5G 局域網(wǎng)行業(yè)解決方案分析

鄭 巍

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

5G時(shí)代，行業(yè)應(yīng)用的拓展落地成為了新基建助力經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的突破點(diǎn)。從頂層規(guī)劃指導(dǎo)方面，工業(yè)和信息化部為推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)加快發(fā)展，豐富5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，已連續(xù)組織舉辦了4屆“綻放杯”5G應(yīng)用征集大賽。2021年7月，工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦、國(guó)家發(fā)展改革委等十部門聯(lián)合印發(fā)了《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》。從運(yùn)營(yíng)商層面，幾大運(yùn)營(yíng)商紛紛發(fā)布了針對(duì)行業(yè)專網(wǎng)的解決方案。中國(guó)移動(dòng)的為虛擬（V）專網(wǎng)、混合（M）專網(wǎng)和物理（P）專網(wǎng)[1]；中國(guó)電信的為致遠(yuǎn)模式、比鄰模式、如翼模式[2]；中國(guó)聯(lián)通的為虛擬專網(wǎng)、混合專網(wǎng)、獨(dú)立專網(wǎng)[3]；中國(guó)廣電的為推動(dòng)廣電5G融入百業(yè)，鏈接萬(wàn)物。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)看，2020年7月3日凍結(jié)的R16版本中引入了超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、非公共網(wǎng)絡(luò)（Non-Public Network，NPN）、5G 局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）、5G+時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）、5G車用無(wú)線通信技術(shù)（Vehicle-to-Everything，V2X）以及新空口（New Radio，NR）定位等垂直行業(yè)擴(kuò)展功能[4]。

1 為什么引入5G LAN

行業(yè)網(wǎng)絡(luò)里存在大量局域網(wǎng)場(chǎng)景，行業(yè)終端通過(guò)二層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單播或廣播通信。而傳統(tǒng)無(wú)線方案存在僅支持L3互通，不支持L2協(xié)議棧，因此需要部署接入路由器（Access Router，AR）實(shí)現(xiàn)L3和L2的轉(zhuǎn)換，部署復(fù)雜。引入固網(wǎng)網(wǎng)管或者專用隧道管理系統(tǒng)，管理維護(hù)成本高，而增加隧道將導(dǎo)致層級(jí)增加、配置復(fù)雜以及問(wèn)題定界定位更復(fù)雜等痛點(diǎn)。現(xiàn)有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）承載方案如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有PLC承載方案

為簡(jiǎn)化組網(wǎng)和部署復(fù)雜性，3GPP在R16階段進(jìn)行了5G LAN的研究，通過(guò)在5G網(wǎng)絡(luò)里引入5G LAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端在二層或者三層網(wǎng)絡(luò)里互相通信，為企業(yè)提供本地局域網(wǎng)或者虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）業(yè)務(wù)[5]。

2 什么是5G LAN

3GPP在R16階段定義了5G LAN技術(shù)，能夠向客戶提供L3層VPN服務(wù)（IP VRF轉(zhuǎn)發(fā)）與L2層LAN服務(wù)（Ethernet局域網(wǎng)），同時(shí)5G LAN也支持用戶移動(dòng)性、細(xì)分子網(wǎng)以及基于子網(wǎng)的管理能力，這些特性能解決傳統(tǒng)行業(yè)客戶專網(wǎng)中存在的問(wèn)題[6]。5G LAN通信模型如圖2所示。

圖2 5G LAN通信模型

2.1 層二組網(wǎng)

新增以太層，從層三組網(wǎng)到層二/三組網(wǎng)，使能5G進(jìn)入工業(yè)垂直領(lǐng)域。主要特性包括新增L2以太PDU類型，支持L2單播、組播、廣播，兼容L2工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用，支持本地交換和路由表的動(dòng)態(tài)生成以更新，免部署及管理AR企業(yè)路由器，未來(lái)可演進(jìn)到5G TSN確定性網(wǎng)絡(luò)[7]。層二組網(wǎng)示意如圖3所示。

