5G/5G-A確定性技術(shù)體系賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

摘 要

5G網(wǎng)絡(luò)的超低時(shí)延、超低抖動(dòng)和超高可靠的確定性傳輸機(jī)制，及其無需布線、靈活部署和移動(dòng)性等優(yōu)勢，在以智能工廠為代表的行業(yè)應(yīng)用中有著廣泛應(yīng)用前景，工業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目成熟度不斷提升，但是在生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)的應(yīng)用尚面臨簡化組網(wǎng)、可靠通信、安全隔離和服務(wù)增強(qiáng)等挑戰(zhàn)。分析了5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)場網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)，從時(shí)延確定性、時(shí)空確定性、可靠確定性、業(yè)務(wù)確定性、安全確定性和系統(tǒng)確定性等6個(gè)方面全面闡述了5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)確定性保障體系，并介紹了其在某智能工廠中的初步實(shí)踐成果。

引 言

5G技術(shù)具有高可靠、低時(shí)延、大連接等突出特性，可以解決工業(yè)場景中移動(dòng)性差、組網(wǎng)不靈活、特殊環(huán)境敷設(shè)困難等問題。5G網(wǎng)絡(luò)突破了原有工業(yè)無線技術(shù)在可靠性、連接密度、傳輸能力以及安全性等方面的局限，能夠有效滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、泛在連接、實(shí)時(shí)分析和遠(yuǎn)程控制等工業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)能力需求，滿足了部分制造環(huán)節(jié)中的操作空間集中化、操作崗位機(jī)器化、運(yùn)維輔助遠(yuǎn)程化等數(shù)字化管理要求，解決了現(xiàn)階段工業(yè)制造領(lǐng)域的部分痛點(diǎn)［1］。因此，通信運(yùn)營商、生產(chǎn)企業(yè)和裝備制造企業(yè)都非常重視“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，并且開展了深度試點(diǎn)［2-6］。從中國5G應(yīng)用征集大賽2018年—2022年的參賽項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)可以看出（見圖1），工業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目成熟度不斷提升，2022年實(shí)現(xiàn)應(yīng)用示范、商業(yè)落地（含可復(fù)制）的項(xiàng)目比例提升至近90%；且已有超過10%的項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)“解決方案可復(fù)制”，并在不同企業(yè)成功落地。但是在生產(chǎn)核心 — —現(xiàn)場網(wǎng)領(lǐng)域，運(yùn)營商通信網(wǎng)絡(luò)尚處于應(yīng)用探索階段。因此，本文將首先分析5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。其次，從時(shí)延、時(shí)空、可靠、業(yè)務(wù)、安全和系統(tǒng)6個(gè)方面闡述5G-A工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性能力體系及其對工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的賦能；并介紹了5G-A確定性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際工廠現(xiàn)場網(wǎng)中的應(yīng)用。最后對5G-A工業(yè)聯(lián)網(wǎng)確定性技術(shù)進(jìn)行了展望。

圖1 2018年—2022年“綻放杯”大賽中工業(yè)

領(lǐng)域項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

0 1

5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用挑戰(zhàn)

2022年9月，工業(yè)和信息化部提出了5G全連接工廠［7］：充分利用以5G為代表的新一代信息技術(shù)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施，新建或改造產(chǎn)線、車間、工廠等生產(chǎn)現(xiàn)場，形成生產(chǎn)單元廣泛連接、IT/OT深度融合、數(shù)據(jù)要素充分利用、創(chuàng)新應(yīng)用高效賦能的先進(jìn)工廠。產(chǎn)線級聚焦在設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集和5G應(yīng)用到生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)等方面的能力建設(shè)；車間級聚焦在多產(chǎn)線、多系統(tǒng)之間協(xié)同生產(chǎn)，數(shù)據(jù)打通與系統(tǒng)集成水平提升等能力建設(shè)；工廠級聚焦在跨車間、跨層級互聯(lián)互通，生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等能力的全面提升。

