香港应用科技研究院：基于软件的时间敏感网络（5G TSN）方案，助力实现智能工业化网络

香港应用科技研究院（应科院）将在9月25日到27日在北京举行的中国国际信息通信展（https://www.ptexpo.com.cn/index.html）演示5G TSN技术，及9月24日到28日在上海举行的第24届中国国际工业博览会（https://www.ciif-expo.com/），联合CC-Link协会（CLPA）演示5G TSN对实时无线运动控制。

时间敏感网络，实现智能工业化网络的基石

IT（Information Technology）网络和OT（Operational Technology）网络是企业基础设施中的两个重要组成部分。IT网络主要管理数据、通信和业务应用，通常涉及计算机、服务器和互联网连接。OT网络则专注于工业操作，如监控和控制物理设备，常用于制造、能源和交通等行业。

TSN（时间敏感网络）是一组 IEEE (电机电子工程师学会)标准，用于确保 “以太网” （Ethernet）中的低延迟。该标准确保两个设备之间的“TSN 流” 延迟保持低于某个限值（例如 1 毫秒）。TSN技术在IT和OT网络融合中发挥关键作用，提供高确定性和低延迟的数据传输，确保实时通信和精确同步。这对OT网络尤为重要，因为它们需要高可靠性和精确的时间控制。通过TSN，IT网络可以更有效地与OT系统集成，提升工业自动化和智能制造的效率。

此外，TSN还增强了网络的安全性和灵活性，使得IT和OT网络不仅可以无缝协作，还能应对各种工业环境的挑战。这样，企业可以实现更智能化的运营和更高效的数据管理，实现真正的数字化转型。例如，数字孪生技术可以实时模拟和优化生产过程，通过IT网络的数据处理和OT设备的实时反馈，实现精准的虚拟建模和故障预测分析；AI实时质检应用则利用IT的计算能力和OT的设备连接，实时检测产品质量，提高生产线的准确性和效率。

5G 时间敏感网络 (5G Time-Sensitive Networking, 5G TSN) 是 5G 与 TSN 技术的融合，实现基于无线网络的 TSN技术。在工业自动化、智能制造、车联网等时间敏感应用场景中，5G 网络技术是其中一个重要发展方向。有线网络存在移动性差、不灵活、在特殊和高风险环境中难以部署的问题，5G TSN 通过无线通信、时间同步、确定性传输等关键技术的融合，能够满足对移动性工业网络需求。TSN在5G网络超高带宽，超低延迟以及海量接入的网络特性上，为5G网络带来高确定性，超低抖动和冗余流量，使5G网络可以真正应用到对实时性，移动性和故障率要求极高的工厂网络里，完美融合OT和IT网络。

应科院基于软件的5G TSN解决方案及关键部件

5G TSN 端到端系统架构

应科院成功开发了基于软件的5G TSN 解决方案，包括了用于5G TSN 的DS-TT (Device Side TSN Translator) 和NW-TT (Network Side TSN Translator)，以及TSN交换机（图1）。该方案采用应科院自主研发的基于软件的高精度时间同步算法，能够完成纳秒级的高精度时间同步。其基于DPDK+VPP的软件架构，展现出高性能的数据转发和良好的可扩展性。

　　图 1 应科院5G TSN端到端系统架构

在该方案中，不仅所有的二层转发协议是基于软件实现，TSN 相关的协议也是基于软件实现的，例如：IEEE 802.1AS和IEEE 1588 精确时间同步协议， IEEE 802.1Qbv时间感知调度， IEEE 802.1Qbu 帧抢占协议，以及IEEE 802. 1CB帧复制与消除等协议。通过简单的软件配置，该方案可以运行于TSN 交换机， 3GPP 5G NW-TT和 3GPP 5G DS-TT三种不同的工作模式。

应科院开发的5G TSN方案，能运行于各种通用服务器或者小型工业PC上，对硬件的依赖程度低，可以方便的应用于不同的硬件平台以及不同的工业应用场景，包括x86，ARM以及国产硬件平台。通过适用于不同硬件平台，有效减少网络部署成本，提高生产效率，降低故障几率和网络运维成本。

应科院开发的DS-TT模块化软件方案，实现5G TSN 的关键部件

作为5G 时间敏感网络中的一个关键组件，设备侧的TSN转换器（DS-TT）担负着协议转换、时间同步、流量管理等多项重要功能，确保了工业自动化、智能交通等时间敏感无线终端应用能够顺利接入 TSN 网络并获得所需的实时性能。

应科院的基于软件的DS-TT，具备了高精度时间同步通道和5G数据通道协议栈，支持多种TSN协议，其中包括IEEE 802.1AS、 IEEE 802.1Qbv和 IEEE 802.1Qbu，并包含了双时钟域处理、B码处理模块、基础网络转发功能、动态配置管理等特性。该软件方案同时包括了基于Web界面和Rest服务的北向接口，使用NETCONF和gPRC进行南向管理的网管方案，并提供一站式服务，包括24个月的技术支持，代码培训和bug修复服务。商务模式也支持二进制授权或者代码授权等多种灵活方式。

与合作伙伴联手，完成5G TSN和软件方案的DS-TT技术验证

在2024上海世界移动通信大会期间，应科院联合中国联通研究院，英特尔成功现场演示了基于软件的DS-TT方案，並与是德科技演示了5G TSN测试方案的端到端测试(图2)。在该5G端到端的测试结果中，应科院基于软件方案的DS-TT 在TSN时间域的同步精度可以达到600纳秒，端到端高精度时间同步可以小于2微秒，端到端时间抖动可以小于10微秒。

