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中文标题#xff1a;用于可靠工业通信的5G-TSN集成原型#xff1a;基于帧复制与消除可靠性的研究 英文标题#xff1a;5G-TSN Integrated Prototype for Reliable Industrial Communication Using Frame Replication and Elimination for Reliability
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中文标题用于可靠工业通信的5G-TSN集成原型基于帧复制与消除可靠性的研究 英文标题5G-TSN Integrated Prototype for Reliable Industrial Communication Using Frame Replication and Elimination for Reliability
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Pierre E. Kehlsup1,*/sup, Junaid Ansarisup2/sup, Mikael Lovrinsup1/sup, Praveen Mohanramsup1/sup, Chi-Chuan (Eric) Liusup3/sup, Jun-Lin (Larry) Yehsup3/sup, Robert H. Schmittsup1,4/sup sup1/supFraunhofer Institute for Production Technology IPT, Aachen, Germany sup2/supEricsson GmbH, Herzogenrath, Germany sup3/supMoxa Inc., New Taipei City, Taiwan sup4/supWZL|RWTH Aachen University, Aachen, Germany Correspondence: pierre.kehlipt.fraunhofer.de
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期刊名称Electronics 卷号14 文章编号758 发表日期2025年2月15日 DOI10.3390/electronics14040758 版权声明© 2025 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (Deed - Attribution 4.0 International - Creative Commons). 摘要
本文探讨了工业通信中对高可靠性和实时响应的严格要求这些要求被认为是无线技术在工业应用中广泛采用的主要瓶颈。通过将5G技术与时间敏感网络TSN协议相结合可以实现无线与有线通信技术的融合。文章介绍了基于IEEE 802.1CB帧复制与消除可靠性FRER方案的5G-TSN集成原型并在真实工业环境中对不同5G系统进行了实验研究。实验结果表明该原型能够满足铣削过程智能传感器用例的低延迟10 ms和高可靠性99.99%要求验证了5G与FRER集成在工业生产中的优势。
1. 引言
工业生产传统上依赖有线通信技术虽然其具有高可靠性、低延迟和大数据速率等优点但缺乏灵活性和可扩展性。无线技术虽然在这些方面存在局限性但5G技术尤其是其超可靠低延迟通信URLLC特性以及与TSN或确定性网络DetNet的结合能够克服这些不足支持多种工业用例如自主引导车辆和机器的远程控制与监控。智能无线传感器在工业制造中具有巨大潜力例如在条件监控、过程监控和控制方面。然而无线通信可能因传播损耗和干扰而出现中断和丢包5G协议栈通过错误控制机制来克服这些问题但重传机制会导致更高的传输延迟。因此文章分析了智能传感器用例的需求以验证5G和TSN是否能满足这些需求并通过实现支持FRER的5G-TSN原型进行了实验研究。 2. 工业制造中的无线传感器