眾多制造企業(yè)也提出要加快利用5G改造工業(yè)內(nèi)網(wǎng)，推動(dòng)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”服務(wù)于生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)。

但是，目前5G在工業(yè)制造中的應(yīng)用多集中在“輔助生產(chǎn)”環(huán)節(jié)，僅有小部分項(xiàng)目開始承載核心生產(chǎn)系統(tǒng)。一方面是因?yàn)楣I(yè)無線化的訴求驅(qū)動(dòng)，需要考慮行業(yè)發(fā)展的自然規(guī)律是逐步替代而非一蹴而就；另一方面，在一些關(guān)鍵場景，5G需要更好地滿足簡化組網(wǎng)、可靠通信、安全隔離、服務(wù)增強(qiáng)等業(yè)務(wù)需求，才能加速深入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，成為工廠最主要的基礎(chǔ)設(shè)施。

a）簡化組網(wǎng)。當(dāng)前工廠車間生產(chǎn)網(wǎng)和產(chǎn)線工控網(wǎng)的5G組網(wǎng)，主要是2層、3層通信需求，需要部署和設(shè)置隧道類設(shè)備，不僅增加了成本和部署難度，也不滿足柔性生產(chǎn)需求。因此，需要更加簡單的組網(wǎng)方案以適應(yīng)市場需求。

b）可靠通信。確定可靠是工業(yè)業(yè)務(wù)最核心的要求，尤其對于控制類業(yè)務(wù)。主要考慮2個(gè)方面：穩(wěn)定時(shí)延的可靠性能否滿足業(yè)務(wù)要求，如PLC控制類業(yè)務(wù)要求10 ms以內(nèi)的時(shí)延和99.999 9%的可靠性；最大時(shí)延是否滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，出現(xiàn)大時(shí)延波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯錯(cuò)誤，導(dǎo)致后工序甚至整條產(chǎn)線的停產(chǎn)。如何在保證頻譜效率的同時(shí)提供一個(gè)滿足更高業(yè)務(wù)需求的可靠通信網(wǎng)絡(luò)，是對現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)能力的新挑戰(zhàn)。

c）安全隔離。相比傳統(tǒng)工業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)帶來的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制等對網(wǎng)絡(luò)的安全隔離能力和安全服務(wù)保障提出了更高的要求；5G網(wǎng)絡(luò)中的大量新IT技術(shù)將傳輸鏈路上的軟、硬件安全威脅也帶入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；5G核心網(wǎng)UPF下沉造成網(wǎng)絡(luò)邊界模糊。這一系列安全隔離問題亟需解決。

d）服務(wù)增強(qiáng)?，F(xiàn)有5G在工業(yè)場景中的應(yīng)用未能完全滿足業(yè)務(wù)需求，如高精度定位、確定性傳輸、專網(wǎng)運(yùn)維等方面。其中，定位方面需要基于部署的基站，提供亞米級的定位能力；確定性傳輸方面缺乏端到端的確定性保障體系；5G專網(wǎng)運(yùn)維方面需要提供便利簡潔的運(yùn)維服務(wù)。

0 2

5G-A工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)確定性能力

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，接入設(shè)備多樣化，業(yè)務(wù)要求差異化，這就需要網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Ω黝悩I(yè)務(wù)提供確定性的質(zhì)量保障。5G/5G-Advanced自R15版本針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的確定性需求，逐步引入了高精度定位、ULRRC、TSN、5G-LAN等技術(shù)，增強(qiáng)5G對工業(yè)業(yè)務(wù)的支持，并在后續(xù)版本中持續(xù)演進(jìn)。圖2所示為5G標(biāo)準(zhǔn)化的總體進(jìn)程。

圖2 5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

總體上來說，5G/5G-A網(wǎng)絡(luò)從時(shí)延、時(shí)空、可靠、業(yè)務(wù)、安全和系統(tǒng)6個(gè)方面構(gòu)建確定性能力體系，為智能工廠提供端到端的通信確定性保障。

