面向工業場景的5G專網解決方案研究

董石磊，趙婧博

面向工業場景的5G專網解決方案研究

董石磊，趙婧博

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

5G網絡具有大帶寬、廣覆蓋、低時延等優點，將人與人之間的通信，拓展到人與物、物與物之間的通信，開啟萬物互聯時代，但由于網絡規劃設計及安全、管理等原因，現有5G 2C網絡不適用于行業企業。因此，各大運營商正傾力打造5G 2B專網。特別地，將5G賦能傳統工業，可以促進傳統行業的智慧化、數字化以及網絡化，有效提升生產效率以及生產質量。基于此，在研究5G關鍵技術的基礎上，結合了國內某工廠實際工業場景，探索5G專網與傳統工業制造領域深度融合的解決方案，從而實現工廠智慧化改造。

5G專網；行業應用；智慧工廠

1 引言

相比于4G，5G在速率、時延、可靠性、安全性和連接數等關鍵性能指標方面均有很大程度的提升，能夠更好地面向特定行業實現專網定制，滿足網絡速率、時延、安全隔離等指標的差異化需求，從而驅動垂直行業的快速數字化轉型。但我國現階段的大部分企業仍處于網絡化、數字化、智能化發展水平較低的階段，工廠所用外網很大程度上依賴于公網，無法具體到個性化應用場景[1]。另外，行業用戶和公網用戶對網絡的需求差異明顯，公網的網絡規劃難以服務于行業用戶，所以應通過專網定制為垂直行業提供服務。基于上述背景，本文針對國內某工廠這一實際工業場景，以滿足行業用戶通信需求為基本原則，同時兼顧個性化、靈活、有彈性的設計原則，切實為該工廠提供定制化專網部署方案[2]。

表1 國內外5G工業應用

2 5G行業專網部署現狀

5G的應用場景豐富多樣，如何推動“5G+行業”的整體產業發展是5G應用關注的焦點。現階段，雖然我國各企業應用5G實現數字化、智慧化轉型的積極性很高，但在建設方面仍然面臨著很多挑戰。

2.1 5G行業應用解決方案

目前，傳統網絡方案難以滿足企業日新月異、多種多樣的業務生產需求，國內外5G專網部署工作蓬勃發展，正不斷地向各垂直行業延伸，國內外5G賦能行業專網的部分解決方案[3-4]見表1。

5G正以專屬網絡的形式廣泛部署在工業行業數字化應用場景，利用5G推動生產要素數字化轉型勢在必行，根據用戶對網絡的差異化需求提供定制網絡服務的必要性愈發顯著。

2.2 專網部署面臨的困難

為工業部署5G專網的初衷是彌補當前工業互聯網連接方式的不足，即安全性低、覆蓋范圍有限、性能不穩定、通信標準不統一、運維成本較高等問題。部署5G專網勢在必行，但也面臨以下挑戰。

● 復雜度：將5G賦能于工業，會導致復雜化企業的綜合業務管理系統網絡和工業生產過程的協同合作，增加整體工業生產流程的管理難度。

● 經濟性：將5G應用于工業網絡之前，需要首先升級裝備設施和生產線，目前我國很多企業尚未完成數字化轉型，正處于初期的探索階段，這會導致應用5G時投資成本過高，阻礙“5G+行業”的創新應用進程。

● 成熟度：工業互聯網的需求主要是安全性、可靠性以及差異化3個方面，需要保證行業數據的安全隔離、業務不能出園區/分域管理，保證可供使用的網絡資源、根據不同的業務提供差異化服務，為滿足以上需求需升級改造整體架構、終端、應用等多方面，這對專網部署來說仍然存在不確定性，亟須開展新的行業模式探索。

3 5G專網工廠部署方案

5G網絡憑借高帶寬、低時延、多接入這三大特性，可以為未來的工業互聯網奠定穩定的網絡基石。大多數工業企業希望5G專網可以提供較高的安全性和隱私性、可控的時延、業務優先級的調整控制能力以及較高的覆蓋和容量，從而確保工廠內部的全方位無死角覆蓋[5]。但也不是所有的工業企業均需上述5G網絡的所有特性，5G專網可以根據不同工業場景、生產類型等提供定制化的自由度。據統計，按工業差異化的網絡指標需求，70%的工業場景需求可以由5G網絡提供服務。

3.1 工廠專網部署應用場景

當前該工廠面臨著網絡線路復雜、計算需求不斷增長、網絡建設維護成本高、信息共享困難以及人員成本高等多個痛點問題，傳統的Wi-Fi不僅存在干擾大的問題，網絡時延也難以控制，而且有線網絡線路會導致工廠車間設備布局受限。此次部署5G+MEC（mobile edge computing）定制專網可以使該工廠從生產制造、智慧物流、智慧園區、智能研發、視覺管理等多個方面落地5G應用，貫穿業務全流程，切實為工廠生產制造做到“去機房化、少人化、數據驅動智能應用”。具體來說，主要包括六大典型的應用場景，應用場景及其網絡需求如下。

● 應用5G+AGV（automated guided vehicle）集群調度，AGV不掉線、不停擺，可以自動進行生產線物料配送，穩定可靠連接，從而避免Wi-Fi不穩定導致的業務指令丟包及作業軌跡丟失，提升車間物流效率；該應用場景的網絡需求需實現4萬平方米并發50臺以上AGV，并且保證時延在50 ms以內。

