前言

移动通信行业经过几十年的发展,历经了0G~5G的时代。从技术发展的层面上看,它经历了无线电话网的FDMA(频分多址)技术、GSM和GPRS的TDMA(时分多址)技术、CDMA(码分多址)技术,以及WCDMA、cdma2000等3G移动互联网过渡技术,并演进到了4G LTE。至此,移动通信的发展已经满足了全IP分组的交换网络、移动场景下满足100Mbit/s速率的需求,并具有动态共享和使用互联网资源等优势特点。

在工业互联网的大环境下,以及‘移动通信+互联网’的推动下,更高速的传输、更宽的带宽、更灵活的应用需求催生了对人工智能、算力和云端存储等的需求,更是推动了移动通信迈入5G时代。

移动通信技术的演进发展推动着互联网+物联网的发展。对上层应用来说,最重要的是无线网络的容量和覆盖以及通信速率。为了解决这些需求,进一步推动了对底层传输和以太网IP网络技术的新需求。例如,4G、5G移动网络正逐渐演进为全IP网络,从单一的语音服务转变为数据传输服务,同时对网络时延的敏感度也在提高,以更好地适应网络游戏、车联网、车路协同和工业物联网等技术的需求。

5G技术的R16和TSN

R16标准作为5G技术的R15增强补充标准,主要在面向工业互联网的垂直行业,例如工业自动化、交通运输和电力传输等行业,提供了低时延高可靠的URLLC技术,数据调度优先的可靠性提升的IIoT技术以及车联网自动驾驶支持技术,并首次提出了TSN技术的互补。

TSN技术助力5G应用场景
TSN技术助力5G应用场景

针对5G技术应用场景,光路科技提供支持TSN技术的FR-TSN系列工业以太网交换机,以确保网络桥接侧的对时统一并降低关键数据帧通信的时延。这样的设计使得整个数据传输过程中的各个环节都能实现及时且可控的优先调度。当网络传输资源受限发生冲突或拥塞时,该解决方案能有效保障高优先级业务数据的传输。

FR-TSN系列交换机关键技术

1、时钟对时技术

随着5G时代的到来,物联网、大数据、高清8K视频、AR/VR互动等业务得到了飞速发展,这带来了‘连接密度’和‘流量密度’的急剧增长。在4G时代,我们对时延的敏感度可能不大,但在5G场景下,自动驾驶、工业控制、远程医疗等业务对时延的要求却非常严格。例如,虚拟现实和增强现实业务的端到端时延要求必须在10ms以下,自动驾驶车辆业务时延要求约为5ms,而工业自动化的端到端时延更是需要降低到1ms以内。因此,针对工业物联网的应用场景,传统的二层网络的SNTP等对时技术已经无法满足这些严格的移动场景时延要求。

FR-TSN系列工业以太网交换机支持多种时钟服务协议,例如IEEE1588、802.1AS、G82651、G82751等对时协议,并可在实际网络中作为主从时钟、透明时钟或者边界时钟等模式运行。

 常规工业交换机TSN工业交换机
协议SNTP1588,802.1AS等
模式客户端Master\slavle\OB\OC等
精度1ms~100ms,和网络有关20ns~200ns,稳定,对时 锁定
机制广播多播,消息交互响应广播多播,帧报文出口时间戳
传统网络对时和TSN时钟敏感网络对比

2、TSN交换机调度机制

在人工智能和物联网的快速发展推动下,工业垂直应用场景下的硬件算力得到了显著提升。工业场景下尤其强调集体协作和联动控制的能力,这对无线网络的大带宽、高并发连接、低时延保障等特性提出了急迫的需求。作为移动通信技术的主要发展方向,5G技术具备保障未来千亿设备互联的能力。其最终目标是助力垂直行业用户突破海量数据的处理限制,从而在各种场景和应用中提供智能、智慧的交互体验。

在工业互联领域场景中,通常网络系统中承载了会话业务、流媒体业务、传输类业务和消息服务业务等。从系统构架来看是采用了“端管云”架构。

FR-TSN交换机推动移动通信与工业物联网的融合发展
FR-TSN交换机推动移动通信与工业物联网的融合发展

对运营商而言,QoS服务质量意味着带宽是成本和宝贵资产,保障带宽需要付出较高的成本。5G核心网在用户侧采用了多种数据流机制,使得对带宽的控制精度更高。在工业场景下,当多个不同的业务同时建立多个不同的会话时,这些会话由多个QoS流组成并进行QoS控制,从而实现了较高规格的保障机制。