2.1 時(shí)延確定性

5G技術(shù)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最重要的改進(jìn)就是對傳輸時(shí)延的保障，降低傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，加強(qiáng)時(shí)延的一致性水平。

a）低時(shí)延。通過工業(yè)連接設(shè)備、無線網(wǎng)、核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)等單域時(shí)延和多域時(shí)延的協(xié)同縮短，降低了端到端的業(yè)務(wù)時(shí)延。無線網(wǎng)通過uRLLC技術(shù)，采用更加靈活的調(diào)度方式（靈活的調(diào)度間隔和免授權(quán)調(diào)度）、更小的調(diào)度單元以及靈活的HARQ、ARQ-ACK反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延要求，使得用戶面空口時(shí)延能夠低于1 ms，傳輸可靠性預(yù)計(jì)可達(dá)到99.999%。核心網(wǎng)和傳輸網(wǎng)通過 UPF下沉和MEC技術(shù)，縮短業(yè)務(wù)傳輸路徑，從而降低業(yè)務(wù)時(shí)延；對于計(jì)算能力需求相對較少的現(xiàn)場業(yè)務(wù)，可以部署在與基站完全融合的MEC中，進(jìn)一步降低時(shí)延。

b）低抖動(dòng)。5G與時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）相結(jié)合，在5G終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署TSN轉(zhuǎn)換器，將5G系統(tǒng)（包括終端、無線、核心網(wǎng)整體）作為TSN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)透明網(wǎng)橋，由CUC/CNC決策，采用精準(zhǔn)授時(shí)、流量調(diào)度、QoS映射等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)業(yè)務(wù)端到端的確定性服務(wù)。進(jìn)一步地，5G-TSN網(wǎng)絡(luò)中增加了TSCTSF網(wǎng)元功能，并引入生存時(shí)間，不依賴外部TSN網(wǎng)絡(luò)，在5G內(nèi)部獨(dú)立實(shí)現(xiàn)更加精確的確定性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。從而滿足對時(shí)延抖動(dòng)敏感的工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，如電力行業(yè)差動(dòng)保護(hù)、PLC控制等。圖3所示為3GPP在不同版本引入5G-TSN的主要性能。

圖3 3GPP在不同版本引入5G-TSN的

主要性能

c）優(yōu)先級保障。5G根據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)不同的SLA，并支持多種共享類型進(jìn)行靈活組網(wǎng)，為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供隔離和QoS保障。此外，通過切片能力開放，應(yīng)用可以獲取UE的狀態(tài)信息，設(shè)置UE切片策略?；贒PI的靈活QoS策略、定制化的網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)、個(gè)性化的切片和流量路徑管理等技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)能夠更加精細(xì)、智能地滿足垂直行業(yè)應(yīng)用要求（見圖4）。

圖4 多樣化切片設(shè)計(jì)

2.2 時(shí)空確定性

5G能夠提供時(shí)間和空間上的確定性，滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的高精度授時(shí)和定位服務(wù)需求。

在時(shí)間上，5G網(wǎng)絡(luò)支持對終端的高精度授時(shí)能力；與TSN結(jié)合支持多種時(shí)鐘協(xié)議和靈活的時(shí)間同步機(jī)制，并大幅增強(qiáng)了時(shí)鐘源的可靠性；支持多個(gè)時(shí)鐘源，當(dāng)時(shí)鐘源出現(xiàn)故障時(shí)，可將NW-TT/DS-TT等作為新的時(shí)鐘源，維持TSN網(wǎng)絡(luò)的高精度時(shí)鐘同步，從而使得5G-TSN網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步精度可達(dá)到300 ns；并可以通過能力開放供外部的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用（3GPP不同版本的特性參見圖3）。

