5G型WTSN為TSN帶來時間同步、有限延遲、側鏈和跨裝置類別的互通性等功能。然而，就目前技術仍尚未穩定成熟，雖然部署仍尚之過早，但3GPP、IEC、IEEE和市場也正努力整合5G與TSN，以建構WTSN/TSN組合式工業網路。
越來越多應用部署了時效性網路(TSN)。但對於5G型無線時效性網路(WTSN)來說，為時尚早。WTSN將開啟新的應用，例如行動機器人(AMR)、電網、化工廠、智慧城市和其他地理位置分散的應用，以及無法連線到有線TSN網路的汽車和交通系統。
WTSN將為TSN帶來革命性新功能，它也會提高部署彈性並降低TSN安裝成本。5G型WTSN的部署時機已逼近，但尚未成熟；市場不斷發展並出現必要標準，軟硬體也正在開發當中。
整合5G與TSN IEEE 802.1 TSN具四大優勢
許多工業應用需要快速、確定的通訊以便進行即時控制。為提高乙太網的確定性，IEEE 802中進行了新的定義。為保證5G通訊的低延遲，第三代合作夥伴計畫(3GPP)第16版新增了對TSN協定整合的支援。即將發布的第17版將強化5G對WTSN的支援。即將發布的IEC/IEEE 60802設定檔明確說明TSN在工業自動化的應用，並針對TSN所需的5G支援提供了準則。
除了3GPP、IEC和IEEE之外，市場也正努力整合5G與TSN，以建構WTSN/TSN組合式工業網路。歐盟資助的5G-SMART是由產業夥伴和研究機構組成的聯盟，旨在探索5G支援的智慧型製造概念(包括WTSN)。5G工業聯網自動化聯盟(5G-ACIA)已確定5G必須具備何種條件才能與TSN互通，以達成工業自動化所需的所有基本功能。
IEEE 802.1 TSN標準包括四大領域：時間同步、有限延遲、可靠度，以及資源或網路管理。本文著眼於在這四大領域中每個領域如何對應到5G，並探討5G如何將WTSN推向下一代工業自動化裝置和工業物聯網(IIoT)。本文也檢視第16版、第17版和IEC/IEEE 60802的現有與新興標準，著眼於如何透過側鏈啟用的直接裝置對裝置通訊來增強5G超可靠低延遲通訊(URLLC)，同時不必透過網路中繼數據進行通訊。此外，本文也考量了無線電頻譜選項和部署選擇，例如公共/私人混合型網路和網路切片的架構。
5G時間同步
向基本5G服務靠攏並未導致對無線電網路時間同步的需求發生任何重大變化，但WTSN對5G節點的本地同步精準度的要求將更趨嚴格。電信產業已將IEEE 1588精確時間協定(PTP)標準化，以便支援毫秒(ms)範圍內的同步要求。3GPP TS 23.501規範明訂了如何將5G網路整合到TSN同步網路並支援WTSN。IEEE 1588包括具體應用開發的設定檔。其中一項結果，是TSN標準中的IEEE 802.1AS通用PTP(gPTP)設定檔及實現TSN設定檔定義的工業自動化。
數秒內即可快速啟始化和時間同步等優點將嘉惠工業自動化網路。此外，市場也希望運用低成本且振盪器精度較低的現成網路互連卡。與其他PTP執行方案使用的物理同步(對齊頻率)技術相比，gPTP使用邏輯同步技術，搭配路徑和裝置延遲的即時測量，以便快速並準確地對齊時間。
時間註記訊息的交換，將用於把時間自主時鐘傳送至各種橋接器和端點裝置。與其他PTP執行方案不同，gPTP在運作時還使用時間註記訊息計算頻率偏移，並針對偏移進行調整。
5G有限延遲
URLLC和側鏈是第17版的關鍵特點，它們支援WTSN中的有限(超低及確定)延遲。URLLC旨在確保數據延遲介於數十毫秒到1毫秒的具體範圍內，同時根據應用規定，確保理想可靠度位於99%到99.999%之間。
如上所述，側鏈是一種新的通訊典範，使5G裝置毋須轉遞訊息，就能透過網路直接通訊。在傳統的上行鏈路和下行鏈路中，網路集中控制資源及連結適應。在側鏈中，每個裝置都在本機執行這兩種功能，進而更精準地控制網路資源的使用。即將發布的第17版預計將強化對側鏈中繼甚至多鏈中繼的支援。由於側鏈功能日益豐富，側鏈和URLLC的結合將提高在IIoT使用5G型WTSN的支援(圖1)。
圖1 側鏈使網路裝置無需轉遞數據，就能透過網路直接通訊，並可望將WTSN 5G深入拓展至IIoT
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側鏈支援5G的擴充用例。例如在重要的工業應用中，將通訊鏈路限制為單點跳躍可大幅降低延遲度。公共安全網路也可以自側鏈提供裝置間直接通訊的性能中受益。在毫秒必較的應用中，由於透過5G基地台可將兩點跳躍通訊變成單點跳躍的裝置到裝置間連結，進而改善相關性能及延遲度，預計側鏈將是一項重大發展。
