5G新技術(shù)在工業(yè)制造的應(yīng)用場景分析及探索實踐

辛 冰

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

5G作為新一代移動通信技術(shù)，憑借高帶寬、低時延、廣聯(lián)接特性，正好契合了制造企業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是5G和行業(yè)融合應(yīng)用的關(guān)鍵方向，通過5G技術(shù)實現(xiàn)對工業(yè)制造中人、機、物、法、環(huán)等生產(chǎn)要素等的全面聯(lián)接，加速工業(yè)制造行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級進程，打造基于5G的全連接智能工廠。

從標(biāo)準(zhǔn)進展來看，3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)對于R15 eMBB進一步增強，尤其針對垂直行業(yè)進行功能增強，包括eLCS、5G LAN、uRLLC、TSN、NPN等[1]，其中eLCS和5G LAN作為使能5G和工業(yè)制造等行業(yè)應(yīng)用深入融合，打造智能制造工廠的關(guān)鍵技術(shù)，受到了廣泛關(guān)注及應(yīng)用探索[2][3]。

（1）eLCS（enhanced Location Service)。研究基于 5G 服務(wù)化架構(gòu)的定位能力開放、用戶定位感知及隱私保護，為垂直行業(yè)客戶提供商業(yè)定位服務(wù)；

（2）5G LAN（5G Local Area Network）。在移動網(wǎng)絡(luò)中引入終端群組管理的概念，支持群組內(nèi)終端直接通信。

1 工業(yè)制造場景中5G專網(wǎng)需求以及應(yīng)用挑戰(zhàn)分析

1.1 多張煙囪式網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成本高，管理維護復(fù)雜，需要5G具備一網(wǎng)多用能力

（1）在傳統(tǒng)模式下，企業(yè)新建一個制造園區(qū)通常要建設(shè)多張物理網(wǎng)絡(luò)，如生產(chǎn)線的有線局域網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，辦公的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，一些辦公設(shè)備打印機、打卡機等有線連接網(wǎng)絡(luò)等，基本是煙囪式建網(wǎng)，建設(shè)成本高，管理維護復(fù)雜。

（2）傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備大量使用二層以太網(wǎng)協(xié)議，當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)不支持二層通信，需在端側(cè)和端側(cè)、端側(cè)和服務(wù)側(cè)部署AR路由器實現(xiàn)層二到層三轉(zhuǎn)換，并需要運營商通過配置打通隧道，才能實現(xiàn)設(shè)備點對點二層通信，難以滿足設(shè)備規(guī)模連接。

1.2 室內(nèi)定位技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但是當(dāng)前各種定位技術(shù)均存在局限

（1）超寬帶（UWB）技術(shù)。目前最為成熟的室內(nèi)定位技術(shù)，其特點包括數(shù)據(jù)帶寬大、定位精度高（亞米級，0.1～0.5m）、安全抗干擾等，但其建設(shè)成本較高，難以實現(xiàn)大范圍室內(nèi)覆蓋。

（2）Wi-Fi定位技術(shù)。用戶使用智能終端開啟Wi-Fi即可成為數(shù)據(jù)源，因便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低最先實現(xiàn)規(guī)模化。但精度只有2米左右，無法應(yīng)用于更加精準(zhǔn)場景。

（3）藍牙定位技術(shù)。一類為成熟的iBeacon方案，定位精度在2～3米；另一類為新興的AoA方案，可以達到亞米級。藍牙技術(shù)易于普及，且功耗和成本較低，但傳輸距離有限，定位精度與部署的藍牙信標(biāo)數(shù)量相關(guān)。

（4）RFID技術(shù)。即射頻識別技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率較高、安全性好，且不受非視線通信問題困擾。但需要在定位區(qū)域部署大量的RFID設(shè)備，且需要定位人員手持RFID標(biāo)簽，其不具有通信能力，抗干擾能力較差，在室內(nèi)定位領(lǐng)域沒有大規(guī)模商業(yè)推廣。

