TSN 解決方案白皮書

TSN解決方案白皮書

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）

2023年6月

前言

隨著時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）從理論研究階段逐漸

延展到實(shí)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，TSN解決方案在工業(yè)界的關(guān)注

度顯著上升。一方面，全球工業(yè)界迫切需要新的技術(shù)

變革來為網(wǎng)絡(luò)化智能化提供新的動(dòng)力，這促進(jìn)了TSN

解決方案的落地；另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起為工

業(yè)現(xiàn)場帶來了指數(shù)級增長的連接設(shè)備、更高的帶寬、

多線程業(yè)務(wù)流處理、數(shù)據(jù)跨域連通等需求，網(wǎng)絡(luò)變革

技術(shù)TSN理所當(dāng)然的受到重視。加之中國網(wǎng)絡(luò)自主可

控的重要性程度上升，TSN可控的優(yōu)勢得到凸顯。然

而，受限于TSN與工業(yè)場景業(yè)務(wù)流的融合應(yīng)用少、無

線場景下TSN確定性網(wǎng)絡(luò)的研究應(yīng)用薄弱、端到端

TSN解決方案廠商生態(tài)較為稀缺等方面因素，工業(yè)企

業(yè)要享受到TSN解決方案帶來的益處仍然有一些任務(wù)

要進(jìn)行，包括先行者的TSN解決方案標(biāo)桿打造、TSN

上下游生態(tài)互通等。

本白皮書旨在加快TSN解決方案落地產(chǎn)業(yè)，助力

工業(yè)企業(yè)達(dá)成提質(zhì)增效降本；同時(shí)為TSN產(chǎn)業(yè)上下游

的有效協(xié)同給出指引，讓工業(yè)界能更快速的利用TSN

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)變革。因編者水平所限，難免

存在錯(cuò)誤和不足，歡迎業(yè)界專家和讀者批評指正，后

續(xù)我們將持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用、適時(shí)修訂發(fā)布。

本文檔由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟多家成員單位參加

編寫完成。主編單位有：中國信通院、深圳市三旺通

信股份有限公司、網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室、鵬

城實(shí)驗(yàn)室。

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一、TSN發(fā)展現(xiàn)狀

（一）TSN技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.TSN標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

TSN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議由電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）的TSN任務(wù)組定義，

是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)提供確定性服務(wù)的解決方案，最大的特點(diǎn)就是通

過精確的時(shí)間調(diào)度、確定的時(shí)延完成數(shù)據(jù)包的傳輸，從而滿足工業(yè)等領(lǐng)

域嚴(yán)苛的傳輸要求。

如下圖所示，TSN協(xié)議族包含定時(shí)與同步、時(shí)延控制、可靠性、資

源管理四個(gè)類別的子協(xié)議，同時(shí)還定義了不同場景下的應(yīng)用行規(guī)。

類別協(xié)議

定時(shí)與同步IEEE802.1AS，IEEE802.1AS-REV

IEEE802.1Qav，IEEE802.1Qbv，IEEE802.1Qbu,IEEE802.1Qch，

時(shí)延控制

IEEE802.1Qcr

可靠性IEEE802.1CB，IEEE802.1Qca，IEEE802.1Qci

資源管理IEEE802.1Qat，IEEE802.1Qcc，IEEE802.1Qcp

IEEE802.1BA，IEEE802.1CM，IEC/IEEEP60802,IEEEP802.1DF，

應(yīng)用行規(guī)

IEEEP802.1DG，IEEEP802.1DP

圖1TSN協(xié)議族分類情況

①定時(shí)與同步

TSN采用IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-REV實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。IEEE

802.1AS在IEEE1588的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了刪減調(diào)整，形成了更具針對

性的時(shí)間同步機(jī)制。IEEE802.1AS又被稱為gPTP廣義時(shí)鐘同步協(xié)議，

嵌入在MAC層硬件中。該協(xié)議工作于鏈路層，在數(shù)據(jù)幀中插入時(shí)間信息，

—1—

并傳輸至每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在最大7跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能夠保證時(shí)鐘同步

誤差在1us以內(nèi)。

②時(shí)延控制

TSN不僅要保證時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流的可靠到達(dá)，同時(shí)也要保證這些數(shù)

據(jù)流有界的確定性的時(shí)延傳輸。TSN時(shí)延控制通過流量整形機(jī)制實(shí)現(xiàn)，

流量整形通過為高優(yōu)先級流量提供確定的傳輸時(shí)隙確保傳輸帶寬和傳輸

時(shí)間，從而保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可靠性和時(shí)延確定性。流量整形涉及的協(xié)議

包括：

IEEE802.1Qav：一種基于信用的整形器，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級的時(shí)延

上限保證；

IEEE802.1Qbv：基于隊(duì)列的時(shí)間感知整形器實(shí)現(xiàn)類似時(shí)間觸發(fā)的

通信，可保證微秒級的延遲上限及亞微秒級的抖動(dòng)；

IEEE802.1Qch：一種循環(huán)隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)的整形機(jī)制，旨在構(gòu)建具有固

定延遲上限和抖動(dòng)的傳輸環(huán)境；

IEEE802.1Qbu：幀搶占功能可以進(jìn)一步減小關(guān)鍵流量的時(shí)延，配

合TAS和CQF等門控機(jī)制一起使用可以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率；

IEEE802.1Qcr：TSN交換機(jī)和端系統(tǒng)的異步整形機(jī)制，避免了同

步依賴。

③可靠性

對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用也需要高可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以便

應(yīng)對Bridge節(jié)點(diǎn)失效、線路斷路和外部攻擊等帶來的各種問題，來確

保功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全。TSN傳輸可靠性保證協(xié)議包括：

IEEE802.1CB：通過冗余消息以及在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置冗余鏈路進(jìn)行并行

傳輸來提高可靠性，減少鏈路和節(jié)點(diǎn)失效對網(wǎng)絡(luò)造成的影響；

—2—

IEEE802.1Qca：提供顯式轉(zhuǎn)發(fā)路徑控制所需要的協(xié)議，如預(yù)定義

的保護(hù)路徑、帶寬預(yù)留、數(shù)據(jù)流冗余、流同步和流控制信息中控制參數(shù)

的分配等；

IEEE802.1Qci：TSN協(xié)議簇中的PSFP協(xié)議類似于防火墻的機(jī)制。

它工作于交換機(jī)的入口，通過各種約束來監(jiān)管每個(gè)流的輸入，將故障隔

離到網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域，以防止出站隊(duì)列被非法幀淹沒。

④資源管理

在TSN網(wǎng)絡(luò)中，每一種實(shí)時(shí)應(yīng)用都有特定的網(wǎng)絡(luò)性能需求。使能

TSN網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)特性是對可用的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行配置和管理的過程，該操

作允許在同一網(wǎng)絡(luò)中通過配置一系列TSN子協(xié)議，來合理分配網(wǎng)絡(luò)路徑

上的資源，以確保它們能夠按照預(yù)期正常運(yùn)行。

⑤應(yīng)用行規(guī)

除了TSN功能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)外，TSN任務(wù)組還定義了TSN在不同場景

的應(yīng)用規(guī)范，包括IEEE802.1BA音視頻橋接網(wǎng)絡(luò)、IEEE802.1CM移動(dòng)

前傳網(wǎng)絡(luò)、IEC/IEEE60802工業(yè)自動(dòng)化、IEEEP802.1DG車載網(wǎng)絡(luò)和

IEEEP802.1DP/SAEAS6675航空航天等，其中前兩個(gè)應(yīng)用規(guī)范已正式

發(fā)布，后面三個(gè)還處在草案討論階段，尚未發(fā)布正式標(biāo)準(zhǔn)。

2.TSN技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

近年來TSN技術(shù)研究主要集中在控制架構(gòu)、調(diào)度算法以及與其他技

術(shù)融合等方面。

（1）TSN控制架構(gòu)

IEEE802.1Qcc協(xié)議定義了TSN控制平面的架構(gòu)模型，包括全分布

式、分布式用戶/集中式網(wǎng)絡(luò)、全集中式等3種控制架構(gòu)模型。

全分布式架構(gòu)模型中沒有集中的網(wǎng)絡(luò)控制器，終端通過資源預(yù)留協(xié)

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議攜帶用戶需求信息逐跳傳輸，并在沿途的交換機(jī)上預(yù)留資源。由于交

