工業5G與TSN的場景化應用
史運濤,郭京承
相關主題
商品描述
工業5G以其高速、可靠的無線通信能力引領工業通信新潮流，為智能製造、自動化控制等提供強大技術支持，被認為是工業革命的重要驅動力。工業5G與時間敏感網絡(TSN)結合，構建高效穩定通信網絡，滿足工業實時性和時序性要求。本書由北方工業大學工業互聯網團隊編寫，分為四大部分共15章，分別探討了工業5G網絡、TSN技術、工業5G與TSN協同技術及其在遠程駕駛和智能物流方面的場景化應用，可作為工程技術人員的參考資料，旨在推動工業互聯網人才培養和技術發展。
目錄大綱
目錄
前言
第一部分工業5G網絡系統
第1章 工業5G網絡概述 3
1.1 發展背景 3
1.1.1 移動通信發展概述 3
1.1.2 5G標準演進 8
1.2 工業5G的定義 11
1.2.1 工業5G與商用5G的差異 11
1.2.2 工業5G網絡 11
1.3 工業5G典型場景現狀 12
1.4挑戰 15
第2章 工業5G網絡架構及基礎 17
2.1 工業5G業務需求與性能指標 18
2.1.1 工業5G業務需求 18
2.1.2 工業5G性能指標 22
2.2 工業5G網絡系統架構 27
2.2.1 工業5G無線網架構 28
2.2.2 工業5G核心網架構 33
2.2.3 工業5G承載網架構 36
2.2.4 工業5G典型組網架構 38
2.3 小結 39
第3章 工業5G網絡關鍵技術 40
3.1 大規模MIMO及5G波束 40
3.1.1 MIMO技術 40
3.1.2 波束賦形 41
3.2 編碼技術 44
3.2.1 Turbo碼 44
3.2.2 LDPC碼 45
3.2.3 Polar碼 45
3.3 SDN+NFV 48
3.3.1 SDN技術概述 48
3.3.2 NFV技術概述 51
3.3.3 SDN和NFV技術在5G中的應用 52
3.4 5GLAN 54
3.4.1 5G LAN技術概述 54
3.4.2 5G LAN技術在工業中的應用 55
3.5 網絡切片技術 56
3.5.1 網絡切片技術概述 56
3.5.2 5G網絡切片關鍵技術 58
3.5.3 網絡切片技術在工業互聯網中的應用 60
3.6 邊緣計算 61
3.6.1 邊緣計算技術概述 62
3.6.2 邊緣計算的應用 64
3.6.3 邊緣計算賦能工業互聯網 66
3.7 小結 68
第4章 工業5G網絡時延分析及優化 69
4.1 概述 69
4.1.1 技術演進及業務需求 71
4.1.2 工業5G網絡時延分析 75
4.2 工業5G網絡優化 77
4.2.1 智能預調度及上行免調度技術 77
4.2.2 下行搶占機制及降低HARQ重傳次數 79
4.2.3 微時隙技術及靈活頓結構 80
4.3 5G工具箱使用 82
4.3.1 MATLAB 5G工具箱介紹 82
4.3.2 OMNeT++軟件介紹 83
4.4 小結 87
第二部分 時間敏感網絡技術
第5章 時間敏感網絡概述 91
5.1 工業網絡技術發展 91
5.1.1 工業現場總線 92
5.1.2 工業以太網 95
5.1.3 TSN技術 97
5.2時間敏感網絡基本概念 101
5.2.1 TSN標準體系架構 101
5.2.2 TSN協議層次 103
5.2.3 TSN數據幀格式 105
5.3 小結 107
第6章 時間敏感網絡時間同步技術 108
6.1 時間同步技術概述 108
6.2 時間同步技術基礎 109
6.2.1 時間同步基本概念 109
6.2.2網絡時間協議 110
6.3 IEEE 802.1 AS協議機制 112
6.3.1 基本概念 112
6.3.2 gPTP 工作原理 114
6.3.3 最佳主時鐘選擇方法 115
6.3.4 校時精度影響因素 117
6.3.5 gPTP與PTP的差異性分析 118
6.3.6 IEEE 802.1 AS-Rev 協議簡介 119
6.4 小結 120
第7章 時間敏感網絡調度整形機制 121
7.1 業務流控制概述 121
7.1.1 流量監管與整形 121
7.1.2 調度策略 124
7.2 基於信用的整形機制 124
7.2.1 CBS機制概述 125
7.2.2 時間敏感流的轉發與排隊 126
7.2.3 CBS機制流程 128
7.3 時間感知整形機制 133
7.3.1 TAS機制概述 133
7.3.2 TAS相關參數 135
7.4 循環排隊轉發機制 135
7.4.1 CQF機制概述 136
7.4.2 CQF系統建模 137
7.4.3 CQF調度策略 139
7.5 幀搶占機制 142
7.5.1 FP機制概述 142
7.5.2 時間片與保護帶技術 144
7.5.3 FP 原理 145
7.6 小結 148
第8章 時間敏感網絡可靠性保障機制 150
8.1 數據流過濾與監管機制 150
8.1.1 PSFP 機制概述 150
8.1.2 PSFP 整體架構 151
8.1.3 過濾和控制策略 152
8.2 幀復制與消除機制 156
8.2.1 FRER機制概述 156
