面向工業(yè)的5G組網(wǎng)方案研究

孫麗楠，朱紅綠，孫 慧

(中國電信股份有限公司研究院，上海 200122)

0 引言

2013年2月成立了IMT-2020 5G推進組[1]。2017年11月出臺了中國5G頻率規(guī)劃方案。2018年底完成了5G關(guān)鍵技術(shù)、方案以及組網(wǎng)等研發(fā)試驗。2019年6月，工信部正式發(fā)放5G商用牌照；同年10月，三大運營商宣布5G套餐，開啟5G商業(yè)時代。

3GPP已經(jīng)制定了R15和R16兩個版本的5G標準。R15版本聚焦增強移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)，提供網(wǎng)絡切片、多接入邊緣計算(Multi-access Edge Computing，MEC)等能力。R16為增強版本，支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、高可靠低時延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC)增強等，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求、網(wǎng)絡架構(gòu)、空口增強技術(shù)是R16的工作重點[2]。

世界各國都在制定政策，加快5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展。2017年起，美國聯(lián)邦通信委員會開始促進5G向精準農(nóng)業(yè)、遠程醫(yī)療、智能交通等領域的擴散。歐盟在2018年4月成立工業(yè)互聯(lián)與自動化5G聯(lián)盟，推動5G在工業(yè)生產(chǎn)領域的落地。韓國三大運營商在2019年制定5G+戰(zhàn)略，智慧工廠是五項核心業(yè)務之一。

我國高度重視5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展。2017年11月，國務院印發(fā)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》，明確將5G列為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡基礎設施[3]。2018年提出《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃》，提出兩年內(nèi)初步建成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎設施和產(chǎn)業(yè)體系[4]。2019年出臺了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》，明確了建設“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”園區(qū)網(wǎng)絡等重點工作。我國已有十幾個省市地區(qū)發(fā)布了5G產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，很多城市將5G與工業(yè)的融合應用作為重點。此外，通過5G應用產(chǎn)業(yè)方陣、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、“綻放杯”5G應用大賽等，推動5G向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域滲透，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的示范企業(yè)。5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合意義深遠，也待繼續(xù)推進[5]。

在上述背景下，本文分析了工業(yè)對網(wǎng)絡的需求，研究了5G的典型關(guān)鍵技術(shù)，提煉出工業(yè)場景和5G能力的匹配關(guān)系，進而總結(jié)出面向工業(yè)進行5G組網(wǎng)時有哪些技術(shù)可供選擇；并針對工業(yè)典型場景(例如車間內(nèi)、工廠/園區(qū)內(nèi)、工廠/園區(qū)間)提供了不同的5G組網(wǎng)方案建議。

1 工業(yè)需求和5G關(guān)鍵技術(shù)

1.1 工業(yè)對網(wǎng)絡的需求

通過對化工類、生產(chǎn)制造類、電子制造類工業(yè)企業(yè)進行調(diào)研，可以初步得到工業(yè)對網(wǎng)絡具有如下需求：

(1)多業(yè)務需求：工廠業(yè)務種類繁多，如視頻回傳、AR/VR業(yè)務、AGV調(diào)度、智能輔助駕駛等，可以通過eMBB/uRLLC/大規(guī)模機械通信(Massive Machnice Type Communication，mMTC)等5G基本能力滿足。

(2)無線網(wǎng)絡需求：傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造和工業(yè)控制依賴于有線連接，速度快、帶寬高、可靠性高，但物理線路容易磨損，且影響機器的機械設計[6]。對非新建工廠，目前無線網(wǎng)絡主要用于有線補盲，以優(yōu)化后期工廠運營運維，該情況在石化行業(yè)應普遍存在。

(3)安全隔離需求：某些業(yè)務在4G網(wǎng)絡通過虛擬專有撥號網(wǎng)絡(Virtual Private Dial Network，VPDN)進行隔離[7]，可以滿足安全需要；但對于安全性更高業(yè)務，可以引入5G專用切片，支持工業(yè)網(wǎng)絡與公網(wǎng)之間以及工業(yè)網(wǎng)絡內(nèi)的不同應用之間的安全與隔離。