換機(jī)僅具備本地可用資源信息，無法以全局視角進(jìn)行資源分配，因此全

分布式模型僅適用于采用IEEE802.1Qav機(jī)制的音視頻系統(tǒng)，難以支持

需要更低延時(shí)和更高精度的工業(yè)控制等應(yīng)用。

分布式用戶/集中式網(wǎng)絡(luò)模型為分布式的用戶管理和集中式的網(wǎng)絡(luò)

控制模型，終端通過UNI向TSN網(wǎng)絡(luò)提交需求，網(wǎng)絡(luò)通過集中式網(wǎng)絡(luò)控

制器(CNC)，實(shí)現(xiàn)所有交換機(jī)的集中管控，并基于全局網(wǎng)絡(luò)視圖計(jì)算最

優(yōu)的路徑和時(shí)隙，通過標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口下發(fā)到交換機(jī)。

全集中式模型體現(xiàn)在用戶管理和網(wǎng)絡(luò)控制均為集中式架構(gòu)。增加了

集中式用戶配置(CUC)單元對用戶終端進(jìn)行集中管理，能夠發(fā)現(xiàn)終端節(jié)

點(diǎn)、檢索終端功能和用戶需求。此模式下所有的用戶需求均在CUC與

CNC之間交互，CUC采集終端業(yè)務(wù)的帶寬時(shí)延抖動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求，

并將其轉(zhuǎn)換后通過UNI接口發(fā)給CNC，CNC完成計(jì)算后將結(jié)果返回CUC，

并由CUC完成終端的配置。

（2）調(diào)度與路由的研究

IEEE802.1Qbv標(biāo)準(zhǔn)中定義了時(shí)間感知整形器，旨在優(yōu)化以太網(wǎng)幀

的傳輸優(yōu)先級，保證時(shí)間敏感信息在規(guī)定時(shí)間送達(dá)，通過一定的調(diào)度算

法在所有交換機(jī)出端口確定每個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸順序和時(shí)間，保證所有幀

在出口鏈路上依次傳輸而不會發(fā)生沖突，同時(shí)在全網(wǎng)范圍保證每個(gè)幀能

夠順利通過傳輸路徑的所有出端口，并滿足流量各自的延時(shí)和帶寬要求，

使不同類別的流量在同一網(wǎng)絡(luò)上得以共存。

當(dāng)前主流的調(diào)度算法主要包含：整數(shù)線性規(guī)劃、啟發(fā)式算法、可滿

足性模理論／優(yōu)化模理論、禁忌搜索、貪心隨機(jī)自適應(yīng)搜索等。

（3）TSN與OPCUA、5G等工業(yè)新技術(shù)融合

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TSN僅提供了數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠的傳輸。

但作為完整的確定性網(wǎng)絡(luò)解決方案，TSN必然面臨與其他技術(shù)融合的問

題。

TSN實(shí)現(xiàn)了開放的、“一網(wǎng)到底”的網(wǎng)絡(luò)，解決了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題，

但各個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在數(shù)據(jù)層面依舊無法互通。而OPCUA使用一套

通用的數(shù)據(jù)解析機(jī)制解決了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中水平信息集成與垂直信息集成

兩個(gè)維度“語義互操作”的復(fù)雜問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備和企業(yè)、

以及不同廠商設(shè)備之間的交互。OPCUA作為工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型

（RAMI4.0）中唯一推薦的通信層實(shí)現(xiàn)方法，是異構(gòu)數(shù)據(jù)交互最通用的

國際標(biāo)準(zhǔn)。TSN+OPCUA真正做到了不同工業(yè)設(shè)備之間既能聽得見又能

聽得懂，解決了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)互通的問題，是構(gòu)建開放工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的理

想架構(gòu)和未來必然的發(fā)展方向。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及建設(shè)的深入，垂直行業(yè)對于網(wǎng)絡(luò)的

需求向超低時(shí)延、確定性、高可靠等高性能方向發(fā)展。TSN與5G網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)融合，一方面可以利用5G將工業(yè)設(shè)備以無線的方式接入到有線網(wǎng)

絡(luò)，為TSN網(wǎng)絡(luò)提供不受電纜限制的、可靠的設(shè)備接入能力。另一個(gè)方

面，將TSN的核心機(jī)制深度集成到5G技術(shù)當(dāng)中，如TSN中靈活的流量

調(diào)度機(jī)制和高精度的時(shí)鐘同步機(jī)制等，以保證數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡(luò)中端到端

的確定性傳輸。通過對TSN技術(shù)的集成，可進(jìn)一步增強(qiáng)5G的可靠性和

確定性。5G+TSN正在成為工業(yè)有線-無線融合、IT-OT融合的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）TSN與已有工業(yè)技術(shù)的融合

當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議在工廠OT網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用，對于任何工

業(yè)應(yīng)用而言，保持技術(shù)的穩(wěn)定性、繼承性是一種必須的考量。因此，技

術(shù)的升級必須盡量的平滑，TSN不會迅速取代現(xiàn)有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，而是會

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有長期共存的階段。自TSN技術(shù)問世以來，主要工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議組織開

始積極制定新的標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)與TSN兼容的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，使得不同工

業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議生態(tài)系統(tǒng)用戶能平滑升級到最新TSN技術(shù)，如Profinet

overTSN、EtherCATTSN、CC-LinkIETSN等。

（二）TSN解決方案發(fā)展現(xiàn)狀

1.國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）于2020年啟動(dòng)了“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)

產(chǎn)業(yè)鏈名錄”計(jì)劃，打造設(shè)備廠商產(chǎn)品研制和工業(yè)企業(yè)采購選型的風(fēng)向

標(biāo)，加速TSN成為網(wǎng)絡(luò)化改造與智能化升級的技術(shù)支撐。產(chǎn)業(yè)鏈名錄從

7大行業(yè)場景、7種產(chǎn)品門類、8個(gè)技術(shù)維度梳理了產(chǎn)業(yè)需求、明確產(chǎn)

業(yè)供給能力。并于2021年對TSN交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行測試認(rèn)證，極

大的推進(jìn)了TSN產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展。

此外，國內(nèi)許多高校、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，在TSN方面進(jìn)行了相關(guān)研

究。國防科大研發(fā)了支持TSN關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的開源項(xiàng)目OpenTSN，提供

了面向航空航天、車載和工業(yè)控制的解決方案；鵬城實(shí)驗(yàn)室完成了基于

TSN的端到端確定性原型系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和平臺發(fā)布；飛騰研發(fā)了基于

TSN芯片的高性能國產(chǎn)化處理器，助力國產(chǎn)TSN嵌入式控制的市場創(chuàng)新；

三旺通信研發(fā)了基于特定場景的端到端TSN應(yīng)用解決方案。整體來看，

國內(nèi)TSN解決方案發(fā)展正處于蓄勢期。

2.國際發(fā)展現(xiàn)狀

國際主流的自動(dòng)化廠商都已發(fā)布TSN產(chǎn)品或測試產(chǎn)品，貝加萊發(fā)布

了支持OPCUAoverTSN的交換機(jī)、PLC、總線控制器等產(chǎn)品。SIEMENS

在2018年漢諾威展發(fā)布了ProfinetoverTSN的產(chǎn)品。對于TSN在工

業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，西門子在整個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用OPCUAoverTSN

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來實(shí)現(xiàn)北向通信；使用PROFINEToverTSN來實(shí)現(xiàn)南向通信。通過OPC

UA和PROFINET共享同一個(gè)基于TSN的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，輕松將現(xiàn)場級設(shè)備

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高速地傳輸至SCADA，MES和ERP系統(tǒng)以及云等整個(gè)企業(yè)網(wǎng)

絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)互通。此外，2019年三菱發(fā)布了CC-LinkIETSN

產(chǎn)品。TTTech、CISCO、赫斯曼等廠商也發(fā)布了TSN交換機(jī)產(chǎn)品。芯片

和模組方面的產(chǎn)品日漸成熟，BCM博通、MARVELL美滿電子、ADI亞德

諾、INTEL英特爾和NXP恩智浦等多家頭部企業(yè)都發(fā)布了面向工業(yè)、車

載的TSN芯片。

二、TSN通用解決方案

（一）通用解決方案概述

TSN通用解決方案是指利用TSN技術(shù)和產(chǎn)品構(gòu)建互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，

達(dá)到工業(yè)場景共性數(shù)據(jù)通信服務(wù)需求，其通用性主要表現(xiàn)在符合TSN相

關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和滿足全產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力構(gòu)建兩方面。通用解決方案的構(gòu)成要素包