面向工业通信领域的定时周期性传输流的时间整形技术TAS

光路科技的TSN交换机支持TAS整形技术,特别针对具备周期性特点的业务流,可以通过GATE门控机制来对关键帧和非关键帧进行控制,达到关键业务的有效保障。

TSN技术-TAS时间整形器

面向工业领域的关键帧抢占技术

为了加快带宽资源的有效利用率,通过在以太网帧中标记eMAC帧和pMAC帧技术,光路科技的FR-TSN交换机可以解决在网络传输中低优先级队列对于高优先级队列传输的影响,配合TAS整形更加精准的保护关键业务流帧传输。

TSN-关键帧抢占技术

总结

随着移动通信技术的不断演进,5G时代已经来临,为工业互联网应用带来了前所未有的机遇与挑战。通过5G技术的R16标准以及TSN技术的引入,我们看到了在工业自动化、交通运输、电力传输等领域实现低时延、高可靠性的巨大潜力。光路科技的FR-TSN系列工业以太网交换机作为一项关键技术,为解决工业物联网中时延、带宽、数据安全等方面的挑战提供了可靠的解决方案,助力着5G工业互联网应用的蓬勃发展。

随着工业自动化的快速发展,网络通信和电力供应在工业环境中变得非常重要。PoE(Power over Ethernet)交换机作为一种集数据传输和电力供应于一体的解决方案,正在广泛应用于工业自动化领域。本文将探讨PoE交换机在工业自动化中的创新应用,以及它们如何推动生产效率、设备管理和可持续发展。

工业自动化和PoE交换机
工业自动化和PoE交换机

工业自动化的挑战和需求

工业自动化和机器人技术被广泛应用于生产线、工厂和制造过程中,以提高生产效率、质量和安全性。这些技术包括自动化控制系统、传感器、执行器和机器人等。

随着工业自动化和机器人技术的发展,对于设备之间的高速、可靠的网络连接和通信变得更为重要。这要求在工业环境中部署可靠、灵活的网络基础设施。传统网络设备在工业环境中往往无法满足高温、湿度、振动等严酷条件下的要求。此外,它们也无法为工业自动化和机器人设备提供足够的电力供应。

工业PoE交换机可用于连接和供电自动化控制系统中的传感器、执行器和其他设备。通过提供电力和数据传输,它们使控制系统实现高效的实时通信和协调操作。

其优势就在于工业级设计和PoE技术。工业PoE交换机采用坚固的外壳和组件,能够抵抗工业环境中的振动、温度变化和灰尘等不利因素。它们具备较高的可靠性和稳定性,以确保连续的数据传输。通过PoE技术解决了供电问题,简化了布线和安装过程。抗干扰能力能够轻松应对工业环境中的电磁干扰,确保工业自动化和机器人设备能够正常运行。其良好的扩展性也能适应大型生产线的更多需求。

PoE交换机在工业自动化中的应用原理

无线传感器网络和监控系统

无线传感器网络和监控系统利用传感器和监控设备来实时监测环境参数或特定区域的状态。PoE交换机在该领域的应用原理如下:

自动化控制系统和执行器

自动化控制系统和执行器用于控制和执行工业过程中的操作和任务。PoE交换机在该领域的应用原理如下

机器人技术和自动导引系统

机器人技术和自动导引系统用于实现自主导航和操作。PoE交换机在该领域的应用原理如下:

Fiberroad FR-7M3208BT 工业PoE交换机
Fiberroad工业PoE交换机

PoE交换机在工业自动化领域的优势和未来

PoE交换机减少了额外的电源线和布线成本,简化了设备的安装过程。并实现了设备的集中管理和监控,实时获取数据并进行分析,优化生产效率和设备维护。另外,PoE交换机的能源管理功能和智能供电控制有助于降低能源消耗,促进可持续发展和绿色生产。

当前,工业物联网(IoT)、5G和更高功率PoE标准对PoE交换机产生了显著影响,促使其在工业应用中得到进一步发展和创新。

工业物联网(IoT)的影响

工业物联网的兴起将大大增加工业设备和传感器的数量和连接需求。这对PoE交换机产生了以下影响:

5G的影响

5G技术的引入将推动工业通信的快速发展和升级。这对PoE交换机产生了以下影响:

更高功率PoE标准的影响

随着工业设备的发展和需求的增加,对PoE供电的功率需求也在不断增加。更高功率PoE标准(如802.3bt标准)的引入对PoE交换机产生了以下影响:

综上所述,工业物联网(IoT)、5G和更高功率PoE标准对PoE交换机的影响是显著的。这些影响促使PoE交换机具备更高的端口密度、更快的数据传输速度、更强的网络安全性、更高的功率输出能力和更好的热管理等特性,以满足工业应用中不断增长的连接和供电需求。