在空間上，5G網(wǎng)絡(luò)支持高精度定位與識(shí)別，通過Massive MIMO多波束、高精度同步和更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延提升了基于時(shí)間測量的精度，能夠滿足如表1所示的性能。借助5G高精度定位，5G-A智能工廠可實(shí)現(xiàn)對工廠內(nèi)的人、車、物、料等的精確定位、無縫追蹤、智能調(diào)配與高效協(xié)同，大幅提升工廠的精益生產(chǎn)及精細(xì)化管理水平。

表1 5G R17版本商用場景下的定位指標(biāo)要求

隨著Massive MIMO、毫米波、超密集網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化或商用，5G-A網(wǎng)絡(luò)還將具有提供高精度感知服務(wù)的潛力，如測速、測距、物體識(shí)別等。此外，通過無線感知與攝像頭感知等多種感知方式的協(xié)作，5G-A將進(jìn)一步提升整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的感知能力，支持更多的應(yīng)用場景。

2.3 可靠確定性

作為生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)的核心業(yè)務(wù)，工業(yè)控制、遠(yuǎn)程操控等對數(shù)據(jù)的傳輸可靠性要求非常高。為此，5G網(wǎng)絡(luò)首先通過高可靠的傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)提升5G自身的數(shù)據(jù)傳輸成功率，其次提升5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，保證5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確收發(fā)的可靠性。

a）高可靠傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)。提高傳輸可靠性的一個(gè)簡單原理就是利用重復(fù)傳輸獲得增益。在鏈路層，5G在業(yè)務(wù)信道上重復(fù)發(fā)送以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⑶以试S跨時(shí)隙重復(fù)，在提升可靠性的同時(shí)降低時(shí)延；采用低碼率的調(diào)制編碼方式進(jìn)一步降低空口傳輸誤碼率。在分組數(shù)據(jù)匯聚層，采用冗余傳輸機(jī)制，可通過載波聚合和雙連接2種模式實(shí)現(xiàn)，降低空口數(shù)據(jù)丟包率，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)完整。在用戶面，通過雙發(fā)選收冗余機(jī)制，面向1個(gè)業(yè)務(wù)建立2個(gè)PDU會(huì)話，通過獨(dú)立的通路上承載后進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，減少因傳輸網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)處理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)丟包導(dǎo)致的業(yè)務(wù)受損，提升端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?G自身的高可靠傳輸協(xié)議有效地提升了無線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

b）設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)。5G工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)設(shè)備采用1+1、1+N等主備設(shè)計(jì)，如在5G基站設(shè)備中對電源模塊、主控模塊、基帶處理模塊進(jìn)行熱備份部署，當(dāng)某模塊出現(xiàn)故障時(shí)，支持在線業(yè)務(wù)的快速熱備倒換，保障網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。當(dāng)采用通用服務(wù)器部署時(shí)，相同功能的虛機(jī)或容器可按照互斥原則部署在不同的服務(wù)器上以保證設(shè)備的高可靠性；并可以在設(shè)備內(nèi)部采用無狀態(tài)化設(shè)計(jì)，解耦設(shè)備運(yùn)行的配置與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以減少設(shè)備故障對業(yè)務(wù)的影響，進(jìn)一步提升5G工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.4 業(yè)務(wù)確定性

5G網(wǎng)絡(luò)引入智能化的手段，基于對業(yè)務(wù)特征的識(shí)別和感知，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行準(zhǔn)確評估、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、快速部署、全生命周期監(jiān)控和優(yōu)化等一系列閉環(huán)管理，對關(guān)鍵業(yè)務(wù)做到感知的全程全網(wǎng)的保障，向用戶提供差異化的確定性服務(wù)。此外結(jié)合高效的標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)營維護(hù)SLA體系，可有效支撐5G網(wǎng)絡(luò)向各行業(yè)持續(xù)延伸。

a）增強(qiáng)業(yè)務(wù)感知和調(diào)度能力。目前5G主要通過切片和QoS體系進(jìn)行業(yè)務(wù)感知和保障，但是切片尚未廣泛使用，QoS類別有限，無法滿足業(yè)務(wù)差異化的確定性需求，因此需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng)。首先，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用/終端之間的雙向感知機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)基于應(yīng)用上報(bào)的關(guān)鍵信息，具備更加精細(xì)的感知能力。其次，網(wǎng)絡(luò)通過理解應(yīng)用數(shù)據(jù)的發(fā)送特征，進(jìn)行業(yè)務(wù)的智能調(diào)度與編排，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的確定性保障（見圖5）。