2 eLCS（5G室內(nèi)定位）技術(shù)進展及工業(yè)制造應(yīng)用場景分析

5G定位遵從3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，3GPP R16開始引入定位能力，并持續(xù)增強，提升定位精度及性能，滿足更多行業(yè)應(yīng)用。5G室內(nèi)定位采用UTDOA定位、指紋定位和場強三角定位算法結(jié)合，綜合解算得到用戶位置。

2.1 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)

5G定位采用3GPP全球統(tǒng)一定位標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)模經(jīng)濟的基礎(chǔ)。3GPP的R16 5G定位標(biāo)準(zhǔn)首次定義面向商業(yè)場景并細化到室內(nèi)室外，并逐步引入垂直行業(yè)場景，是5G賦能千行百業(yè)的關(guān)鍵能力。

2.2 部署成本低

通信網(wǎng)和定位網(wǎng)可以合二為一，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，分攤部分成本，低成本是其最大優(yōu)勢。終端側(cè)基于5G的無線定位技術(shù)通過基站就能定位移動設(shè)備，現(xiàn)有的移動設(shè)備無須改裝就能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行定位；對于基站側(cè)，基于5G的無線定位技術(shù)可以直接使用已經(jīng)部署的5G基站設(shè)備，減少部署和運維成本。

2.3 定位能力強

定位精度從R16開始可以達到米級，未來將逐步走向亞米級，使能更多行業(yè)場景；定位速度從R16可以達到1秒的定位傳輸時延，未來的目標(biāo)是0.1秒甚至更快的定位時延；連接密度可依托5G大連接的基礎(chǔ)能力，保障5G定位終端的高密接入需求。

2.4 適用性廣

5G定位不僅能夠應(yīng)用在室外場景，也可以使用在室內(nèi)場景，做到室內(nèi)室外定位連續(xù)，通信和定位一體化。

2.5 抗干擾能力強

采用運營商授權(quán)頻譜，不會被其他無線系統(tǒng)干擾。

2.6 共享5G產(chǎn)業(yè)生態(tài)

5G的產(chǎn)業(yè)生態(tài)是全球性的最大規(guī)模的通信產(chǎn)業(yè)，5G定位可以完全復(fù)用并借助5G產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加速5G定位產(chǎn)業(yè)的落地。

3 5G LAN技術(shù)進展及工業(yè)制造應(yīng)用場景分析

5G LAN為3GPP R16新引入功能，基于5G終端連接能力和5G基本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供私有移動LAN服務(wù)，允許指定的終端組基于Ethernet或IP進行P2P通信，滿足工業(yè)制造、電力、車聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)辦公等行業(yè)業(yè)務(wù)需求。5G LAN 技術(shù)首次在移動網(wǎng)絡(luò)中引入終端組管理的概念，支持組內(nèi)終端直接通信。該技術(shù)共有以下三個特征。

3.1 動態(tài)群組管理

UDM 維護一個組內(nèi)終端的所有簽約信息；行業(yè)客戶可通過能力開放接口，將一個終端從群組內(nèi)動態(tài)地加入或刪除。

3.2 終端靜態(tài)地址

5G 網(wǎng)絡(luò)根據(jù) UDM 配置，在創(chuàng)建 5G LAN 會話時為 5G 行業(yè)終端分配指定靜態(tài) IP 地址；行業(yè)客戶可通過能力開放接口配置群組內(nèi)靜態(tài) IP 地址段。

3.3 用戶面直接通信

一個組內(nèi)終端相互發(fā)送的數(shù)據(jù)，可經(jīng)過 UPF 進行直接轉(zhuǎn)發(fā)，多個 UPF之間可構(gòu)建直連隧道，保障直接通信；UPF 具備直接轉(zhuǎn)發(fā)功能，縮短數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

4 測試方案及測試情況

4.1 eLCS（5G室內(nèi)定位）測試方案及測試情況

結(jié)合當(dāng)前5G室內(nèi)定位精度，本次選擇的測試場景為生產(chǎn)設(shè)備的定位（精度要求：3米@90%），將設(shè)備位置信息映射到工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)，提供設(shè)備可視化監(jiān)控。

