面向工業(yè)場景的5G專網(wǎng)解決方案研究

董石磊，趙婧博

面向工業(yè)場景的5G專網(wǎng)解決方案研究

董石磊，趙婧博

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、廣覆蓋、低時延等優(yōu)點，將人與人之間的通信，拓展到人與物、物與物之間的通信，開啟萬物互聯(lián)時代，但由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計及安全、管理等原因，現(xiàn)有5G 2C網(wǎng)絡(luò)不適用于行業(yè)企業(yè)。因此，各大運營商正傾力打造5G 2B專網(wǎng)。特別地，將5G賦能傳統(tǒng)工業(yè)，可以促進傳統(tǒng)行業(yè)的智慧化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化，有效提升生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量。基于此，在研究5G關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了國內(nèi)某工廠實際工業(yè)場景，探索5G專網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域深度融合的解決方案，從而實現(xiàn)工廠智慧化改造。

5G專網(wǎng)；行業(yè)應(yīng)用；智慧工廠

1 引言

相比于4G，5G在速率、時延、可靠性、安全性和連接數(shù)等關(guān)鍵性能指標(biāo)方面均有很大程度的提升，能夠更好地面向特定行業(yè)實現(xiàn)專網(wǎng)定制，滿足網(wǎng)絡(luò)速率、時延、安全隔離等指標(biāo)的差異化需求，從而驅(qū)動垂直行業(yè)的快速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。但我國現(xiàn)階段的大部分企業(yè)仍處于網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展水平較低的階段，工廠所用外網(wǎng)很大程度上依賴于公網(wǎng)，無法具體到個性化應(yīng)用場景[1]。另外，行業(yè)用戶和公網(wǎng)用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求差異明顯，公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難以服務(wù)于行業(yè)用戶，所以應(yīng)通過專網(wǎng)定制為垂直行業(yè)提供服務(wù)。基于上述背景，本文針對國內(nèi)某工廠這一實際工業(yè)場景，以滿足行業(yè)用戶通信需求為基本原則，同時兼顧個性化、靈活、有彈性的設(shè)計原則，切實為該工廠提供定制化專網(wǎng)部署方案[2]。

表1 國內(nèi)外5G工業(yè)應(yīng)用

2 5G行業(yè)專網(wǎng)部署現(xiàn)狀

5G的應(yīng)用場景豐富多樣，如何推動“5G+行業(yè)”的整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展是5G應(yīng)用關(guān)注的焦點。現(xiàn)階段，雖然我國各企業(yè)應(yīng)用5G實現(xiàn)數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型的積極性很高，但在建設(shè)方面仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。

2.1 5G行業(yè)應(yīng)用解決方案

目前，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案難以滿足企業(yè)日新月異、多種多樣的業(yè)務(wù)生產(chǎn)需求，國內(nèi)外5G專網(wǎng)部署工作蓬勃發(fā)展，正不斷地向各垂直行業(yè)延伸，國內(nèi)外5G賦能行業(yè)專網(wǎng)的部分解決方案[3-4]見表1。

5G正以專屬網(wǎng)絡(luò)的形式廣泛部署在工業(yè)行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用場景，利用5G推動生產(chǎn)要素數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行，根據(jù)用戶對網(wǎng)絡(luò)的差異化需求提供定制網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的必要性愈發(fā)顯著。

2.2 專網(wǎng)部署面臨的困難

為工業(yè)部署5G專網(wǎng)的初衷是彌補當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接方式的不足，即安全性低、覆蓋范圍有限、性能不穩(wěn)定、通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、運維成本較高等問題。部署5G專網(wǎng)勢在必行，但也面臨以下挑戰(zhàn)。

● 復(fù)雜度：將5G賦能于工業(yè)，會導(dǎo)致復(fù)雜化企業(yè)的綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)生產(chǎn)過程的協(xié)同合作，增加整體工業(yè)生產(chǎn)流程的管理難度。