高质量制造过程如复杂部件的铣削需要快速检测铣削工具的运动偏差并在几毫秒内做出反应。机器集成传感器可以记录过程数据并将其发送到机器控制器而高级数据分析和实时状态监控则需要基于云的系统。由于制造过程复杂使用有线传感器系统不切实际因为线缆会限制运动、增加复杂性并容易损坏。当前的无线选项如4G或Wi-Fi无法满足工业应用所需的低延迟、可靠性和带宽。因此文章研究了使用智能传感器系统进行铣削过程异常检测的用例以评估5G和FRER集成在工业应用中的适用性。
2.1 刀具磨损检测
在铣削过程中刀具的质量决定了产品的表面质量。然而刀具在加工过程中会磨损甚至可能出现崩刃或断裂导致表面缺陷。这些缺陷可能由于过大的负载或刀具的热冲击等因素引起需要实时监控刀具状态并调整加工参数如主轴转速或更换刀具。由于铣削应用复杂视觉分析不切实际另一种选择是分析刀具与工件相互作用产生的声发射AE。这些声波的频率范围为10 kHz到900 kHz其频谱特性会因刀具状态而变化因此可以通过检测频谱变化来判断刀具状态。这些声波由集成在工件中的AE传感器检测数据经过预处理后以UDP数据包的形式发送到机器控制器控制器根据分析结果生成控制信号并发送到PLC从而实现从传感器到机器的闭环系统。
2.2 智能传感器铣削过程用例的通信需求
使用无线智能传感器监控铣削过程可以支持多种用例如碰撞检测、刀具磨损估计和刀具断裂检测。由于这些事件的检测至关重要因此对数据传输的要求很高。表1列出了高精度铣削过程的工业通信需求要求延迟低于10 ms可靠性达到99.99%。这些参考值将作为原型评估的基础。
3. 用于弹性和高可靠性的5G-TSN集成原型
文章详细介绍了5G-TSN集成原型包括基于3GPP Release 15的5G系统工作在3.7–3.8 GHz中频段和工作在26 GHz的5G毫米波系统以及使用3GPP Release 16/17的5G URLLC测试系统工作在28 GHz。原型基于支持TSN协议如IEEE 802.1CB和IEEE 802.1Qbv的商用TSN交换机重点关注使用FRER方案提高5G的可靠性。
3.1 工业车间的5G非公共网络
5G无线通信在智能制造中变得越来越重要。文章在Fraunhofer IPT车间对三种不同类型的5G系统进行了空中OTA评估测试这些系统均集成了FRER方案。
3.1.1 3.7–3.8 GHz频段的5G中频系统
5G非公共网络在3.7–3.8 GHz5G n78频段本地授权的工业频谱中运行系统带宽为100 MHz。通过在天花板上安装多个无线电单元实现了约3000平方米工厂大厅的全覆盖。中频段频谱具有良好的传播特性包括非视距连接能力。测试中使用了基于Qualcomm x55调制解调器芯片组的终端设备。
3.1.2 26 GHz频段的5G毫米波系统部署
5G毫米波非公共网络在26 GHz5G n258频段运行系统带宽为800 MHz。毫米波系统适用于高数据速率需求且移动性低的应用。毫米波频段容易受到高路径损耗的影响因此采用窄波束宽度的方向性增益。测试中使用了基于Qualcomm x65的设备。
3.1.3 5G URLLC测试系统
用于车间实验评估的5G URLLC超可靠低延迟通信系统是一个符合标准的商用前独立测试系统。该系统配置为在28 GHzn261 5G频段运行系统带宽为200 MHz。5G URLLC测试系统利用3GPP Rel. 15/16/17中的多种规范来增强可靠性和降低延迟并支持以太网PDU会话、以太网头部压缩、空中时间同步、流量分类、优先级排序和QoS映射等功能以便与TSN协议无缝集成。
3.2 时间敏感网络环境的设置
TSN是一组旨在增强以太网以支持工业和汽车环境中时间关键型应用的IEEE标准。TSN的目标包括时间同步、高可用性和可靠性、有界延迟和资源管理。其中IEEE 802.1CB-FRER标准通过发送复制帧并消除冗余帧来增强以太网网络中的可靠性和容错能力如图3所示。为了将5G中频段部署和5G毫米波系统部署集成到TSN网络中使用了从第2层到第3层的隧道。5G URLLC测试平台原生支持第2层流量。 3.3 Aachen的5G-Industry Campus Europe
