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Time-Sensitive Networking

Wireless TSN für Wi-Fi und 5G

28. Februar 2022, 6:00 Uhr | Dave Cavalcanti

Die wichtigsten TSN-Funktionen – Zeitsynchronisierung, Verkehrsplanung und Verbesserung der Zuverlässigkeit – werden für die meisten Funk-Anwendungen benötigt. Eine einheitliche TSN-Architektur – für kabelgebundene und Funk-Systeme – ist der Schlüssel zu einer breiten Akzeptanz der Technik.

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Während die Spezifikationen für TSN (Time-Sensitive Networking) weiterentwickelt und kabelgebundene Ethernet-basierte Produkte zertifiziert werden, wächst das Interesse an Wireless TSN, hauptsächlich motiviert durch die jüngsten Fortschritte bei Wi-Fi und 5G, die eine TSN-ähnliche Leistung unterstützen. Von der Avnu Alliance [1] wurden erste Arbeiten zur Definition von Wireless TSN (WTSN) Konzepten, Anwendungsfällen und in Frage kommenden Funktechniken durchgeführt.

Um von der anfänglichen Erprobung in die Phase der Realisierung der erforderlichen WTSN-Fähigkeiten – mit Interoperabilitätstests und Zertifizierung – zu wechseln, ist es wichtig, die vorrangigen Anwendungsfälle, Leistungsanforderungen und Fähigkeiten zu verstehen, die von WTSN-Systemen und Endgeräten erwartet werden.

Anwendungsfälle für Wireless TSN

Es ist wichtig, Anwendungen und Anforderungen mit hoher Priorität zu ermitteln, die die Entwicklung und Einführung von WTSN-Produkten vorantreiben können. Dieser Abschnitt soll keine umfassende Liste aller möglichen Funk-Anwendungen sein, insbesondere angesichts der Vielfalt der Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Märkten. Ziel ist es, ausgewählte Anwendungen zu beschreiben, die repräsentativ für das breite Spektrum der Anforderungen und Markterwartungen an WTSN sind.

Wichtige Leistungsindikatoren

Die technischen Anforderungen für die verschiedenen Anwendungen werden in Form von KPIs (Key Performance Indicators) beschrieben. Die folgenden TSN-bezogenen KPIs werden berücksichtigt:

Zeitsynchronisation: Fähigkeit zur Synchronisierung mit einer primären Uhr über das Netzwerk. In einem TSN-fähigen Netz sollte die Zeitsynchronisation dem Standard IEEE 802.1AS-2020 entsprechen.
Begrenzte Latenzzeit: Ungünstigste Latenzzeit für zeitempfindliche Datenpakete über eine bestimmte Verbindung. In einigen Anwendungen ist neben der begrenzten Latenz auch der Jitter, gemessen als Schwankung der Latenzzeit der empfangenen Datenpakete, eine wichtige Kennzahl.
Ausfallsicherheit: Sie wird in der Regel mit der Wahrscheinlichkeit in Verbindung gebracht, dass Pakete innerhalb einer bestimmten schlechtesten Latenzzeit über eine bestimmte Verbindung zugestellt werden. Die Zuverlässigkeit kann auch als Packet Delivery Ratio (PDR = Prozentsatz der innerhalb einer bestimmten Latenzzeit zugestellten Pakete) beschrieben werden. Geräte- und Verbindungsredundanz sind typische Mechanismen, um hohe Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen.
Sicherheit: Zu den Sicherheitsanforderungen gehören Authentifizierung, Integrität, Vertraulichkeit, Verfügbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber potenziellen Störungen/Angriffen durch – böswillige oder sich falsch verhaltende – Geräte. Von TSN-Anwendungen und -Systemen wird erwartet, dass sie die von der Industrie empfohlenen bewährten Sicherheitsverfahren anwenden.
Kapazität: Es ist wichtig, die Gesamtkapazität des Netzes zu maximieren und gleichzeitig alle anderen KPIs zu erfüllen. Die Kapazitätsanforderungen können als die Anzahl der Endgeräte und der zeitempfindlichen Verkehrsströme beschrieben werden, die unter einer bestimmten Netzkonfiguration und -last unterstützt werden können.

Vorrangige Anwendungsfälle und KPIs

Es gibt viele Anwendungsfälle für Funktechniken in verschiedenen Märkten. Industrieautomatisierung, Steuerungssysteme, Robotik, professionelle Audio- und Videotechnik (ProAV), Fahrzeugvernetzung sowie erweiterte und virtuelle Realität (AR/VR) können alle von der deterministischen Datenübertragung durch TSN über Funk profitieren. Das Industriesegment hat ein erhebliches Interesse an Funkkommunikation geweckt, und industrielle Anwendungen haben die Entwicklung von Standards und die ersten Versuche mit WTSN-Techniken vorangetrieben. Tabelle 1 fasst die KPIs für Funkanwendungen mit hoher Priorität zusammen.

