5G 應用于工業互聯網的必要性研究

朱亞東

(中國移動通信集團河北有限公司秦皇島分公司，河北 秦皇島066000)

5G 的網絡規劃和發展目標，分為2B 和2C 兩個部分，其中2C 業務針對大眾消費者客戶群，2B 業務針對行業客戶群。2B 業務中，5G 技術將應用內于行業、工廠、企業、園區等的內網生產環境，其中最嚴苛的應用是在工業互聯網領域。

1 5G 網絡的標準融合性

5G 未來新業務及關鍵能力指標：一張網絡支持所有業務。5G 技術按照部署業務，分為三大特征：eMBB 增強型移動互聯網，主要承載大帶寬業務，適用業務：視頻回傳，增強現實VR/AR，云化辦公，邊緣計算部署等。uRLLC 超低時延高可靠通信，主要承載實時性要求強的及時性業務，和工業生產要求的TSN 網絡在R.16 標準上產生結合，適用業務：工業自動化，IoT 關鍵應用等。mMTC 海量連接物聯網，主要承載各類傳感器，如城市系統，家居系統，工業生產中的各類設備和系統等（圖1）。

2 工業互聯網對網絡性能要求

“ 工 業 互 聯 網”（Industrial Internet）屬于泛互聯網的目錄分類，廣泛應用在工業生產領域，把人、數據和機器連接起來。它是全球工業系統與高級計算、分析、傳感技術及互聯網的高度融合。工業生產領域的應用決定了工業互聯網的高可靠性、高保障性；而基于柔性制造和智能化生產的需求，也要求工業互聯網逐步向無線化方向發展（表1）。

生產型網絡對“確定性時延”提出強制性要求，其標準為TSN 網絡（Timing Synchronization Network）。TSN 并非是全新的網絡技術和標準，它是由一組IEEE 802.1 標準構成的以太數據鏈路層標準，旨在提供確定性服務，確保有限延遲、低報文延時變化（抖動）、低丟包率的報文傳輸。TSN 核心技術包括時間同步、調度通信和系統配置，因此TSN 網絡成為工業互聯網的必選項。3GPP R16 在5G 協議標準中明確了對TSN 的支持，R16 RAN1 部分95%已經在2020 年1 月份凍結，預計整體將在2020年Q2 凍結。WiFi 對TSN 的支持，演進協議正在規劃中，預計也將在2022 年能夠全面支持。

圖1 5G 關鍵指標和支持業務類型

表1 工業互聯網業務類型和關鍵指標要求

5G 和WiFi 的底層協議設計上存在差異，WiFi 由一系列802.11 協議構成，其設計共同點是基于CSMA/CD 的鏈路偵聽模式，多用戶終端的連續多個ACK 包文造成鏈路沖突，導致時延不確定性。5G 系統基于3GPP 蜂窩網設計，其方式為鏈路調度分配模式。

2018 年底，工信部發布《工業互聯網網絡建設及推廣指南》〔2018〕301 號，目標中指出到2020 年，形成相對完善的工業互聯網網絡頂層設計，初步建成工業互聯網基礎設施和技術產業體系，打造工業互聯網服務標準體系。5G 作為工廠外網及內網重要組成部分，將在標準、標桿網絡、公共服務平臺、測試床等方面獲得國家項目及政策支撐。2019 年8 月，工業和信息化部在上海召開“5G+工業互聯網”全國現場工作會議，會議首次提出落實“5G+工業互聯網”512 工程，加強試點示范、應用普及、培育解決方案供應商，加快“5G+工業互聯網”在全國推廣普及。

3 5G 企業專網

在3GPP 規范中，定義了5G 企業專網的概念和實現步驟，標準定義了兩種模式的5G 專網：獨立部署模式和集成部署模式。獨立部署模式，指企業內基站和企業核心網獨立部署一套，和運營商大網完全隔離，只使用運營商分配的頻段（依據各國政府規定）；集成部署模式指企業內基站和運營商大網共用，企業核心網和運營商核心網獨立部署。5G 專網可以同時承載企業、行業和許多其他垂直行業對覆蓋范圍、性能、安全性和可靠性有很高的要求的場景，以支持寬帶通信和物聯網（IoT）。對工業互聯網來說，給企業園區部署的5G 專網系統，能夠確保企業數據私密性和生產安全性。

企業專網解決方案使來自各行各業的企業能夠將蜂窩移動技術用于企業園區、公用事業、公共交通、公共安全、重大事件等中的關鍵任務通信和物聯網連接的基礎。不同的企業和行業對專用網絡解決方案有不同的部署需求。專用網絡解決方案支持不同的部署模式，從完全部署在企業場所的專用網絡系統到托管在移動網絡運營商網絡中的專用網絡系統的某些功能都可以支持（圖2）。

4 5G+工業互聯網的新型智慧化架構

5G 專網為電信級加密無線網，安全級別高，確保了數據的私密性，確保網絡可管可控，可實現數據不出本地局域網（數據不出廠），5G 網絡資源可針對特定用戶進行邏輯及物理隔離，可以從基站到核心網應用全部只服務于一個用戶（工廠獨享基站及核心網），同時向用戶開放網絡運維管理能力（工廠對5G 私網可管可控），保證確定的低時延，確保嚴苛的工業生產環境。

4.1 一張網絡解決行業問題

5G 專網形態的工廠內網，本質是一張無線網絡。

基站統一：場內所有5G 私網基站（包括室內小基站、室外宏站，數量可達上千上萬個）都由一個5G 私網核心服務器管理調控；

卡號/用戶統一：所有接入5G 網絡的終端卡、用戶也由此5G 私網核心服務服務器網統一管理；

終端接入統一：5G 信號在工廠內如空氣一樣，無分別的覆蓋，終端無需考慮接入信道，而自動接入到這一張網絡之內。

4.2 一個大腦解決行業管理

由于所有數據都匯聚到一個5G 專網核心服務器，核心服務器上部署有邊緣云（下文稱“5G 邊緣云”），邊緣云上可部署各種智能化生產制造相關應用。由于網絡覆蓋范圍在整個工廠，因此5G 邊緣云屬于廠級邊緣云，相當于一個工廠一個大腦，實現所有智能化應用運算處理集中化。

4.3 極簡終端降低應用成本

由于云到終端帶寬夠大、時延夠低、安全穩定性夠高，原來集成在終端上的模塊（如GPU、CPU、AI 算法、調度控制等模塊），甚至整個硬件服務器（如PLC 工控機等），可軟件化并部署在云端，從而極簡化終端。大量終端部署場景下，云化部署方式能夠很大程度上降低應用成本。

4.4 提升AI 應用能力

AI 是工業互聯網智能化重要要素，其需要基于海量數據訓練算法，數據量越大越全，算法準確度越高。因此，網絡傳輸能力直接影響到AI 效果。5G 能夠實現從終端直接無障礙回傳原始數據，進行AI 算法訓練，提升AI 能力。

圖2 基于5G 的工業互聯網云管端智能化系統架構

5 結論

目前，美國、歐盟、日本等世界發達國家都在加快推動5G與工業互聯網的融合發展。2020 年3 月，中央會議提出要加快新型基礎設施建設進度，以5G、人工智能、工業互聯網、物聯網為代表的新基建成為我國的戰略發展方向。5G 和工業互聯網的融合發展和結合優勢，將帶來行業深度變革，引領數字化新趨勢。