PoE交换机作为一种集数据传输和电力供应于一体的创新解决方案,正在推动工业自动化的发展。它们简化了设备的安装和管理,提高了生产效率和设备可靠性。随着新技术的不断发展和智能化趋势的加强,PoE交换机在工业自动化领域的应用将继续创新,并为可持续发展和智能工厂的实现提供支持。

相关阅读: 什么是PoE和PoE交换机?工作原理、供电标准及工业PoE交换机的应用场景

3月30-31日,第二十五届中国高速公路信息化大会暨技术产品博览会在福州海峡国际会展中心盛大召开,光路科技携Bypass交换机TSN交换机及高速公路应用方案亮相展会现场。

光路科技 - FIBERROAD
光路科技 - FIBERROAD

中国高速公路信息化大会暨技术产品博览会(简称:CEIC)由中国公路学会主办,是我国交通信息化领域规模和影响力最大的专业性会议。本届会议以“创新·融合·高质量发展”为主题,深入探讨5G、大数据、云计算、人工智能、区块链、数字孪生等新一代信息技术在高速公路建设、管理、运营及出行服务等众多领域的创新应用和产业融合,并集中展示最新、最热的高速公路信息化技术产品研发、应用成果。本次大会展出面积5万平方米,有近300家国内外厂商参展。

光路科技亮相第25届中国高速公路展
光路科技亮相第25届中国高速公路展

为助力智慧高速高质量发展,光路科技研发了一系列用于高速公路应用场景的工业交换机产品及解决方案,并亮相本次展会。

智能交通项目中,室外环境在温度、湿度、供电条件、电磁干扰等方面比数据中心机房环境更恶劣,因此一般采用高可靠性的工业级设备组网,工业交换机则起到了关键作用。光路科技展出的Bypass交换机,采用工业级设计,可在恶劣环境下工作。Bypass交换机通过以太网环网、生成树协议、旁路保护、链路聚合、链路备份等技术实现了高可靠的链路保护。

光路科技工业交换机亮相高速公路展
光路科技工业交换机亮相高速公路展

由于智能交通和工业自动化的高速发展,越来越多的系统对以太网有了更高的需求,它们需要实时和安全的通信。比如工业自动化中的机器必须共享其数据以进行同步、控制、分析和优化。汽车和交通行业也离不开可靠的通信,尤其是在车辆越来越自动化的今天。常规以太网不能满足这些系统的实时通信要求,因为它们需要确定通信延迟时间。

本次展会,光路科技展示了最新的时间敏感网络(TSN)解决方案,TSN交换机通过以太网提供完全确定的实时通信,保证了通信延迟时间。配有冗余协议的TSN以太网交换机,对于需要实时和安全关键通信的系统来说非常有吸引力。TSN交换机在汽车、工业自动化和能源生产中将逐渐使用,TSN技术将会在工业物联网和工业4.0中发挥关键作用。

工业交换机产品和应用吸引了大量感兴趣的朋友,现场人气爆棚
工业交换机产品和应用吸引了大量感兴趣的朋友,现场人气爆棚

光路产品已经获得数十项软件与技术专利,远销80多个国家和地区,设备连接超过1800万节点,已应用于智慧高速、综合管廊、电力传输、煤矿、铁路等诸多领域, 参与多个国内外重点项目,如甘肃省高速公路云联网、吉林省ETC改造、宜昭高速机电二期、南京地铁四号线、杭州紫金港电力管廊、北京平安城市、吉尔吉斯斯坦安全城市、智利5G网络建设。

未来,光路科技将持续聚焦光通信产品在智慧高速中的应用,助力高速公路信息化和智能化转型升级。光路科技将凭借深厚的技术积累和丰富的实践经验,与产业上下游形成合力,共同推动高速公路信息化建设及新技术新产品应用。

IEEE 802.3bt,也被人们称为PoE++,是目前PoE标准的最新版本。自2003年电子工程师协会(IEEE)批准第一个 PoE 标准以来,以太网供电(PoE)用例在工业界急剧增加,在工厂自动化、石油和天然气加工以及公用事业领域取得了进展。

一个完整的PoE系统,是由供电端设备(简称PSE)和受电端设备(简称PD)两部分组成,所以,常见的POE交换机,也属于供电设备,即PSE设备。

IEEE 802.3bt 于2018年发布,将PSE向PD提供的电量增加了三倍,同时降低了PD 所需的待机功率。IEEE 802.3bt 的创新功能还包括自动分类、支持 PoE 的 10G-BaseT、单/双签名 PD 和功率分级。

