内容简介
工业5G以其高速、可靠的无线通信能力引领工业通信新潮流，为智能制造、自动化控制等提供强大技术支持，被认为是工业革命的重要驱动力。工业5G与时间敏感网络(TSN)结合，构建高效稳定通信网络，满足工业实时性和时序性要求。《工业5G与TSN的场景化应用》由北方工业大学工业互联网团队编写，分为四大部分共15章，分别探讨了工业5G网络、TSN技术、工业5G与TSN协同技术及其在远程驾驶和智能物流方面的场景化应用，可作为工程技术人员的参考资料，旨在推动工业互联网人才培养和技术发展。
目录
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前言
**部分工业5G网络系统
第1章 工业5G网络概述 3
1.1 发展背景 3
1.1.1 移动通信发展概述 3
1.1.2 5G标准演进 8
1.2 工业5G的定义 11
1.2.1 工业5G与商用5G的差异 11
1.2.2 工业5G网络 11
1.3 工业5G典型场景现状 12
1.4挑战 15
第2章 工业5G网络架构及基础 17
2.1 工业5G业务需求与性能指标 18
2.1.1 工业5G业务需求 18
2.1.2 工业5G性能指标 22
2.2 工业5G网络系统架构 27
2.2.1 工业5G无线网架构 28
2.2.2 工业5G核心网架构 33
2.2.3 工业5G承载网架构 36
2.2.4 工业5G典型组网架构 38
2.3 小结 39
第3章 工业5G网络关键技术 40
3.1 大规模MIMO及5G波束 40
3.1.1 MIMO技术 40
3.1.2 波束赋形 41
3.2 编码技术 44
3.2.1 Turbo码 44
3.2.2 LDPC码 45
3.2.3 Polar码 45
3.3 SDN+NFV 48
3.3.1 SDN技术概述 48
3.3.2 NFV技术概述 51
3.3.3 SDN和NFV技术在5G中的应用 52
3.4 5GLAN 54
3.4.1 5G LAN技术概述 54
3.4.2 5G LAN技术在工业中的应用 55
3.5 网络切片技术 56
3.5.1 网络切片技术概述 56
3.5.2 5G网络切片关键技术 58
3.5.3 网络切片技术在工业互联网中的应用 60
3.6 边缘计算 61
3.6.1 边缘计算技术概述 62
3.6.2 边缘计算的应用 64
3.6.3 边缘计算赋能工业互联网 66
3.7 小结 68
第4章 工业5G网络时延分析及优化 69
4.1 概述 69
4.1.1 技术演进及业务需求 71
4.1.2 工业5G网络时延分析 75
4.2 工业5G网络优化 77
4.2.1 智能预调度及上行免调度技术 77
4.2.2 下行抢占机制及降低HARQ重传次数 79
4.2.3 微时隙技术及灵活顿结构 80
4.3 5G工具箱使用 82
4.3.1 MATLAB 5G工具箱介绍 82
4.3.2 OMNeT++软件介绍 83
4.4 小结 87
第二部分 时间敏感网络技术
第5章 时间敏感网络概述 91
5.1 工业网络技术发展 91
5.1.1 工业现场总线 92
5.1.2 工业以太网 95
5.1.3 TSN技术 97
5.2时间敏感网络基本概念 101
5.2.1 TSN标准体系架构 101
5.2.2 TSN协议层次 103
5.2.3 TSN数据帧格式 105
5.3 小结 107
第6章 时间敏感网络时间同步技术 108
6.1 时间同步技术概述 108
6.2 时间同步技术基础 109
6.2.1 时间同步基本概念 109
6.2.2网络时间协议 110
6.3 IEEE 802.1 AS协议机制 112
6.3.1 基本概念 112
6.3.2 gPTP 工作原理 114
6.3.3 *佳主时钟选择方法 115
6.3.4 校时精度影响因素 117
6.3.5 gPTP与PTP的差异性分析 118
6.3.6 IEEE 802.1 AS-Rev 协议简介 119
6.4 小结 120
第7章 时间敏感网络调度整形机制 121
7.1 业务流控制概述 121
7.1.1 流量监管与整形 121
7.1.2 调度策略 124
7.2 基于信用的整形机制 124
7.2.1 CBS机制概述 125
7.2.2 时间敏感流的转发与排队 126
7.2.3 CBS机制流程 128
7.3 时间感知整形机制 133
7.3.1 TAS机制概述 133
7.3.2 TAS相关参数 135
7.4 循环排队转发机制 135
7.4.1 CQF机制概述 136
7.4.2 CQF系统建模 137
7.4.3 CQF调度策略 139
7.5 帧抢占机制 142
7.5.1 FP机制概述 142
7.5.2 时间片与保护带技术 144
7.5.3 FP 原理 145
7.6 小结 148
第8章 时间敏感网络可靠性保障机制 150
8.1 数据流过滤与监管机制 150
8.1.1 PSFP 机制概述 150
8.1.2 PSFP 整体架构 151
8.1.3 过滤和控制策略 152
8.2 帧复制与消除机制 156
8.2.1 FRER机制概述 156
8.2.2 FRER机制分析 158
8.2.3 FRER机制展望 159
8.3 小结 160
第9章 时间敏感网络管理与配置机制 161
9.1 时间敏感网络数据配置模型 161
9.1.1 YANG 模型 162
9.1.2 NETCONF 协议 163