圖3 層二組網(wǎng)示意

2.2 專網(wǎng)管理

專網(wǎng)管理如圖4所示。讓5G專網(wǎng)的管理與有線專網(wǎng)一樣便捷，主要特性包括5G LAN組簽約、管理及多VLAN管理。基于5G LAN組及VLAN的隔離，支持協(xié)同企業(yè)動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP），分配固定IP，企業(yè)Portal支持企業(yè)自管理，靈活的開通配合運(yùn)維管理。

圖4 專網(wǎng)管理示意

2.3 跨域連接

跨域連接如圖5所示，支持跨區(qū)域漫游和隨時(shí)隨地接入，主要特性包括R16標(biāo)準(zhǔn)新增A-UPF間N19接口，單模光纖（Single-Mode Fiber，SMF）下實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的園區(qū)互聯(lián)[8]。

圖5 跨域連接示意

3 5G LAN在行業(yè)專網(wǎng)中的應(yīng)用思考

3.1 替代WiFi做園區(qū)覆蓋

目前，在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，通常要建設(shè)多張煙囪式物理網(wǎng)絡(luò)，包括生產(chǎn)WiFi、辦公WiFi等，不僅建設(shè)成本高，而且管理維護(hù)復(fù)雜。依托5G LAN能力，可以建設(shè)覆蓋全國(guó)的5G園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，靈活劃分多個(gè)虛擬局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)多園區(qū)統(tǒng)一管理和互聯(lián)互通[9]。以5G LAN一張網(wǎng)簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、節(jié)約了部署成本。基于上述特性，在校園網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)以及家庭網(wǎng)場(chǎng)景下，5G LAN的解決方案可以做到私網(wǎng)新增設(shè)備不局限時(shí)間與位置，保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)一致性。

3.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)二層通信替代

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，使用5G取代有線以太網(wǎng)連接，提供高可靠、低時(shí)延保障。通過(guò)5G提供L2層LAN服務(wù)和L3層VPN服務(wù)，支持二層、三層互通，解決了原先5G只支持三層通信問(wèn)題。5G LAN無(wú)需增加AR路由進(jìn)行層二到層三的轉(zhuǎn)換，無(wú)需運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)配置隧道，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)解耦，同時(shí)支持多個(gè)虛擬局域網(wǎng)，更便捷地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離。通過(guò)N19端口支持跨地域私網(wǎng)互聯(lián)，各分支機(jī)構(gòu)通過(guò)5G LAN隨時(shí)隨地接入內(nèi)網(wǎng)，替代傳統(tǒng)的專線，可以滿足各種場(chǎng)景需求。

5G LAN技術(shù)在即插即用、跨域組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)確定性等方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)、工業(yè)PLC等各種領(lǐng)域都具有非常廣闊的發(fā)展前景。

以5G LAN一張網(wǎng)絡(luò)替代多張物理網(wǎng)絡(luò)，不僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)化提升了網(wǎng)絡(luò)效率和產(chǎn)線可用性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)成本和維護(hù)成本的同步下降，是5G賦能工業(yè)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

4 5G LAN落地案例分析

目前，幾大運(yùn)營(yíng)商已開始結(jié)合R16新特性迭代更新專網(wǎng)產(chǎn)品，其中與5G LAN相關(guān)的應(yīng)用也有實(shí)際落地。相關(guān)案例的成功，開啟了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新篇章，為未來(lái)其他智能制造場(chǎng)景接入5G LAN打下基礎(chǔ)。

4.1 中國(guó)聯(lián)通

在2021合作伙伴大會(huì)上，中國(guó)聯(lián)通發(fā)布了5G行業(yè)專網(wǎng)產(chǎn)品體系2.0，即“5G專網(wǎng)PLUS”[10]。中國(guó)聯(lián)通聯(lián)合重慶長(zhǎng)安汽車和華為，依托5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，推動(dòng)了基于5G LAN的技術(shù)落地，將5G LAN能力融入汽車生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)，直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的二層互通，無(wú)須增加AR設(shè)備，不需額外增加配置和維護(hù)負(fù)擔(dān)，保持內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用不變、拓?fù)洳蛔儭⑴渲貌蛔儯屔a(chǎn)線上的設(shè)備真正擺脫線纜束縛，更加靈活。

