LTE-U專有網絡在中小型制造企業中的應用

豐丙金 馬鍇

（1.天津榮聯匯智智能科技有限公司 天津市 300111 2.阿里巴巴達摩院(杭州)科技有限公司 浙江省杭州市 311121）

隨著科技的發展，越來越多的設備和系統應用到傳統中小型制造行業，傳統中小型制造行業迫切面臨著數字化轉型的需求，本文就在轉型數字化的過程中，大家關注的網絡傳輸層的基礎建設方面的問題提出一些新的見解和分析。

1 企業傳統私網的現狀

中小型制造企業的傳統專有網絡建設中，建設周期長，擴容和搬遷需要對網絡進行改造或者重建，無線Wi-Fi 信號質量差、基站切換時間長、覆蓋半徑小、帶寬不高，工廠特有的電磁環境、設備布局等影響終端的接入效果，使它不能很好支持移動VoIP 等要求高的應用，Wi-Fi 具有的比較大的安全隱患，其安全隱患來源于在兩個方面：一方面是來源于網絡的“攻擊”，另一方面來源于網絡的“陷阱”[1]。Wi-Fi 的安全隱患主要是：

（1）惡意釣魚AP；

（2）訪問攻擊；

（3）Dos 和DDos 攻擊，數據傳輸安全性方面也無法滿足需要。當前企業數字化轉型對移動性設備聯網的應用越來越廣泛，傳統專網無線Wi-Fi 性能嚴重制約企業數字化轉型的需求。

企業在數字化轉型前期，MES 系統成為標配，而MES 系統對接的生產制造環節，問題領域更加復雜，生產制造不像財務等方面標準化程度高，概念模型化程度高，它的運行環境需要更多的依賴于各種PLC 控制的自動化設備，其實還需要大量沒有數字化、計算化、連入網絡的部分配合。而MES 系統涉及的生產環節，很多操作人員的基本素質根據行業不同差異性較大，總體上信息化能力不如ERP 環節的人員。因為MES 系統非標的特點很顯著，難以形成規模化效應顯著降低成本。[2]

一些信息化技術，比如平板電腦，因為可以觸屏操作，又和智能手機的操作方式接近，可以降低信息化使用的能力要求，對各個工位進行信息化提供了良好的條件。AR/VR 等技術也可以起到類似作用。[2]

采用無線網絡可以使設備聯網擺脫線纜的約束，使得聯網更加簡單，布局更靈活。對于AGV 小車、智能叉車、手持移動終端、穿戴設備等移動物體，對移動網絡通信要求越來越高，Wi-Fi 之類的無線寬帶技術存在一定的性能問題，無法滿足當前企業在這方面的應用。[2]

2 LTE-U專有網絡技術在企業私有網絡中的應用及特點

LTE-U 的全稱是LTE in Unlicensed spectrum，即非授權頻譜上的LTE。該技術將LTE 部署到非授權頻譜，并采用標準LTE 空口協議完成通信。

采用LTE-U技術，就可以利用集中調度、干擾協調、HARQ重傳、CA 載波聚合等技術，可以獲得更好的魯棒性和頻譜效率，提供更大的覆蓋范圍和更好的用戶體驗。LTE-U 可以將授權頻段作為主載波，終端跟基站可以在授權頻段上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲取當前空閑的非授權頻段資源，實現授權頻段和非授權頻段的載波聚合，從而有效提升系統的性能和吞吐量，解決室內數據流量的增長需求和頻譜匱乏問題。[3]

LTE-U 專有網絡技術能夠滿足中小型制造企業對網絡的大帶寬、低時延、高安全性的要求。具有1Gbps 極限高速，支持海量用戶多并發，單小區500+用戶同時在線。非常低的時延，極高可用性，移動性深度適配，對快速移動的AGV 車輛聯網需求完全滿足。

LTE-U 專有網絡采用5.8GHz 工業頻段部署蜂窩網絡，與運營商公網最大的區別為，網絡是企業私有資產，企業對網絡擁有絕對掌控權，網絡設備獨立運行，不與其他企業共享。數據在本地產生，在本地處理，不出企業園區，不需要擔心生產和管理經驗流失。網絡建設性價比高，一次性投入，后期不再需交流量費。運維方便，企業自己發卡鑒權，新開戶和權限變更立即生效，不需等待運營商申請、審批繁瑣流程。權限修改及時，企業自己掌握網絡的操作權限，出現問題可隨時介入，無需等待漫長的運營商報修流程。部署擴容靈活，企業根據自己的需求隨時擴容或更改網絡配置。

