面向5G確定性網絡的工業互聯網無線優化技術探討

劉海林 卞政豪

1.中通服咨詢設計研究院有限公司；2.中國電信股份有限公司蘇州分公司

本文通過分析5G確定性網絡的工業互聯網面臨的新需求和新挑戰，研究了5G工業互聯網業務特點、5G確定性網絡架構以及新技術在5G確定性網絡中的應用部署，總結出5G工業互聯網無線需要解決的問題，從滿足5G三大應用場景角度進行策略研究，便于有效提升無線網絡承載質量。

1 5G工業互聯網發展狀況

隨著數字技術的發展，5G+工業互聯網是今后的發展趨勢和世界各國之間的核心競爭方向，已經在全球引起了非常高的重視。

5G是新一代的無線寬頻通信網絡，它是基于5G無線網絡的全新架構，新的無線技術，全頻譜的接入。像大規模天線技術這樣的核心技術，其峰值速率是4G峰值速率的十倍，傳送延遲是毫秒級的，連接能力是千億級的，是萬物互聯、人機深度交互的新紀元。5G是新一代的移動通訊技術，它不但能夠給人們提供更好的網絡環境體驗，而且也會成為智能制造、醫療、政務等領域以及智能都市和自動無人駕駛等重要支持技術。

工業互聯網絡是由新一代的信息數字科技與工業體系緊密結合而成的一種產業及應用生態。通過信息化等技術方法促進了企業的生產效率和資源的優化，從而實現了產業結構的重組，產業網絡將會產生很大的經濟效益。

基于工業和信息通信的綜合實力，美國政府制定了“先進制造伙伴計劃”和“國家制造創新網絡計劃”項目；德國政府以機械、電子、自動控制為基礎，實施“工業4.0”全國規劃；法國政府相繼提出了“新工業法國”和“新工業法國Ⅱ”計劃，從整體上對數字制造、智能制造以及由生產設備轉變所驅動的業務方式進行了規劃。

資料表明，中國已經建設了世界上最大的5G通信網絡，為5G技術的創新發展奠定了良好的基礎，如在工業、醫療、教育等方面。而在許多產業中，如運輸等方面都有了賦能作用，并形成了若干具有一定的商業化價值的典型應用，涵蓋了全國97大類國民經濟中的40個。

當前，5G+工業互聯網的發展已從政府主導轉變為市場的內在驅動。但是，在5G產業的實施過程中，由于缺乏對5G技術的把握，使得5G市場的服務質量下降，從而使市場的需求受到限制。本文旨在通過建立5G確定性網絡體系結構，闡明其核心技術含義，從而達到5G確定性網絡3大特性（差異化網絡、專屬網絡、自助網絡）。本文基于3GPP技術的核心技術，對提高網絡的確定性性能進行了研究，并對提高系統的穩定性和安全性進行了研究。

2 5G確定性性能應用于工業互聯網

2.1 5G工業互聯網業務特征

5G具有容量大、速率快、延時低、高速移動性能好等特點。5G網絡可以實現對每平方公里超百萬臺設備的網絡接入，為實現萬物互聯奠定了基礎。5G通信網絡的最高傳輸速度為10Gb/s，能夠很好地適應企業用戶的數據采集和傳輸需求。5G的系統可以實現不到1ms的延遲，以及5～10ms的標準端到端延遲，支持局部的工業應用。

5G技術在工業網絡中的運用已成為未來的發展方向，在5G技術的支撐下，產業網絡得以快速發展。目前，4G技術已不能完全適應產業網絡對通訊技術的需求，5G的特點可以適應不同的連接方式、不同的性能要求、不同的通信要求以及不同的行業環境下的高速率的數據收集。遠程控制、數據傳輸穩定可靠、業務連續性等需求，為將來的產業互聯網實現數字化、網絡化和智能化提供了有力的支撐。而5G技術則是支撐產業發展的途徑，5G與產業網絡的深入融合，將會推動產業網絡的進一步發展。而工業網絡作為5G技術在今后發展中的一個主要的應用領域，其在工業網絡中的運用將會更加充分的發揮5G的作用。

2.2 5G面向工業網絡3種建設的模式

（1）單純的專網模式。此模式的優點在于，公司的資料可以完全的自主化，不會與外部世界產生任何聯系，并且具有最大的安全性，然而，目前中國并沒有專門的授權5G頻段。

（2）企業自建核心網，基站與公共共享模式。在這樣的網絡模式中，終端的登記、注冊以及數據流都是在企業內部網絡進行。目前，設備廠家及運營商在鋼鐵、礦山、碼頭等完成的5G核心網就是這種模式的典型案例。

(3)核心網用戶面功能（UPF）下沉模式。這也是現在90%以上的工業企業都采用的建網模式，也就是說核心網和基站都是與運營商共用的。共用時，企業在終端注冊登記時要到公共網絡去，但是它的數據流不會到公共網絡去，而是在企業內部網絡。這種模式也是當前業內主要采用的以電信運營商為基礎的網絡架構。

目前5G+工業互聯網已經從局部的單點特色業務逐步轉變為集成化、系統化的發展方向。5G自身就是一種能夠支持多種服務的網絡，比如在5G基礎上進行生產、倉庫和物流等。但是5G并不只是一個網絡，要實現其真正的應用，必須與運營商、工業方案供應商、工業現場的自動化設備供應商等共同努力。充分利用5G技術的優點，讓5G技術為工業生產提供有效的支持，進而推動中國的制造業實現轉型和提升。

