5G+工業互聯網通信冗余可靠性研究

辛榮寰，程 遠，傅成龍（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

1 導論

工業通信網絡已經歷經了三代變革，從現場總線，發展到工業有線以太網，再到現在的工業無線網絡［1］。中國制造2025 和工業4.0 也明確規劃了工業生產系統向數字化轉型的方向。數字化轉型要求人、產品和機器更加緊密的連接在一起，以實現整個垂直產業鏈的互聯互通，這個概念被稱為工業互聯網［2］。移動通信技術具備高移動性和廣覆蓋范圍的優勢，具有極大潛力應用到工業生產系統中。由3GPP 主導的第5 代移動通信技術（5G）［2］不僅能夠提供更大的傳輸帶寬，將理論峰值數據速率提升到3 Gbit/s（下行）和1.5 Gbit/s（上行），甚至更高［3］，同時針對工業通信場景和物聯網場景進行了優化設計，提升通信系統時延、可靠性等性能，以支持更為先進的工業自動化轉型升級，包括制造自動化和流程自動化。

然而，鑒于工業通信網絡直接服務于工業生產，其對覆蓋范圍、連接能力、可靠性、能耗均有更高性能要求。同時，隨著工業自動化程度的提升，更多的工業通信場景是時間敏感型網絡（Time Sensitive Network，TSN）［4］，在傳輸關鍵性工業控制信號時，要求能做到實時傳輸，實時響應。雖然3GPP 及5G 設備制造商提出了一系列新技術來提升5G 通信的低時延高可靠傳輸。但針對不同的工業應用場景及5G 技術發展階段，廠商應充分利用已有工業有線和無線的相對優勢，將多種技術相結合，來滿足工業通信網絡更高的低時延高可靠傳輸要求。融合多種技術在4G 時代已有所應用，未來更會成為一種趨勢［5］。本文旨在提出幾種基于5G技術的工業通信網絡冗余方案設計，并進行相應的可靠性分析。

2 工業通信網及5G發展現狀

2.1 工業互聯網網絡

AII發布的《工業互聯網網絡連接白皮書》［2］指出，當前的工廠工業網絡往往分為生產運營技術（OT）和經濟信息技術（IT）網絡，二者通過網關實現互聯和安全隔離。工業互聯網要求打破信息孤島，將原來分散部署在各服務器的業務系統，如工業控制系統，集中部署到工廠內的數據中心。從而形成新的核心網絡+分布式網絡的架構（如圖1 所示）。其中，原有的嵌入式工業控制系統應與經濟流程垂直互連，并與其他分布式業務網絡平行并結合。這要求網絡架構具有靈活性和可靠性。同時，工業物聯網設備將在原有的工業控制系統的基礎上大量增加，從100到1 000甚至到10 000。因此，這對網絡連接的連接能力提出了更高的要求。

圖1 工業互聯網工廠內網絡實施參考［2］

2.2 工業有線以太網與TSN

工業有線以太網是基于IEEE802.1 以太網標準發展而來。工業有線以太網的應用層是成熟的現場總線協議，而以下的物理層、數據鏈路層等則遵循IEEE802.1 以太網標準，支持基于IP 的TCP 協議或UDP協議進行數據傳輸［6］。為了滿足工業通信網絡對實時性的要求，IEEE 從2006 年起陸續發布了時間敏感型網絡（TSN）標準（IEEE802.1AS）［7］。TSN工作組制定了關于時序、同步、服務質量（QoS）、轉發和排隊機制以及可靠性的標準，以實現工業作業現場的實時通信。

2.3 5G移動通信

5G 移動通信在延續上一代移動通信網絡的增強移動寬帶（eMBB）特性的基礎上，新增兩大全新特性：大規模機器類型通信（mMTC）和超可靠的低延遲通信（URLLC）［3］。國際電信聯盟指出，5G 的目標性能指標包括高達幾Gbit/s 的數據速率，每平方公里一百萬個節點的廣域覆蓋和深度的室內穿透，端到端時延接近1 ms 以及99.999%的數據包傳輸可靠性［8］。隨著5G技術和產品的不斷成熟，能夠滿足上述目標性能，為工業和制造業的廣泛應用提供低時延高可靠連接。

3GPP 在 已發布的5G Release 15 和Release 16 版本中，提出了一系列的創新技術，來實現5G 與TSN 網絡的融合，服務垂直行業，讓工業生產更柔性化。首先，專門為特定工廠設計的5G專網正在逐步應用于工業企業。5G 基站、接入網甚至將5G 核心網下沉到用戶本地，為工業企業提供更為專注的傳輸網絡，在時延和可靠性上均有所保障。其次，多點協作傳輸（CoMP）技術在5G RAN 中進一步深化［9］，可協調多個5G 傳輸點為一個終端傳輸數據或聯合接收一個終端的數據。CoMP 的技術實質是空間分集，充分利用相鄰小區的傳輸點為同一終端提供通信服務。CoMP 可以有效提高5G 的傳輸能力和提升5G 傳輸的可靠性。為了發揮5G 專網的最大效益，業內正在研究將2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 的未授權頻譜也納入到5G 網絡中來，即5G NR-U［10］。5G NR-U將運營商的NR授權頻譜作為錨點來“聚合”非授權頻段，以利用未授權頻譜資源增強5G專網網絡容量和性能。