8.2.2 FRER機制分析 158
8.2.3 FRER機制展望 159
8.3 小結 160
第9章 時間敏感網絡管理與配置機制 161
9.1 時間敏感網絡數據配置模型 161
9.1.1 YANG 模型 162
9.1.2 NETCONF 協議 163
9.2 時間敏感網絡配置框架與模型 166
9.2.1 完全分佈式配置模型 167
9.2.2 集中式網絡/分佈式用戶配置模型 167
9.2.3 完全集中式配置模型 167
9.3 結合SDN控制器的時間敏感網絡配置方法 168
9.3.1 OpenFlow協議 169
9.3.2 結合SDN控制器的TSN配置架構 171
9.3.3 結合SDN控制器的TSN配置架構實現 172
9.4 配置架構的發展趨勢 174
9.5 小結 175
第三部分5G與TSN協同技術
第10章 5G-TSN概述 179
10.1 5G與TSN發展現狀 181
10.2 5G-TSN協同的產業需求 182
10.3 5G-TSN協同的挑戰 184
10.4 小結 185
第11章 5G與TSN的融合 186
11.1 3GPP定義下的 5G 186
11.2 TSN 技術 187
11.3 3GPP標準進展 188
11.4 5G-TSN協同架構 189
11.5 小結 191
第12章 5G-TSN協同傳輸機制分析 192
12.1 支持TSN業務的5G增強機制 192
12.2 5G-TSN跨網時間同步機制 197
12.3 5G-TSN網橋管理 200
12.4 5G與TSN QoS映射 201
12.5 小結 202
第13章 5G-TSN解決方案 204
13.1 端到端同步解決方案的體系結構 204
13.2 端到端確定性調度方案 207
13.3 實際案例 209
13.4 小結 211
第四部分 場景化應用
第14章 遠程駕駛場景 215
14.1 遠程駕駛系統組成 215
14.2遠程駕駛網絡性能需求 217
14.3 5G和TSN賦能的遠程駕駛 220
14.3.1 5G賦能遠程駕駛 220
14.3.2 TSN車載網絡 222
14.3.3 遠程駕駛應用案例 223
14.4 未來展望 227
第15章 智能物流場景 228
15.1 智能物流重要設備和信息系統 228
15.1.1 立體倉庫和堆垛機 229
15.1.2 AGV裝卸搬運設備 231
15.1.3 WMS倉庫管理系統和WCS倉庫控制系統 232
15.2 5G和TSN賦能智能物流 233
15.2.1 基於5G+TSN網絡的智能物流倉儲 234
15.2.2 基於5G網絡的物流工業級視覺系統 236
15.2.3 案例：京東物流5G智能物流園區 237
15.2.4 案例：基於5G的港口物流 238
15.3 未來展望 240
參考文獻 241
前言
第一部分工業5G網絡系統
第1章 工業5G網絡概述 3
1.1 發展背景 3
1.1.1 移動通信發展概述 3
1.1.2 5G標準演進 8
1.2 工業5G的定義 11
1.2.1 工業5G與商用5G的差異 11
1.2.2 工業5G網絡 11
1.3 工業5G典型場景現狀 12
1.4挑戰 15
第2章 工業5G網絡架構及基礎 17
2.1 工業5G業務需求與性能指標 18
2.1.1 工業5G業務需求 18
2.1.2 工業5G性能指標 22
2.2 工業5G網絡系統架構 27
2.2.1 工業5G無線網架構 28
2.2.2 工業5G核心網架構 33
2.2.3 工業5G承載網架構 36
2.2.4 工業5G典型組網架構 38
2.3 小結 39
第3章 工業5G網絡關鍵技術 40
3.1 大規模MIMO及5G波束 40
3.1.1 MIMO技術 40
3.1.2 波束賦形 41
3.2 編碼技術 44
3.2.1 Turbo碼 44
3.2.2 LDPC碼 45
3.2.3 Polar碼 45
3.3 SDN+NFV 48
3.3.1 SDN技術概述 48
3.3.2 NFV技術概述 51
3.3.3 SDN和NFV技術在5G中的應用 52
3.4 5GLAN 54
3.4.1 5G LAN技術概述 54
3.4.2 5G LAN技術在工業中的應用 55
3.5 網絡切片技術 56
3.5.1 網絡切片技術概述 56
3.5.2 5G網絡切片關鍵技術 58
3.5.3 網絡切片技術在工業互聯網中的應用 60
3.6 邊緣計算 61
3.6.1 邊緣計算技術概述 62
3.6.2 邊緣計算的應用 64
3.6.3 邊緣計算賦能工業互聯網 66
3.7 小結 68
第4章 工業5G網絡時延分析及優化 69
4.1 概述 69
4.1.1 技術演進及業務需求 71
4.1.2 工業5G網絡時延分析 75
4.2 工業5G網絡優化 77
4.2.1 智能預調度及上行免調度技術 77
4.2.2 下行搶占機制及降低HARQ重傳次數 79
4.2.3 微時隙技術及靈活頓結構 80
4.3 5G工具箱使用 82
4.3.1 MATLAB 5G工具箱介紹 82