在IIoT網路中使用時，側鏈多點跳躍中繼的未來迭代將支援低功耗。另一個潛在用例是多點跳躍中繼，使用數個側鏈連結，在裝置間進行跳躍，克服鏈路預算限制，最終甚至取代目前連接IIoT裝置的部分藍牙和Wi-Fi鏈路。
IEC/IEEE 60802標準2022發布統合網路WTSN
即將出爐的IEC/IEEE 60802標準將為工業自動化統合網路的互通性奠定基礎。這些統合網路包括工業乙太網和無線通訊(包括5G和/或Wi-Fi通訊)。IEC/IEEE 60802是IEC SC65C/MT9和IEEE 802共同開發而成，預計2022年首次正式發布。這項標準將包括TSN在工業自動化中應用資訊，包括整合5G型WTSN的準則。一旦發布，用於建構TSN/WTSN網路的所有組件都將採用IEC/IEEE 60802進行標準化。
IEC/IEEE 60802包含兩種裝置類型－即網橋和終端站。該標準一開始將包括這兩種裝置類型的兩類裝置。功能豐富的裝置將被稱為A類。B類裝置支援的功能較少。屬於同類的裝置將具有相同的強制性及選擇性TSN/WTSN功能。
所有裝置類型和類別都需要鏈路層發現協定(LLDP)(802.1AB)和時間同步。LLDP支援發現網路拓撲和鄰居資訊。在時間同步的情況下，A類裝置至少支援三個時域，B類裝置至少支援兩個時域。A類裝置將需要支援各種TSN功能，包括計畫流量、幀搶占、每流過濾和監管、幀複製和可靠性消除(FRER)以及TSN配置，但這對於B類裝置來說是可選的。
IEC/IEEE 60802的最終目標是為工業自動化提供結構健全的TSN/WTSN設定檔。同時，該設定檔也相當靈活，並提供各種選項以支援統合網路的部署，進而有效統合各種協定到單一網路中。
WTSN專用5G網路
統合部署可能會在私人5G網路(也稱為非公共網路 (NPN)上首次執行。除了支援統合網路，5G也提供了支援各種工業應用需求的統一架構，包括三大服務類別：連接密度高達每平方公尺100個節點的巨量多機器型態通訊(mMTC)、最高資料速率高達10Gbps的增強型行動寬頻通訊(eMBB)和延遲低至1毫秒及可靠度大於99.999%的URLLC。用戶可藉由不同的選擇優化具體應用的服務品質(QoS)。5G與4G或Wi-Fi等其他無線科技不同，能為關鍵工業應用提供具保證的服務品質。
5G非公用網路(NPN)的部署不限於有執照頻譜；它也可利用無執照頻譜，例如Wi-Fi、藍牙、ZigBee和其他協定已經使用的2.4GHz、5GHz和6GHz頻譜。無執照頻譜原則為開放共享，且已含在部分4G-LTE網路中。無執照頻譜中的5G有兩種執行方式。
獨立的無執照NPN完全在無執照的頻譜中運作。預計5G的無執照營運將由不提供公共行動網路服務且鎖定非關鍵用例的私人組織為主。它主要誘人的一點是可以不須在昂貴的有執照頻譜就能進行部署。Multefire協定是4G在無執照頻譜對應的執行方案。它使用競爭式(LBT)協定與同頻帶內的其他頻譜用戶有效共存。如果沒有側鏈，在獨立的無執照頻譜部署5G可能無法達成超低延遲的目標。
使用有執照和無執照頻譜組合的NPN稱為許可錨操作。LTE的相對功能是授權頻帶輔助 (LAA)，其中無執照頻帶用於補足可用的有執照頻帶。由營運商部署且需要額外性能的私人網路，預計將使用有執照的錨點操作。
5G網路切片滿足異質工業通訊
網路切片是網路工程師最得益於5G重點工業應用的另一種工具。網路切片是5G的新概念，它能在單個實體基礎設施上建立數個邏輯網路。每個邏輯網路都可以根據具體應用要求量身打造。例如業務流程、物流營運及特定時間的流程和製造等各種功能，都可以在專用的隔離網路上運作。在網路內建構網路對於統合網路和NPN應該特別有用。
網路切片可成為資源及網路管理的強大工具。例如，公用5G網路可加以分割，納入特定活動專用的獨立私人5G網路。5G NPN可滿足不同服務品質需求的各種異質工業通訊要求。部分切片可專用於非時效性通訊，而其他切片可支援工業流程閉迴路控制所需的中等服務品質，還可建立專用切片，以提供行動機器人等即時通訊所需的高服務品質。
網路切片可用於改善運算、儲存和一般網路資源的管理，以有效提高組織整體資源利用率。它還可針對安全、隱私、使用層級等量身打造特定切片的策略。
5G型WTSN加快智慧製造發展
5G型WTSN將為TSN帶來革命性新功能，但以部署而言，仍言之過早。一旦時機來臨，時間同步、有限延遲、側鏈和跨裝置類別的互通性等功能將協助加速5G型WTSN的部署。它能支援統合網路、專用網路和網路切片，藉以改善資源分配和網路管理。而5G型WTSN將提高部署彈性並降低目前安裝TSN的成本。
(本文作者任職於貿澤電子)