3 5G與工業以太網融合及網絡冗余

應用5G 專網技術、CoMP 空間分集技術和5G NR-U 等先進技術，可以適應不同工業通信應用場景，有效地提高5G 傳輸能力以及5G 通信的可靠性，實現5G與工業以太網的融合。CoMP空間分集技術的應用使得終端設備與核心網絡建立起雙路或多路5G連接。同時，基于IEEE802.1 標準發展而來的工業有線以太網已經過多年演化，其TSN 網絡標準已經能較好地支持工業實時通信。因此，當技術提供方引入以5G為基礎的工業通信網絡時，應充分利用5G無線網絡和有線網絡的相對優勢，形成優勢互補，打造一張先進的工業通信網絡。

本文提出幾種以5G 通信為基礎的冗余網絡連接方案，并進行可靠性分析。網絡冗余技術指的是對網絡通信鏈路進行備份以確保網絡的可靠性［11］，當通信鏈路出現故障而不能正常工作時，備用鏈路代替主用鏈路繼續完成相同的功能，從而減少損失［12］。網絡連接的冗余技術是提高工業通信網絡可靠性的普遍解決方案之一。

3.1 雙路5G冗余主從網絡連接

5G網絡中的CoMP空間分集技術和網絡功能虛擬化功能使得終端設備能夠與核心網絡建立起雙路甚至多路5G網絡連接［13］。雙路5G網絡連接可以分別接入不同小區或者不同頻率的5G 無線網絡，雙路5G 鏈路相互隔離，各自進行數據傳輸。整體網絡連接場景如圖2 所示。同一個5G 終端設備接入不同的5G RAN基站，傳輸信號最終在核心網匯聚。安裝于邊緣控制側的無線網關設備可以根據算法定義主連接網絡和從連接網絡［14］。主連接網絡在2個節點之間傳輸數據幀的同時，可以自發地傳輸診斷幀。接收節點按照診斷算法對診斷幀的接收情況進行解析。當主連接網絡發生網絡阻塞或數據信號丟失等情況時，診斷算法判定Fault，無線網關設備可以動態切換到從連接網絡。但是，網絡切換常常需要一定的處理時間。

圖2 雙路5G冗余網絡連接

這種方案充分利用了5G 的新技術特性。雙路5G網絡連接僅需通過軟件實現，無需額外的物理硬件成本，在經濟性上有一定優勢。然而，因為雙路5G 網絡連接僅通過軟件隔離，無線信號發射和接收等物理設備的故障仍可能造成工業通信網絡的失效。

3.2 雙路5G冗余并行網絡連接

與3.1 中描述的相同，5G 網絡中的網絡虛擬化功能建立起雙路相互隔離的5G 網絡連接。采用雙路5G冗余并行網絡連接方案時，2 路5G 鏈路同時同步在2個節點間傳輸數據幀。為了能夠區分2 路5G 鏈路，數據幀在發送前可以添加相同的序列號和不同的標識［14］。接收節點根據忽略算法對接收到的數據幀的序列號和標識進行分析，優先接收到的具有相同序列號的數據幀會被轉發到上一層，而后接收到的數據幀會被忽略。該方案無需增加物理接入設備，僅通過軟件實現雙路連接，節省了硬件成本。盡管雙路5G冗余網絡連接仍受制于物理設備的故障，雙路5G冗余并行網絡連接能夠在一路5G 網絡連接發生故障后實現無時延切換。但是，并行網絡連接使每1 組數據報文需經過2次傳輸，這意味著雙倍的網絡流量在5G RAN中傳輸。雙倍的網絡流量對帶寬的需求有所提升，在傳輸成本上有所增加。因此，并行冗余方案并不適合視頻等大帶寬業務傳輸的可靠性保障，更適合傳輸工業控制信號等工業通信場景。

3.3 5G+工業以太網冗余主從網絡連接

5G+工業以太網方案將5G 網絡連接與現有的工業以太網連接有機結合，充分利用2 種技術的比較優勢，提高了網絡連接的可靠性。5G 的低時延高可靠特性能夠完全滿足工業控制的時間關鍵數據的傳輸需要，并且具有高移動性和靈活性。工業以太網的有線連接受到生產現場復雜環境影響相對較小，但生產設備必須固定或部署長線纜，缺乏靈活性。工廠可以根據實際需要選擇5G 無線網絡或者工業有線以太網作為主連接網絡，另一路網絡作為備用連接網絡。對原有具備工業以太網通信能力的設備進行改造時，通常選用5G網絡作為備用連接網絡，以最大程度避免對實際生產產生干擾。在部署新的大型工業設備時，5G 網絡通常被推薦作為主連接網絡。目前，一些廠商生產的大型工業設備已經直接集成了5G接入能力，可以利用5G無線通信優勢，進行應用擴展部署。