● 經(jīng)濟性：將5G應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之前，需要首先升級裝備設(shè)施和生產(chǎn)線，目前我國很多企業(yè)尚未完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，正處于初期的探索階段，這會導(dǎo)致應(yīng)用5G時投資成本過高，阻礙“5G+行業(yè)”的創(chuàng)新應(yīng)用進程。

● 成熟度：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求主要是安全性、可靠性以及差異化3個方面，需要保證行業(yè)數(shù)據(jù)的安全隔離、業(yè)務(wù)不能出園區(qū)/分域管理，保證可供使用的網(wǎng)絡(luò)資源、根據(jù)不同的業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)，為滿足以上需求需升級改造整體架構(gòu)、終端、應(yīng)用等多方面，這對專網(wǎng)部署來說仍然存在不確定性，亟須開展新的行業(yè)模式探索。

3 5G專網(wǎng)工廠部署方案

5G網(wǎng)絡(luò)憑借高帶寬、低時延、多接入這三大特性，可以為未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)奠定穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)基石。大多數(shù)工業(yè)企業(yè)希望5G專網(wǎng)可以提供較高的安全性和隱私性、可控的時延、業(yè)務(wù)優(yōu)先級的調(diào)整控制能力以及較高的覆蓋和容量，從而確保工廠內(nèi)部的全方位無死角覆蓋[5]。但也不是所有的工業(yè)企業(yè)均需上述5G網(wǎng)絡(luò)的所有特性，5G專網(wǎng)可以根據(jù)不同工業(yè)場景、生產(chǎn)類型等提供定制化的自由度。據(jù)統(tǒng)計，按工業(yè)差異化的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求，70%的工業(yè)場景需求可以由5G網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

3.1 工廠專網(wǎng)部署應(yīng)用場景

當(dāng)前該工廠面臨著網(wǎng)絡(luò)線路復(fù)雜、計算需求不斷增長、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護成本高、信息共享困難以及人員成本高等多個痛點問題，傳統(tǒng)的Wi-Fi不僅存在干擾大的問題，網(wǎng)絡(luò)時延也難以控制，而且有線網(wǎng)絡(luò)線路會導(dǎo)致工廠車間設(shè)備布局受限。此次部署5G+MEC（mobile edge computing）定制專網(wǎng)可以使該工廠從生產(chǎn)制造、智慧物流、智慧園區(qū)、智能研發(fā)、視覺管理等多個方面落地5G應(yīng)用，貫穿業(yè)務(wù)全流程，切實為工廠生產(chǎn)制造做到“去機房化、少人化、數(shù)據(jù)驅(qū)動智能應(yīng)用”。具體來說，主要包括六大典型的應(yīng)用場景，應(yīng)用場景及其網(wǎng)絡(luò)需求如下。

● 應(yīng)用5G+AGV（automated guided vehicle）集群調(diào)度，AGV不掉線、不停擺，可以自動進行生產(chǎn)線物料配送，穩(wěn)定可靠連接，從而避免Wi-Fi不穩(wěn)定導(dǎo)致的業(yè)務(wù)指令丟包及作業(yè)軌跡丟失，提升車間物流效率；該應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)需求需實現(xiàn)4萬平方米并發(fā)50臺以上AGV，并且保證時延在50 ms以內(nèi)。

● 應(yīng)用5G+AGV協(xié)同搬運，多AGV協(xié)同替代高價單AGV，可以大大降低大件的搬運總成本；該應(yīng)用場景的帶寬需包含位置、電機狀態(tài)、運動狀態(tài)、告警等關(guān)鍵信息，并且保證時延在20 ms以內(nèi)。

● 應(yīng)用5G+4K+AI識別，按需部署視頻監(jiān)控節(jié)點，可以節(jié)省施工、維護成本，實現(xiàn)產(chǎn)線全要素智能監(jiān)控；該應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)需求需實現(xiàn)4K高清，單個終端帶寬20 Mbit/s，并且保證時延在100 ms以內(nèi)。

● 應(yīng)用5G+機器視覺，通過機器視覺實時上傳，秒級檢驗，可以有效降低人工專業(yè)性要求，極大地提升產(chǎn)線焊縫檢測效率；該應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)需求需滿足帶寬457 Mbit/s，并且保證時延在350 ms以內(nèi)。

