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

论文标题

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

作者信息

Pierre E. Kehl^1,*, Junaid Ansari², Mikael Lovrin¹, Praveen Mohanram¹, Chi-Chuan (Eric) Liu³, Jun-Lin (Larry) Yeh³, Robert H. Schmitt^1,4
¹Fraunhofer Institute for Production Technology IPT, Aachen, Germany
²Ericsson GmbH, Herzogenrath, Germany
³Moxa Inc., New Taipei City, Taiwan
⁴WZL|RWTH Aachen University, Aachen, Germany
Correspondence: [e-mail]

论文出处

期刊名称：Electronics
卷号：14
文章编号：758
发表日期：2025年2月15日
DOI：10.3390/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).

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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 GHz（5G 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 GHz（5G 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 GHz（n261 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 Europe（5G-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。