Time-Sensitive Networking
Wireless TSN für Wi-Fi und 5G
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Fähigkeiten von Wireless TSN
Die Einsatzszenarien für WTSN umfassen eigenständige lokale Netze (LAN) und Unternehmensnetze – leitungsgebundene und Funknetzwerke. TSN-Fähigkeiten werden voraussichtlich in verwalteten Netzen unterstützt, bei denen davon ausgegangen wird, dass alle Geräte TSN-fähig sind oder die TSN-Anforderungen erfüllen. Ein TSN-fähiges Netz kann eine Teilmenge eines umfassenderen Unternehmensnetzes sein. Teile des breiteren Netzes können nicht TSN-fähig sein, aber TSN-fähige Segmente müssen vor Nicht-TSN-Geräten geschützt werden.
Funknetze, die TSN-Funktionen unterstützen, sind sorgfältig geplante Netze. Die Anforderungen an die Abdeckung und die Art des Datenverkehrs müssen bereits in der Planungsphase bekannt sein. In dieser Phase wird eine Netz-/Verkehrsplanung durchgeführt, um TSN-Funktionen – z.B. bewusste Zeitplanung – richtig auszuwählen und zu konfigurieren.
Es wird erwartet, dass der Zugang zu TSN-fähigen Funknetzen von einer Zentrale verwaltet wird, die sicherstellen kann, dass die Zugangsrichtlinien durchgesetzt werden. Nur autorisierte Geräte dürfen auf ein TSN-fähiges Funknetz zugreifen können. Nicht alle zugelassenen Geräte benötigen möglicherweise eine zeitkritische Leistung, aber sie müssen alle die TSN-Fähigkeiten implementieren und einhalten, die erforderlich sind, um die Vorteile der Zeitsynchronisation und des Determinismus für zeitkritische Anwendungen zu bieten.
Funktionen von Wireless TSN
Die TSN-Arbeitsgruppe des IEEE 802.1 hat eine breite Palette von Tools und entsprechenden Spezifikationen entwickelt. Nicht alle TSN-Spezifikationen sind für Funknetzwerke erforderlich oder relevant, aber einige TSN-Funktionen, die in Tabelle 2 zusammengefasst sind, wurden auf Funknetzwerke ausgeweitet und treiben die Entwicklungen voran, um Wireless TSN sowohl in Wi-Fi als auch in 5G zu ermöglichen.
| Merkmal | Neuester freigegebener IEEE-Standard | Fähigkeiten |
|---|---|---|
| 802.1AS Zeitsynchronisierung | IEEE Std. 802.1AS-2020 - Zeitsteuerung und Synchronisierung für zeitempfindliche Anwendungen | Zeitverteilung, einschließlich medienspezifischer Unterstützung für Ethernet (802.3) und Wi-Fi (802.11) |
| Verkehrsplanung und -gestaltung 802.1Qbv/Qav | IEEE Std. 802.1Q-2018 - Bridges und überbrückte Netzwerke | Begrenzte Latenzzeit durch Traffic Shaping |
| 802.1CB Frame- Replikation und Eliminierung für Zuverlässigkeit | IEEE Std. 802.1CB-2017 - Rahmenreplikation und -eliminierung für die Ausfallsicherheit | Hohe Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Geräte- und Verbindungsausfällen |
| 802.1Qcc TSN Konfiguration und Verwaltung | IEEE Std. 802.1Qcc-2018 - Änderung 31: Erweiterungen und Leistungsverbesserungen des Stream Reservation Protocol (SRP) | TSN-Konfigurations- und Verwaltungsmodelle und -parameter |
Tabelle 2. Prorisierte Wireless-TSN-Merkmale. (Quelle: Avnu Alliance)
Die Zeitsynchronisation, wie sie im IEEE 802.1AS-Protokoll definiert ist, ist eine grundlegende obligatorische Anforderung für leitungsgebundenes und Funk-TSN. Zusätzlich zu anwendungsspezifischen Anwendungen wird die Zeitsynchronisierung auch verwendet, um TSN-Funktionen wie das Time-Aware Scheduling nach IEEE 802.1Qbv zu ermöglichen. Eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 μs ist ein realistisches Ziel für Funksysteme, einschließlich 5G und Wi-Fi, und es ist zu erwarten, dass viele Funkanwendungen damit abgedeckt werden.