工業控制終端通過交換機與無線網關設備和工業以太網網關設備相連接。5G 網絡發生網絡阻塞或數據丟失等情況時，交換機可以動態切換到工業以太網進行數據傳輸，從而保證可靠性。其冗余連接的場景如圖3所示，終端設備同時具備接入5G RAN和工業以太網通信的能力，工業以太網和5G 核心網互通，并通過核心網與工業企業服務器交互。

圖3 5G+工業以太網冗余網絡連接

3.4 5G+工業以太網冗余并行網絡連接

同樣，5G+工業以太網冗余并行網絡連接實現了2個節點間采用5G 通信和工業以太網并行傳輸數據幀的高可靠網絡連接場景。此類冗余連接方式可以降低單一網絡連接對工業控制數據傳輸效率影響，并在故障發生后實現無時延切換。然而，不可忽略的是2種完全不同的網絡連接技術在時延和傳輸速率上存在差異，這可能會導致接收節點接收到的數據幀產生混淆。IEC SC65 委員會制定的IEC 62439 標準提出了并行冗余協議（PRP），設計了并行冗余網絡的機制和算法［15］。根據PRP 協議的設計，接收節點側常常需要配置匯聚網關對數據幀進行篩選和忽略，該匯聚網關需要具備較強算力和處理速率，以保證數據的高效分發。另外，與雙路5G 冗余并行網絡連接場景相似，并行場景意味著雙倍的網絡流量，傳輸成本將有所增加，同時匯聚網關處理壓力將會加大［16］。因此，數據量較小的傳輸信號（譬如工業控制信號）適用于冗余并行網絡連接，其對網絡帶寬造成的影響較小。

4 可靠性分析比較

對第3 章中描述的幾種方法在各種基于5G 的工業通信網絡的冗余連接場景表現進行了定性比較。各種網絡連接和冗余技術的性能和可靠性比較如表1所示。各種冗余技術在性能表現上各有差異，但是故障恢復時間是衡量冗余技術的關鍵指標［7］。

表1 各種網絡連接和冗余技術的性能和可靠性比較

表1的比較內容可以為實際生產中的網絡部署提供參考，不同的網絡冗余組網方案各有優缺點，需要結合工業應用場景的現狀及實際建設需求，進行合理選擇。冗余網絡連接的部署成本高于單路網絡連接，但在大部分時延敏感及高可靠性要求的工業通信網絡應用場景下是必要的［7］。隨著雙路5G 網絡連接技術的成熟，其虛擬化網絡連接的形式能夠顯著降低部署的物理硬件成本，僅通過軟件來實現網絡冗余功能，在成本、部署、運維等方面的優勢，有助于推動5G技術在工業通信網絡中全面應用推廣。網絡服務提供商和工業企業需要根據生產的實際需求，選擇合適的網絡實施形式，在最大程度保障可靠性的基礎上，避免網絡資源的浪費。

5 結語

工業通信網絡是一類專業性強、實時傳輸要求高的時間敏感型網絡，對時延和可靠性的要求較高。5G通信以其移動性強、技術先進的優勢，正在被廣泛應用于建設工業通信網絡。建設以5G 為主的工業通信網絡時，應充分考慮網絡的可靠性要求，建立起雙路甚至多路的5G+5G 或5G+工業以太網的網絡冗余方案。

不論是5G還是工業以太網，冗余網絡連接場景的可靠性優于單一網絡連接場景。5G+工業以太網的冗余網絡方案適用于已有大型工業設備的改造場景，但是其網絡部署成本較高。雙路5G 通信的冗余網絡方案可以基于同一套物理硬件設備利用軟件方式建立并隔離雙路5G通信，具備經濟性優勢。冗余主從網絡方案能夠在主連接網絡故障時實現快速切換，其故障恢復速度明顯優于單一網絡連接，同時對業務帶寬不敏感，因此，比較適合視頻傳輸等大帶寬業務傳輸場景。相比之下，不論是雙路5G 冗余并行網絡和5G+工業以太網冗余并行網絡，冗余并行網絡流量相比于實際業務數據量成倍增加，在傳輸成本上有所增加。因此，建議數據量不大但是可靠性要求較高的業務（譬如工業控制信號）使用冗余并行網絡連接方案。

不同的網絡冗余方案在性能、可靠性、建設成本和傳輸成本上存在差異，需要根據不同應用場景的實際需求，選擇合適的方案，以實現效益最大化。