5G 局域網行業解決方案分析

鄭 巍

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

5G時代，行業應用的拓展落地成為了新基建助力經濟轉型升級的突破點。從頂層規劃指導方面，工業和信息化部為推動5G網絡加快發展，豐富5G技術應用場景，已連續組織舉辦了4屆“綻放杯”5G應用征集大賽。2021年7月，工業和信息化部、中央網信辦、國家發展改革委等十部門聯合印發了《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》。從運營商層面，幾大運營商紛紛發布了針對行業專網的解決方案。中國移動的為虛擬（V）專網、混合（M）專網和物理（P）專網[1]；中國電信的為致遠模式、比鄰模式、如翼模式[2]；中國聯通的為虛擬專網、混合專網、獨立專網[3]；中國廣電的為推動廣電5G融入百業，鏈接萬物。從技術標準看，2020年7月3日凍結的R16版本中引入了超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、非公共網絡（Non-Public Network，NPN）、5G 局域網（Local Area Network，LAN）、5G+時間敏感型網絡（Time Sensitive Network，TSN）、5G車用無線通信技術（Vehicle-to-Everything，V2X）以及新空口（New Radio，NR）定位等垂直行業擴展功能[4]。

1 為什么引入5G LAN

行業網絡里存在大量局域網場景，行業終端通過二層網絡進行單播或廣播通信。而傳統無線方案存在僅支持L3互通，不支持L2協議棧，因此需要部署接入路由器（Access Router，AR）實現L3和L2的轉換，部署復雜。引入固網網管或者專用隧道管理系統，管理維護成本高，而增加隧道將導致層級增加、配置復雜以及問題定界定位更復雜等痛點。現有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）承載方案如圖1所示。

圖1 現有PLC承載方案

為簡化組網和部署復雜性，3GPP在R16階段進行了5G LAN的研究，通過在5G網絡里引入5G LAN技術實現終端在二層或者三層網絡里互相通信，為企業提供本地局域網或者虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）業務[5]。

2 什么是5G LAN

3GPP在R16階段定義了5G LAN技術，能夠向客戶提供L3層VPN服務（IP VRF轉發）與L2層LAN服務（Ethernet局域網），同時5G LAN也支持用戶移動性、細分子網以及基于子網的管理能力，這些特性能解決傳統行業客戶專網中存在的問題[6]。5G LAN通信模型如圖2所示。

圖2 5G LAN通信模型

2.1 層二組網

新增以太層，從層三組網到層二/三組網，使能5G進入工業垂直領域。主要特性包括新增L2以太PDU類型，支持L2單播、組播、廣播，兼容L2工業以太網及其應用，支持本地交換和路由表的動態生成以更新，免部署及管理AR企業路由器，未來可演進到5G TSN確定性網絡[7]。層二組網示意如圖3所示。

圖3 層二組網示意

2.2 專網管理

專網管理如圖4所示。讓5G專網的管理與有線專網一樣便捷，主要特性包括5G LAN組簽約、管理及多VLAN管理。基于5G LAN組及VLAN的隔離，支持協同企業動態主機配置協議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），分配固定IP，企業Portal支持企業自管理，靈活的開通配合運維管理。

圖4 專網管理示意

2.3 跨域連接

跨域連接如圖5所示，支持跨區域漫游和隨時隨地接入，主要特性包括R16標準新增A-UPF間N19接口，單模光纖（Single-Mode Fiber，SMF）下實現區域內的園區互聯[8]。

圖5 跨域連接示意

3 5G LAN在行業專網中的應用思考

3.1 替代WiFi做園區覆蓋

目前，在園區網絡場景，通常要建設多張煙囪式物理網絡，包括生產WiFi、辦公WiFi等，不僅建設成本高，而且管理維護復雜。依托5G LAN能力，可以建設覆蓋全國的5G園區網絡，靈活劃分多個虛擬局域網，實現全國多園區統一管理和互聯互通[9]。以5G LAN一張網簡化了網絡架構、節約了部署成本。基于上述特性，在校園網、園區網以及家庭網場景下，5G LAN的解決方案可以做到私網新增設備不局限時間與位置，保障業務體驗一致性。

