5G智能工業應用網絡解決方案初步探討

肖榮軍 王 清 楊 健

中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

2020年5G網絡和業務加速發展，除大眾市場外，深化5G應用的關鍵是面向垂直行業，培養海量的垂直行業應用。5G組網有獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）兩種方式，深化5G應用只有采用SA方式，才能進一步發揮出5G網絡的技術性能優勢。在國際電聯5G R16標準正式確定之后，更要重點加快獨立組網的5G網絡建設。本文針對工業網絡現存問題，分析5G關鍵指標和應用場景，結合邊緣計算（MEC），在現階段5G獨立組網模式下，給出將5G技術落地智能工業應用的解決方案，并對不同的網絡部署方案進行分析。

1 工業網絡現存問題

發展智能工業需要將具有環境感知和智能計算能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、新一代移動通信等不斷融入到工業生產的各個環節，大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業提升到智能化的新階段。然而，當前運行中的工業信息網絡存在以下問題：

（1）有線為主，妨礙柔性發展

車間內設備多為有線連接，有線布線成本高、周期長、走線難，導致企業無法根據需求快速移動設備、調整產線布局，影響產線柔性。由于沒有可靠的無線網絡，機器人的研發大量集中在硬件電路控制。如果能實現機器人軟硬解耦，控制部分改為軟件，移植到邊緣網絡，將會大大加快研發和迭代效率，降低成本。

（2）無線為輔，干擾、可靠性和覆蓋難解決

WiFi網絡是現在工廠主要的無線覆蓋手段。但WiFi除了存在不抗干擾、可靠性差的問題以外，還存在覆蓋面積小、接入容量有限、移動范圍有限等問題。智能終端、機器人不能出門、易失聯，WiFi手段影響了產線自動化和活動范圍。

（3）多為私有網絡，安全優先但難互通

多數工廠都采用私網模式，網絡必須自主、可控，格外重視數據安全。網絡封閉造成數據難以互通，私有網絡技術升級難度大。各廠家早期各自研究相關規范，互通、維護均難以協調；產線集成周期長，上線后數據采集成為難點，自動化智能化難以實現。

5G網絡的高速率、低時延、大帶寬的特性可有效解決上述問題。在組網上通過5G網絡用戶面（UPF）下沉和部署邊緣計算，為工業互聯網的泛在連接、精準控制、多媒體交互拓展更多應用場景，提供基礎平臺，有利于實現柔性生產，完成多路高清視頻回傳，低延時的計算和控制助力工業設備和系統技術升級，實現生產過程的自動化、智能化、高效化。

2 5G關鍵指標和應用場景

首先回顧一下5G網絡的關鍵指標和應用場景。眾所周知，3GPP定義了5G應用三大類場景：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大規模物聯網，更多地稱為海量低功耗連接）、uRLLC（低時延高可靠連接），如圖1所示。

eMBB場景是指在現有移動寬帶業務場景的基礎上，對用戶體驗等性能的進一步提升，主要還是追求人與人之間極致的通信體驗。mMTC和uRLLC同是物聯網的應用場景，mMTC提供對海量用戶的支持并保障數以億計的設備安全接入網絡，實現“萬物互聯”；uRLLC主要滿足物與物之間的通信需求，空口最小時延達到1ms，可靠性>99.999%。

圖1 5G應用三大場景

與4G比較，3GPP提出可以從八種關鍵指標的提升直觀體現5G的關鍵能力，八種關鍵指標的具體要求和與4G的比較情況如下：

峰值速率（Peak data rate）：每個用戶/終端在理想狀態下所能達到的峰值數據傳輸速率。5G要求最高達到20 Gbit/s，而4G要求為1Gbit/s。

用戶體驗速率（User experienced data rate）：每個用戶/終端在大多數情況下能達到的平均數據傳輸速率。5G要求最高達到100 Mbit/s，而4G要求為10 Mbit/s。

時延（Latency）：無線網絡引入的數據從發送端到接收端的傳輸時延，5G要求最短達到1ms，而4G要求為10 ms。

移動速度（Mobility）：在滿足定義的QOS和無縫切換條件下所能達到的最大終端移動速度，5G要求最高達到500公里/小時，而4G要求最高達到350公里/小時。