本次測試方案基于5G網(wǎng)絡(luò)提供定位服務(wù)，MEC部署eLCS服務(wù)，通過APIGW開放定位能力，實現(xiàn)邊緣eLCS定位服務(wù)，定位引擎通過調(diào)用定位服務(wù)器API獲取定位信息，如圖1所示。

圖1 eLCS（5G室內(nèi)定位）測試方案

eLCS定位方案需要無線側(cè)、核心網(wǎng)、5G終端、定位引擎配套。

（1）無線。支持標(biāo)準(zhǔn)3GPP UTDOA定位協(xié)議流程以及UTDOA定位解算核心算法和可執(zhí)行庫。

（2）核心網(wǎng)。基于3GPP定義LCS架構(gòu)及流程實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)定位，eLCS服務(wù)通過在APIGW上注冊對外開放5G網(wǎng)絡(luò)位置定位API。

（3）5G終端。集成5G模組的終端設(shè)備，如中微普業(yè)T511。

（4）定位引擎（APP）：提供引擎管理、地圖管理、標(biāo)簽管理、圍欄及告警管理、日志管理、實時定位、歷史軌跡、系統(tǒng)設(shè)置等基本功能，通過調(diào)用eLCS服務(wù)器提供的API獲取定位信息，并和工廠M2M系統(tǒng)對接測試結(jié)果并進行評估：在測試小區(qū)選擇10個LOS點位進行測試，定位精度滿足工廠對3m@90%的測試要求。可以應(yīng)用在生產(chǎn)設(shè)備定位跟蹤、園區(qū)物流等場景，后續(xù)隨著精度的進一步提升，可以應(yīng)用到物料和人員定位等場景，實現(xiàn)電子圍欄，物料可視化跟蹤等。

4.2 5G LAN測試方案及測試情況

5G LAN提供原生二層組網(wǎng)能力，結(jié)合工廠的應(yīng)用場景和訴求，確定測試范圍：①設(shè)備和設(shè)備之間二層互訪，通信方式為廣播、單播；②設(shè)備和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的控制服務(wù)器之間可實現(xiàn)二層通信（通過N6接口VxLAN隧道）；③5G LAN組管理，組間隔離；測試方案如圖2所示。

圖2 5G LAN測試組網(wǎng)方案

5G LAN組內(nèi)全互連實現(xiàn)二層通信，需要核心網(wǎng)、無線、5G CPE、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)等配套。

（1）無線。基站配置使能以太會話。

（2）核心網(wǎng)。控制面簽約以太會話和簽約5GLAN組；用戶面提供5G LAN單播/廣播功能，配置和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)VxLAN隧道。

（3）5G LAN CPE。配置5G LAN DNN和以太會話。

（4）企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。企業(yè)入口交換機配置和核心網(wǎng)用戶面間VXLAN隧道；企業(yè)內(nèi)網(wǎng)提供DHCP Server，給終端設(shè)備分配IP地址。

（5）測試結(jié)果及評估。測試場景包括5G LAN CPE以太網(wǎng)會話建立及釋放、5G LAN CPE下掛終端動態(tài)獲取IP地址、5G LAN CPE下掛終端與企業(yè)服務(wù)器二層互通、5G LAN不同CPE下掛終端間二層互通、5G LAN CPE下掛終端與APP間時延、5G LAN 不同CPE下掛終端間的時延等基本用例。測試結(jié)果符合預(yù)期，5G LAN可以滿足工廠局域交換場景設(shè)備二層互通、組管理及組隔離、設(shè)備和服務(wù)器二層互通等需求。

5 應(yīng)用展望

通過本次項目需求分析、技術(shù)論證和實際應(yīng)用測試可知，基于5G網(wǎng)絡(luò)提供室內(nèi)定位服務(wù)，一網(wǎng)多用，為工廠提供組網(wǎng)簡化、低成本方案。5G LAN技術(shù)可利用5G網(wǎng)絡(luò)代替當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的局域網(wǎng)，解決在當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中線纜移動性限制，光纖鋪設(shè)成本高的問題，顯著降低5G進入工業(yè)領(lǐng)域的組網(wǎng)復(fù)雜性，完全兼容原有產(chǎn)線應(yīng)用，必將加快5G進入生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)進程。■