在總裝車間，操作者通過(guò)Andon系統(tǒng)上報(bào)工位情況，包括裝配質(zhì)量問(wèn)題、線邊物料供應(yīng)以及生產(chǎn)設(shè)備告警等。在有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，產(chǎn)線調(diào)整需要重新布線影響生產(chǎn)效率，而且層三的5G網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營(yíng)商規(guī)劃，需要手工增加互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）系統(tǒng)側(cè)到客戶前置設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）的路由，無(wú)法做到即插即用。通過(guò)引入5G LAN技術(shù)，解決了Andon系統(tǒng)柔性化問(wèn)題，減少產(chǎn)線調(diào)整的停線時(shí)間，提升生產(chǎn)效率，也可以沿用原PLC、服務(wù)器組網(wǎng)規(guī)劃及IP配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的即插即用與快速響應(yīng)。

5G LAN技術(shù)在長(zhǎng)安汽車的實(shí)踐全方位驗(yàn)證了其在工業(yè)控制層的技術(shù)可行性和生產(chǎn)可用性，打造了汽車制造領(lǐng)域跨域5G專網(wǎng)標(biāo)桿案例。

4.2 中國(guó)移動(dòng)

2021年12月，浙江移動(dòng)寧波分公司在愛(ài)柯迪股份有限公司里完成了5G LAN工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)商用測(cè)試。該5G LAN工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由浙江移動(dòng)、寧波移動(dòng)、華為技術(shù)有限公司共同打造，集愛(ài)聯(lián)科技、中微普業(yè)、塔網(wǎng)科技等產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴之力，商用測(cè)試成功標(biāo)志著基于5G LAN打造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向成熟商用又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，將進(jìn)一步引領(lǐng)5G使能智能制造發(fā)展。

前期中國(guó)移動(dòng)已為愛(ài)柯迪進(jìn)行了5G專網(wǎng)改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“有線+WiFi”網(wǎng)絡(luò)的整體替代，打造為了全5G智慧工廠。但前期5G專網(wǎng)解決方案中，運(yùn)營(yíng)商與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)存在耦合，涉及超500條隧道數(shù)據(jù)配置，同時(shí)制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）終端需要進(jìn)行開發(fā)適配，需要運(yùn)營(yíng)商、MES廠家、企業(yè)等多方協(xié)同，方案部署難度大，調(diào)整周期長(zhǎng)。

基于R16版本的新特性，浙江移動(dòng)與愛(ài)柯迪公司再次聯(lián)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面升級(jí)，主要是通過(guò)入駐型5G MEC提供5G LAN二層通信，基于5G LAN技術(shù)構(gòu)建MES終端和MES服務(wù)器間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，打造一張5G極簡(jiǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，讓運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)完全解耦。MES終端與服務(wù)端通信免隧道配置，免AR路由，IP靈活修改，下掛設(shè)備即插即用，更方便地動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)線。

5 結(jié) 論

行業(yè)應(yīng)用是5G發(fā)展的新藍(lán)海，從R16的主要功能來(lái)看，uRLLC、5G+TSN、NPN、5G LAN、5G V2X以及NR定位都為行業(yè)應(yīng)用量身定做，來(lái)滿足不同層面的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中對(duì)行業(yè)專網(wǎng)特性的要求。基于5G LAN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將成為構(gòu)建智慧工廠、柔性生產(chǎn)線的利器。在5G LAN等創(chuàng)新能力的加持下，5G專網(wǎng)將成為垂直行業(yè)推動(dòng)5G創(chuàng)新應(yīng)用、提升生產(chǎn)效能以及提速數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新引擎，賦能千行百業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級(jí)。