测量在Aachen的Fraunhofer IPT车间的5G-Industry Campus Europe5G-ICE进行。5G-Industry Campus Europe的研究基础设施覆盖了RWTH Aachen Melaten校区约一平方公里的区域车间总面积达7000平方米为研究各种工业应用场景如基于云的控制、智能传感器或物流提供了广阔空间。Fraunhofer IPT的车间在2700平方米的区域内提供了多种机床和真实生产环境。图4展示了车间和测量设置包括不同的网络数据记录器这些记录器存储带有同步时间戳的数据包用于计算抖动和延迟。这些数据记录器连接到发送端、接收端、交换机和5G-UE。
3.4 总体架构和测量设置
由于无线信道中断可能会出现并非所有传输的数据包都能在初次传输尝试中正确解码的情况。5G协议栈具有错误控制机制可以检测并重传错误接收的数据包。此外由于协议栈中的处理、信令以及与传输机会的对齐等因素5G通信中可能会出现可变延迟。使用FRER通过5G在多个路径上复制数据帧可以增强可靠性并作为副作用减少数据包延迟变化。本文评估了五种不同的使用FRER的设置以实现用例所需的可靠性。
4. 性能结果与讨论
本节描述了在三种设置见第3节中对使用和不使用FRER的可靠性方面的评估结果。所有测量均在工业车间进行以验证用例原型在生产环境中的适用性。测试以100字节的消息大小和10毫秒的周期时间进行。
4.1 设置1的评估在相同的5G中频系统中使用FRER进行冗余传输
设置1的结果如图10所示。图10a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。表2显示了性能结果UE1的平均延迟为6.39毫秒UE2为6.40毫秒。经过Switch 2消除后的合并传输如图10c所示平均延迟为6.11毫秒。使用FRER后99.99%的值的最大延迟从UE1的11.16毫秒和UE2的10.95毫秒降低到8.28毫秒满足了用例要求的10毫秒的99.99百分位值。延迟的降低可以通过图10中的观察结果解释。首先单个UE的延迟值分布范围较广而启用FRER的管道则更紧凑地围绕平均值。此外图10a和b显示了高达60毫秒的延迟异常值。这些异常值仅在单个UE中出现而在总体延迟图中则不存在。使用复制的并行数据流可以平滑延迟分布从而降低通信的整体抖动。较大的峰值和异常值被消除。
4.2 设置2的评估通过不同的5G中频系统使用FRER进行冗余传输
设置2的结果如图11所示。图11a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。经过Switch 2消除后的合并传输如图11c所示平均延迟为6.08毫秒。使用FRER后99.99%的值的最大延迟从UE1的11.31毫秒和UE2的11.10毫秒降低到8.23毫秒再次满足了用例要求的10毫秒的99.99%消息。与设置1一样不同的异常值通过第二个通信路径被平衡平滑了整体延迟并降低了通信的抖动。特别是UE1的通信显示出不同的峰值最高可达60毫秒而UE2的通信峰值较少。然而当UE1出现延迟峰值时UE2仍能及时将数据包发送到Switch 2从而实现整体稳定可靠的通信。此外图11c显示设置1中剩余的较小峰值在设置2中被消除。这可以通过使用不同5G系统增加的冗余来解释。来自网络的延迟峰值在设置2中被平滑因为峰值仅影响一个通信路径而在设置1中网络中的延迟峰值影响了两个通信路径。
4.3 设置3的评估5G URLLC测试系统和5G中频系统
设置3的结果如图12所示。图12a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。UE1的平均延迟为6.51毫秒UE2为0.72毫秒。经过Switch 2消除后的合并传输如图12c所示平均延迟为0.72毫秒。由于URLLC的传输时间远短于中频部署因此来自UE1的消息总是比来自UE2的消息晚到达。因此来自路由器1的消息总是被消除并且对设置的整体性能没有影响。只有在URLLC测试台出现数据包丢失时中频消息才不会被消除。设置3的结果表明如果用于性能相似的系统FRER的影响较大但如果用于性能不同的系统则几乎没有影响。URLLC测试台的低延迟和高可靠性优于5G中频系统因此使帧复制变得多余。