連接密度（Connection density）：每單位區域（1平方公里）所能滿足的最大連接數或接入終端數，5G要求最高達到106，而4G要求最高達到105。

網絡能耗效率（Network Energy efficiency）： 從網絡側和終端側兩方面，5G最大達到4G的100倍。

頻譜效率（Spectrum efficiency）：每單位頻譜資源所傳送數據的效率，5G期望達到4G的3倍。

密集區域容量（Area traffic capacity）：每地理區域的流量容量，5G要求支持達到10 Mbit/s/m2，而4G為0.1 Mbit/s/m2。

三大應用場景對5G的八種關鍵指標的側重程度不同，如圖2所示。

圖2 三種場景的關鍵指標側重程度

從圖中可以看出，uRLLC是針對時延和移動速度均有特別高要求的應用場景，例如自動駕駛應用；mMTC重點側重于連接密度特別大的場景下應用。雖然uRLLC和mMTC面向物聯網，但是這兩種場景目前的成熟度低，mMTC在國內未進行推廣。因此，在現階段，滿足eMBB場景也可以綜合體現速率高、時延低的5G網絡優勢，可滿足工業大部分場景下的需求，在面向垂直行業方面可先行落地應用，積累經驗，并隨著uRLLC的發展，進一步拓展應用領域。

3 5G SA+MEC解決方案

運營商在向企業提供5G解決方案時，出于企業對網絡專網專用的需求，一般會傾向于采用SA組網解決方案，利用SA組網對網絡切片的支持，同時配合部署MEC，滿足工業場景各種智能應用的部署和對網絡性能的要求。在整個項目解決方案中，運營商可采用以下兩種模式：

基礎模式：由運營商建設5G網絡和邊緣云，提供網絡解決方案，客戶自行部署應用。

平臺模式：由運營商建設5G網絡和邊緣云能力IaaS/PaaS+應用+運維服務+集成服務，提供分層的云服務能力。IaaS以運營商自主提供為主，PaaS和行業應用采用自主和合作研發并重。

現階段，運營商可從基礎模式切入，積極向平臺模式拓展，引入更多硬件、軟件、應用提供商，降低項目成本，逐步打造5G應用生態體系。

3.1 網絡切片

在4G網絡中，運營商提供APN業務，向客戶提供虛擬專網服務。而在5G網絡中，提出了“網絡切片”的概念，網絡切片是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，每個虛擬網絡之間（包括網絡內的設備、接入、傳輸和核心網）邏輯獨立，任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響其他虛擬網絡。

5G網絡切片可以提供定制化網絡能力、相互隔離、質量可保證、邏輯隔離的端到端網絡，包括接入網、傳輸和核心網。

5G網絡切片提供了全新的特性：

（1）多樣的定制性：網絡能力可定制、網絡性能可定制、接入方式可定制、服務范圍/部署策略可定制。

（2）隔離性/專用性：切片服務于特定的應用場景，不同切片之間相互隔離，互不影響。

（3）質量可保證：按照垂直行業需求，滿足其SLA服務質量要求。

（4）統一平臺：網絡切片將基于NFV/SDN的統一基礎設施靈活、按需構建。

端到端網絡切片由無線網側網絡切片、傳輸網側網絡切片、核心網側網絡切片組成。目前，核心網側網絡切片已具備落地應用條件，端到端網絡切片還在發展中，實際網絡部署并不成熟。

3.2 邊緣計算

邊緣計算（MEC，Multi-access Edge Computing）是在靠近數據源或用戶的地方提供計算、存儲等基礎設施，并為邊緣應用提供云服務和IT環境服務。該技術的優勢主要有：

（1）減低傳輸時延，數據處理更快

通過將服務器下沉部署在靠近用戶和終端設備的邊緣，解決了垂直行業中時延過長、匯聚流量大等問題，為實時性和帶寬要求較高的業務提供更好的支持。

（2）網絡帶寬需求降低，抑制網絡阻塞

隨著聯網設備的增多，網絡傳輸壓力會越來越大。而邊緣計算的引入，5G網絡通過用戶面功能UPF在網絡邊緣的靈活部署，實現了數據流量本地卸載，減少了用戶與遠端服務器的數據交換，因此也不需要占用太多網絡帶寬。本地的數據處理，減少了大量數據傳輸帶來的網絡壓力。

