezpośrednio związana z wektorem wydajności; synchronizacja czasu, ograniczona latencja, niezawodność przesyłu i możliwości zarządzania zasobami lub siecią. Każdy z tych obszarów zapewnia wyjątkowe korzyści w zakresie wydajności, które również przyczynią się do sukcesu we wdrożeniu sieci bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi lub 5G. Te cechy bezprzewodowych sieci TSN umożliwią szybką komunikację wraz z uzyskaniem korzyści pod względem elastyczności i mobilności, jakie daje łączność bezprzewodowa.

Na przykład, biorąc pod uwagę, że strumienie ruchu sieciowego mogą być jednoznacznie identyfikowane z sieci Ethernet do Wi-Fi i 5G, możliwe jest zastosowanie mechanizmów kształtowania ruchu w sieciach standardu 802.11 i 5G. Koncepcję TSN, polegającą na planowaniu zorientowanym na czas, 802.1Qbv (Enhancements for Scheduled Traffic), można następnie zastosować w sieciach bezprzewodowych w celu nadania priorytetu ruchowi i uniknięcia opóźnień związanych z przeciążeniem sieci. Harmonogram uwzględniający czas musi uwzględniać zarówno realne szybkości transmisji danych, które można osiągnąć w każdym łączu bezprzewodowym, jak i ilość zasobów, takich jak przepustowość, energia czy pamięć, zużywanych przez każdy węzeł w sieci (ang. network overhead), wynikających z procedur dostępu do medium. W związku z tym zarówno minimalne granice opóźnień, jak i liczba strumieni ruchu sieciowego, które mogą być obsługiwane przez bezprzewodowe łącze TSN, będą się różnić od przewodowego (Ethernet) łącza TSN. W naszych opublikowanych materiałach informacyjnych na ten temat szczegółowo omawiamy każdą z tych korzyści związanych z TSN.

Alon Regev: Ważne jest, aby uwzględnić fakt, że ponieważ wiele standardów bezprzewodowych (takich jak IEEE 802.11 i 3GPP) rozwija możliwości sieci TSN, to oczekuje się, że przyszłe domeny TSN zostaną rozszerzone o rozwiązania bezprzewodowe oparte zarówno na 802.11, jak i 3GPP. Aby wykorzystać istniejące standardy i ekosystem TSN, ważne jest zdefiniowanie wspólnego modelu integracji technologii bezprzewodowych z domeną TSN. Nowy interfejs abstrakcji dla bezprzewodowego TSN powinien określać jasne wymagania dotyczące usług i możliwości, oczekiwanych od standardów bezprzewodowych, takich jak IEEE 802.11 i 5G.

Połączenia przewodowe i bezprzewodowe są powszechne w całym obszarze produkcyjnym i mają wpływ na prawie wszystko. | Źródło: Avnu Alliance

Pytanie: Czy możecie podać kilka przykładowych przypadków użycia bezprzewodowego TSN w pracy w systemie?

Stephen Bush: W systemie automatyki przemysłowej ważnym przypadkiem użycia są roboty mobilne, ponieważ łączność bezprzewodowa ma fundamentalne znaczenie dla mobilności, elastyczności oraz rekonfiguracji zadań i trajektorii ruchu robotów. Wymagania dotyczące opóźnień i niezawodności przesyłu danych dla robotów mobilnych są zgodne z możliwościami najnowszych technologii bezprzewodowych. Sieci elektroenergetyczne są kolejnym interesującym przypadkiem zastosowania bezprzewodowego standardu TSN, ponieważ mają one zróżnicowane obszary pokrycia, które mogą się różnić od lokalnych (takich jak podstacja) do rozległych (dystrybucja i przesył energii). Przemysłowe systemy sterowania również mogą skorzystać na łączności bezprzewodowej, ale będą wymagały najwyższego poziomu determinizmu i niezawodności oraz będą polegać wyłącznie na standardzie IEEE 802.1Qbv do harmonogramowania przez łącza bezprzewodowe.

Alen Regev: Inne przypadki użycia, które wymagają sieci obsługujących standard TSN, takie jak aplikacje motoryzacyjne i transportowe, również mogą uzyskać korzyści z łączności bezprzewodowej. Na przykład wiązka przewodów, wykorzystywana w instalacjach elektrycznych samochodów, samolotów czy pociągów, znacznie zwiększa koszty produkcji. Jeśli technologie bezprzewodowe są w stanie zapewnić wymaganą wydajność mediów w technologii TSN, przyniesie to wartość dla takich systemów. Jednak rynek transportowy ma również rygorystyczne wymagania i przepisy dotyczące opóźnień przesyłu danych, bezpieczeństwa, a przypadki użycia, które wymagają czasu cyklu poniżej 100 mikrosekund, są obecnie uważane za wykraczające poza zakres łączności bezprzewodowej. Oczekuje się jednak, że zmieni się to wraz z ewolucją technologii bezprzewodowych.

