5G技術(shù)在小微園區(qū)的應(yīng)用研究

張 捷，蔣 柯

（中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 314000）

0 引言

5G技術(shù)在園區(qū)內(nèi)的推廣與商用，創(chuàng)造性地解決了小微園區(qū)生產(chǎn)生活中的突出問題，滿足了園區(qū)建設(shè)的剛性需求，加快了以制造業(yè)為代表的智慧園區(qū)發(fā)展。因此，本文將介紹小微園區(qū)和5G技術(shù)的特性。

1 小微園區(qū)

1.1 小微園區(qū)現(xiàn)狀

在我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展要求的大背景下，小微園區(qū)是推動中小微企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和集群化的重要承載平臺，也是展示“騰籠換鳥、鳳凰涅槃”實(shí)踐成果的重要窗口。包括浙江在內(nèi)的各個省級政府一直非常重視小微園區(qū)的建設(shè)，而制造業(yè)小微企業(yè)園是重中之重。為此，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、深度上云與智慧管理平臺等數(shù)字新基建領(lǐng)域，小微園區(qū)都有著迫切而強(qiáng)烈的需求。目前，小微園區(qū)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息能力有以下難題：

（1）小微園區(qū)目前采用的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式存在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單一的障礙，難以滿足園區(qū)復(fù)雜多變的應(yīng)用場景。

（2）眾多前端設(shè)備因通信成本和信號覆蓋等因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)無線接入。

（3）園區(qū)工業(yè)級專業(yè)應(yīng)用對時延和穩(wěn)定性有更高要求，現(xiàn)有通信基礎(chǔ)資源設(shè)施難以滿足，同時現(xiàn)有無線技術(shù)覆蓋不夠廣。

1.2 5G智慧小微園區(qū)發(fā)展意義

5G技術(shù)的商用，對小微企業(yè)園高質(zhì)量發(fā)展、數(shù)字化轉(zhuǎn)型有重大的推動作用。建設(shè)5G智慧小微園區(qū)，可以加快5G組網(wǎng)技術(shù)、智能制造、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的落地，也有利于工業(yè)級專業(yè)應(yīng)用的孵化和運(yùn)營成本的降低，可以使園區(qū)內(nèi)企業(yè)更全面系統(tǒng)地獲取產(chǎn)業(yè)升級機(jī)遇，如圖1所示。

建設(shè)5G智慧小微園區(qū)可以重構(gòu)“政府-園區(qū)-企業(yè)-員工”關(guān)系鏈，形成正向經(jīng)營業(yè)態(tài)圈，推動園區(qū)向縱深發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，實(shí)現(xiàn)多方共贏。

圖1 5G智慧園區(qū)新技術(shù)圖

2 園區(qū)內(nèi)5G技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 5G技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)和技術(shù)

5G有大帶寬、高速率、低時延的特點(diǎn)，并在體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度等指標(biāo)上有較大突破。

5G接入的理論峰值速率可高達(dá)10 Gb/s，用戶體驗(yàn)速率在100 Mb/s～1 Gb/s之間。5G相對4G，理論速度提升了100倍。

5G的端到端時延可達(dá)到毫秒級，單向空口時延在0.5 ms之下，同時5G的頻譜利用率同比4G顯著提升，提高約3～5倍。在萬物互聯(lián)場景下連接數(shù)密度能夠達(dá)到100萬設(shè)備/km2，5G單一基站可完成高密度的設(shè)備接入，解決前端設(shè)備信號的通信障礙。

總體來說，5G在峰值速率、移動性、時延、頻譜效率、連接數(shù)密度等關(guān)鍵能力相比4G有了長足進(jìn)步，為新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了可能。如表1所示。

表1 4G與5G關(guān)鍵指標(biāo)對比表

2.2 5G定制網(wǎng)在園區(qū)的應(yīng)用

小微園區(qū)內(nèi)應(yīng)用場景眾多，通信需求具有差異化，傳統(tǒng)的3G4G網(wǎng)絡(luò)，甚至5G公共網(wǎng)絡(luò)都無法完全滿足需求。企業(yè)客戶急需可定制的5G專網(wǎng)，來滿足低時延低抖動、云網(wǎng)融合、安全隔離等不同層面的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)用需求。

為此，我們建議實(shí)施基于5G定制網(wǎng)的小微園5G網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案，依托SA架構(gòu)（目前，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通均已宣布全面使用SA模式組網(wǎng)），提供靈活組合的定制策略。

小微園5G網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案：由5G基站設(shè)備、核心網(wǎng)控制面設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理平臺、MEC設(shè)備和終端設(shè)備等組成5G定制網(wǎng)。采用專網(wǎng)和公網(wǎng)共享5G基站和核心網(wǎng)控制面設(shè)備，在企業(yè)園區(qū)的機(jī)房內(nèi)部署本地UDF，通過私有化部署實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園，同時將MEC設(shè)備部署在邊緣機(jī)房，并搭建園區(qū)私有云，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的最有效控制。如圖2所示。

圖2 園區(qū)專網(wǎng)組網(wǎng)方案

2.3 5G網(wǎng)絡(luò)切片在園區(qū)內(nèi)應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)切片有共享切片和獨(dú)立切片兩種類型。5G網(wǎng)絡(luò)切片是通過網(wǎng)絡(luò)功能和特定的RAT設(shè)置組成，分為服務(wù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層，網(wǎng)絡(luò)切片是物理基礎(chǔ)資源設(shè)施上服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)，NFV把設(shè)備分解為軟件與硬件，硬件通過服務(wù)器統(tǒng)一部署，不同的NF組成軟件。然后根據(jù)不同的SLA為園區(qū)個性化的通信服務(wù)選擇合適的基礎(chǔ)物理資源和虛擬資源。如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)設(shè)施上的網(wǎng)絡(luò)切片