括根據(jù)需求選擇遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的技術(shù)，配置橋接器、終端等設(shè)備來搭建

實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)。從TSN歷史演進(jìn)、發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢的角度，通用解

決方案可分為三個(gè)階段。

（1）分布式資源預(yù)留和強(qiáng)端網(wǎng)協(xié)同

以AVB解決方案為代表，AVB解決方案要求在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面使

用基于信用的整形（CBS）、在網(wǎng)絡(luò)控制管理層面使用流預(yù)留協(xié)議

（SRP）、同時(shí)要求支持廣義精確時(shí)間協(xié)議（gPTP）。SRP和CBS的配

合使用，使得AVB解決方案可以為音視頻流量提供兩個(gè)等級的時(shí)延上限

保障；而gPTP則可以為AVB網(wǎng)絡(luò)中的端設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，進(jìn)而配合

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音視頻傳輸協(xié)議（AVTP），在數(shù)據(jù)報(bào)文中攜帶時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用側(cè)同步

播放的要求。

（2）更豐富的TSN技術(shù)和集中式資源預(yù)留

在CBS、SRP、gPTP之后，越來越多的新技術(shù)也逐漸加入了TSN的

大家庭，例如門控調(diào)度、幀搶占、異步流量整形（ATS）等。TSN用于

移動(dòng)前傳的解決方案中，要求使用基礎(chǔ)的嚴(yán)格優(yōu)先級（SP）調(diào)度；TSN

用于工業(yè)自動(dòng)化、承載網(wǎng)、車載網(wǎng)的解決方案中，雖然沒有最終確定，

但門控調(diào)度、異步流量整形等會是重點(diǎn)的可選用的TSN子技術(shù)。

同時(shí)，為了在這些解決方案中實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的正確配置，集中式

資源預(yù)留的方案成為了討論的熱點(diǎn)。TSN標(biāo)準(zhǔn)定義了“全分布式”、

“分布式用戶/集中式網(wǎng)絡(luò)”、“全集中式”三種配置模型，后兩者都

屬于集中式資源預(yù)留，其共同特征是需要集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）這樣

一個(gè)功能實(shí)體。這個(gè)功能實(shí)體可以是一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)控制器，也可以是一

個(gè)運(yùn)行在電腦、服務(wù)器上的軟件功能。由于這個(gè)階段，支持TSN的端設(shè)

備成熟度低于TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以CNC往往可以支持手動(dòng)定義業(yè)務(wù)流量，

然后基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備能力，生成一套配置方案并下發(fā)到TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)

備上，從而為用戶流量提供服務(wù)保障。這樣形成一種易于兼容演進(jìn)的、

端與網(wǎng)弱協(xié)同的TSN解決方案。

（3）在TSN端網(wǎng)協(xié)同的基礎(chǔ)上，多種TSN解決方案“百花齊放”

不論在哪個(gè)行業(yè)，不論具體使用哪些TSN子技術(shù)，TSN解決方案的

核心邏輯都是一致的：用戶向網(wǎng)絡(luò)聲明自己的業(yè)務(wù)特征和對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的

需求；網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行響應(yīng)，通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置，為用戶預(yù)留資源；完

成后通告給用戶，用戶可以開始按約定發(fā)送報(bào)文到網(wǎng)絡(luò)中，這些報(bào)文能

夠獲得相應(yīng)的服務(wù)保障。

—8—

（二）技術(shù)應(yīng)用路線

1.應(yīng)用難點(diǎn)分析

TSN為通用網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)等提供確定性連接，支持

OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)，能很好地兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)

能夠給網(wǎng)絡(luò)傳輸提供確定的時(shí)延和低抖動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的實(shí)

時(shí)、確定和可靠數(shù)據(jù)傳輸，滿足未來多個(gè)行業(yè)的多設(shè)備之間數(shù)據(jù)可靠傳

輸。然而，現(xiàn)階段TSN仍然沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要原因在技術(shù)難度

較高、產(chǎn)品成熟度、安全等三個(gè)方面。

（1）技術(shù)難度較高

首先，TSN需要提供的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)：帶寬，延遲，抖動(dòng)，丟包率，可

靠性，時(shí)鐘同步精度跟TSN的組網(wǎng)拓?fù)?，組網(wǎng)規(guī)模，設(shè)備異構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)異

構(gòu)等都有巨大的關(guān)系，這些指標(biāo)又和業(yè)務(wù)需求高度相關(guān)。因此如何按照

標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到適合不同業(yè)務(wù)場景和規(guī)模的調(diào)度規(guī)劃方案是一個(gè)難題?，F(xiàn)

有方案中針對中小規(guī)模的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，TSN的流量規(guī)劃調(diào)度都還能提供高

質(zhì)量的調(diào)度方案，但是面對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模流量以及動(dòng)態(tài)環(huán)境的

TSN流量調(diào)度還存在諸多困難，因此，調(diào)度算法還需要進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際

的業(yè)務(wù)場景進(jìn)行優(yōu)化打磨。

其次，TSN的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)IT和OT的融合。但是實(shí)際上IT和OT的

差距比較大，并且既懂IT又懂OT的人才又較少，因此現(xiàn)階段不同背景

的研究人員的思維方式會受到原始背景的影響。如IT人希望一切分層，

采用標(biāo)準(zhǔn)化方式，一般會較復(fù)雜，比較適合普適情況，而OT是從經(jīng)驗(yàn)

方式入手考慮實(shí)際問題，希望方案越簡單越好，比較適合特殊情況。因

此，如何讓TSN成為連通OT和IT的橋梁需要OT和IT領(lǐng)域人才不斷交

流學(xué)習(xí)，解決實(shí)際問題，通過實(shí)際案例來積累經(jīng)驗(yàn)。

—9—

最后，TSN的管理控制難度大。TSN解決方案的實(shí)施需要契合已有

的工業(yè)成果，需要做到前向兼容。由于工業(yè)門類眾多且互異，TSN的管

理控制除了需要考慮TSN網(wǎng)絡(luò)本身如Qcc要求的能力，還需要考慮工業(yè)

場景的管理控制，是融合還是隔離，目前只能由各個(gè)行業(yè)按照自身需求

去設(shè)計(jì)實(shí)施。這些都對TSN的控制管理技術(shù)水平提出了挑戰(zhàn)。

（2）產(chǎn)品成熟度問題

目前處于TSN的產(chǎn)業(yè)初期，產(chǎn)品成熟度還有待提升。一方面，TSN

的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇中部分協(xié)議依舊處于修訂、更新和評審狀態(tài)；另一方面，

TSN屬于新技術(shù)，需要進(jìn)行市場培育和廣泛宣傳才能逐漸得到推廣。

從網(wǎng)絡(luò)交換端的角度，目前市面上的TSN交換機(jī)普遍是原理驗(yàn)證樣

機(jī)或者是基于FPGA而開發(fā)的，成熟度較低且成本較高。要研發(fā)出成熟

的工業(yè)級TSN交換芯片及交換機(jī)仍然需要一定的研發(fā)周期。

從網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的角度，要做到對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)中需

要有支持TSN各項(xiàng)協(xié)議的終端器件，只有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均支

持TSN相關(guān)協(xié)議，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能達(dá)到時(shí)鐘同步效果，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)

點(diǎn)之間才能互相約定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，做到流量的時(shí)延和抖動(dòng)可控。

然而目前各個(gè)廠家主要精力均集中在對交換芯片和交換機(jī)的研發(fā)，對支

持TSN的終端芯片關(guān)注較少，導(dǎo)致目前組網(wǎng)中終端器件難以支持TSN，

進(jìn)而也難以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度。

從應(yīng)用的角度，需要將TSN網(wǎng)絡(luò)的搭建和配置做到簡單友好，普通

用戶能夠很快入手，才能較為順利地推廣至傳統(tǒng)行業(yè)用戶。

（3）安全性

TSN解決方案需要保障網(wǎng)絡(luò)安全、功能安全和信息安全。網(wǎng)絡(luò)安全

是指網(wǎng)絡(luò)免受攻擊入侵的安全防范，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件、軟件及其系統(tǒng)

—10—

中的數(shù)據(jù)受到保護(hù)，不因偶然的或者惡意的原因而遭受到破壞、更改、

泄露，系統(tǒng)連續(xù)可靠正常地運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不中斷。功能安全是指避免