4.4 设置4的评估通过5G中频部署和5G毫米波系统部署进行冗余传输
设置4的结果如图13所示。图13a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。UE1的平均延迟为6.60毫秒UE2为3.32毫秒。经过Switch 2消除后的合并传输如图13c所示平均延迟为3.31毫秒。再次毫米波系统的传输时间短于中频部署。因此来自UE2的消息比来自UE1的消息早到达。中频系统仅用于平衡毫米波传输中出现的峰值与单独的毫米波性能相比降低了平均延迟和抖动。这对99.99%的值产生了重大影响其从UE1的12.30毫秒和UE2的8.13毫秒降低到7.36毫秒。然而这种平衡只能在延迟峰值不是由5G系统引起的情况下发生因为两个通信流共享了5G系统。设置4的结果表明如果用于性能不同的系统FRER的影响有限。由于毫米波系统的性能高于中频系统因此中频系统仅在出现延迟峰值时用作主要通信路径。
4.5 设置4的评估引入干扰通过5G中频部署和5G毫米波系统部署进行冗余传输
为了进一步评估FRER对5G通信的好处进行了第二次测量使用设置4并在UE2的天线前放置金属板引入干扰。金属板部分阻挡了传输模拟了铣削机床的工件或金属外壳部分阻挡信号的情况。在机床外部这种阻挡可能由起重机、自动引导车AGV或金属工件引起。由于工业环境中经常移动和使用大量金属部件因此这种用例对工业环境中的通信系统高度相关。设置4引入干扰后的结果如图14所示。图14a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。可以看出当金属板放在UE前面阻挡5G基站射频单元的视距时毫米波系统的性能下降。图14显示了性能结果UE1的平均延迟为6.76毫秒UE2为4.13毫秒。由于金属板引起的延迟峰值UE2的平均延迟远高于之前的试验。经过Switch 2消除后的合并传输如图14c所示。当毫米波系统因引入的干扰而变慢时主要通信路径发生变化中频系统接管。因此尽管毫米波系统的平均延迟为4.13毫秒但整个系统的平均延迟最低为3.47毫秒99.99%的消息延迟为9.24毫秒满足了用例要求。此外由于引入的干扰在测量期间毫米波系统有六个数据包未能传输而在Switch 2中没有发现数据包丢失。再次中频系统被用作临时主要传输路径平衡了整体性能。设置4引入干扰的结果表明如果在金属或大型部件频繁移动的恶劣环境中使用FRER其影响较大。整体管道实现了最低的平均延迟并通过使用中频系统作为临时主要通信路径避免了数据包丢失。因此可以观察到FRER可以增强工业车间的通信可靠性尤其是在无线电传播受到强多径、阻挡等问题影响的情况下。
4.6 设置5的评估通过5G中频和5G毫米波系统进行冗余传输
设置5的结果如图15所示。图15a和b分别给出了UE1和UE2的端到端延迟分布。UE1的平均延迟为6.24毫秒UE2为2.35毫秒。经过Switch 2消除后的合并传输如图15c所示平均延迟为2.35毫秒。由于毫米波系统的传输时间短于中频系统FRER的影响非常有限。与设置4类似可以看出毫米波图中的不同峰值被中频系统平衡。此外与设置4相比所有三个图中都没有检测到延迟峰值。由于非常高的冗余程度没有共享资源可能导致两个通信路径中出现延迟峰值。
4.7 用例结果评估
在第2节中讨论了铣削过程的智能传感器用例推动了5G与FRER结合以实现可靠通信的使用。除了这个特定用例外高度可靠的通信在工业通信中也起着重要作用。生产中的无线智能传感器或互连执行器的数据可用于多种情况。第2节中的通信需求集中在延迟低于10毫秒、可靠性为99.99%以及数据大小在128到1024字节之间的用例。表2提供了与第2节中讨论的用例需求相关的测量结果概述。每次使用FRER时工业用例需求都得到满足突出了其对通信可靠性的影响。在设置1和设置2中已经表明通过减少由于一个通信路径中的干扰而导致的通信异常值可以提高系统的可靠性并降低整体抖动和延迟。两个设置在使用FRER时都满足了用例需求但在使用单一通信路径时则不满足。如表2所示。设置1使用FRER实现了8.28毫秒的延迟而单一路径通信仅为11.16毫秒和10.95毫秒。