3.2 工業網絡二層通信替代

在工業網絡領域，使用5G取代有線以太網連接，提供高可靠、低時延保障。通過5G提供L2層LAN服務和L3層VPN服務，支持二層、三層互通，解決了原先5G只支持三層通信問題。5G LAN無需增加AR路由進行層二到層三的轉換，無需運營商網絡配置隧道，實現了運營商網絡與企業網絡解耦，同時支持多個虛擬局域網，更便捷地實現業務隔離。通過N19端口支持跨地域私網互聯，各分支機構通過5G LAN隨時隨地接入內網，替代傳統的專線，可以滿足各種場景需求。

5G LAN技術在即插即用、跨域組網以及網絡確定性等方面具有顯著技術優勢，在園區網絡、電網差動保護、工業PLC等各種領域都具有非常廣闊的發展前景。

以5G LAN一張網絡替代多張物理網絡，不僅通過網絡架構簡化提升了網絡效率和產線可用性，同時還實現了組網成本和維護成本的同步下降，是5G賦能工業的典型應用場景。

4 5G LAN落地案例分析

目前，幾大運營商已開始結合R16新特性迭代更新專網產品，其中與5G LAN相關的應用也有實際落地。相關案例的成功，開啟了5G+工業互聯網的新篇章，為未來其他智能制造場景接入5G LAN打下基礎。

4.1 中國聯通

在2021合作伙伴大會上，中國聯通發布了5G行業專網產品體系2.0，即“5G專網PLUS”[10]。中國聯通聯合重慶長安汽車和華為，依托5G核心網的網絡創新，推動了基于5G LAN的技術落地，將5G LAN能力融入汽車生產內網，直接實現設備間的二層互通，無須增加AR設備，不需額外增加配置和維護負擔，保持內網應用不變、拓撲不變、配置不變，讓生產線上的設備真正擺脫線纜束縛，更加靈活。

在總裝車間，操作者通過Andon系統上報工位情況，包括裝配質量問題、線邊物料供應以及生產設備告警等。在有線網絡環境中，產線調整需要重新布線影響生產效率，而且層三的5G網絡由運營商規劃，需要手工增加互聯網技術（Internet Technology，IT）系統側到客戶前置設備（Customer Premise Equipment，CPE）的路由，無法做到即插即用。通過引入5G LAN技術，解決了Andon系統柔性化問題，減少產線調整的停線時間，提升生產效率，也可以沿用原PLC、服務器組網規劃及IP配置，實現網絡的即插即用與快速響應。

5G LAN技術在長安汽車的實踐全方位驗證了其在工業控制層的技術可行性和生產可用性，打造了汽車制造領域跨域5G專網標桿案例。

4.2 中國移動

2021年12月，浙江移動寧波分公司在愛柯迪股份有限公司里完成了5G LAN工業互聯網商用測試。該5G LAN工業互聯網由浙江移動、寧波移動、華為技術有限公司共同打造，集愛聯科技、中微普業、塔網科技等產業鏈合作伙伴之力，商用測試成功標志著基于5G LAN打造的工業互聯網向成熟商用又邁出了堅實的一步，將進一步引領5G使能智能制造發展。

前期中國移動已為愛柯迪進行了5G專網改造，實現了對“有線+WiFi”網絡的整體替代，打造為了全5G智慧工廠。但前期5G專網解決方案中，運營商與企業網絡會存在耦合，涉及超500條隧道數據配置，同時制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System，MES）終端需要進行開發適配，需要運營商、MES廠家、企業等多方協同，方案部署難度大，調整周期長。

基于R16版本的新特性，浙江移動與愛柯迪公司再次聯合對網絡進行了全面升級，主要是通過入駐型5G MEC提供5G LAN二層通信，基于5G LAN技術構建MES終端和MES服務器間的互聯網絡，打造一張5G極簡工業互聯網，讓運營商網絡和企業網絡完全解耦。MES終端與服務端通信免隧道配置，免AR路由，IP靈活修改，下掛設備即插即用，更方便地動態調整生產線。

5 結 論

行業應用是5G發展的新藍海，從R16的主要功能來看，uRLLC、5G+TSN、NPN、5G LAN、5G V2X以及NR定位都為行業應用量身定做，來滿足不同層面的行業數字化轉型過程中對行業專網特性的要求。基于5G LAN的工業互聯網將成為構建智慧工廠、柔性生產線的利器。在5G LAN等創新能力的加持下，5G專網將成為垂直行業推動5G創新應用、提升生產效能以及提速數字化轉型的新引擎，賦能千行百業數智化轉型升級。