由系統(tǒng)功能性故障導(dǎo)致的不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，主要關(guān)注系統(tǒng)故障后的行為,

而不是系統(tǒng)的原有功能或性能。如TSN網(wǎng)絡(luò)不能影響汽車的剎車，加速

等功能。信息安全是指需保證信息的保密性、真實(shí)性、完整性、未授權(quán)

拷貝和所寄生系統(tǒng)的安全性。

一方面，TSN網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃繼承了Profinet,EtherCat的功能，因此

在通信設(shè)計(jì)時(shí)基本上需要知道具體的傳輸?shù)男畔?nèi)容，這種情況若擴(kuò)展

到TSN構(gòu)筑的網(wǎng)絡(luò)，會存在顯式的企業(yè)機(jī)密泄露事件；另一方面，由于

OT和IT融合方面，OT的互操作性語義可能會在IT層面存在隱性的泄

露風(fēng)險(xiǎn)，如可以通過對IT的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以對接入的機(jī)器設(shè)

備行為進(jìn)行行為學(xué)分析，從而獲得工序、流程等商業(yè)秘密信息。因此，

在TSN解決方案中，需要考慮信息的加密傳輸機(jī)制、脫敏機(jī)制以及加擾

等隱私保護(hù)機(jī)制。

2.應(yīng)用場景分析

在某些關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，常規(guī)的以太網(wǎng)由于缺乏確定性通信保障機(jī)制

無法滿足高帶寬、低延時(shí)、低抖動(dòng)和高可靠的性能要求，但TSN技術(shù)可

以做到。以航空航天、汽車、鐵路行業(yè)為例，關(guān)鍵程序要求高帶寬、零

損耗，能夠處理速率受限的流量以及同時(shí)應(yīng)對不同類型的數(shù)據(jù)和通訊需

求；另一方面，航空航天等行業(yè)具有一定的行業(yè)特殊性，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是

基于專有標(biāo)準(zhǔn)的，供應(yīng)商很少，成本更高。而TSN技術(shù)是一項(xiàng)全球性技

術(shù)，組件成本低，已經(jīng)過大量測試使用，應(yīng)對航空航天、汽車、鐵路行

業(yè)所面臨的通訊技術(shù)挑戰(zhàn)，TSN有著完整的解決方案。

3.技術(shù)路線分析

—11—

TSN解決方案的技術(shù)路線主要包括TSN設(shè)備產(chǎn)品選型和TSN網(wǎng)絡(luò)組

網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)兩大塊。根據(jù)TSN芯片的能力選擇TSN交換機(jī)、TSN網(wǎng)關(guān)和

TSN端設(shè)備，根據(jù)使用應(yīng)用需求設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包含網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、TSN交

換機(jī)、網(wǎng)關(guān)和端設(shè)備的部署位置，網(wǎng)絡(luò)最終通過TSN控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配

置和控制管理實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的接入。這當(dāng)中TSN芯片，設(shè)備和TSN網(wǎng)絡(luò)控制

器是保證TSN解決方案落地的關(guān)鍵。

（三）TSN相關(guān)產(chǎn)品

對TSN通用解決方案而言，TSN產(chǎn)品的基礎(chǔ)支撐至關(guān)重要。TSN要

發(fā)揮出其決定性作用，一大前提是要保證TSN產(chǎn)品端到端的覆蓋，包含

了TSN芯片及處理器、TSN模組、TSN設(shè)備、TSN控制器、TSN流量規(guī)劃

器等產(chǎn)品。

1.TSN芯片及處理器

TSN芯片及處理器是TSN端到端覆蓋的核心命脈，它決定了其它

TSN產(chǎn)品的基礎(chǔ)性能及底層架構(gòu)，TSN芯片及處理器的設(shè)計(jì)需要將控制

命令的傳送過程控制在微秒級別的時(shí)間精度內(nèi)。

例如，TI公司推出了一款多協(xié)議千兆TSN的處理器芯片

SitaraAM6x。ADI公司發(fā)布的Fido5000是一款雙端口的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、

多協(xié)議TSN交換芯片。Broadcom公司已發(fā)布BCM53570、BCM53112、

BCM53154、BCM53162等不同規(guī)格的TSN交換機(jī)芯片。瑞薩電子株式會

社推出支持CC-LinkIETSN的工業(yè)以太網(wǎng)通信IC—R-IN32M4-CL3。

MARVELL已發(fā)布88E6390X、88Q5050用于交換機(jī)的TSN芯片。NXP已發(fā)

布SJA1105、SJA1105TELTSN芯片。在IPCore提供商方面。賽靈思

(Xilinx)公司推出的TSNIPCore可在一個(gè)3端口橋接端點(diǎn)或端點(diǎn)專用

配置中支持TSN標(biāo)準(zhǔn)。SoC-e公司推出TSNIPCore，支持802.1AS、

—12—

802.1Qbv等。英特爾(Intel)公司推出TSNIPCore。TTTech公司的

FlexIPSolution是一個(gè)靈活的模塊化設(shè)計(jì)IP，為定制芯片（ASICs

或ASSPs）提供TSN功能。

當(dāng)前國內(nèi)的TSN芯片及處理器產(chǎn)業(yè)進(jìn)展迅速，已有多家廠商推出了

對應(yīng)的國產(chǎn)化TSN芯片及處理器。

例如，飛騰推出了TSN處理器FT-2000/4，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供支

持。

圖2TSN網(wǎng)絡(luò)接口的高速電路設(shè)計(jì)框圖

國防科技大學(xué)研制了千兆TSN芯片——銀河衡芯時(shí)間敏感交換芯片

HX-DS09，代號“楓林一號”。

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圖3“楓林一號”TSN芯片

北京智芯微電子研發(fā)了一款SC2404的TSN芯片，支持多種TSN協(xié)

議。

圖4SC2404TSN芯片

2.TSN融合5G模組

TSN融合5G模組是TSN通用解決方案中實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)

一致確定性的關(guān)鍵樞紐，TSN是時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)，5G則是BestEffort網(wǎng)

絡(luò)，融合的前提是在不確定的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)確定性時(shí)延，包括時(shí)間同步、

流量調(diào)度、可靠橋接技術(shù)等功能，由此將5G作為TSN網(wǎng)絡(luò)的無線部分，

擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，大幅提高端設(shè)備設(shè)計(jì)和部署的靈活性。

此前，中國信息通信研究院牽頭發(fā)布“5G+TSN聯(lián)合測試床”，中

興通訊聯(lián)合高通成功演示用于智能電網(wǎng)的端到端5GTSN系統(tǒng)，中國聯(lián)

通與北京科技大學(xué)發(fā)布面向冶金行業(yè)的5G+TSN系統(tǒng)，愛立信發(fā)布基于

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5G與TSN融合的移動(dòng)機(jī)器人，這些都需要TSN融合5G模組。

圖5TSN融合5G模組方案及原型

3.TSN設(shè)備

TSN設(shè)備是TSN通用解決方案的主干，不可或缺。主要包括TSN交

換機(jī)、TSN網(wǎng)關(guān)、TSN網(wǎng)卡、TSN測試儀、TSN端設(shè)備等，提供TSN設(shè)備

的廠商陣容正在擴(kuò)大，開始逐步形成端到端的TSN產(chǎn)品方案。

例如，Relyum公司發(fā)布了TSN網(wǎng)關(guān)RELY-TSN-CPPS。控創(chuàng)

（kontron）推出的KBoxC-102-2可為現(xiàn)有PLC、BoxPC、網(wǎng)關(guān)和工業(yè)

服務(wù)器的硬件/軟件升級解決方案。英特爾的EXOReXware707系列多

協(xié)議IIoT網(wǎng)關(guān)可充當(dāng)OT和IT之間的橋梁。恩智浦推出了S32G-VNP-

GLDBOX作為通用車載網(wǎng)關(guān)。

三旺通信基于工業(yè)場景應(yīng)用，推出工業(yè)級TSN交換機(jī)、工業(yè)級TSN

交換機(jī)板卡、工業(yè)級TSN網(wǎng)關(guān)等端到端多類型TSN設(shè)備。

圖6三旺通信TSN工業(yè)交換機(jī)

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國防科技大學(xué)研制多種型號的TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括TSN交換機(jī)、