Pytanie: Pod jakim względem bezprzewodowa sieć TSN jest korzystna dla systemów przemysłowych?

Stephen Bush: Rynek przemysłowy posiada najbardziej zróżnicowany zbiór przypadków użycia i wymagań dotyczących bezprzewodowych sieci TSN i wzbudził duże zainteresowanie. Stało się to bodźcem do opracowania nowej kategorii usług dla sieci 5G ? URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communications, ultraniezawodny przesył danych z niską latencją) oraz niedawnych ulepszeń w standardzie IEEE 802.11 (takich jak IEEE 802.11be), przy czym kilka przemysłowych zastosowań zostało już szczegółowo przechwyconych przez Grupy standardów GPP, 5G ACIA oraz IEEE 802.113. Sterowanie w pętli zamkniętej w przemyśle jest jednym z najpowszechniejszych przypadków użycia, biorąc pod uwagę ogólny model pętli sterowania (sygnał wejściowy + przetwarzanie danych + sygnał wyjściowy dla elementów wykonawczych), ale określone wymagania dotyczące opóźnień i niezawodności przesyłu danych różnią się znacznie w zależności od aplikacji.

Przypadki użycia związane ze sterowaniem elementami sieci energetycznej zostały również opisane w grupie IETF DetNet. Jednym z unikatowych aspektów, które należy wziąć pod uwagę w niektórych systemach sieci elektroenergetycznych, jest wymagany obszar zasięgu, który może się różnić od lokalnego (podstacja) do rozległych obszarów (dystrybucja i przesył energii). Przemysłowe systemy sterowania wymagają najwyższego poziomu determinizmu i niezawodności i opierają się wyłącznie na zaplanowanej komunikacji zapewnianej przez standard IEEE 802.1Qbv.

Ponieważ wiele standardów bezprzewodowych rozwija możliwości sieci TSN, oczekuje się, że przyszłe domeny TSN zostaną rozszerzone o rozwiązania bezprzewodowe oparte na standardach 802.11 i 3GPP. | Źródło: Avnu Alliance

Pytanie: Jakie są niektóre cele grupy roboczej ds. bezprzewodowych sieci TSN w Avnu Alliance?

Alen Regev: Pomimo znacznego rozmachu i postępów, potrzeba więcej pracy, aby wprowadzić na rynek produkty wykorzystujące możliwości bezprzewodowych sieci TSN. Na przykład należy jeszcze opracować interfejsy konfiguracyjne TSN oraz parametry i procedury testowe dla sieci bezprzewodowych. Dlatego też w ramach konsorcjum Avnu Alliance utworzyliśmy grupę roboczą WTSN ds. bezprzewodowych sieci TSN. Prace tej grupy roboczej wykazały jasno, że ??ważne jest rozpoczęcie na wczesnym etapie dyskusji i uzgodnienie tematów, takich jak jednolite interfejsy TSN dla technologii przewodowych i bezprzewodowych, testowanie interoperacyjności i prace nad certyfikatami. Te i inne działania ekosystemu będą musiały zostać uwzględnione w pracach, aby zapewnić jednolite usługi TSN w przewodowych i bezprzewodowych warstwach fizycznych, które odpowiadają rzeczywistym potrzebom użytkowników w różnych branżach.

Dave Cavalcanti: Niedawno opracowaliśmy materiały informacyjne konsorcjum Avnu Alliance na temat bezprzewodowych TSN (dostępne tutaj), w których omówiono różne możliwości bezprzewodowych sieci TSN na wielu rynkach. Materiały te zostały zatytułowane ?Bezprzewodowe sieci TSN ? definicje, mapa drogowa przypadków użycia i standardów? (?Wireless TSN ? Definitions, Use Cases & Standards Roadmap?) i opublikowane przez konsorcjum Avnu Alliance. Publikacja ta wprowadza podstawową terminologię, opisuje przypadki użycia i standardy rozszerzania możliwości technologii TSN na sieci bezprzewodowe. Jej celem jest wprowadzenie koncepcji bezprzewodowych sieci TSN oraz rozpoczęcie definiowania pracy wymaganej w konsorcjum Avnu w celu przetestowania, certyfikacji i przygotowania tej technologii do wprowadzenia na rynek.


Dave Cavalcanti, główny inżynier w firmie Intel, Stephen Bush, starszy naukowiec w firmie GE, Alon Regev, starszy dyrektor ds. rozwoju produktów w firmie Keysight Technologies.