● 應(yīng)用5G+機器視覺+AGV，可以實現(xiàn)生產(chǎn)全流程的自動揀選，替代人工揀選，從而減少人工使用，提升效率；該應(yīng)用場景所需的單個相機帶寬為80 Mbit/s，總約250 Mbit/s，AGV時延在50 ms以內(nèi)。

● 應(yīng)用5G+機器視覺+定位，可以適配各種小件，且動作不會老化，使能堆垛車無人自動上下架，可以實現(xiàn)7×24 h作業(yè)，降低人工成本；該應(yīng)用場景所需的單個相機帶寬為80 Mbit/s，3D相機需500萬像素，時延約3 s。

部署5G全連接工廠架構(gòu)，可以使該工廠實現(xiàn)云網(wǎng)邊端協(xié)同，5G專網(wǎng)部署可以跟蹤工廠從鋼板到自動分解再到機器人選型這一整體流程，有效減少廠區(qū)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)線路的復(fù)雜和維護成本，利用MEC邊緣云（multi-access edge cloud）可以有效降低服務(wù)器的運維成本。

3.2 定制化設(shè)備選型方案

在已知專網(wǎng)部署定制化需求的基礎(chǔ)上，本文首先考慮優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署以確保提供高質(zhì)量可擴展的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。定制化設(shè)備選型需要綜合考慮工廠的各生產(chǎn)要素，需做到全面協(xié)調(diào)配合，打通工廠內(nèi)部的全部產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)鏈。只有從整體系統(tǒng)架構(gòu)、生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈、管理等各方面完成定制化設(shè)備轉(zhuǎn)型，5G網(wǎng)絡(luò)才能以高可靠性、低時延、多鏈接等特性提供高效、便捷的服務(wù)，從而搭建可以滿足工廠生產(chǎn)持續(xù)性創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)平臺體系。該工廠場景部署備選的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能參數(shù)見表2。

工廠為滿足不同的生產(chǎn)、調(diào)度指揮、人員管理等指定需求，需根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不同側(cè)重選擇相匹配的設(shè)備，從而實現(xiàn)從設(shè)計研發(fā)、制造生產(chǎn)、管理運行這一整體流程的智能化、數(shù)字化。該工廠典型的業(yè)務(wù)主要有數(shù)據(jù)采集類、生產(chǎn)操作類、監(jiān)控管理類以及內(nèi)網(wǎng)辦公類。下面根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類別需求，為不同的區(qū)域選擇特定的設(shè)備類型。

數(shù)據(jù)采集類業(yè)務(wù)需要采集工廠各類環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和運營運維數(shù)據(jù)，該類業(yè)務(wù)對設(shè)備的需求為可提供連接量大的業(yè)務(wù)，因此選擇設(shè)備2；生產(chǎn)操作類業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)與生產(chǎn)相關(guān)的操作、控制以及管理反饋等內(nèi)容，需滿足高可靠、低時延、高安全性的技術(shù)要求，因此選擇設(shè)備2和設(shè)備3；監(jiān)控管理類業(yè)務(wù)需要保證生產(chǎn)安全、數(shù)據(jù)獲取權(quán)限管理調(diào)度及業(yè)務(wù)檢測等內(nèi)容，此類業(yè)務(wù)對帶寬的要求較高，因此選擇設(shè)備1和設(shè)備2；內(nèi)網(wǎng)辦公類業(yè)務(wù)需要滿足上網(wǎng)、實時會議以及內(nèi)外網(wǎng)之間的通信等內(nèi)容，同樣地，對帶寬的要求較高，因此選擇設(shè)備1和設(shè)備2。

表2 設(shè)備性能參數(shù)