3 5G確定性網絡架構

從當前已有的網絡能力來看，5G網絡切片構建了對于SLA（服務品質協議）保障的基礎框架。包含了從需求輸入到切片部署的管理動作，并能協同網絡各域，拉通實現端到端網絡切片，同時具備SLA指標可視。在各網絡領域，則采用URLLC、MEC、TSN集成等技術以提升確定性能力，上述多種方法，可以為行業業務提供基礎的SLA保障。

針對上述產業矛盾以及技術不足，3GPP 5G需要集成各類確定性技術，構筑確定性網絡架構，該架構需要能端到端全流程保障SLA可保障可承諾。該架構應能支撐確定性網絡的獨立部署，不依賴于外在的確定性網絡環境。同時該架構包含各網絡域的確定性技術，并能通過協同調度，提升系統整體確定性能力，真正支撐SLA/KPI可承諾可保障[1]。

從端到端保障SLA/KPI功能來看，確定性網絡功能大致分為如下3個部分，并形成閉環優化，如圖1所示。

圖1 確定性網絡主要功能Fig.1 Main functions of deterministic network

基于當前5G架構，結合無線接入網、核心網、傳輸網現有技術，確定性網絡架構可以劃分為確定性服務管理、確定性網絡能力調度與控制中心、保障與度量3個層面，如圖2所示。

圖2 確定性網絡架構簡圖Fig.2 Deterministic network architecture diagram

4 5G工業互聯網無線網絡優化關注點

5G工業互聯網為定制網涉及無線、承載、5G核心網、云以及客戶內網等多個網段。工業定制網的端到端帶寬、時延、抖動、丟包率等SLA指標，及安全、可靠性等能力由上述不同網段、不同模式的性能共同決定。需將這些因素量化，指出多個因素之間的關聯關系，并從業務的角度對應5G工業定制網的能力。

工業定制網要求與技術手段有以下6種對應關系：（1）上行大帶寬的要求，技術手段為雙連接、上行載波聚合、專屬上行、超級上行等；（2）低時延、高可靠的要求，技術手段為邊緣計算、UPF下沉、時隙聚合等；（3）高可用、系統零中斷技術手段為主備模式，包括用戶接入號卡、接入專線、單板級備份AI、網絡節點級備份A2以及網絡級備份A3等；（4）隔離和安全：PRB硬切片、PRB預留、網絡切片、核心網定制、網絡安全機制等技術手段；（5）高精度定位，利用融合定位技術等；（6）移動性的指標要求，技術手段為專用頻段、免調度接入、專用小區接入控制等[2]。

5 低時延高可靠確定性案例優化分析

5.1 典型場景

低時延高可靠場景涉及到的業務種類繁多，如機器控制、遠程操作、自動化生產流程控制等，傳輸的時延直接影響生產作業的安全和效率，且傳輸超時的數據包被設備視為異常，實際生產中低時延、低抖動、高可靠的需求往往相生相伴。

5.2 技術優化手段

針對5G端到端（主要是空口）的時延優化和可靠性保障：

通過為指定業務分配獨立GBR類型5QI，保障業務調度優先級以及最小速率；

通過開啟5QI級別的上行預調度（更短的SR周期、關閉DRX功能）等功能參數，節約空口調度時間來降低時延；

通過調整5QI級別的目標IBLER參數來減少空口重傳概率，提升可靠性；

通過引入切片級的RB預留功能，提升空口擁塞時的可靠性保障；

根據3GPP協議里的URLLC的技術演進，未來引入更大的子載波間隔、Mini-slot調度、上行免調度、更保守的CQI/MCS表格、PDCP冗余復制等技術，可進一步優化時延和可靠性。

針對5G承載時延優化和可靠性保障：承載的平均時延一般由設備跳數和光纖長度決定，理論上1000km的光纖線路產生的信號傳播時延平均為5ms。

在5G網絡部署層面，將5G的用戶面UPF/MEC 下沉到本地網電信機房或企業園區/機房，縮短5G承載網的通信距離和中間傳輸節點跳數，降低端到端網絡時延。

通過FlexE硬切片隔離不同企業的業務，確保企業業務不受2C等業務擁塞的影響，確保時延的可靠性。

5.3 5G業務端到端時延等級分類（如表1所示）

表1 5G 業務端到端時延等級分類Tab.1 End to end delay level classification of 5G service

5G承載網時延是指5G承載設備轉發時延、5G核心網到客戶內網的5G專線所涉及的光纖線路時延。縮短承載網時延可以將UPF下沉到本地網電信機房（比鄰模式）。設置承載網軟切片獨立VLAN的DSCP或硬切片FlexE，可以調整承載網調度優先級、提高資源預留可靠性。

5G無線側縮短時延可以引入時延敏感型GBR 5QI、配置上行預調度和目標IBLER。進一步的可采用更大的子載波間隔、Mini-slot調度、上行免調度，設置更保守的CQI/MCS 表格、PDCP冗余復制等配置。

6 結語

本文通過分析5G確定性網絡的工業互聯網面臨的新需求和新挑戰，研究了5G工業互聯網業務特點、5G確定性網絡架構以及新技術在5G確定性網絡中的應用部署，總結出5G工業互聯網無線需要解決的問題，從而滿足在5G三大應用場景角度中進行的策略研究，便于有效提升無線網絡承載質量。

引用

[1]汪碩,王佳森,蔡磊,等.面向工業制造的確定性網絡技術發展研究[J].中國工程科學,2021,23(2):22-29.

[2]王強,劉海林,黃杰,等.5G無線網絡優化[M].北京:人民郵電出版社,2020.