圖5 業(yè)務(wù)確定性保障體系

b）增強(qiáng)確定性度量和反饋能力。當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的KPI度量體系統(tǒng)計(jì)周期長、粒度粗，難以滿足工業(yè)應(yīng)用精細(xì)化度量的需求。為實(shí)現(xiàn)SLA精確可視和及時(shí)定位問題，需要改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)延、帶寬、抖動(dòng)等指標(biāo)的精細(xì)度量和全量上報(bào)，并且能按照業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)不同粒度的監(jiān)控可視。同時(shí)，業(yè)務(wù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)KPI的確定性度量結(jié)果進(jìn)行適配，達(dá)到最優(yōu)體驗(yàn)。

c）引入AI等新技術(shù)。針對業(yè)務(wù)確定性保障帶來的海量數(shù)據(jù)，引入AI技術(shù)進(jìn)行高效快速處理，實(shí)現(xiàn)確定性業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)分析與決策，更好地滿足工業(yè)確定性需求。

2.5 安全確定性

5G-A網(wǎng)絡(luò)賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全體系主要體現(xiàn)在以下2個(gè)層面。

首先，5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)安全能力可大大增強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全保障。針對終端，5G網(wǎng)絡(luò)定義了多重終端接入認(rèn)證方式，從基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)級主認(rèn)證到細(xì)化的切片級認(rèn)證，以及進(jìn)一步的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證。根據(jù)業(yè)務(wù)安全級別要求，可以靈活配置不同級別的認(rèn)證策略或策略組合?？湛趥?cè)，5G網(wǎng)絡(luò)空口采用加密身份標(biāo)識(shí)，提供增強(qiáng)的用戶隱私保護(hù)，解決了4G網(wǎng)絡(luò)中用戶標(biāo)識(shí)在空口泄露的問題；5G網(wǎng)絡(luò)無線接口增加了用戶數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)，支持更高級的密碼算法，提供了完善的機(jī)密性和完整性保護(hù)方案，防止用戶數(shù)據(jù)被篡改。

其次，5G網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)、管理及安全的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了垂直行業(yè)的IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的融合，為5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的不同應(yīng)用提供SLA級的安全保障水平。企業(yè)部署5G行業(yè)專網(wǎng)，通過5G LAN技術(shù)將企業(yè)自身的網(wǎng)絡(luò)體系與5G網(wǎng)絡(luò)融合，可對企業(yè)終端地址進(jìn)行統(tǒng)一管理和規(guī)劃，5G LAN的虛擬組實(shí)現(xiàn)行業(yè)網(wǎng)與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)間按需有效的隔離，構(gòu)建面向企業(yè)的統(tǒng)一網(wǎng)管和監(jiān)控體系，企業(yè)專網(wǎng)接入的所有數(shù)據(jù)通過防火墻過濾，確保敏感數(shù)據(jù)不出園區(qū)。另一方面，5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了基于5G技術(shù)的OT+IT+CT的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接與組網(wǎng)配置的物理綁定約束問題，提高了企業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)快速部署的靈活性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的柔性制造。通過5G-A網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為企業(yè)用戶提供確定性且定制化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通道，在全域扁平化架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了OT域不同業(yè)務(wù)間的邏輯隔離，針對不同的OT業(yè)務(wù)安全需求提供不同等級的安全保障。