3.3 5G專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

運營商可以在現(xiàn)有的有線或無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過部署5G資源向工廠提供定制化按需網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，從而解決現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)在實際生產(chǎn)時面臨的局限性。結(jié)合該工廠對隔離性、安全性、QoS（quality of service）的要求，該工廠專網(wǎng)部署可以使用公網(wǎng)頻譜作為其專享載頻，工廠內(nèi)公網(wǎng)與專網(wǎng)可以共享無線側(cè)基站，通過控制網(wǎng)元的特殊化定制，為該工廠按需定制大帶寬、低時延、高安全性的專屬化網(wǎng)絡(luò)[6]。

5G獨立專網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖1所示，公網(wǎng)和專網(wǎng)之間共享核心網(wǎng)控制面，同時核心網(wǎng)用戶面下沉到工廠本地網(wǎng)絡(luò)，從而做到專網(wǎng)獨享，進而保證工廠內(nèi)部生產(chǎn)數(shù)據(jù)僅在內(nèi)部傳輸?shù)男枨蟆Ｍㄟ^本地下沉的UPF（user plane function），工廠無線數(shù)據(jù)流量可以實現(xiàn)分流，公網(wǎng)的流量可以流向公網(wǎng)UPF，工廠內(nèi)部流量可以直接流向?qū)＞W(wǎng)UPF或者MEC承載的應(yīng)用平臺，而信令流量則可以按需選擇，既可以流向公網(wǎng)的核心網(wǎng)，亦可流向?qū)＞W(wǎng)獨立的核心網(wǎng)。該工廠專網(wǎng)用戶可以通過使用定制化DNN（deep neural network）的專網(wǎng)卡，其數(shù)據(jù)流向工廠本地MEC，可以方便地進行網(wǎng)絡(luò)運維，管理可接入的用戶權(quán)限；而其公網(wǎng)用戶可以通過配備公網(wǎng)DNN的公網(wǎng)卡使用公網(wǎng)的業(yè)務(wù)服務(wù)。該專網(wǎng)架構(gòu)可以保證該工廠專網(wǎng)部署強調(diào)提高數(shù)據(jù)安全性的設(shè)計需求，所有數(shù)據(jù)能夠滿足廠區(qū)內(nèi)無線移動且不出廠區(qū)，而且普通公網(wǎng)用戶沒有權(quán)限訪問專網(wǎng)，可以形成獨立的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

圖1 5G獨立專網(wǎng)架構(gòu)示意圖

進一步地，該工廠5G獨立專網(wǎng)架構(gòu)的MEC組網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)配置方面，可以通過劃分平臺基礎(chǔ)運維管理平面和用戶業(yè)務(wù)服務(wù)平面，部署防火墻實現(xiàn)業(yè)務(wù)平面及區(qū)域的隔離及互訪控制。

在成本方面，該工廠公網(wǎng)和專網(wǎng)共享基站，可以極大地降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。其次，將部分公網(wǎng)頻段劃分為專網(wǎng)的獨享頻段，可以避免公網(wǎng)與專網(wǎng)之間的頻率干擾，該專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)可以實現(xiàn)工廠內(nèi)數(shù)據(jù)的本地卸載以及本地化存儲，可以保

圖2 MEC組網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D

證專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。同時，由于MEC和UPF的下沉，也可以提供低時延服務(wù)，從而滿足該工廠的QoS指標(biāo)要求。

4 網(wǎng)絡(luò)性能評估

5G專網(wǎng)的基本設(shè)計要求包括高速率、大帶寬和高容量等，另外還有額外網(wǎng)絡(luò)需求包括低時延、低抖動等高性能需求，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域的一些生產(chǎn)應(yīng)用對報文時延和抖動等性能指標(biāo)有著相對較高的要求。單向的端到端網(wǎng)絡(luò)時延是無線空口處理時延、傳輸路徑時延、傳輸設(shè)備時延、核心網(wǎng)設(shè)備時延、承載網(wǎng)設(shè)備時延的總和，其中傳輸路徑時延、核心網(wǎng)設(shè)備時延以及承載網(wǎng)設(shè)備時延可以通過下沉的UPF和MEC來縮短。端到端網(wǎng)絡(luò)時延主要由設(shè)備部署、信道狀況、負(fù)載數(shù)量等決定，5G專網(wǎng)可以通過MEC分流、空口優(yōu)化等方式提供相對精確的時延保障。為驗證上述專網(wǎng)部署的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，在不同的負(fù)荷程度下，對該廠區(qū)的網(wǎng)絡(luò)時延進行了測試，50%負(fù)荷加載時延比例情況見表3，95%負(fù)荷加載時延比例情況見表4。在無線側(cè)負(fù)荷不超過50%的情況下，終端發(fā)送短包的時延幾乎不受影響，平均時延在13 ms左右，在無線側(cè)負(fù)荷接近滿載的情況下，終端發(fā)送短包平均時延可控制在30 ms以內(nèi)，偶爾會出現(xiàn)丟包和時延相對較大的情況。