4.3.2 OMNeT++軟件介紹 83
4.4 小結 87
第二部分 時間敏感網絡技術
第5章 時間敏感網絡概述 91
5.1 工業網絡技術發展 91
5.1.1 工業現場總線 92
5.1.2 工業以太網 95
5.1.3 TSN技術 97
5.2時間敏感網絡基本概念 101
5.2.1 TSN標準體系架構 101
5.2.2 TSN協議層次 103
5.2.3 TSN數據幀格式 105
5.3 小結 107
第6章 時間敏感網絡時間同步技術 108
6.1 時間同步技術概述 108
6.2 時間同步技術基礎 109
6.2.1 時間同步基本概念 109
6.2.2網絡時間協議 110
6.3 IEEE 802.1 AS協議機制 112
6.3.1 基本概念 112
6.3.2 gPTP 工作原理 114
6.3.3 最佳主時鐘選擇方法 115
6.3.4 校時精度影響因素 117
6.3.5 gPTP與PTP的差異性分析 118
6.3.6 IEEE 802.1 AS-Rev 協議簡介 119
6.4 小結 120
第7章 時間敏感網絡調度整形機制 121
7.1 業務流控制概述 121
7.1.1 流量監管與整形 121
7.1.2 調度策略 124
7.2 基於信用的整形機制 124
7.2.1 CBS機制概述 125
7.2.2 時間敏感流的轉發與排隊 126
7.2.3 CBS機制流程 128
7.3 時間感知整形機制 133
7.3.1 TAS機制概述 133
7.3.2 TAS相關參數 135
7.4 循環排隊轉發機制 135
7.4.1 CQF機制概述 136
7.4.2 CQF系統建模 137
7.4.3 CQF調度策略 139
7.5 幀搶占機制 142
7.5.1 FP機制概述 142
7.5.2 時間片與保護帶技術 144
7.5.3 FP 原理 145
7.6 小結 148
第8章 時間敏感網絡可靠性保障機制 150
8.1 數據流過濾與監管機制 150
8.1.1 PSFP 機制概述 150
8.1.2 PSFP 整體架構 151
8.1.3 過濾和控制策略 152
8.2 幀復制與消除機制 156
8.2.1 FRER機制概述 156
8.2.2 FRER機制分析 158
8.2.3 FRER機制展望 159
8.3 小結 160
第9章 時間敏感網絡管理與配置機制 161
9.1 時間敏感網絡數據配置模型 161
9.1.1 YANG 模型 162
9.1.2 NETCONF 協議 163
9.2 時間敏感網絡配置框架與模型 166
9.2.1 完全分佈式配置模型 167
9.2.2 集中式網絡/分佈式用戶配置模型 167
9.2.3 完全集中式配置模型 167
9.3 結合SDN控制器的時間敏感網絡配置方法 168
9.3.1 OpenFlow協議 169
9.3.2 結合SDN控制器的TSN配置架構 171
9.3.3 結合SDN控制器的TSN配置架構實現 172
9.4 配置架構的發展趨勢 174
9.5 小結 175
第三部分5G與TSN協同技術
第10章 5G-TSN概述 179
10.1 5G與TSN發展現狀 181
10.2 5G-TSN協同的產業需求 182
10.3 5G-TSN協同的挑戰 184
10.4 小結 185
第11章 5G與TSN的融合 186
11.1 3GPP定義下的 5G 186
11.2 TSN 技術 187
11.3 3GPP標準進展 188
11.4 5G-TSN協同架構 189
11.5 小結 191
第12章 5G-TSN協同傳輸機制分析 192
12.1 支持TSN業務的5G增強機制 192
12.2 5G-TSN跨網時間同步機制 197
12.3 5G-TSN網橋管理 200
12.4 5G與TSN QoS映射 201
12.5 小結 202
第13章 5G-TSN解決方案 204
13.1 端到端同步解決方案的體系結構 204
13.2 端到端確定性調度方案 207
13.3 實際案例 209
13.4 小結 211
第四部分 場景化應用
第14章 遠程駕駛場景 215
14.1 遠程駕駛系統組成 215
14.2遠程駕駛網絡性能需求 217
14.3 5G和TSN賦能的遠程駕駛 220
14.3.1 5G賦能遠程駕駛 220
14.3.2 TSN車載網絡 222
14.3.3 遠程駕駛應用案例 223
14.4 未來展望 227
第15章 智能物流場景 228
15.1 智能物流重要設備和信息系統 228
15.1.1 立體倉庫和堆垛機 229
15.1.2 AGV裝卸搬運設備 231
15.1.3 WMS倉庫管理系統和WCS倉庫控制系統 232
15.2 5G和TSN賦能智能物流 233
15.2.1 基於5G+TSN網絡的智能物流倉儲 234
15.2.2 基於5G網絡的物流工業級視覺系統 236
15.2.3 案例：京東物流5G智能物流園區 237
15.2.4 案例：基於5G的港口物流 238
15.3 未來展望 240
參考文獻 241