2.6 系統(tǒng)確定性

穩(wěn)定運(yùn)行的工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)、提升利潤的基礎(chǔ)。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用中，需要及時(shí)可靠地獲取工業(yè)裝備的控制信息和生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息，因此，需要保證無線網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間連續(xù)的高可用性，例如無人化設(shè)計(jì)的智能制造工廠通常要求現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)至少保障7×24 h不間斷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。5G通過系統(tǒng)高可用保障機(jī)制，提升整個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)邊緣和局域網(wǎng)，保障5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

a）系統(tǒng)高可用保障。故障是影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行最主要的因素，降低故障的有效方式是冗余和備份。5G-A工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)可支持網(wǎng)元級的負(fù)荷分擔(dān)、主備等容災(zāi)機(jī)制，如5G基站的BBU熱備、RRU的互助、傳輸鏈路的匯聚等，支持在線業(yè)務(wù)的熱備倒換，還可通過異地容災(zāi)進(jìn)一步提升系統(tǒng)級可靠性。

b）邊緣確定性增強(qiáng)。5G網(wǎng)絡(luò)通過下沉UPF或部署MEC，將無線網(wǎng)絡(luò)和中心云網(wǎng)有效地融合在一起，在邊緣側(cè)提供云計(jì)算能力和無線網(wǎng)絡(luò)能力。應(yīng)用服務(wù)和內(nèi)容部署在本地邊緣，可以減少數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，降低業(yè)務(wù)對回傳網(wǎng)絡(luò)的依賴，提高終端訪問園區(qū)業(yè)務(wù)的可靠性。此外，針對工業(yè)生產(chǎn)不中斷的業(yè)務(wù)性能要求，UPF集成AMF、SMF和UDM的極簡功能，并備份專網(wǎng)用戶相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能及數(shù)據(jù)，當(dāng)核心網(wǎng)回傳鏈路發(fā)生故障時(shí)，專網(wǎng)用戶通過UPF上的備份網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)已有業(yè)務(wù)的慣性運(yùn)行和新用戶的接入。同時(shí)，在園區(qū)內(nèi)的UPF也可以采用1+1主備方式部署，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)可用性。借助運(yùn)營商高可用網(wǎng)絡(luò)的部署維護(hù)經(jīng)驗(yàn)與團(tuán)隊(duì)，可簡化MEC維護(hù)管理，大幅提升智能工廠系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，同時(shí)降低智能工廠的部署和運(yùn)維成本（見圖6）。

圖6 邊緣可靠性增強(qiáng)

c）局域網(wǎng)確定性增強(qiáng)。現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)區(qū)域監(jiān)控、自動(dòng)化控制以及遠(yuǎn)程操作等業(yè)務(wù)場景中，大量使用了有線LAN和Wi-Fi技術(shù)。但是，有線LAN技術(shù)的移動(dòng)性受限，無法滿足柔性生產(chǎn)、活動(dòng)機(jī)器人等應(yīng)用場景；而Wi-Fi技術(shù)的 QoS保障能力差、安全性差，其穩(wěn)定性在很多情況下無法滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。為此，引入5G LAN技術(shù)，在5G網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建局域網(wǎng)（LAN），為特定的終端組提供IP類型（三層）或者以太網(wǎng)類型（二層）的通信服務(wù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)以及點(diǎn)到多點(diǎn)（廣播，組播）的通信功能；并可以通過組管理服務(wù)，第三方應(yīng)用可以靈活構(gòu)建不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）。通過5G LAN技術(shù)，移動(dòng)終端如手持終端、CPE、攝像頭、傳感器等都能便捷地接入5G網(wǎng)絡(luò)并在其中組建無線局域網(wǎng)，快速進(jìn)行協(xié)同操作，獲得和Wi-Fi相同的便捷使用體驗(yàn)，以及更好的移動(dòng)性和QoS保障。5G LAN特性應(yīng)用到局域網(wǎng)可讓工業(yè)設(shè)備擺脫線纜的束縛，提升無線工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性（見圖7）。

圖7 5G-LAN的標(biāo)準(zhǔn)化引入

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5G-A確定性技術(shù)智能工廠應(yīng)用試點(diǎn)