為進一步驗證時延性能，對該專網(wǎng)長包時延進行了測試，結(jié)果見表5。在8 h可靠性時延測試情況下，終端發(fā)送1 500包的時延基本穩(wěn)定，與短期測試結(jié)果的差異不大，與短包時延測試結(jié)果相近，個別差異為偶然現(xiàn)象，與該工廠自測Wi-Fi在無干擾情況下的平均性能相當(dāng)，且時延抖動表現(xiàn)更優(yōu)。而且，經(jīng)測試，Wi-Fi在初始干擾或有滿負(fù)荷加載用戶情況下，短期內(nèi)對時延和丟包影響嚴(yán)重，需要較長時間才可實現(xiàn)多用戶的競爭資源情況的穩(wěn)定。

表5 5G長包時延對比

表3 50%負(fù)荷加載時延比例情況

表4 95%負(fù)荷加載時延比例情況

最后，對5G灌包情況進行了測試對比，結(jié)果見表6、表7。短期測試時終端上行速率較高，平均速率可達232 Mbit/s。在持續(xù)灌包可靠性測試時，終端上行平均速率回落到177 Mbit/s，可在99%情況時上行速率保持在150 Mbit/s以上。經(jīng)上述時延和終端速率測試，在無線側(cè)不同等級負(fù)荷情況下，終端發(fā)送長包的時延幾乎不受任何影響，終端平均速率基本可以保持在150 Mbit/s以上，顯著優(yōu)于Wi-Fi城域?qū)＞€測試結(jié)果。

表6 20 min灌包速率統(tǒng)計

表7 6 h連續(xù)灌包速率統(tǒng)計

5 結(jié)束語

5G低時延、高可靠及大帶寬等特點，為新一輪信息通信技術(shù)革命提供了發(fā)展方向，將推動工業(yè)等各垂直行業(yè)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型。目前，5G商用化進程正在蓬勃發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在加速推進，5G與垂直行業(yè)的融合將成為未來社會發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文在總結(jié)當(dāng)前5G行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)某工廠這一實際場景，分析了該工廠對工業(yè)專網(wǎng)的需求，提出了專屬化的5G組網(wǎng)方案，并測試驗證了該方案部署的優(yōu)越性。

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Research on 5G private networking schemes for industry

DONG Shilei, ZHAO Jingbo

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

5G network with large bandwidth, and the advantages of wide coverage, low latency, the interpersonal communication, extended to the communication between the people and things, things and objects, open everything connected age, but as a result of network planning and design and safety, management and other reasons, the existing 5G network does not apply to 2C industry enterprises. Therefore, the major operators are striving to build 5G 2B private network. In particular, enabling 5G to traditional industries can promote the intelligence, digitization and networking of traditional industries, and effectively improve production efficiency and quality. Based on the research of 5G key technology, combined with the actual industrial scene of a domestic factory, the solution of deep integration of 5G private network and traditional industrial manufacturing field was explored, so as to realize the intelligent transformation of the factory.

5G private networking, industry application, smart factory

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021250

董石磊（1980?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為5G行業(yè)應(yīng)用、5G定制網(wǎng)、數(shù)字孿生。

趙婧博（1981?），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為5G定制網(wǎng)、5G行業(yè)應(yīng)用。

2021?07?02；

2021?11?11

董石磊，dongshl@chinatelecom.cn