（3）數據隱私保護能力增強

數據的收集和計算都是基于本地，不再被傳輸到云端，因此重要的敏感信息可以不經過外部網絡傳輸，能夠有效避免傳輸過程中的泄漏。

（4）網絡開放性增強

移動網絡能力通過標準化接口開放給邊緣計算平臺，可供第三方應用調用。這些移動網絡能力包括無線網絡信息服務、位置服務、QoS服務等。

3.3 兩種UPF/MEC部署方案

5G組網架構中將用戶面功能分離并下沉，具有很多優點，在具體部署時，可針對不同場景按照UPF下沉的層次分為兩種部署方案：

方案一：將UPF/MEC部署到用戶側，直接部署在用戶機房內，組網如圖3所示。

圖3 UPF/MEC企業園區部署方案

將UPF/MEC下沉部署到用戶側，具有以下特點：

（1）每用戶獨立建設UPF/MEC，投資大，對用戶側機房環境要求高，后期UPF/MEC現場維護需要進入用戶端現場。

（2）可滿足用戶打造5G企業專網的要求，降低數據傳輸時延，真正做到數據“物理”不出園區（基站→傳輸→園區MEC→企業網絡）。

（3）運營商可利用MEC+MEP集成企業第三方應用，增強業務粘性。

（4）由于核心網元UPF下沉，運營商核心網絡延伸，網絡安全防控難度大。

該部署方案可針對高要求高價值客戶，與客戶接觸點多，項目合作密切程度高，難度大，投資大，但項目如果成功，客戶粘性強。

方案二：將UPF/MEC部署到地市級或區縣級運營商自有機房中，可多個客戶共享物理資源，實現網絡邏輯隔離。其特點是：

（1）項目容易復制，可批量推廣，自有機房中資源部署完畢后，后續每個項目投入少，業務開通速度快。

（2）自有機房內機房條件好，設備運行更穩定，易于維護。

（3）更適合于運營商為主導的平臺模式。

（4）企業網絡和UPF/MEC間需增加數據專線實現網絡互通。

（5）數據傳輸端到端將引入一定延時，不能滿足對時延特別苛刻的場景。

方案二的組網如圖4所示。

圖4 UPF/MEC運營商自有機房部署方案

3.4 5G時延和速率指標測試

在按UPF/MEC部署到用戶側的應用項目中，配置為eMBB場景，我們對5G時延和速率指標進行模擬測試，情況如下：

（1）通過在MEC設備近端搭建FTP企業服務器，ping測試服務器的時延大約在14～15 ms。其中基站與MEC之間傳輸引入時延在5 ms，MEC側基本未引入明顯時延，MEC側出口到企業服務器的企業內網引入的時延大約在2 ms，無線基站在開啟預調度時延為7～8 ms。逐段分析時延情況如圖5所示。

圖5 時延指標分析

（2）在具體的5G落地項目現場測試中，采用FTP多線程上傳下載速率測試，現場實測下載速率達到750 Mbps，上傳速率達到100 Mbps，符合eMBB場景中用戶體驗速率的要求。

從測試結果看，采用方案一的組網方案滿足了項目工業攝像機高清圖像機器視覺檢測（AVI）、大帶寬傳送場景和自動運輸車自動導航（AGV）、邊緣計算和低時延場景的要求。以上場景的網絡需求為：上傳速率大于100 Mbps，時延低于20 ms。經實際驗證，滿足應用系統要求，系統運行良好。

雖然現階段SA組網端到端切片還未成熟，但5G在關鍵的指標（時延和上傳、下載速率）已明顯優于4G，與傳統的工業組網比較，在移動性、安全性等方面均具備優勢，可以滿足工業智能化應用拓展。

4 結束語

本文僅對目前階段5G面向工業智能化應用的組網方案進行了初步探討，實際上，SA+MEC的組網方案可在多個行業領域的垂直行業場景下拓展應用。目前，一方面，5G的技術標準和網絡建設均在發展中，另一方面，5G面向垂直行業應用的項目如雨后春筍，市場前景如一片藍海。運營商在積極推進5G垂直行業項目的“樣板房”建設中，不應簡單追求極致、等待技術成熟，而應和工業企業共同大膽嘗試推廣，快速落地應用，將“樣板房”變成“商品房”。

另外，在具體項目實踐中，還有很多方面值得進一步深入研究，如網絡傳輸方案的優化、網絡安全方案、網絡可靠性組網方案等。