2022年，中國聯(lián)通在某工廠開展了“5G全連接工廠”建設(shè)，在生產(chǎn)運(yùn)營監(jiān)測、產(chǎn)品檢測、倉儲(chǔ)物流等應(yīng)用上加深合作，打造低碳、安全的智慧工廠，全面建設(shè)了生產(chǎn)車間的設(shè)備、生產(chǎn)資料、環(huán)境等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已完成12個(gè)5G+生產(chǎn)運(yùn)營場景的商用落地，包括產(chǎn)品自動(dòng)質(zhì)量檢測、無人AVG物流、遠(yuǎn)程遙控、設(shè)備定位及無人監(jiān)測等多個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)工序。并且通過部署內(nèi)置MEC能力的5G基站，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場業(yè)務(wù)的本地分流、超低時(shí)延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和AI服務(wù)，從而為時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)（如焊接質(zhì)檢、工藝參數(shù)分析等）提供確定性的通信服務(wù)。圖8所示是某工廠5G專網(wǎng)邏輯組網(wǎng)圖。

圖8 某工廠5G工業(yè)專網(wǎng)邏輯組網(wǎng)

3.1 5G-A 低時(shí)延應(yīng)用降低生產(chǎn)能耗

搪瓷燒結(jié)是某工廠能耗最大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。如圖9所示，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接搪瓷燒結(jié)爐，數(shù)據(jù)采集和控制算法部署在邊緣MEC上，根據(jù)對搪瓷燒結(jié)工藝過程和設(shè)備特性的分析，基于產(chǎn)量變化對爐溫進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制以降低能耗，實(shí)現(xiàn)了爐溫和爐體開啟狀態(tài)的快速反饋和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，改善了設(shè)備管理模式，提升了搪瓷燒結(jié)過程中的能耗效率。根據(jù)評估，每年可以實(shí)現(xiàn)能耗節(jié)約12%以上，年度成本節(jié)約300萬元以上，減碳約3 656 t。

圖9 搪瓷線節(jié)能案例

3.2 5G-A大帶寬+算力內(nèi)置+AI應(yīng)用提升制造直通率

傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝采用人工水檢，效率低，出錯(cuò)概率大。如圖10所示，在5G智能化改造后，通過高頻數(shù)據(jù)采集（20 Hz），對焊接電流、電壓、保護(hù)氣用量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過基站內(nèi)置的MEC和AI算法，在本地實(shí)現(xiàn)對焊縫質(zhì)量的自動(dòng)判斷及預(yù)警，大幅提升了焊接環(huán)節(jié)的直通率，極大提高了生產(chǎn)效率。

圖10 智能工藝檢測案例

3.3 5G-A確定性應(yīng)用使能協(xié)同作業(yè)

在傳統(tǒng)生產(chǎn)車間，AGV按照設(shè)計(jì)位置停車后機(jī)械臂將物料放到AGV上；AGV在物料放置完畢后再次啟動(dòng)將物料送往下道工序。如圖11所示，在5G智能化改造后，采用uRLLC+TSN+算網(wǎng)業(yè)一體化基站進(jìn)一步降低無線傳輸時(shí)延和抖動(dòng)，并采用雙發(fā)選收機(jī)制提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，從而保障AGV的精確定位信息和機(jī)械臂的控制信息的實(shí)時(shí)可靠傳輸，使得AGV可以在不停車的情況下裝載完成，并開往下一道工序，大幅縮短工序間的停頓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

圖11 AGV+機(jī)械臂協(xié)同控制案例

在已經(jīng)部署5G智慧應(yīng)用的3個(gè)生產(chǎn)車間中，5G確定性服務(wù)大幅提升了現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的可靠性和便捷性，為該工廠創(chuàng)造了可觀的價(jià)值：管理效率提升20%，生產(chǎn)成本降低近4 000萬元，產(chǎn)品投訴率降低60%以上。該項(xiàng)目已經(jīng)成為該工廠5G智慧工廠的示范標(biāo)桿。

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5G-A工業(yè)聯(lián)網(wǎng)確定性技術(shù)展望