園區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)場景的多樣化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)需求的多樣性，所以需要配置不同類型的5G網(wǎng)絡(luò)切片。本文從設(shè)備管理、生產(chǎn)兩大場景著手。園區(qū)管理的設(shè)備主要為攝像頭和各種傳感器，對安全性和可靠性的要求相對較低，故采用共享切片模式，因設(shè)備基本不動所以移動端配置可以忽略，只考慮控制面功能的配置，單獨(dú)部署UDF、SMF和SMF在園區(qū)內(nèi)，NRF、AMF等網(wǎng)絡(luò)功能和eMBB網(wǎng)絡(luò)共享。

在園區(qū)生產(chǎn)場景中，工業(yè)自動控制和無人物對時延、數(shù)據(jù)安全性和網(wǎng)絡(luò)可靠性要求較高，因而可利用5G技術(shù)特性中切片和低時延能力，實(shí)施獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)切片，根據(jù)園區(qū)生產(chǎn)需求進(jìn)行彈性擴(kuò)展。為更好實(shí)現(xiàn)這類技術(shù)，所有必要功能都在云邊緣節(jié)點(diǎn)上實(shí)例化，開放充足接口來支持相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

2.4 5G TSN技術(shù)在園區(qū)內(nèi)應(yīng)用

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是實(shí)現(xiàn)園區(qū)工業(yè)互聯(lián)的重要技術(shù)，主要特點(diǎn)是低時延、高可靠和確定性傳輸。

5G系統(tǒng)在TSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中使用橋接技術(shù)，作為5GS橋，包含UE、DS-TT、NW-TT、UDF和UE之間用戶隧道。UDF對應(yīng)5GS橋，通過DS-TT作為終端側(cè)入口，NW-TT提供TSN出口端口。由DS-TT與NW-TT組成TSN轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)用戶面與控制面之間的交互。如圖4所示。

圖4 5G TSN橋

5G TSN在園區(qū)內(nèi)應(yīng)用場景眾多，包括設(shè)備控制、機(jī)器人控制、AGV控制等。實(shí)現(xiàn)這些場景，時間同步、低時延低抖動是主要考慮因素。

時間同步：實(shí)現(xiàn)時間同步是面向園區(qū)場景的關(guān)鍵能力需求之一。為了實(shí)現(xiàn)5G與TSN的同步，整個端到端5G系統(tǒng)可看作是一個IEEE 802.1AS時間感知系統(tǒng)。有兩個時間同步域，分別為5G時間域和TSN時間域。5G內(nèi)部，5G GM與NW-TT、DS-TT、UPF、用戶設(shè)備側(cè)和5G基站達(dá)成時間同步；只有TSN轉(zhuǎn)換器需支持IEEE 802.1AS協(xié)議并執(zhí)行相關(guān)功能。當(dāng)園區(qū)工業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)需要消除時延抖動時，TSN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時鐘的時間同步，從而進(jìn)行流量調(diào)度。

為了減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩秳雍蜁r延對園區(qū)業(yè)務(wù)的影響，5G TSN解決周期性確定服務(wù)質(zhì)量，結(jié)合時延敏感通信輔助信息，采用保持與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，支持802.1Qbv調(diào)度機(jī)制，以減少抖動。采用延時關(guān)鍵GBR 技術(shù)，提高同步實(shí)時流業(yè)務(wù)調(diào)度優(yōu)先級，降低時延。

2.5 5G+MEC技術(shù)在園區(qū)內(nèi)應(yīng)用

MEC框架設(shè)計(jì)如圖5所示，由系統(tǒng)管理層、主層與外部相關(guān)層組成。MEC平臺組件有位置信息組件、數(shù)據(jù)分流組件等，平臺層是由MEC平臺和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施組成的實(shí)體，是整體架構(gòu)的核心。

圖5 MEC框架設(shè)計(jì)

針對園區(qū)中小企業(yè)面臨的共性問題，MEC的廣泛部署將加速5G通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，MEC在園區(qū)內(nèi)有以下方面應(yīng)用：

（1）隨著智慧園區(qū)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長。在園區(qū)側(cè)部署高分布式的MEC平臺，可以用來設(shè)置應(yīng)用程序和服務(wù)，緩存和處理相關(guān)園區(qū)內(nèi)容。并通過ABR流緩存與協(xié)作緩存來提高效率，使得園區(qū)內(nèi)容加速緩存與分發(fā)，從邊緣提高響應(yīng)能力。

（2）隨著園區(qū)自動生產(chǎn)的需要，低處理能力的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大量出現(xiàn)，AR/VR與智能監(jiān)控等應(yīng)用無法在設(shè)備側(cè)完成處理高密集計(jì)算。將任務(wù)在云端執(zhí)行會導(dǎo)致較大時延。5G+MEC技術(shù)將上述場景的部分任務(wù)卸載到RAN，不需要將任務(wù)上傳到核心網(wǎng)。從而進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)延遲。

3 結(jié)束語

園區(qū)數(shù)字化是智能制造與現(xiàn)代工業(yè)的縮影，本文介紹了小微園區(qū)的現(xiàn)狀，分析了小微園區(qū)遇到的網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)，同時闡述了建設(shè)5G智慧園區(qū)的意義，還從多個維度分析了5G的技術(shù)特點(diǎn)，并根據(jù)園區(qū)特性，推薦了具體5G技術(shù)的在園區(qū)落地的可行性。