(4)網(wǎng)絡切片需求：對于制造類工廠，由于業(yè)務類型豐富，尤其AGV實時調(diào)度、AR/VR類業(yè)務，切片需求比較強烈[8]。

(5)MEC需求：工業(yè)場景數(shù)據(jù)一般不出專網(wǎng)/虛擬專網(wǎng)(園區(qū)網(wǎng)、廣域網(wǎng))，可以通過用戶面功能(User Plane Function，UPF)下沉結(jié)合MEC的方式，保證數(shù)據(jù)不出廠[9]。

(6)成本需求：在有條件的情況下復用公網(wǎng)資源，降低建網(wǎng)成本，快速部署5G網(wǎng)絡。

1.2 5G典型關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 uRLLC

如表1所示，uRLLC可以滿足很多工業(yè)場景需求，如工業(yè)控制、自動駕駛等。uRLLC技術(shù)可以在指定時間可靠地傳輸數(shù)據(jù)包，例如生產(chǎn)制造的閉環(huán)控制場景。uRLLC通過更短的TTI間隔、快速收發(fā)數(shù)據(jù)、調(diào)度單位更短、調(diào)度更靈活等能力，降低時延；通過分集冗余技術(shù)，使用特定的信道編碼，改進空口傳輸?shù)目煽啃訹10]，以滿足未來智能工廠的要求。

表1 uRLLC關(guān)鍵能力

1.2.2 網(wǎng)絡切片

5G網(wǎng)絡增加了網(wǎng)絡切片特性，可以滿足工業(yè)場景下需要部署獨立專網(wǎng)的需求，實現(xiàn)生產(chǎn)制造網(wǎng)絡和移動辦公網(wǎng)絡或者和公眾網(wǎng)絡隔離的目的。

如表2所示，5G的網(wǎng)絡切片可以通過虛擬化技術(shù)、預調(diào)度技術(shù)、FlexE等技術(shù)在不同網(wǎng)絡實現(xiàn)切片[11]，并且允許建立多個虛擬網(wǎng)絡，用以處理不同工業(yè)應用。這些虛擬網(wǎng)絡可以在公共物理基礎設施上運行，也可以根據(jù)需要在專用物理設施上運行[12]。

表2 網(wǎng)絡切片關(guān)鍵能力

1.2.3 MEC

MEC能夠把網(wǎng)絡流量就近分發(fā)給用戶，降低網(wǎng)絡傳輸時延[13]。邊緣計算平臺可以部署于工廠內(nèi)，工廠的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning，ERP)平臺、虛擬交換機等系統(tǒng)均可以部署于運營商的MEC，同時能夠滿足數(shù)據(jù)不出工廠的訴求[14]。

如表3所示，MEC可以使網(wǎng)絡具備計算能力，在降低傳輸帶寬的同時使業(yè)務更靠近用戶側(cè)，為用戶帶來更好的業(yè)務體驗?？梢詽M足5G相關(guān)的低時延、高帶寬的應用需求，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域?qū)⒂袕V泛應用前景。

表3 多接入邊緣計算關(guān)鍵能力

1.3 工業(yè)場景和5G能力的匹配

圖1為工業(yè)場景與5G能力的匹配。對于流量較小的環(huán)境監(jiān)控類應用，使用大連接網(wǎng)絡能力即可；對于無線視頻監(jiān)控，可選擇高速率的eMBB能力[15]；對于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，選擇eMBB能力，如果需保障其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕莎B加VPDN能力。對于各類無人機、機器人、AGV、AR/VR、工業(yè)視覺類的應用，均可以通過eMBB能力實現(xiàn)，如果需要保障更好的體驗，可以疊加服務質(zhì)量(Quality of Service，QoS)、MEC等能力。對于AI/大數(shù)據(jù)類應用、工業(yè)控制類以及安全性要求較高的應用，建議選擇MEC和網(wǎng)絡切片能力。