TSN網(wǎng)卡、TSN網(wǎng)關(guān)、TSN網(wǎng)絡(luò)測試儀等。

圖7“楓林一號”TSN交換機(jī)板卡

4.TSN控制器

TSN控制器，是TSN的用戶/網(wǎng)絡(luò)配置中心，采用集中式的配置模

型，具備檢索端站和TSN設(shè)備識別、收集端站功能和流量需求、流量路

徑調(diào)度計(jì)算、設(shè)備TSN配置下發(fā)等功能，是推動(dòng)TSN產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心組

件。

例如，網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行TSN控制器的研發(fā)。

其TSN控制系統(tǒng)基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想，遵從802.1Qcc完全集中式配

置規(guī)范，支持全網(wǎng)級時(shí)鐘同步配置管理、提供TSN全部傳輸協(xié)議的納管、

并提供多種調(diào)度引擎算法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的管理。

國防科技大學(xué)研制了一款適配OpenTSN開源項(xiàng)目的TSN集中式網(wǎng)絡(luò)

控制器TSNLight，可以對OpenTSN的硬件設(shè)備包括交換機(jī)、網(wǎng)卡、網(wǎng)

關(guān)等設(shè)備進(jìn)行管理控制。

TTTECH公司的SlateXNS是一種TSN納管產(chǎn)品方案，作為基于瀏

覽器的軟件，它用于為TSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?、添加流和部署配置。Slate

XNS可以調(diào)度和配置任何TSN標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備，在Windows或

—16—

Linux上運(yùn)行，無需專業(yè)知識就能配置復(fù)雜的TSN網(wǎng)絡(luò)。

Cisco的CNC納管TSN交換機(jī)方案，提供分層的架構(gòu)模型。CNC是

SDN控制器，作為集中式的網(wǎng)絡(luò)控制，擁有全局的視圖和網(wǎng)絡(luò)管理。當(dāng)

前CNC專注于自動(dòng)化配置，包括新增流量需求、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備改變場景等。

5.TSN流量規(guī)劃器

TSN流量規(guī)劃器根據(jù)用戶需求生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，支持集成多種

調(diào)度策略，通過全局信息采集，統(tǒng)籌規(guī)劃流量調(diào)度方案，是促進(jìn)TSN工

業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵部件。

例如，國防科技大學(xué)基于python和開源SMT求解器開發(fā)的TSN流

量規(guī)劃器OpenPlanner，由拓?fù)浼傲髁可?、拓?fù)浼傲鹘馕?、約束生成、

約束添加和求解、輸出解析五個(gè)模塊組成。

華為針對不同場景業(yè)務(wù)差異化的SLA保證需求，提出TSN大規(guī)模異

構(gòu)異質(zhì)流量編排方案，針對業(yè)務(wù)實(shí)際特征進(jìn)行分類、聚合，并根據(jù)拓?fù)?/p>

類型，智能選擇同步、異步或混合編排方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模流量的快速、

增量編排，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)優(yōu)能力。

圖8TSN大規(guī)模異構(gòu)異質(zhì)流量編排方案

—17—

（四）TSN融合技術(shù)解決方案

1.TSN+OPCUA解決方案

TSN+OPCUA組合提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、高確定性并真正獨(dú)立于設(shè)備廠

商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨

大改善。TSN技術(shù)和OPCUA相結(jié)合，可以滿足工業(yè)應(yīng)用的各種傳輸需

求，提升工業(yè)現(xiàn)場的信息交互效率。OPCUA提供標(biāo)準(zhǔn)的語義定義，統(tǒng)

一互操作，統(tǒng)一信息模型，M2M/M2B協(xié)同，以及面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)SoA

降低軟件設(shè)計(jì)難度。TSN通過良好的互通性，改善現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

的情況，提供高可靠性、多路徑/冗余路徑技術(shù)；提供us級時(shí)延、ns

級抖動(dòng)，管理簡單，即插即用。

圖9賽靈思OPCUA-TSN通訊框架

2.DDS融合TSN：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換解決方案

IICF對象管理組織（OMG）宣布開發(fā)了一個(gè)DDS-TSN標(biāo)準(zhǔn)，以便使

用DDS數(shù)據(jù)總線的軟件應(yīng)用程序能夠部署在支持TSN的網(wǎng)絡(luò)上。通過將

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DDS置于TSN之上，系統(tǒng)架構(gòu)師和應(yīng)用程序開發(fā)人員可以輕松地創(chuàng)建具

有高確定性、可靠性、可擴(kuò)展性和可用性特性的強(qiáng)大的分布式數(shù)據(jù)中心

軟件集成框架。

圖10使用DDS-TSN標(biāo)準(zhǔn)啟用的QoS策略和配置參數(shù)簡單配置時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流

結(jié)果表明，DDS和TSN非常適合并完美互補(bǔ)。DDS系列規(guī)范為IIOT

連接堆棧上較高的軟件組件定義了軟件數(shù)據(jù)總線，如圖11所示，TSN

規(guī)范定義了堆棧最低層的硬件接口和信令，兩者都是橫向標(biāo)準(zhǔn)，適用于

許多垂直市場。DDS-TSN標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，使IIOT網(wǎng)絡(luò)能夠融合到單一商

品硬件解決方案中，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。

3.CC-LinkIETSN解決方案

CC-LinkIETSN是一種開放式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，瑞薩電子為智能工

廠應(yīng)用提供了基于該技術(shù)的系統(tǒng)解決方案，作為首個(gè)支持CC-LinkIE

TSNB類標(biāo)準(zhǔn)的控制器，R-IN32M4-CL3芯片上的系統(tǒng)嚴(yán)格的符合規(guī)范，

可實(shí)現(xiàn)超高速和高精度運(yùn)動(dòng)控制解決方案，從總體上提高了工廠的生產(chǎn)

效率。

—19—

圖11使用CC-LinkIETSN的技術(shù)架構(gòu)

三、TSN行業(yè)解決方案

（一）軌道交通

1.需求分析

列車通信網(wǎng)絡(luò)TCN，為列車各子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，是列車核

心組成部分之一，相當(dāng)于列車的“大腦”和“神經(jīng)”系統(tǒng)。為了滿足列

車信息化和智能化的發(fā)展趨勢對高帶寬的需求，IEC/TC9于2012-2018

年陸續(xù)制定發(fā)布IEC61375系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將以太網(wǎng)技術(shù)引入軌道交通

行業(yè)。中國于2020年陸續(xù)發(fā)布GB/T28029系列標(biāo)準(zhǔn)，完成中國列車通

信網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

TCN采用以太網(wǎng)技術(shù)后盡管有足夠的帶寬，卻并未簡化列車的整體

設(shè)計(jì)。列車往往部署多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，分別用于列車控制、鐵路信號、視

頻安全和乘客信息系統(tǒng)等。其主要原因是以太網(wǎng)技術(shù)本身不具備確定性，

—20—

在多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)混合傳輸?shù)膱鼍跋拢瑹o法保障控制數(shù)據(jù)的安全。

IEC61375和GB/T28029標(biāo)準(zhǔn)建議將控制網(wǎng)與多媒體網(wǎng)分別組網(wǎng)，如下

圖所示。

圖12IEC61375規(guī)定的控制網(wǎng)與多媒體網(wǎng)組網(wǎng)方式

下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)的核心目標(biāo)是簡化列車整體通信的復(fù)雜性，把

各個(gè)子系統(tǒng)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)融合成一個(gè)綜合承載網(wǎng)絡(luò)。歐盟Shift2Rail計(jì)

劃的CONNECTA項(xiàng)目于2016年開始進(jìn)行下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)的研究，西

門子、龐巴迪、西班牙CAF、阿爾斯通、德國DB，法國國鐵等都是該項(xiàng)

目組成員。CONNECTA項(xiàng)目定義的下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)將采用基于IEEE

802.1標(biāo)準(zhǔn)的TSN技術(shù)。IEC/TC9于2021年開始策劃IEC61375系列標(biāo)

準(zhǔn)的修訂，有意向增加TSN內(nèi)容。

盡管下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，但是TSN作為下一代列車

通信網(wǎng)絡(luò)代際特征通信技術(shù)基本上已成為業(yè)內(nèi)共識。新的列車通信網(wǎng)絡(luò)

采用TSN技術(shù)以后，將兼有MVB/WTB總線通信技術(shù)確定性實(shí)時(shí)性和以太

網(wǎng)技術(shù)的高帶寬靈活性的優(yōu)點(diǎn)，列車通信網(wǎng)絡(luò)將會迎來一個(gè)全新的階段。

2.應(yīng)用解決方案

由于基于TSN的列車通信網(wǎng)絡(luò)暫未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本章節(jié)根據(jù)

