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你将学习:
- TSNS在支持关键任务工业应用方面的作用是什么？
- 哪种规格应该是（无线）TSN坚持？
- 是挑战的无线技术吗？
- 如果是这样，我们应该选择蜂窝(4G或5G)技术还是Wi-Fi?
高效的工厂建立在及时交换数据的基础上，但并不是每一条信息都应该被平等对待。例如，电子邮件通常可以在可接受的延迟下发送。然而，其他应用程序强烈依赖底层(传感器)数据的及时传输。想想自主系统的应用，如无人机、合作机器人、自动导航车辆或闭环控制系统，每一秒(微)都是至关重要的。这就是时间敏感网络(TSNs)的用武之地。
自20世纪80年代以来，以太网一直是交换工厂时间关键数据的默认技术选项。虽然基于以太网的tns很健壮，但它也有一个巨大的缺点:由于到处都有电缆，重新安排工厂的生产车间将成为一个相当大的挑战。这就是为什么制造业一直在呼吁安装无线tsn，而不受电缆铺设的阻碍。但是，无线通信技术能够满足TSNs的严格要求吗?
每一微秒都很重要
到目前为止，电信行业一直专注于提高网络速度和容量，因为用户对更快的互联网冲浪和下载大(视频)文件的需求不断上升。因此，对于大多数工业应用来说，带宽不足早已不再是一个问题。
然而，一直以来，很少有人关注于保证低延迟和预测正确的冗余水平。然而，这些保证对于支持任务关键型应用程序是至关重要的。想想工业4.0的应用，如闭环控制系统，或部署无人机，合作机器人和自动导航车辆。对于这样的用例，低延迟、有保证的服务质量(QoS)和准确的时间同步是至关重要的。
在一个智能、互联的工厂中，各种设备之间准确的时间同步变得越来越重要。例如，闭环控制系统强烈依赖于底层传感器和执行器之间的任何通信的快速和准确调度。其他时间敏感应用的例子包括分布式扬声器系统和高级增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和视频应用。在音频和视频应用程序的情况下，糟糕的同步甚至可以听到和看到，这是非常令人不安的。
Un-wiring工厂
自20世纪80年代以来，工厂内(对时间敏感的)数据交换主要依赖于健壮的以太网技术。因此，以太网社区通过引入基于tsn的以太网规范(IEEE 802.1Qbv)，在支持tsn的推出方面起到了明显的带头作用，该规范满足有线时间敏感网络的三个关键特征:
- 业务关键流量的端到端信号延迟为2毫秒(超过7跳)
- 时间同步精度小于1µs(在特定场景下可达几纳秒)
- 99.99999%的可靠性
尽管如此，使用有线网络具有显着的缺点。例如，每次重新排列生产楼层时，所有电缆也需要重新绘制。当然，这需要巨大的规划和准备，具有巨大的成本，并进行了不可能的优化。此外，通过安装每台新机器和每个传感器 - 甚至更具电缆，并且为了冗余，电缆通常安装两次。
因此，对无线TSNs的需求越来越大。然而，无线网络比有线网络更容易受到网络故障、带宽限制和阻塞信号的影响。诚然，移动技术在提供稳定性和可靠性方面已经取得了长足的进步，但仍有很多工作要做，特别是在时间同步方面。
那么，我们今天站在哪里？无线TSN是一个现实的选择，可以启用明天的智能连接的工厂吗？如果是这样，我们应该选择蜂窝（4G或5G）技术，还是Wi-Fi？
5 g与无线网络
在推出无线tsn时，5G社区一直在押注于最近指定的5G超可靠低延迟通信(URLLC)功能。随着5G URLLC的引入，社区的目标是尽可能接近基于以太网的tsn的性能规格。具体目标信号延迟不超过1µs，时间同步精度不超过1 ms，可靠性为99.999%。在这些方面，5G无疑拥有显著优势。
然而，Wi-Fi也有它的优势。一方面，Wi-Fi网络比蜂窝网络更容易安装，速度更快，成本更低。还有兼容性因素:以太网(IEEE 802.3)和Wi-Fi (IEEE 802.11)属于同一系列标准。这使得Wi-Fi成为想要将有线(以太网)网络转变为无线网络的公司最明显的技术选择。