除了整体通信质量的提高外还可以看到一些单一路径也满足了通信需求但通信中出现了较大的峰值例如设置4和设置5中的路径2。唯一没有峰值且满足通信需求的路径是设置3中使用的URLLC测试系统。此外在设置4中引入干扰时FRER在工业环境中对无线电信号传播的优势更加明显尤其是在有移动物体和金属外壳的情况下。在设置4中路径2在有视距的情况下满足工业需求但一旦由于阻挡出现干扰整体可靠性就会受到影响通信需要依赖路径1以保持可靠的通信。使用FRER通信对诸如起重机、金属外壳或经过的AGV等外部干扰的弹性增加可靠性也得到了提高。在工业环境中尤其是在机床内部的无线传感器安装在工件或工具上或者在起重机或叉车等移动物体上时这种外部干扰经常发生。总体而言已经表明即使在工业车间的挑战性无线电传播条件下也可以使用5G和FRER满足铣削过程智能传感器用例的需求。使用单一通信可能会受到无线通信相关干扰的影响。这些干扰可能导致异常值导致用例的可靠性目标无法实现。并行使用两个路径可以增强对这些干扰的弹性提高可靠性。铣削过程智能传感器用例的要求即99.99%的消息延迟为10毫秒是许多工业用例的常见值。例如现场总线协议如PROFINET也有类似的要求例如PROFINET RT实时用于直接通过以太网协议交换数据用于实现周期时间大于10毫秒的应用。虽然冗余在硬件和频谱使用方面对无线系统来说成本较高但在许多工业应用中提高可靠性的益处至关重要正如我们在调查的铣削过程智能传感器用例中实证评估的那样。测量结果一方面显示了使用冗余路径的通信可靠性增加。另一方面所使用的设置显示了使用不同配置时对硬件和频谱资源的不同需求。虽然TSN网络通常包含多个交换机和冗余路径但5G网络在终端设备和核心网络之间提供的冗余有限。因此FRER的使用创造了需要额外硬件的不同设置。因此网络架构的选择和冗余程度直接影响所需的硬件因此也影响基础设施的成本。
5. 结论与展望
本文介绍了一个基于IEEE 802.1CB帧复制与消除可靠性FRER方案的5G-TSN集成原型。该原型针对铣削过程智能传感器用例进行了实证评估。该用例需要高度可靠的无线通信以实现在线监控和基于云的决策这促使了5G通信系统的使用。虽然有线通信在这种用例中不可行但还需要实时监控刀具状态并相应地做出反应例如通过调整加工参数如主轴转速甚至在刀具磨损前更换刀具。在具有挑战性无线电传播条件的工业环境中5G通信可能会出现数据包延迟变化这对于需要可靠低延迟通信的用例来说是不理想的。在本工作中我们在商用现成的TSN交换机上评估了通过FRER实现的冗余路径的使用。我们实证研究了在3.7–3.8 GHz和26 GHz频段运行的相同和不同5G系统上的冗余5G路径。我们的实验结果表明虽然冗余路径需要额外的硬件和频谱资源但由于无线电传播和其他因素导致通信异常的可能性非常小。不同设置的结果表明FRER对于满足调查的刀具状态监测用例的低延迟和高可靠性目标非常有用要求延迟低于99.99百分位。特别是在引入干扰的情况下FRER在恶劣环境如工业生产中大大提高了通信的可靠性。冗余传输的使用增强了通信在发生故障时的鲁棒性并减少了延迟和通信行为。总体而言可以看出使用FRER可以满足工业用例设定的可靠通信需求而大多数单一通信路径则无法实现。此外已经讨论了描述的要求即99.99%的所有数据包的延迟为10毫秒对于工业通信来说非常相关。因此已经表明5G通信的冗余可以通过FRER满足铣削过程智能传感器用例的严格通信可靠性和延迟目标即使在工业车间的挑战性无线电传播条件下也是如此。本文中的所有实证结果都是在真实生产环境中使用各种5G系统获得的。我们为每次实验测试获得了大量的测量样本通常为数百万个样本以确保本文中呈现的实证结果的高度统计显著性。除了5G URLLC测试系统外所有结果都是在商用设备上获得的包括5G网络、5G UE和启用FRER的TSN交换机。凭借这些结果未来可以从可靠的无线通信中受益的用例可以得以实施。将5G-FRER集成到实际场景中使用现场总线协议可能是未来的一个工作方向。进一步研究FRER对移动设备例如AGV的连接性影响将带来更多的见解。这表明本文中的详细测试结果和分析适用于当今的工业用例。我们相信本文中的测试结果及其分析为研究人员和工程师提供了宝贵的见解他们旨在将确定性的5G通信应用于关键任务的用例中。