表1：LTE-U 專有網絡與傳統網絡連接方式對比

圖1：時延方差對比

圖2：丟包率對比

圖3：高延遲對比

圖4：機臺終端LTE-U 專網和Wi-Fi ping 服務器對比

圖5：時延差點數圖

如表1 所示，中小型制造企業內部部署LTE-U 專有網絡和傳統網絡連接方式各項性能指標對比。

筆者在某一上市集團公司生產車間復雜電磁環境應用場景下Wi-Fi 和LTE-U 專有網絡進行連接性能方面的測試，得到的測試對比如下：

通過圖1、圖2、圖3 看出，從核心網后臺分別ping 終端設備，相比較Wi-Fi，LTE-U 在時延方差、丟包率、高延遲有明顯優勢。

圖4 為從機臺數據采集服務端ping 終端的方式進行對比，上面為LTE-U 的連接方式，下面為Wi-Fi 的連接方式，在成功率、平均ping 用時、最長ping 用時方面明顯得出LTE-U 專有網絡要遠遠優于Wi-Fi 性能。

圖5 對比LTE-U 專有網絡和Wi-Fi 網絡 連接的rtt 差點數,途中橙色為LTE-U 專有網絡，藍色為Wi-Fi 網絡，對比結果顯示，LTE-U 專有網絡差點數明顯少于Wi-Fi 網絡。

通過在實際應用環境的不同無線連接方式的分析，我們可以直觀看出LTE-U 專有網絡在連接性能方面已經完全優于Wi-Fi 這一傳統的無線連接方式，尤其是在復雜的電磁環境，移動終端對網絡連接要求高的工業環境下，LTE-U 專有網絡具有明顯優勢。

3 建設非授權頻段LTE-U專有網絡的原因

建設企業私網能夠有效保證核心數據不會流出企業，重要的生產數據、財務數據等在企業內部安全傳輸，保證企業網絡的安全與穩定。網絡安全是任何信息化建設的基礎，智能制造發展到當下，越來越多的企業在網絡安全上投下巨資。5G 公有網絡雖然可以通過網絡切片方式建設私網，但它是一個虛擬的隔離方式，在安全的考慮、端到端的復雜度上都比較欠缺，很難做內網的部署。運營商的授權5G 頻段在給企業應用時，所有信息傳遞必須經過核心網，這樣的架構對于需要低時延、帶寬閉環的企業網絡場景并不合適，生產制造企業若將核心網系統放在場域外，在系統把控上缺乏控制權，一旦出現問題導致產線崩潰，對生產影響是致命的，后果將不堪設想。對于中小型制造企業，我們可以考慮的方案是核心網功能下沉到私網中，通過防火墻和運營商系統對接，這一方案在工廠里實施起來更現實。部署LTE-U 專有網絡不需要進行復雜的綜合布線設計、線路施工、設備安裝、靈活性大大挺高，擴容、搬遷不需要再對網絡進行大規模改造或者重建，大大降低成本、縮短工期。

LTE-U 專有網絡滿足中小型制造企業客戶業務運營數據安全，希望對自己的網絡自管控自運營的需求，適合中小型企業想嘗試構建5G 應用，希望逐步分期建設，一次性不希望過多投入。同時也適合銳意進取的中小企業，希望能夠提供足夠輕量化、高品質的網絡支撐。通用X86 服務器，適合企業當前已經有IT 設施，對老舊服務器利舊，可以實現項目合理化降低成本。助力企業快速數據化轉型，借力網絡能力及行業應用，提高生產與管理效率。

4 制造型企業在數字化轉型方面對LTE-U專有網絡的應用

早在 2012年，美國通用電氣公司在提出「工業互聯網」這個概念，工業互聯網的三要素，是人、數據、機器。人和人的連接，就是傳統的互聯網；物和物（機器）之間的連接，就是近來發展迅速的物聯網；而網絡存在的核心，自然就是數據中蘊藏的巨大價值。可以看出，工業互聯網其實并太多沒有新的技術，更多的是架構的整合，從而把互聯網中成熟的網絡架構和技術移植到工業生產的應用中，用于效率的提升。[4]

網絡是基礎，即通過互聯網，物聯網等技術實現工業全系統的互聯互通，促進工業數據的充分流動和無縫集成。數據是核心，即通過網絡采集得到的工業生產全周期的海量數據，并進行大數據分析，形成基于數據的智能系統，實現機器彈性生產，運營管理優化，生產協同組織以及商業模式創新。[4]

圖6：專網網絡拓撲

傳統的中小型制造型企業在不斷向智能制造方面轉型升級，LTE-U 專有網絡技術的發展為傳統制造業的智能制造邁向更高的臺階奠定了堅實基礎。中小型制造企業結合本企業生產及管理特色，在LTE-U 網絡應用場景方面可以提出自己的規劃方向，并逐步落地實施：

（1）利用LTE-U 專有網絡的高速傳輸數據特性，將待檢測半成品零部件通過超高清工業攝像頭拍攝的圖片信息上傳至云端進行圖像識別及分析，實現缺陷實時檢測與自動分揀，同時可有效記錄待檢測物品的瑕疵，為回溯缺陷原因提供數據分析基礎。