有两种类型的PoE++:Type 3 PoE从PSE提供60W功率,并为PD提供51W的输入功率,而Type 4 PoE从PSE提供90W功率,为PD提供高达73W的输入功率。这两种类型都向后兼容 802.3af 和 802.3at。

PoE++

最常见的工业PSE类型,就包括了管理型和非管理型工业交换机,这些交换机往往通过嵌入PoE++ 技术来扩展功能和应用。现在很多应用场景已经把以太网交换机升级到具有 IEEE 802.3bt 的型号,不外乎以下五个原因:

  1. 更广泛的大功率应用场景
    IEEE 802.3bt与前几代不同,它可以更好的支持 PTZ 安全摄像头、传感器、液位测量设备、PLCs、802.11ac 和 802.11ax 无线接入点、控制器、执行器和 LED 照明,以及工厂车间的其他高功率 PD。除了提供更多电力外,802.3bt标准的PoE交换机还发挥着为连接设备创建可靠网络以进行通信和交换数据的重要角色。
  2. 网络可靠性加强
    对于连续运转的工业网络来说,如果因为故障而停机一分钟,可能带来数万元的损失。采用PoE++ 的工业交换机,可以创建更安全的冗余连接,利用故障转移机制,提高工业网络的可靠性,保障正常运行时间。
  3. 实时控制、实时通信
    实际应用中,IEEE 802.3bt 增强了以太网数据的传输速度,最高可达每秒 10G。这一点非常重要,因为越来越多的运营技术(OT)应用需要实时控制和通信来降低成本并提高效率。例如:当存在传感器检测到零件准备好被拾取时,存在传感器发送指令到机械臂,然后,手臂将零件精确地放置在移动的装配带上。在这里,关键型信息必须无延迟地到达所有计算机。PoE++工业交换机经过一系列优化,使OT网络保持高响应,同时加强了网络可靠性。
  4. 灵活安装,适合应用
    与所有版本的 PoE 一样,PoE++是基于标准的。这意味着可以通过单个工业以太网交换机实现多个PD之间的互动。这也意味着将检测到第三方非PoE PD,因此不会因工业交换机在CAT电缆上传输的电力而损坏。许多采用IEEE 802.3bt的工业交换机还支持配置网络拓扑,例如环形、网状等。此外,它们将支持RSTP / STP,IGMP和VLAN。最后,不会因为IEEE 802.3bt增加的功率而牺牲向后兼容性。配备IEEE 802.3bt的以太网交换机,能够与IEEE 802.3af和802.3at的PD类型适配。
  5. 工业物联网
    现如今,IIoT技术越来越广泛,其应用也越来越复杂和耗电。在IEEE 802.3bt之前,大多数IIoT网络能够在单个端口上传输的功率为60W,IEEE 802.3bt在90W方面向前迈出了一大步。通过一根电缆安全传输 90W 功率,可以快速实施一系列 IIoT 技术。

配备 PoE++ 的Fiberroad工业 PoE交换机让您可以完全按照自己的需要自由设计工厂布局。PoE++ 意味着不需要电源线,支持 PoE 的设备可以安装在以前无法访问的地方。此外,单个 PoE交换机可以运行更多设备,同时传输电源和高速数据。Fiberroad工业PoE交换机设计坚固,适用于温度波动大、振动剧烈、电磁干扰的工业环境。

【快速链接】

PoE交换机 IEEE 802.3bt(PoE++)

PoE交换机 IEEE 802.3at(PoE+)

在工业4.0的大环境下,很多制造商开始利用工业物联网(IIoT)技术来优化生产和运营,从而部署了更高效的设备,同时也需要更快速的网络来保证机器人的高效工作。传统以太网协议已经很难支撑现有的新技术和新设备,这时则需要有一套兼容性高的技术能支持时钟同步及复杂的协议,以实现时间敏感数据的实时传输,这时就用到了TSN技术

光路科技推出TSN交换机

经过长期的研发和测试,光路科技为智能制造、智能电网、轨道交通及其它5G应用提供了时间敏感型数据传输解决方案,推出了TSN系列交换机,它们具有确定性时延以及多协议传输能力,这些TSN交换机的低延迟、低抖动、高可靠性能,保证了数据的确定性传输和网络复用性。

光路科技TSN交换机
Fiberroad TSN Switch

TSN交换机的主要特色

TSN的全称Time Sensitive Networking,即时间敏感网络,是IEEE定义的标准技术,位于OSI模型的第2层(数据链路层),用于扩展当前以太网网络的功能,可在标准以太网上实现确定性消息传递。TSN技术通过利用时间同步方法(IEEE 802.1AS)和分时方法(IEEE 802.1Qbv)来确保确定性通信。