5G為工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)業(yè)務(wù)定義了KPI指標(biāo)體系，并通過uRLLC+TSN、感知增強(qiáng)、5G LAN、UPF下沉、MEC等技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)能力，增強(qiáng)對現(xiàn)場網(wǎng)通信確定性和可用性的保障能力。隨著3GPP 5G-Advanced標(biāo)準(zhǔn)化工作的開展，5G-A確定性技術(shù)在支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，將有更加廣闊的發(fā)展空間。

a）更加精細(xì)化的故障處理優(yōu)先級。面向行業(yè)用戶建立統(tǒng)一的故障處理等級體系，針對不同級別的事件采用不同的響應(yīng)時(shí)間和處理時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)故障及時(shí)處理?？砂凑展收嫌绊懞途o急程度分為：特別重大事故（Critical）、重大事故（High）、較大事故（Medium）、一般故障（Low）（見圖12）。

圖12 故障事件的優(yōu)先級

b）低功耗高精度定位與測距。工業(yè)設(shè)備需要頻繁地獲取實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行高精度定位和測距，5G-A技術(shù)能夠提供高精度的位置、相對速度、角速度等全部動(dòng)態(tài)信息，這將為設(shè)備間高精度協(xié)同、復(fù)雜工藝加工等智能生產(chǎn)流程提供有力的支持；但另一方面，頻繁的高精度定位與測距將消耗更多的電量，而由于工業(yè)場景的特殊性，工業(yè)終端無法頻繁地更換電池，因此，低功耗的高精度定位與測距在5G全連接工廠中至關(guān)重要。

c）多模態(tài)感知通信服務(wù)。目前，行業(yè)專網(wǎng)中應(yīng)用了觸覺、視頻、音頻、傳感器等多種感知設(shè)備，以獲取豐富的生產(chǎn)信息；5G-A將具備高精度定位與測距、無線感知的能力。因此，未來5G-A感知與上述感知模式融合，并結(jié)合5G-A的確定性時(shí)延、超高可靠和安全等網(wǎng)絡(luò)確定性能力，支持多模態(tài)的感知通信服務(wù)，獲知更加豐富和確定的環(huán)境、設(shè)備與產(chǎn)品等生產(chǎn)信息，可應(yīng)用于遠(yuǎn)程設(shè)備操控、設(shè)備協(xié)同作業(yè)、柔性生產(chǎn)制造、現(xiàn)場輔助裝配、質(zhì)檢與設(shè)備故障診斷、廠區(qū)智能物流、無人智能巡檢等多個(gè)領(lǐng)域。

d）更有保障的端到端確定性。借助更直接的數(shù)據(jù)傳送機(jī)制、更高的頻譜，更小的子載波間隔，進(jìn)一步降低系統(tǒng)端到端傳輸時(shí)延；增強(qiáng)TSN支持超低時(shí)延的能力，如支持無線側(cè)向業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)反饋調(diào)度時(shí)間的機(jī)制，業(yè)務(wù)側(cè)可基于該信息調(diào)整發(fā)包時(shí)機(jī)；更穩(wěn)定的授時(shí)同步和多鏈路傳輸機(jī)制進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性，能夠?yàn)楦鼜?fù)雜的協(xié)同控制提供有效的數(shù)據(jù)通路；通過更加精細(xì)化的切片運(yùn)營和SLA能力開放，以及對uRLLC的持續(xù)增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)確定性更加精細(xì)化的保障。

e）更廣泛的端到端確定性。支持5G-TSN與DetNet的互通，提升三層網(wǎng)絡(luò)的確定性能力，擴(kuò)展5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的確定性范圍。增強(qiáng)5G LAN 特性，支持多SMF/多UPF管理VN Group，5G LAN的使用范圍和VN組間的互通能力將得到進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更廣域的5G局域網(wǎng)組網(wǎng)，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中多域互通的確定性，為更大規(guī)模普及5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提供更大的支撐。