工業自動化、軌道交通運輸、綠能與風力發電等領域，通常運行於艱困環境，為了保障人身安全與製造效率，對於精確定時、時間同步傳輸的要求更甚以往，而5G與TSN可說是新世代無線和有線技術的明日之星，預期兩者合作將發揮強強聯手的綜效，體現定時、同步傳輸的價值。
現有的工業網路系統架構在全球有多種參考模型，例如ISA-95參考模型、思科(Cisco)的訊息系統整體框架及其CPwE(Converged Plantwide Ethernet Architecture)聯合架構、美國的NIST智慧製造生態體系模型，德國的RAMI 4.0(Reference Architecture Model Industry 4.0)，以及中國的「國家智能製造標準體系建設指南」智慧製造系統架構等。借助無線通訊技術由終端設備、接入網和核心網來實現數據和控制訊號端到端的傳輸。
u-blox蜂巢式產品中心5G技術主管暨英國UK5G諮詢委員會委員陸曉(圖1)表示，工業4.0無線端對端通訊要求相對於傳統無線通訊要求要高得多，對於不同的應用場景、網路的服務品質機制(Quality of Service, QoS)、可靠性與安全性要求皆大不相同。舉例來說，控制級通訊對於即時性(Real-time)要求達毫秒等級低延遲、可靠性則必須達99.9999%的水準，不僅如此，抗干擾性和安全性的要求等級也相對較高。雖然新設備的引入會增加投資成本，但從長遠來看，5G技術的引入將簡化工廠布局和靈活度，為工業製造業帶來新的應用場景和商業模式，從而加速工業領域的數位化進程。
圖1 u-blox蜂巢式產品中心5G技術主管暨英國UK5G諮詢委員會委員陸曉表示，5G通訊技術的引進將為工業製造帶來嶄新的應用場景和商業模式。
IEEE 802.1工作組主席Glenn Parsons(圖2)認為，只有標準化的無線技術才能實現關鍵物聯網(Critical IoT)應用。5G做為工業通訊的單一無線技術，適用於所有聯網標準，包含802.15.4、WirlessHART、ISA100.11與Wi-Fi的聚合，其本身可提供工業應用場景降低布線/開發成本與靈活性。
圖2 IEEE 802.1工作組主席Glenn Parsons表示，5G-TSN的整合是工業物聯網系統中非常重要的組成。
另一方面，TSN技術本身可提供安全可靠地傳輸數據、保證數據傳輸的低延遲、聚合不同的網路節省運營成本、簡單的系統配置和操作和開放的生態系統，兼具高流量融合(High Traffic Mix)、確定性(Deterministic)、低延遲、安全、可靠與高吞吐量等效能，在傳統昂貴、分散、不可互操作和分段的通訊基礎架構中，可說是帶來一束曙光，點燃工業物聯網端到雲的互連互通願景。
Parsons表示，傳統服務(Traditional Service)的通訊聯網技術，其傳輸的曲線具有長尾，本身有良好平均延遲，但若要進一步降低延遲，可能需要更多的傳輸預留空間，意味著有掉封包的可能性；相較而言，確定性服務(Deterministic Service)，也就是如TSN、5G的技術，遺失封包的原因大多來自於設備故障的問題，本身有限制延遲的功能，可在正確的時間點傳輸正確的封包，沒有長尾曲線的問題(圖3)。
圖3 傳統服務與確定性服務比較圖
3GPP積極擬定標準 5G-TSN發展前景可期
陸曉指出，3GPP工作小組在TSN和5G網路結合上提出了幾個方案。TSN主要是通過802.11AS/gPTP協定來實現同步，例如針對單一時域，5G系統和TSN的協同則需要通過解讀gPTP協定來實現協同工作。如圖4所示，UPF(User Plane Function)引入並做為5G系統和TSN的橋樑。在5G系統另一端，在UE端和End Station終端分別引入新的介體來解讀並傳輸時域和同步訊號。
圖4 使用外部時鐘模式方法進行時間同步的概述
資料來源：3GPP TS 23.734
Parsons談到，5G-TSN的整合是工業物聯網系統中非常重要的組成。3GPP R16提供了整合5G-TSN的工具，像是5G需要支援TSN的控制器協作(802.1Qcc)、時間同步(Time Synchronization)(802.1AS)、TSN限制延遲(Bounded Latency)(如802.1Qbv)與TSN可靠性(802.1CB)要求等面向。
隨著R16最終版本底定在即，R17具體標準制定方向會在2019年年底在3GPP全會上確認，屆時也會落實TSN在R17的制定方向。從現有的產業討論方向來看，主要方向以優化TSN為首要，例如減少訊號跳動(Jitter)、延遲、增強同步性，以及擴展TSN應用場景等重點。
吉康科技業務經理顏嘉俊(圖5)表示，過去TSN技術需求較小，沒有真正落地的實際案例，直到近兩年開始陸續有相關方案出籠，因此也刺激一波測試上的需求。一般而言，5G-TSN測試設備通常要求需具備10ns等級的延遲，儀器本身誤差需要低於1ns。
圖5 吉康科技業務經理顏嘉俊表示，5G-TSN強調ns等級的時間同步性能，相較於規格確認，其效能驗證才是測試的主軸。
需達10ns延遲等級 5G-TSN測試挑戰大
顏嘉俊提到，現今可以提供5G-TSN測試方案的廠商屈指可數，而唯一可滿足時間同步測試需求的廠商大概只有Calnex，其因在於一直以來時間同步測試的需求始終存在，但尚屬於小眾市場，故提供相關方案的廠商不多，但隨著5G商用發展的刺激，TSN時間同步的測試需求也隨之而增。
整體而言，TSN測試重點著重於規格確認和效能測試。前者只要確認規格正確性即可，後者才是TSN測試的重頭戲，進行TSN效能驗證部分，包含雜訊產生(Noise Generation)、雜訊容忍(Noise Tolerance)、雜訊傳遞(Noise Transfer)與瞬態響應(Transient Response)等重點，用以評估晶片本身的性能。換言之，TSN測試條件是性能取向，故不僅晶片本身需要做測試，就連TSN設備也要進行測試，其測試方法皆為一致。
顏嘉俊認為，將TSN當作骨幹網路是5G落地最理想的方案。主因是採用TSN可簡化光纖布建與降低成本，同時可沿用既有的光纖，透過網路設備升級的方式擴增頻寬，為5G時間同步效能帶來強勁的助力。相較於過去4G時期，基地台與基地台之間僅需解決干擾消除的問題，5G時代則是更要求基地台間的協作，也就是不同基地台之間合作傳遞資料到接收端，此舉意味著基地台間的延遲不能大於±100ns，否則會遺失訊框，導致資料重傳的問題，也因如此在測試設備上需要具備10ns的效能證明。
現階段5G正在起步當中，雖說已有部分業者進行相關測試，但顏嘉俊分析，實際5G相關布建數量真正起飛時間點預計在2020年上半年，屆時將有更多廠商投入測試。以台灣而言，測試需求大多來自於網通廠商，像是提供高階交換器(Switch)及GPON方案供應商，詢問熱度不斷升溫，如台達、緯創、MOXA、研華、正文與智易等廠商皆對5G-TSN測試有濃厚的興趣。