在无线电电平，5G和Wi-Fi非常相似并且适应大致相同的比特率。重要的是，5G使用专门分配给电信运营商的许可频谱，而Wi-Fi在自由频谱中运行，因此由更严格的“礼貌”规则有限。
当Wi-Fi设备想要使用自由频谱时，首先必须验证其他设备是否使用该无线电频带。结果，每次传输无线包时，必须插入不可预测的（更短或更长）暂停，这可以增加延迟。在这方面，因为5G更严格调节，它具有明显的优势。
然而，这种情况可能会改变，因为一些国家已经允许购买当地频谱，用于部署私人5G网络。由于无线电频谱是技术中立的，同样的原则可以应用于建立一个Wi-Fi网络，不再受那些更严格的“礼貌”规则的约束。
最终，我们预计5G和Wi-Fi将共存，即使是在支持时间敏感网络方面。由于其范围更广，5G等蜂窝技术将为户外TSN部署带来略微优势;而Wi-Fi则更适合室内操作。然而，一切都取决于技术对更精确时间同步的支持。
世界第一:“开放wifi”芯片
任何基于wi - fi的、对时间敏感的网络都需要将其通信安排在专用的时间段。因此，各种连接设备之间准确的时间同步是至关重要的，因为任何同步的不准确性都必须由缓冲区(即所谓的“保护时间”)来吸收。这反过来又以牺牲效率为代价。毕竟，最好将有用的时间段安排得尽可能紧密，并尽量减少无法进行交流的缓冲区。
如今，Wi-Fi面临的挑战之一是，它只能实现几十倍的时间同步精度毫秒而一个典型的Wi-Fi数据包只有大约100个微秒长。如果必须在每个短数据包之间插入30毫秒的缓冲区，那么效率就不是很高。
随着imec的Openwifi定制无线电芯片，设计师现在可以完全控制硬件，其中嵌入时间同步功能(图1)．当一个人尝试使用商业Wi-Fi芯片时，此功能通常不可用。
1.openwifi无线芯片允许对具有嵌入式时间同步功能的硬件进行完全控制。
IMEC的OpenWifi与今天的商业技术相比，世界先进的Wi-Fi的时间同步准确性为10,000倍，降至1μs的水平。这比国际Wi-Fi联盟的野心更好，该联盟设定了5.5μs的目标。
开源软件加速创新
为了将研究加速到无线TSN和商业化，IMEC已选择使一些OpenWifi的基本功能作为开源软件。我们希望将申请开发商和芯片制造商提供来自世界各地的机会试验OpenWifi。那些没有适当的基础设施甚至可以使用我们的远程测试设施(图2)．
2.显示的是IMEC的（远程）IDLAB测试基础架构，可以基于分布式大规模MIMO，将所有可能的无线技术从Wi-Fi到4G，5G甚至未来的6G无线电架构中放在测试中。
OpenWifi在Github上流行，是世界上最大的开源软件开发平台。在那里，它排在最有价值的FPGA贡献中的前四个，并已下载超过200次。
我们有意将工业合作伙伴提供一个独特的机会，可以在OpenWii之上测试他们的应用程序，并评估这些应用是否与明天的时间敏感的Wi-Fi解决方案兼容。例如，Televic是一家专门通信解决方案的比利时提供商，对OpenWifi的兴趣显示了测试其低延迟音频流系统之一。
imec允许公司测试许多基于wi - fi的TSN特性，独立于特定供应商的实现和芯片组(目前还没有商业化)。这将为它们提供一个显著的竞争优势。
我们还可以丰富Wi-Fi数据包的实时网络和端到端监控信息。当数据包在网络中传输时，我们就可以确定特定Wi-Fi网络的性能。在这样做的过程中，我们无需通过网络发送额外的流量，就可以测量Wi-Fi包的情况，从而更容易查明问题的来源。此外，还可以将此输入用于网络重新配置，或检查是否满足了商定的QoS。这种技术已经在数据中心中使用了一段时间，但直到现在还没有在无线网络中实现。
迈出第一步——以后会有更多
那么，工厂什么时候才能部署无线tsn呢?我们断言这在开发过程中还为时过早。在未来几年，我们将逐渐看到基于tsn的功能出现在无线网络中，但这将一步一步地发生。首先是开发支持这些功能的商业芯片;然后申请就可以跟进了。与此同时，我们将关注5G和Wi-Fi如何继续满足无线tsn的需求。很明显，两者在支持时间紧迫的应用程序方面都提供了明显的附加价值。
Openwifi是一个成果虎鲸项目由欧洲“地平线2020”计划支持。