相比传统以太网通信,TSN技术可以混合实时通信和非实时通信。TSN能够将确定性服务降到微秒级,降低整个通信网络复杂度,实现信息技术 (IT)与运营技术(OT)融合,其具有精准的时钟同步能力,确定性流量调度能力,以及智能开放的运维管理架构,可以同时保证多种业务流量的高质量传输,不但提高了性能,而且减少了成本。

下表是光路科技TSN交换机支持的IEEE802.1关键协议:

IEEE 802.1ASgeneralized Precision Time Protocol 通用精确时间协议。确保时钟同步,并达到微秒级甚至纳秒级的精度误差。
IEEE 802.1QbvEnhancements for Scheduled Traffic 增强预定流量,通常也被称为时间感知流量整形(TAS)。
IEEE 802.1QccSRC增强功能和性能改进
IEEE 802.1Qav队列及转发协议。时间敏感流的转发和排队增强(FQTSS)
IEEE 1588 (PTP V2)Precision Time Protocol 精确时间同步协议。
Fiberroad TSN Switch - IEEE802.1

TSN交换机将面向更多应用

新的工业控制需求,已经不允许在网络停止运行期间进行网络配置。光路科技的TSN交换机,通过IEEE 802.1Qcc 引入集中网络控制器(centr alized network configuration,CNC)和集中用户控制器(centralized user configuration,CUC)来实现网络的动态配置,可以在网络运行时灵活地配置新的设备和数据流,保证设备高效运行。

TSN技术已经在汽车网络开始应用,而在工业自动化、智能电网及诸多的5G NR网络还属于起步阶段。光路科技将根据各个行业实际应用场景进行研发,进行定制化解决方案研究,并推出面向不同行业领域的TSN交换机。

Voice VLAN
Voice VLAN

什么是Voice VLAN?

VLAN是虚拟局域网,而Voice VLAN(语音VLAN),顾名思义,就是专门为用户的语音数据流构建的虚拟局域网,它能保证语音流量与其他流量在广播时的完整性。也就是说,如果同时交付数据、视频等其他业务,Voice VLAN将被优先考虑并以更高的转发优先级进行广播。

物联网和工业物联网需要Voice VLAN

基于IP的物联网和工业物联网(IIoT)需要Voice VLAN 来确保高质量的语音数据传输。配备 VoIP 接口的设备可以使用Voice VLAN来创建数字语音设备专用的纯语音VLAN。这是一个潜在的创新功能,特别是对于数字工业控制器连接到模拟设备的工业网络(IIoT)设备。

Voice VLAN是如何工作的?

首先,我们可以通过两种方式识别语音数据流,一种是通过识别接收数据包的源MAC地址(基于MAC地址的模式),另一种是通过识别接收数据包的 VLAN标记(基于VLAN的模式)。

Voice VLAN
Voice VLAN - Switch

网络交换机可以根据数据包中的源MAC地址确定数据流是否为语音流。如上图所示,从 IPcam 和 IP电话接收数据包后,交换机将向数据包添加Voice VLAN 的标记,并在源MAC地址与配置的 OUI 匹配时增加其优先级,或者为 PVID 添加一个标记,如果数据包不匹配,则保持数据包不优先。

Voice VLAN的三个直接作用

  1. 当在网络上使用网络交换机上的 802.1Q 在上行链路上配置和中继多个 VLAN 时,它可以确保你的 VoIP(网络电话)设备不必直接处理来自数据 VLAN 的所有广播和其他流量。
  2. 在某些情况下,语音VLAN 可以更轻松地标记 QoS 数据包并为 VoIP电话配置 TFTP 和 DHCP 服务,从而简化网络配置。
  3. 语音VLAN可以为不同语音数据分配优先级,确保数据高质量传输。

怎样通过光纤网络交换机配置Voice VLAN?

在基于 VLAN的模式下,有两个主要步骤需要配置:

  1. 网络交换机上创建VLAN,并向VLAN添加接口,实现二层互通。
  2. 将 VLAN 配置为Voice VLAN,并使用基于 VLAN 的Voice VLAN。
网络交换机配置Voice VLAN
网络交换机配置Voice VLAN

在基于MAC地址的模式下,有三个主要步骤需要配置:

  1. 在网络交换机上创建VLAN,并向VLAN添加接口,实现二层互通。
  2. 配置 OUI(组织唯一标识符)以匹配接收数据包的源MAC地址。
  3. 在接口上配置Voice VLAN功能。
Voice VLAN - OUI
Voice VLAN - OUI
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