	Mobile Roboter	Geschlossener Regelkreis	Live-Veranstaltungen	AR/VR
Typisches Bedeckungsgebiet	Klein/mittel/groß	Klein/mittel/groß	Mittel/groß	Klein/mittel
Endknoten pro Bedeckungsgebiet	100	50	100–500	<5 Geräte/Gruppe
Verkehrsprofil	Zyklisch und ereignisbezogen	Zyklisch und isochronisch	Kontinuierlicher Datenstrom	Zyklisch (UL), Video (DL)
Zeitsynchronisationsgenauigkeit [μs]	~1	1 oder besser	1 oder besser	~1
Begrenzte Latenzzeit [ms]	10–1 (zyklisch) 100–10 (ereignisbezogen)	10–1 (zyklisch) 100–10 (ereignisbezogen)	1	10–3
Zuverlässigkeit [%]	99,9–99,99	99,9–99,9999	99,9–99,99	99,9–99,99
Sicherheit	Authentifizierung, Integrität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen und Störungen	Authentifizierung, Integrität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen auf die Sicherheit und Zeit-/QoS-Angriffen (Quality of Service)	Authentifizierung, Datenschutz, Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen und Störungen	Authentifizierung, Integrität und Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe

Tabelle 1. Anwendungsfälle für Wireless TSN und die KPIs (Key Performance Indicators). (Avnu Alliance)

Bei mobilen Robotern geht es in der Regel um die Kommunikation zwischen Robotern und einem Steuersystem, einschließlich Führungssteuerung, Prozessdatenaustausch, Video/Bild und Not-Aus. Bei einem mobilen Roboter kann es sich um einen autonomen mobilen Roboter (AMR), ein fahrerloses Transportsystem (AGV) oder eine andere Art von Roboter handeln, der in der Regel mobil ist und über eine Funkverbindung gesteuert werden kann.

Die synchrone Kommunikation zwischen Sensoren, Steuerungen – z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen – und Aktoren ist der grundlegende Baustein für die meisten industriellen Prozesse und Maschinen. Der in Tabelle 1 beschriebene generische Regelkreis ist repräsentativ für verschiedene Anwendungen. Die spezifischen Anforderungen sind je nach Anwendung/Prozess und Branche sehr unterschiedlich, aber das hier beschriebene Anforderungsspektrum sollte die meisten Anwendungsfälle abdecken.

ProAV-Anwendungsfälle werden höchstwahrscheinlich eine Kombination aus einem leitungsgebundenen und einem Funk-TSN erfordern. Ein Funk-TSN kann Flexibilität und Mobilität von Instrumenten, tragbaren Geräten, Lautsprechern und anderen unterstützenden Geräten ermöglichen. Ein Funk-TSN kann auch die Verteilung von Live-Streaming-Inhalten und neuen Diensten an das Publikum bei Veranstaltungen ermöglichen.

Funkkommunikation ist eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung von AR/VR-Systemen, die ebenfalls Anforderungen an Bandbreite, Latenz, Jitter und Zuverlässigkeit stellen, die von TSN-Funktionen profitieren können. AV/VR-Anwendungen wurden in Industrieumgebungen, Unternehmen und Verbraucherbereichen in Betracht gezogen. So kann beispielsweise die Fernwartung und -bedienung von Industrieanlagen und Robotern die Effizienz und die Sicherheitsaspekte für die Mitarbeiter verbessern. AR/VR-Anwendungen im Bildungsbereich und bei der Fernzusammenarbeit können für Unternehmen und Verbraucher von Vorteil sein.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ist die Zeitsynchronisierung mit einer Genauigkeit von etwa 1 μs eine allgemeine Anforderung für die meisten Anwendungsfälle. Die Anforderungen an die Latenzzeit liegen bei dieser ersten Gruppe von Anwendungsfällen in der Größenordnung von ein- bis zweistelligen Millisekunden. Auch die Anforderungen an die Zuverlässigkeit variieren je nach Anwendungsfall, sind aber in der Regel höher als bei den heutigen allgemeinen Verbraucher- und Unternehmensanwendungen, z.B. Sprach-, Video- und Telefonkonferenzen.

Obwohl TSN auf standardmäßigen Sicherheitsmerkmalen und bewährten Praktiken aufbaut, muss die strenge Zeitsynchronisation, Latenz und Zuverlässigkeit gegenüber potenziellen Angriffen oder Geräteausfällen widerstandsfähig sein. Redundanz bei der Zeit- und Datenübertragung, wie im Folgenden erörtert, ist der Schlüssel zur Verbesserung der Ausfallsicherheit, insbesondere bei Funkübertragungen, die Störungen und anderen stochastischen Ausbreitungseffekten ausgesetzt sind.