Die Gestaltung des Datenverkehrs ist eine weitere wichtige Funktion für Funksysteme und die Anforderungen werden durch die Standards 802.1Qbv (time-aware shaper) oder 802.1Qav (credit-based shaper) erfüllt. Die Wahl des Traffic-Shapers hängt vom Anwendungsfall ab. Der 802.1Qbv-Standard definiert eine Reihe von zeitgesteuerten Gates zur Steuerung der Warteschlangen, die mit mehreren Verkehrsklassen auf einer TSN-Brücke verbunden sind (Bild. 1).
Zur Unterstützung von 802.1Qbv wird erwartet, dass das Funk-TSN-System zeitkritische Daten innerhalb von Zeitfenstern, die gemäß einem Zeitplan für das Netzwerk definiert sind, identifizieren, priorisieren und liefern kann. 802.1Qbv ist eine klare Anforderung aus industriellen Anwendungsfällen, aber die mit 802.1Qbv erzielte vorhersehbare Datenlieferleistung kann auch den meisten der vorrangigen Anwendungsfälle in Tabelle 1 zugute kommen.
802.1Qav wurde ursprünglich für ProAV-Anwendungen vorgeschlagen und wird voraussichtlich auch in diesen eingesetzt werden. Die Integration von credit-based shaping – für alte/verkabelte Segmente – mit time-based shaping könnte eine Option sein, die für hybride ProAV-Einsätze in Betracht gezogen werden sollte.
TSN-Redundanz, wie sie im Standard IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) spezifiziert ist, wurde definiert, um die Zuverlässigkeit durch die Verwendung von Datenreplikation auf mehreren Streams und Pfaden zu erhöhen. In einigen zeit- und sicherheitskritischen Anwendungen ist die Wiederherstellung nach Geräte- und Verbindungsausfällen nicht akzeptabel. 802.1CB bietet Redundanz für Anwendungen, wodurch die Auswirkungen von Ausfällen einzelner Geräte/Links reduziert werden.
Der 802.1CB FRER-Dienst ist für die zugrundeliegende MAC/PHY-Verbindung transparent und sollte, wie in Bild 2 dargestellt, über Funkverbindungen betrieben werden können, aber die Implementierung kann je nach spezifischer Funktechnik variieren. Es wird erwartet, dass 802.1CB verwendet wird, wenn die Anwendung ein extrem hohes Maß an Zuverlässigkeit erfordert und Redundanz sowohl bei Geräte- als auch bei Verbindungsausfällen erforderlich ist.
Die Spezifikation 802.1Qcc definiert Modelle und Parameter für die TSN-Konfiguration und -Verwaltung. Die Avnu Alliance geht davon aus, dass leitungsgebundene und Funk-TSN-Systeme den in 802.1Qcc definierten Konfigurations- und Verwaltungsanforderungen folgen werden. Es sind verschiedene TSN-Konfigurationsmodelle möglich.
Bei den meisten Funk-TSN-Entwicklungen wurde ein zentralisiertes Modell als Grundannahme verwendet. So geht beispielsweise die in 3GPP Rel. 16 definierte 5G-Integration mit TSN nur von einem zentralisierten Konfigurationsmodell aus. Im nächsten Abschnitt werden weitere Überlegungen bei der Anwendung und Anpassung der aktuellen TSN-Konfigurationsmodelle für Wireless TSN diskutiert.
Die kurze Liste in Tabelle 2 stellt die Funktionen dar, die bisher im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit standen, aber mit der Weiterentwicklung der Standards könnten weitere TSN- und Funkfunktionen verfügbar werden. Wie beim leitungsgebundenen TSN wird auch die WTSN-Toolbox mit der Zeit wachsen.
- Wireless TSN für Wi-Fi und 5G
- Fähigkeiten von Wireless TSN
- Überlegungen zur Netzwerkverwaltung
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