圖1 工業(yè)場景和5G能力的匹配

2 工業(yè)5G組網(wǎng)方案

2.1 工業(yè)5G組網(wǎng)技術(shù)

圖2所示為工業(yè)5G組網(wǎng)方案，主要由工業(yè)終端、無線側(cè)的5G基站、工廠本地UPFMEC、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)幾部分組成。

圖2 工業(yè)5G組網(wǎng)方案

基于上述組網(wǎng)方案，歸納總結(jié)在無線、承載、核心網(wǎng)、管理等不同層面，工業(yè)5G組網(wǎng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、應用場景及推薦建議細節(jié)，如表4所示。

表4 工業(yè)5G組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.2 工業(yè)5G組網(wǎng)具體方案

2.2.1 車間內(nèi)組網(wǎng)

同一工廠同一車間不同工業(yè)設備間的連接，可以通過5G客戶終端設備(Customer Premise Equipment，CPE)作為轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)傳送給5G基站。如果工業(yè)設備支持5G模組能力，也可以不經(jīng)過CPE，直接與基站通信。CPE與工業(yè)設備之間可以經(jīng)過有線連接，或者無線連接。初始上電后，CPE到核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)管理(User Data Management，UDM)進行安全認證。CPE設備的地址由核心網(wǎng)控制面會話管理功能(Session Management Function，SMF)或UPF分配。工業(yè)設備的IP地址由CPE分配。如果無CPE，工業(yè)模組的地址由SMF或UPF分配。工業(yè)設備的流量(如圖3所示加粗實曲線)經(jīng)由基站，轉(zhuǎn)發(fā)到就近的UPF，由UPF轉(zhuǎn)發(fā)到企業(yè)私有云平臺或者互聯(lián)網(wǎng)。UPF可以下沉到園區(qū)，此時與企業(yè)私有云之間需要設置防火墻，保證大網(wǎng)安全。

圖3 車間內(nèi)組網(wǎng)

2.2.2 工廠/園區(qū)內(nèi)組網(wǎng)

同一工廠不同車間之間，覆蓋范圍相對較大，業(yè)務需求多樣。如圖4所示，可以部署多個5G基站?；绢愋涂梢允呛暾尽⑹曳?、一體化小基站等，可以根據(jù)覆蓋范圍選擇不同的類型。不同業(yè)務對基站要求可能也不盡相同，例如某些工業(yè)控制類業(yè)務對時延要求較高，基站需要支持uRLLC技術(shù)。不同車間之間的流量轉(zhuǎn)發(fā)如圖4中加粗實曲線所示。例如車間1的設備，經(jīng)過空口到基站，再到UPF，UPF再尋址到車間2的基站，再到車間2的設備。

圖4 工廠/園區(qū)內(nèi)組網(wǎng)

2.2.3 工廠/園區(qū)間組網(wǎng)

不同工廠或者工業(yè)園區(qū)之間由于地理距離比較遠，同一個UPF下的基站可能覆蓋不到，此時需要部署多個UPF，滿足覆蓋需求。工廠/園區(qū)間工業(yè)設備的流量轉(zhuǎn)發(fā)如圖5加粗實曲線所示。例如工廠1的設備，經(jīng)過空口到基站，再到UPF，UPF再到運營商網(wǎng)絡的中心UPF，由中心UPF尋址到工廠2對應的UPF，再到工廠2的基站，最終到設備。

圖5 工廠/園區(qū)間組網(wǎng)

3 結(jié)論

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，5G是新一代信息通信技術(shù)演進的重要方向，二者都是實現(xiàn)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力。5G的低時延、高可靠、大帶寬等特性，以及網(wǎng)絡切片、邊緣計算等更加靈活的組網(wǎng)模式，都為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新方向。本文在分析工業(yè)需求、研究5G典型關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，細化了工業(yè)場景和5G能力的匹配關(guān)系，歸納總結(jié)了工業(yè)5G組網(wǎng)技術(shù)，針對不同場景提出了工業(yè)5G的組網(wǎng)方案。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新發(fā)展，將加快推動工業(yè)網(wǎng)絡智能化的轉(zhuǎn)型升級。