9.2 时间敏感网络配置框架与模型 166
9.2.1 完全分布式配置模型 167
9.2.2 集中式网络/分布式用户配置模型 167
9.2.3 完全集中式配置模型 167
9.3 结合SDN控制器的时间敏感网络配置方法 168
9.3.1 OpenFlow协议 169
9.3.2 结合SDN控制器的TSN配置架构 171
9.3.3 结合SDN控制器的TSN配置架构实现 172
9.4 配置架构的发展趋势 174
9.5 小结 175
第三部分5G与TSN协同技术
第10章 5G-TSN概
试读
**部分工业5G网络系统
工业5G网络，即第五代移动通信技术在工业领域的崭新应用，不仅承载着重要的战略价值，更昭示了无限的发展潜力。此技术的引入，预示着工业生产和物联网应用即将迈入一个崭新的时代，其中，生产效率和产品质量都将因此获得质的飞跃，为工业的智能化与自动化生产奠定基石。
随着工业互联网的日新月异，工业5G网络正逐步成为连接众多工业设备与传感器的关键性基础设施。其所带来的更高可靠性、更低时延以及更大带宽，将极大促进工业设备间的高效通信与协同作业。同时，该技术还能支持大规模设备连接与大数据传输，为工业生产引入更多智能化解决方案。
工业5G网络的高效运行，离不开其精妙的网络架构。该架构嚢括了无线接入网、核心网及承载网，其设计必须同时满足高可靠性、低时延与大带宽的严苛要求，以适应工业生产对网络的高标准。值得一提的是，这一架构还支持网络切片技术，能够为不同的工业应用场景提供个性化的网络服务定制。
工业5G网络的核心，在于其相关技术。这涵盖了5G空口资源的管理、5G空口协议栈、物理信道与信号、数据链路层、大规模MIMO、SDN+NFV以及网络切片技术等诸多领域。这些先进技术为工业5G网络提供了高效数据传输、低时延通信服务以及高度可靠的网络连接，成为工业生产智能化与自动化的强大后盾。
而对于确保工业5G网络高效运行至关重要的，还有时延分析及优化环节。通过深入分析网络通信的时延特性，我们能够优化网络结构和参数配置，从而提升网络的实时响应能力和可靠性。此外，为满足工业应用的特殊需求，我们还将对工业5G网络进行细致的定制化优化，旨在保障工业生产的安全、稳定和高效。
综上所述，工业5G网络在推动工业智能化和自动化生产中扮演着举足轻重的角色。随着工业5G网络的不断进步与完善，它将为工业生产带来前所未有的便利与效益，引领工业生产朝着更加智能、高效与环保的方向发展。
本章主要围绕工业5G网络的发展展开阐述。*先，对工业5G网络的发展背景进行概述，移动通信技术的发展经历了从1G到5G的演进过程，5G作为第五代移动通信技术，具有更高的速率、更低的时延和更大的带宽等特点，为工业5G网络的应用奠定了基础。然后，分析了工业5G与商业5G的区别，给出了工业5G的定义。随后，对工业5G十大典型场景现状进行了分析。*后分析工业5G网络的发展面临的挑战。
1.1发展背景
移动通信技术是20世纪末促进人类社会飞速发展的*重要的技术之一，它们给人们的生活方式、工作方式以及社会的政治、经济都带来了巨大的影响。5G是在移动通信技术不断迭代更新和社会信息化程度日益加深的大背景下应运而生的，以满足未来数字经济时代对于高速率、大连接、低时延、高可靠等多元化的通信需求。
1.1.1移动通信发展概述
移动通信的发展可追溯到19世纪。移动通信的发展经历了从模拟到数字、从窄带到宽带、从单一语音服务到多媒体及数据通信服务的演变过程，每一次技术迭代都极大地提升了通信效率、服务质量以及用户的体验。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，1877年赫兹用实验证明了电磁波的存在，1896年马可尼在英国进行的14.4公里通信试验成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。从1G到5G的移动通信技术发展演进如图1-1和图1-2所示。
（1）1G模拟时代。
1G即**代移动通信技术，是20世纪70年代末到80年代初*次推出的无线电话技术。这是移动通信从模拟到数字传输的起始点，它标志着从传统的有线通信到无线通信的重大转变。
1G网络的主要特点如下。
①模拟信号：1G系统使用模拟信号来传输语音，即语音以模拟波形的形式传输。
②语音通话：1G网络主要用于语音通话服务，不提供短信或互联网访问等数据通信服务。
③低数据速率：由于是模拟信号，1G网络的数据传输速率非常低，通常只有几十kbpSo
④有限的覆盖和容量：1G网络的基站覆盖范围有限，网络容量也较小，只能同时服务有限数量的用户。
⑤FDMA:**代移动通信系统使用频分多址（frequency division multiple access，FDMA）技术来分配频谱资源。每个通话会占据一个固定的频率带宽。
⑥不同的区域标准：1G没有统一的全球标准。不同的国家和地区发展了自己的1G系统，如美国的AMPS（advanced mobile phone system）、英国的TACS（total access communicationssystem）和日本的NMT（nordic mobile telephone）等。
⑦安全性低：由于通信是模拟的，1G网络的通话容易被截听，提供的安全性较低。
（2）2G数字时代。
2G即第二代移动通信技术，是20世纪90年代初期推出的，取代了1G模拟移动通信技术。2G网络是**个基于数字通信技术的移动通信系统，它为移动通信带来了许多改进和新特性[1]，其网络架构如图1-3所示。
2G