IEC61375與GB/T28029標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合兩種協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和TSN

的技術(shù)特點(diǎn)，提出一種可能的基于TSN的列車通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如下圖所

示。

—21—

圖13基于TSN的列車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示例

該架構(gòu)整體采用雙平面冗余的結(jié)構(gòu)，與IEC61375和GB/T28029相

同的分層模式，包含支持TSN的以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ETBN構(gòu)成的列

車骨干網(wǎng)ETB，支持TSN的以太網(wǎng)編組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ECNN構(gòu)成的編組網(wǎng)，以

及支持TSN終端設(shè)備ED和普通終端構(gòu)成的終端層。

TSN列車骨干網(wǎng)由ETBN-TSN設(shè)備組成，每個(gè)編組固定為兩個(gè)ETBN

設(shè)備，主要解決列車重聯(lián)與解編動(dòng)態(tài)編組問題?；赥SN的列車骨干網(wǎng)

使用雙線性結(jié)構(gòu)，摒棄了掉電旁路功能。物理層可能會升級到1000M或

10G以太網(wǎng)，通信線纜可能會繼續(xù)使用電纜也可能使用光纜。

TSN編組網(wǎng)由ECNN-TSN設(shè)備構(gòu)成，以成對的方式部署，核心作用

是向終端設(shè)備層提供接入服務(wù)?；赥SN的編組網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)上明確采用

環(huán)型拓?fù)?，面向雙網(wǎng)口控制類終端設(shè)備提供并行結(jié)構(gòu)雙數(shù)據(jù)平面冗余方

式，面向普通終端設(shè)備提供環(huán)型冗余服務(wù)。物理層可能會升級到1000M

或10G以太網(wǎng)，通信線纜可能會繼續(xù)使用電纜也可能使用光纜。

終端層由具備TSN功能的ED-TSN和普通以太網(wǎng)終端ED構(gòu)成，與車

—22—

輛控制相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備比如牽引、制動(dòng)、輔助等系統(tǒng)要求支持TSN且采

用雙網(wǎng)口冗余方式，與車輛控制無關(guān)的其他設(shè)備比如車門、空調(diào)、PIS

等系統(tǒng)可以繼續(xù)采用單網(wǎng)口方式。物理層可能會徹底摒棄10BASE-T，

使用100BASE-TX，線纜采用CAT5e電纜。列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議TRDP需要

進(jìn)行升級修改，以適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、TSN技術(shù)特性并支持版本兼容。

基于TSN的綜合承載網(wǎng)絡(luò)分別為控制數(shù)據(jù)和非控制數(shù)據(jù)配置不同的

優(yōu)先級，以確保在非控制數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況下，控制數(shù)據(jù)不受影響。

建議優(yōu)先級分配遵循以下原則：行車安全控車相關(guān)數(shù)據(jù)優(yōu)先級較高，非

行車相關(guān)控車數(shù)據(jù)或服務(wù)類控制數(shù)據(jù)優(yōu)先級次之，視頻等多媒體信息優(yōu)

先級最低。

IEEE802.1TSN已經(jīng)發(fā)布和正在制定中的子標(biāo)準(zhǔn)超過30余項(xiàng)，軌

道交通行業(yè)列車通信網(wǎng)絡(luò)對TSN標(biāo)準(zhǔn)的選擇建議如下。

板塊標(biāo)準(zhǔn)選擇說明

目前車載應(yīng)用使用的時(shí)間同步的方式，比如NTP協(xié)議、SNTP協(xié)議、基于

TRDP的授時(shí)協(xié)議等均無法滿足TSN的使用需求，必須引入IEEE802.1

時(shí)間同步AS-Rev這一全新時(shí)間同步協(xié)議的支持。按照傳統(tǒng)的失效不擴(kuò)散原則，

建議骨干網(wǎng)和編組網(wǎng)采用隔離的PTP域，某個(gè)編組時(shí)鐘失效不會影響其

它編組或骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)時(shí)鐘失效不會影響編組網(wǎng)

目前車載應(yīng)用流量整形采用的是基于信用、權(quán)重或嚴(yán)格優(yōu)先級的整形策

流量整形

略，為了支持TSN，需要引入IEEE802.1Qbx,流量調(diào)度整形機(jī)制的支持

考慮到IEC61375和GB/T28029中對于骨干網(wǎng)均明確要求使用100BASE-

幀搶占TX物理層，建議列車通信網(wǎng)絡(luò)在使用TSN時(shí)引入對IEEE802.1Qbu幀搶

占協(xié)議的支持，提高對帶寬的有效利用率

列車通信網(wǎng)絡(luò)由交換設(shè)備承擔(dān)的安全相關(guān)的功能主要包括帶寬限制、廣

安全防護(hù)播風(fēng)暴抑制、黑白名單等，引入IEEE802.1Qci逐流過濾與監(jiān)管支持可

以使交換機(jī)的防護(hù)功能更加完善

IEEE802.1CB幀復(fù)制與消除FRER（FrameReplicationand

網(wǎng)絡(luò)健壯

EliminationforReliability)提供了一種在二層無縫冗余的傳輸方

性

式，建議引入該標(biāo)準(zhǔn)提升列車網(wǎng)絡(luò)通信健壯性

圖14軌道交通行業(yè)列車通信網(wǎng)絡(luò)對TSN標(biāo)準(zhǔn)的選擇建議

—23—

目前無論國際還是國內(nèi)，IEEE802.1TSN技術(shù)將會是軌道交通行

業(yè)下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)的代際特征，已經(jīng)是行業(yè)共識。我們對此感到樂

觀，但對于TSN落地過程中所面臨的問題也要有清醒的認(rèn)識，只有盡快

完成基于TSN的列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化才能夠真正加快TSN技術(shù)在軌道交

通行業(yè)的落地進(jìn)程。

問題描述

TRDP是IEC61375和GB/T28029規(guī)定的列車車載通信協(xié)議，需要

TRDP與TSN

研究如何將TRDP的配置、傳輸與TSN自身的配置、傳輸機(jī)制進(jìn)行

融合

融合，使TSN技術(shù)滿足列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范

列車編組改變或者故障會導(dǎo)致列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變。拓?fù)渥兓瘜?/p>

拓?fù)渥兓枰獙?shù)據(jù)調(diào)度配置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。如何設(shè)計(jì)相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制和快

速生成調(diào)度，是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)

TSN的最關(guān)鍵的部分時(shí)間同步，需要研究一種適合軌道交通車載場

時(shí)間同步景的時(shí)間同步方案，同時(shí)需要思考如何應(yīng)對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化引起的時(shí)

間再同步

TSN的測試一致性標(biāo)準(zhǔn)還沒有建立，當(dāng)前廠家互聯(lián)互通還未完全建

立，但各廠商調(diào)度機(jī)制還存在差異，導(dǎo)致部分廠商設(shè)備報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)丟

互聯(lián)互通

棄或時(shí)延加大的情況，未來還需要加強(qiáng)通信一致性標(biāo)準(zhǔn)的制定和完

善，減少報(bào)文丟失或延時(shí)問題的發(fā)生

圖15軌道交通行業(yè)TSN落地的問題

（二）智能制造

1.需求分析

智能制造是一種新型生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)方式是基于新一代信息通信

技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造

活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功

—24—

能。跟傳統(tǒng)制造相比，智能制造具有如下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)量越來越大。智能終端、物聯(lián)網(wǎng)逐漸普及，全球物聯(lián)網(wǎng)

將保持高速增長，根據(jù)GSMA發(fā)布的報(bào)告和世界物聯(lián)網(wǎng)大會提供的數(shù)據(jù)

顯示:2019年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)達(dá)到120億,其中我國的物聯(lián)網(wǎng)連接

數(shù)為36.3億，在全球占比高達(dá)30%，預(yù)計(jì)到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連

接數(shù)規(guī)模將達(dá)到246億，年復(fù)合增長率高達(dá)13%，而我國預(yù)計(jì)能夠超過

80億個(gè)。大幅提高的物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)會導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)部流量激增，傳統(tǒng)的

工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等技術(shù)的帶寬已無法滿足海量終端聯(lián)網(wǎng)的需求；

圖16全球物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模

（2）業(yè)務(wù)類型越來越復(fù)雜。在制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，AR/VR