（2）利用LTE-U 專有網絡對數據傳輸的低時延性，打造遠程診斷平臺，異地專家通過PC、手機等平臺收看直播視頻，并給出語音指導。操作人員通過收聽語音指導，進行操作，通過語音與專家進行交流。技術專家猶如身臨現場一樣掌握每一個細節，并通過實時的語音或文字消息指導現場拍攝者進行故障排除，既節省維護成本，也實現專家的技能復制，解決了技術專家緊缺的難題。

（3）利用LTE-U 專有網絡構建一個貼近真實的全虛擬VR 工作環境，讓員工置身其中，熟悉掌握新的工作技能，全程將有提示教程，“手把手”教會員工技術要領、注意事項等。員工需要實際參與操作技能培訓過程，使用佩戴 VR 眼鏡代替，雙手可以自由操作練習，VR 眼鏡將緊密結合實際設備、場景，通過LTE-U 網絡給予全面的提示、介紹、引導及評判。

（4）利用LTE-U 專有網絡低時延、高可靠的特性對AGV 的移動精準控制、群控協作、 智能調度更精準、數據回傳將更流暢。AGV 將得以與海量物聯網智能設備連接，助力柔性化制造、智能化生產、智慧化管理，滿足制造、物流、巡檢等領域智能搬運、倉儲、自動化操作的應用需求。

（5）將智能工廠 PLC（含站點 PLC 及產線 PLC）軟件化并與 MES、 SCADA、機器人協作調度等軟件共同部署到私有云端，同時在自動化機械設備相應部件上加裝LTE-U 通信模塊，利用LTE-U 專有網絡低時延、 高可靠等特性實現 I/O 模塊、傳送帶、閥門、機器人等部件的無線接入，最終實現生產車間的集中化控制，智能工廠的柔 性化生產。

（6）在生產過程中，利用LTE-U 網絡實現 PLC 之間、PLC 與廠內系統間的數據傳輸，在保證數據安全和實時性的同時，減少車間內布線成本，快速實現產線產能匹配，助力柔性制造。同時，將匯聚到 PLC 的數控機床、立體倉庫、制造流水線 等設備的數據通過LTE-U 專有網絡傳輸至大數據平臺，對數據進行挖掘分析，協助企業對工藝、產能、能耗進行優化。

（7）利用LTE-U 專有網絡優勢，在企業廠區試點智能機器人巡檢，部署智能感知系統，實現進出卡口、人流密集區域的車輛、人員的智能監控與識別跟蹤、遠距離目標自動發現等功能，將更多新技術、智能設備廣泛應用于廠區的公共安全與治理。

5 LTE-U專有網絡流程和方案

5.1 業務流程

作業模塊：終端設備、作業計數器、無線終端、無線網絡設備、ERP/MES/HR/WMS/OA 等系統。

作業流程：終端加工設備將作業計件數實時同步給作業計數器，連接無線終端通過無線網絡傳送到ERP/MES/WMS/HR/OA； ERP/MES/WMS/HR/OA 將數據通過無線網絡同步給控制臺看板；員工通過控制臺看板監控生產進度、下發生產任務等。

業務類型：作業進度監控和下發、控制臺遠程控制、即時通信。

5.2 專網方案

網絡方案：使用LTE-U 基站和輕量化核心網組建專用網絡，替代傳統Wi-Fi 網絡，核心網采用主備方案，提升系統健壯性。

終端方案：使用LTE-U CPE 替代Wi-Fi 終端，兩種形態的產品：工業級防護LTE-U CPE，通過以太網連接控制臺看板；融合工業接口的LTE-U CPE，通過RS232 接口連接作業計數器。移動終端、AGV 等直接通過通信模組和專網基站建立連接。

5.3 LTE-U專有網絡拓撲結構

LTE-U 專有網絡結構簡單，部署和實施周期短，實施費用低，在新廠建設尤其老廠改造網絡項目中能夠不影響其他設備設施的運行，為企業改造網絡帶來極大的便捷性，在一些中小企業廠區搬遷等情況下，該套設備復用性高，不需要重復投資，極大降低企業應用成本。專網網絡拓撲如圖6 所示。

6 結語

中小型制造企業在為了獲取更快的網絡連接上，以往最先想到的是提升網絡容量，即增加網速。但這只是基礎的提升，在需要面對千倍的數據挑戰，并盡可能的降低成本上。企業需要使用網絡服務更多的聯網設備，這就需要充分利用更多的頻譜，通過LTE-U專有網絡解決這個問題。

LTE-U 專有網絡的思路可以簡單的理解為充分利用好頻段中未被監管機構正式授權的部分，有效的提高其利用率。提升容量，增加帶寬，提高峰值速度不只是我們所追求的終極目標，更要通過改變企業應用的無線的角色，智能地用無線技術連接萬物，為中小型企業在數字化轉型過程中以及今后的應用中帶來新的服務。