　　图 2 应科院DS-TT 5G端到端测试架构

5G TSN高确定性和纳秒级精准抖动特性，引领工业无线控制升级

5G TSN技术通过提供确定性和纳秒级的超低抖动，可确保数据传输的稳定性和可靠性，使工业自动化系统能够更精确地管理机械设备的动作，减少误差和延迟。此外，5G TSN还能够支持大量设备的同时连接，而不影响各设备的实时性能。

其中超低抖动的特性意味着系统可以在更短的时间内对外部变化做出响应，从而提高了实时性能。这种能力在需要精确控制和快速反应的场景中尤为重要，例如机器人制造、自动化流水线以及远程医疗操作等。在这些应用中，任何延迟或信号不稳定都会导致质量下降或出现安全隐患，因此5G TSN的低抖动能力直接提升了这些系统的可靠性和安全性。

应科院最近进行了5G TSN端到端的机械臂控制测试，图3展示了两种不同情况下的机械臂控制延迟表现。左侧图表描述了在5G端到端网络中未启用时间敏感网络（TSN）的情况下，机器人控制系统的延迟波动显著，出現高抖动现象。延迟的高方差意味着控制信号的传递不稳定，导致机械臂的动作出现波动和滞后，这种不确定性会影响精密操作和系统整体效率。右侧图表则展示了5G端到端网络中启用TSN后的测试结果，其中延迟波动显著降低，抖动几乎不可见。测试结果比较表明，启用TSN后，延迟的方差大大减少，机械臂控制变得更加稳定和流畅，这种稳定性对工业应用至关重要。

　　图 3 5G TSN端到端机械臂控制测试结果

5G TSN技术的应用可以推动工业无线控制的全面升级。通过提供更高的精度和稳定性，它不仅提升了生产效率，还提高了产品质量，减少了停机时间和维护成本。

5G TSN技术带来的新兴应用展望

在现代工业自动化领域，5G与TSN的结合正在引领一场技术革命。这一强强联合为许多关键行业带来了前所未有的灵活性和效率。5G网络的带来的高速率、低延迟和大规模设备连接能力，与TSN引领的网络确定性和高精度时间同步特性完美契合。这种组合在以下领域展现了巨大潜力：

智能制造：5G与TSN的结合使得工业通讯协议数据在5G系统的传输成为可能，极大的方便了智能制造工厂的建设，融合IT和OT网络，更有效的支持智能制造工厂里的柔性制造以及黑灯工厂特性。同时，企业能够创造更加智能化、自动化的生产环境，推动工业4.0的进一步发展。

自动驾驶：在自动驾驶和车联网中，5G TSN可以提供确定性，低延迟通信，确保车辆与基础设施之间的信息传递高效及快速，提高交通安全和效率。例如多杆光学雷达的数据融合应用和高精度无线时间同步，提供更加精准的定位精度。应科院已和多家合作伙伴展开合作，在实验室和实际环境进行5G TSN的相关测试。

远程医疗：通过5G TSN技术，医生可以在全球任何地方为患者提供高质量、确定性的医疗服务。5G TSN的低延迟和高可靠性确保了手术过程中的每一个细微动作都能准确无误地传达。此外，医生可实时监控病人的生命体征数据，并快速响应任何突发情况，提升了急救反应的效率，为偏远地区的患者提供了更便捷的医疗服务。

能源管理：在智能电网中，5G TSN支持设备之间的高精度时间同步和确定性通信，有助于实现更高效的能源分配和故障管理。同时，确定性的通信使得故障检测和修复速度大幅提升，减少停电时间和影响。

5G TSN 白皮书

为进一步推广5G TSN技术，应科院参与撰写《中国联通5G-TSN 技术发展白皮书》（以下简称“白皮书”），该白皮书已于今年6月在上海世界移动通信大会期间发布。

白皮书首先对5G TSN的技术现状及挑战进行了说明，其中包括了5G TSN标准的演进路线和方向，以及5G TSN目前在实际产业应用中遇到的挑战和未来的发展趋势。另外，白皮书还详细介绍了联合研发的技术成果：一套完整的5G TSN端到端系统，并对该系统的测试结果进行了详细的分析。最后，白皮书总结了5G TSN的几个应用场景并对未来进行了展望。

另外，白皮书还提出了一种云原生、轻量化的5G-TSN技术解决方案，可实现低至10ms的网络时延，有效满足工业生产、车联网等应用场景的严苛要求，并有助于用户节约在部署、调试、优化方案方面的成本，加快5G-TSN的商业应用。

扫描以下二维码可获取白皮书的全部内容。

小结

目前，5G TSN技术正在向工业核心领域发展，应科院基于自身的平台优势，正在进一步加强与智能工业制造领域，智慧出行领域合作伙伴的合作，开展了5G TSN端到端网络和与相关智能应用的验证和测试，包括对智能工业控制系统，车联网应用，以及车载网络在5G端到端确定性网络上的验证工作，共同加速5G TSN在工业核心和智慧出行领域的應用落地。

应科院在未来几年内，将持续进行5G TSN相关的研发，部署和落地工作，以及开展相关的智能应用在真实环境的实地测试，积极以5G TSN技术推动新质生产力和新型工业化的发展，融入国家科技和新型工业发展的大局，对接大湾区建设和一带一路等高质量发展国家战略。