輔助運(yùn)維、數(shù)字孿生、機(jī)器視覺等新技術(shù)的發(fā)展，ERP/MES/WMS/PLM等

系統(tǒng)的打通，使得企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)所需承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型越來越多，為

不同類型的業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)，是企業(yè)面臨的一大難題；

（3）企業(yè)上云越來越普遍。企業(yè)上云有利于推動(dòng)企業(yè)加快數(shù)字化、

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網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，提高創(chuàng)新能力、業(yè)務(wù)實(shí)力和發(fā)展水平，越來越多

的企業(yè)已經(jīng)上云或者正在規(guī)劃上云。

2.應(yīng)用解決方案

（1）基于TSN的多業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸

在制造業(yè)，OT被認(rèn)為是現(xiàn)代工廠的支柱，它控制著工廠的基礎(chǔ)設(shè)

施，并使工廠生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，IT也是必不可少的，從客戶關(guān)

系管理，到管理信息系統(tǒng)，到電子郵件，一切都是在IT基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)

行的，IT和OT一直共存，但往往彼此獨(dú)立。然而，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

(IIoT）的出現(xiàn)，將網(wǎng)絡(luò)傳感器及其相關(guān)軟件與復(fù)雜的物理機(jī)械結(jié)合在

一起，IT和OT之間的鴻溝正在迅速消散。OT網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的工業(yè)

以太網(wǎng)技術(shù)，可以很好地滿足機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制等實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求，但是

無法應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的連接和傳輸，而IT網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的普通交換機(jī)

等產(chǎn)品，雖然可以提供更大的帶寬和傳輸能力，但采用的“盡力而為”

機(jī)制，在實(shí)時(shí)性、確定性方面又無法滿足生產(chǎn)需求。

圖17基于TSN的多業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸方案

—26—

基于TSN交換機(jī)構(gòu)建的確定性內(nèi)網(wǎng)，既可以滿足實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的需求，

也可以為海量數(shù)據(jù)的傳輸提供網(wǎng)絡(luò)支撐，具有以下4種優(yōu)勢：

①通過IEEE802.1AS和IEEE1588v2協(xié)議，實(shí)現(xiàn)整個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)誤

差在納秒級的高精度時(shí)鐘同步，微秒級的端到端傳輸時(shí)延上限，以及納

秒級的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)控制，為遠(yuǎn)程操控等實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)提供確定性網(wǎng)絡(luò)支撐；

②通過IEEE802.1CB鏈路冗余等技術(shù)，提供高可靠的網(wǎng)絡(luò)保障；③通

IEEE802.1Qbv門控技術(shù)，提供差異化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)共網(wǎng)傳輸；

④TSN采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，具備良好的互通性，改變了傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)

絡(luò)七國八制局面，通過與OPCUA技術(shù)結(jié)合，加速了企業(yè)IT、OT的融合。

（2）基于TSN+5G的PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

PLC作為可編程邏輯控制器，廣泛應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、工

業(yè)過程控制、開關(guān)量邏輯控制等場景，但是隨著智能化需求的日益增長，

傳統(tǒng)PLC已經(jīng)不能滿足工業(yè)智能化的需求：協(xié)議不統(tǒng)一、開放性低；控

制系統(tǒng)除了要處理傳感信號，還要處理視覺、語音等信號；要支持5G

等無線通信。傳統(tǒng)的PLC是做不到的，且PLC通常部署分散，不利于業(yè)

務(wù)的調(diào)整與維護(hù)。云化PLC具備軟硬件分離、易擴(kuò)展、處理性能更強(qiáng)、

統(tǒng)一的云端圖形化編程和運(yùn)維的環(huán)境等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制從有線到

無線、從本地到云端的轉(zhuǎn)移。

工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，對時(shí)間要求極高，如下圖所示：

業(yè)務(wù)類型可靠性指標(biāo)端到端時(shí)延要求消息大?。˙ytes)

運(yùn)動(dòng)控制99.999%~99.999999%500us~2ms20~50

移動(dòng)機(jī)器人>99.9999%1ms~50ms40~250

對裝配機(jī)器

人、銑床等的99.9999%~99.999999%4ms~8ms40~250

遠(yuǎn)程控制

圖18工業(yè)控制類業(yè)務(wù)對時(shí)間要求

—27—

因此PLC的云化部署，需要一個(gè)能夠提供確定性轉(zhuǎn)發(fā)能力的網(wǎng)絡(luò)作

為支撐，基于TSN和5G技術(shù)組成的確定性網(wǎng)絡(luò)可以滿足需求。

圖19基于TSN+5G的PLC遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制

如上圖所示，將原先位于現(xiàn)場的PLC拉遠(yuǎn)至云端，通過TSN、5G網(wǎng)

絡(luò)，連接至現(xiàn)場設(shè)備，共同完成產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)過程控制等活動(dòng)。

在TSN網(wǎng)絡(luò)中配置IEEE802.1AS使各個(gè)設(shè)備時(shí)間同步，以精確的時(shí)間

同步為基礎(chǔ)，在TSN交換機(jī)、UE/DS-TT、UPF/NW-TT上配置基于時(shí)間的

精確門控管理，實(shí)現(xiàn)PLC控制報(bào)文的低時(shí)延、低抖動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)。采用此方案

—28—

具備如下優(yōu)勢：①通過TSN與5G技術(shù)的結(jié)合，為PLC的集中、云化部

署提供了技術(shù)支撐，有利于業(yè)務(wù)的及時(shí)調(diào)整以及PLC的統(tǒng)一管理和維護(hù)；

②通過CNC對TSN交換機(jī)及5GTSN網(wǎng)橋的自動(dòng)化配置與管理，網(wǎng)絡(luò)維

護(hù)工作簡單；③PLC云化部署后，減少了對硬件的依賴性，企業(yè)可以靈

活地選擇供應(yīng)商，允許用戶更換或添加組件并且不影響系統(tǒng)的其他部分，

輕松實(shí)現(xiàn)PLC的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)模塊化。

（三）汽車車載

1.需求分析

（1）車載以太網(wǎng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)是多種總線技術(shù)共存的，典型的如CAN、LIN、

FlexRay等，“專線專用”是一大特點(diǎn)。由于各種總線技術(shù)各有特色，

可復(fù)用性差，故當(dāng)前汽車業(yè)界絕大多數(shù)廠商需要在一輛車上使用5-14種

總線技術(shù)。繁多的總線類型大大增加了線纜的總長度與總重量，也增加

了布線的難度和人工成本。

下圖為車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)，從傳統(tǒng)的各類總線相互隔離的網(wǎng)絡(luò)架

構(gòu)，到目前部分功能集中到域控制器，各類系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與域控制器

實(shí)現(xiàn)互通，再到未來一網(wǎng)到底，各類系統(tǒng)靈活互通，可以看出，以太網(wǎng)

絡(luò)將成為車載網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。在未來的架構(gòu)中，高帶寬的以太骨干鏈

路可以支持軟件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，進(jìn)行集中式的處理，同時(shí)大大降低了總線類

型的數(shù)量，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

—29—

圖20車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)

車載以太網(wǎng)的需求如下：

①高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，涉及到大量的傳感器數(shù)據(jù)傳

輸需求。最典型的是攝像頭圖像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

②實(shí)時(shí)性與確定性。在高帶寬數(shù)據(jù)傳輸下，如何保證數(shù)據(jù)在不同控

制器，控制器與傳感器間的傳輸時(shí)延、波動(dòng)盡可能小以及部分控制指令

滿足實(shí)時(shí)性要求。例如自動(dòng)駕駛應(yīng)用對車輛控制報(bào)文的需求如下圖所示：

需求當(dāng)前方案方案缺陷

盡管DDS嘗試通過使用有效的

采用DDS通信解決方案中

時(shí)延盡可能二進(jìn)制協(xié)議來盡力而為，但它下

的QOS技術(shù)，控制報(bào)文優(yōu)

少能保證何自知性的行為，因?yàn)樗?/p>

先發(fā)送

不控制底層網(wǎng)絡(luò)層

通過丟包重傳的機(jī)制來?？梢员ＷC不丟包，但是包的重傳

報(bào)文不丟包

證會帶來時(shí)延

圖21自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對車輛控制報(bào)文的需求

③高精度時(shí)間同步。不同傳感器、控制器需要時(shí)間同步，來滿足算

法對時(shí)空同步的需求。比如在自動(dòng)駕駛解決方案中的技術(shù)應(yīng)用，要求傳

感器與域控制器之前高精度的時(shí)間同步，同時(shí)對時(shí)間同步的可靠性要求

很高，為達(dá)到ASIL_D安全等級需要冗余備份主時(shí)鐘。

（2）車載以太網(wǎng)遺留問題

①傳輸確定性與可靠性無法保證。車載軟件開發(fā)普遍遵循Adaptive

—30—

AutoSar（簡稱AP），但是在AP的規(guī)范并沒有體現(xiàn)自動(dòng)駕駛對傳輸確定

性和可靠性方面的要求。另外目前的實(shí)現(xiàn)僅在軟件協(xié)議棧層面做工作，

僅僅在軟件層面優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，在驅(qū)動(dòng)和硬件層能夠確定性的到達(dá)對端是無

法保證的。

②實(shí)時(shí)性無法滿足。在某些車載以太網(wǎng)應(yīng)用中對傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有強(qiáng)

制要求。比如智能座艙中對于HMI渲染的端到端傳輸時(shí)延要求<200ms，

自動(dòng)駕駛應(yīng)用中控制報(bào)文的傳出時(shí)延要求<1ms等，這在當(dāng)前車載以太網(wǎng)

的典型實(shí)現(xiàn)中都無法滿足需求。

③時(shí)間同步策略過時(shí)。傳統(tǒng)的NTP等時(shí)間同步策略在當(dāng)前車載以太

網(wǎng)應(yīng)用中，無論是可靠性還是同步精度都無法滿足要求，亟需精度更高

和具備安全冗余備份的技術(shù)。

2.應(yīng)用解決方案

對于新一代車型的車輛控制，通過域控制器的交換機(jī)功能進(jìn)行大量

實(shí)時(shí)性周期數(shù)據(jù)傳輸。依賴IEEE802.1Qbv和IEEE802.1Qbu功能，可以

實(shí)現(xiàn)分批分時(shí)的確定帶寬和確定延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，基本能夠滿足

100us~1ms的延時(shí)區(qū)間。滿足傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求的同時(shí)，車聯(lián)網(wǎng)

的地圖等應(yīng)用也能夠保證及時(shí)響應(yīng)，在線音視頻應(yīng)用也能夠流暢播放，

實(shí)現(xiàn)了以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的多域融合。

（1）應(yīng)用場景1-ADAS域控制器傳感器數(shù)據(jù)融合

①場景子類描述：

雷達(dá)，超聲波，攝像頭等傳感器數(shù)據(jù)融合，對數(shù)據(jù)帶要求很大，要

求來自不同傳感器的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)同步的傳輸?shù)街醒胗?jì)算平臺。

②數(shù)據(jù)流要求：

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要求項(xiàng)具體指標(biāo)

傳輸周期一般<10ms，比如車身反饋的車速、輪速等。

傳輸實(shí)時(shí)延一般要求<1ms

數(shù)據(jù)丟包率無丟包

最大幀長度64-1500

數(shù)據(jù)安全一般要求E2E校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)安全

圖22ADAS傳感器融合數(shù)據(jù)流指標(biāo)要求

③應(yīng)用的TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用到的TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.1AS-Rev、IEEE802.1Qbv、

IEEE802.1Qbu。

圖23ADAS域控制器傳感器數(shù)據(jù)融合示意圖

圖中ADAS域控制器即CentralComputer需要接收海量的傳感器數(shù)據(jù)，

對數(shù)據(jù)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求高，配置IEEE802.1Qbu和IEEE802.1Qbv

功能，可以保證以上數(shù)據(jù)傳輸鏈路的確定性和可靠性。

（2）應(yīng)用場景2-L4以上自動(dòng)駕駛?cè)哂鄠浞菥€路

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①場景子類描述：

L4以上自動(dòng)駕駛，需要保證數(shù)據(jù)傳輸鏈路的可靠性，通過全冗余

鏈路傳輸路徑的設(shè)計(jì)保證關(guān)鍵信息流的可靠傳輸。

圖24冗余備份線路示意圖

②數(shù)據(jù)流要求：

包含鏈路全冗余設(shè)計(jì)以及無縫切換。

③應(yīng)用的TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：

應(yīng)用到的TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.1CB。

（四）煤礦

1.需求分析

近年來，隨著國家發(fā)改委、工信部和國家能源局等部門聯(lián)合發(fā)布的

《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的落地，智慧礦山領(lǐng)域愈加受

到更多人的關(guān)注。特別是在5G技術(shù)的賦能下，為打造智慧礦山創(chuàng)新型

應(yīng)用，助力礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型升級奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過5G技術(shù)賦能產(chǎn)業(yè)，

不僅有助于我國經(jīng)濟(jì)社會的綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，也有助于推

動(dòng)人類命運(yùn)共同體的構(gòu)建。

作為能源礦產(chǎn)的重要組成部分，我國煤礦大部分處于地表以下，井

—33—

下掘進(jìn)面、綜采面等核心工作區(qū)存在較高危險(xiǎn)性。因此，人員安全問題

始終是煤礦生產(chǎn)的頭等大事，利用5G、大數(shù)據(jù)、新型網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段，

實(shí)施智能采礦，將煤礦工人從艱苦的工作環(huán)境和高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解

放出來，最大限度實(shí)現(xiàn)“少人則安，無人則安”。

綜上，智慧煤礦行業(yè)主要圍繞人員安全展開研究，在5G技術(shù)的賦

能下，通過實(shí)現(xiàn)“無人礦卡、高清視頻傳輸、遠(yuǎn)程控制、井下定位”以

及“5G+融合通信一張網(wǎng)”等技術(shù)達(dá)到礦山的智能化和數(shù)字化的要求。

目前，網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備以及不同制式系統(tǒng)下設(shè)備間的信息交互極為復(fù)雜，

這對“這張網(wǎng)”提出了很高的要求。

2.應(yīng)用解決方案

不同于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)TSN在以

太網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了時(shí)鐘同步、流量調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)配置等關(guān)鍵特性，可為

對時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)提供低時(shí)延、低時(shí)延抖動(dòng)和低丟包率特性的傳輸服務(wù)。

無人礦卡場景中，用于遠(yuǎn)程控制的控制信息對TSN網(wǎng)絡(luò)下不同設(shè)備

的同步提出了較高的要求。結(jié)合TSN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步特性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對

無人礦卡的控制，降低因網(wǎng)絡(luò)造成的信號傳輸時(shí)延的影響。

此外，針對基于TSN的遠(yuǎn)程控制場景。

如下圖所示，在CPE1-1與CPE1-2之間建立L2VPN鏈路1，在

CPE2-1與CPE2-2建立L2VPN鏈路2,這種在TSN網(wǎng)絡(luò)下的冗余傳輸

（FRER）方案，可以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。井下的TSN網(wǎng)絡(luò)（如圖

中的TSN1）與井上的TSN網(wǎng)絡(luò)（如圖中的TSN2）分別執(zhí)行數(shù)據(jù)的上傳

和下載，利用TSN的特性以達(dá)到改善時(shí)延抖動(dòng)和變無序?yàn)橛行虻饶康摹?/p>

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圖25遠(yuǎn)程控制總體方案示意圖

具體的特點(diǎn)如下：

視頻流、PLC/CAN的控制信息流通過不同的端口進(jìn)入TSN網(wǎng)關(guān)的交

換模塊，PLC/CAN的控制信息流為時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)流，將時(shí)間敏感的數(shù)

據(jù)流和時(shí)間非敏感的數(shù)據(jù)流在TSN網(wǎng)關(guān)處融合，TSN在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，

可以針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度，以保證質(zhì)量

的差異化。在這種應(yīng)用場景下，TSN可以針對各類工業(yè)應(yīng)用涉及的業(yè)務(wù)

流特性進(jìn)行建模和定義，比如視頻流和PLC遠(yuǎn)程控制流，以提供不同或

相匹配的優(yōu)先級與調(diào)度機(jī)制。

無論是無人礦卡、遠(yuǎn)程控制、高清視頻傳輸還是定位等場景，都可

通過時(shí)分復(fù)用或者頻分復(fù)用機(jī)制實(shí)現(xiàn)不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的傳輸，對于應(yīng)

用在煤礦領(lǐng)域的TSN網(wǎng)絡(luò)，雖然支持井上和井下使用一張網(wǎng)，但考慮到

井上井下傳輸環(huán)境的不同，在同屬于一張網(wǎng)的情況下