● 應用5G+AGV協同搬運，多AGV協同替代高價單AGV，可以大大降低大件的搬運總成本；該應用場景的帶寬需包含位置、電機狀態、運動狀態、告警等關鍵信息，并且保證時延在20 ms以內。

● 應用5G+4K+AI識別，按需部署視頻監控節點，可以節省施工、維護成本，實現產線全要素智能監控；該應用場景的網絡需求需實現4K高清，單個終端帶寬20 Mbit/s，并且保證時延在100 ms以內。

● 應用5G+機器視覺，通過機器視覺實時上傳，秒級檢驗，可以有效降低人工專業性要求，極大地提升產線焊縫檢測效率；該應用場景的網絡需求需滿足帶寬457 Mbit/s，并且保證時延在350 ms以內。

● 應用5G+機器視覺+AGV，可以實現生產全流程的自動揀選，替代人工揀選，從而減少人工使用，提升效率；該應用場景所需的單個相機帶寬為80 Mbit/s，總約250 Mbit/s，AGV時延在50 ms以內。

● 應用5G+機器視覺+定位，可以適配各種小件，且動作不會老化，使能堆垛車無人自動上下架，可以實現7×24 h作業，降低人工成本；該應用場景所需的單個相機帶寬為80 Mbit/s，3D相機需500萬像素，時延約3 s。

部署5G全連接工廠架構，可以使該工廠實現云網邊端協同，5G專網部署可以跟蹤工廠從鋼板到自動分解再到機器人選型這一整體流程，有效減少廠區現有的網絡線路的復雜和維護成本，利用MEC邊緣云（multi-access edge cloud）可以有效降低服務器的運維成本。

3.2 定制化設備選型方案

在已知專網部署定制化需求的基礎上，本文首先考慮優化網絡設備部署以確保提供高質量可擴展的網絡服務。定制化設備選型需要綜合考慮工廠的各生產要素，需做到全面協調配合，打通工廠內部的全部產業數據鏈。只有從整體系統架構、生產產業鏈、管理等各方面完成定制化設備轉型，5G網絡才能以高可靠性、低時延、多鏈接等特性提供高效、便捷的服務，從而搭建可以滿足工廠生產持續性創新的產業技術平臺體系。該工廠場景部署備選的網絡設備的性能參數見表2。

工廠為滿足不同的生產、調度指揮、人員管理等指定需求，需根據對網絡技術的不同側重選擇相匹配的設備，從而實現從設計研發、制造生產、管理運行這一整體流程的智能化、數字化。該工廠典型的業務主要有數據采集類、生產操作類、監控管理類以及內網辦公類。下面根據不同的業務類別需求，為不同的區域選擇特定的設備類型。

數據采集類業務需要采集工廠各類環境數據、生產數據和運營運維數據，該類業務對設備的需求為可提供連接量大的業務，因此選擇設備2；生產操作類業務負責與生產相關的操作、控制以及管理反饋等內容，需滿足高可靠、低時延、高安全性的技術要求，因此選擇設備2和設備3；監控管理類業務需要保證生產安全、數據獲取權限管理調度及業務檢測等內容，此類業務對帶寬的要求較高，因此選擇設備1和設備2；內網辦公類業務需要滿足上網、實時會議以及內外網之間的通信等內容，同樣地，對帶寬的要求較高，因此選擇設備1和設備2。

表2 設備性能參數

3.3 5G專網組網架構

運營商可以在現有的有線或無線網絡的基礎上，通過部署5G資源向工廠提供定制化按需網絡設計，從而解決現存網絡在實際生產時面臨的局限性。結合該工廠對隔離性、安全性、QoS（quality of service）的要求，該工廠專網部署可以使用公網頻譜作為其專享載頻，工廠內公網與專網可以共享無線側基站，通過控制網元的特殊化定制，為該工廠按需定制大帶寬、低時延、高安全性的專屬化網絡[6]。

5G獨立專網架構示意圖如圖1所示，公網和專網之間共享核心網控制面，同時核心網用戶面下沉到工廠本地網絡，從而做到專網獨享，進而保證工廠內部生產數據僅在內部傳輸的需求。通過本地下沉的UPF（user plane function），工廠無線數據流量可以實現分流，公網的流量可以流向公網UPF，工廠內部流量可以直接流向專網UPF或者MEC承載的應用平臺，而信令流量則可以按需選擇，既可以流向公網的核心網，亦可流向專網獨立的核心網。該工廠專網用戶可以通過使用定制化DNN（deep neural network）的專網卡，其數據流向工廠本地MEC，可以方便地進行網絡運維，管理可接入的用戶權限；而其公網用戶可以通過配備公網DNN的公網卡使用公網的業務服務。該專網架構可以保證該工廠專網部署強調提高數據安全性的設計需求，所有數據能夠滿足廠區內無線移動且不出廠區，而且普通公網用戶沒有權限訪問專網，可以形成獨立的數據采集網絡。

圖1 5G獨立專網架構示意圖

進一步地，該工廠5G獨立專網架構的MEC組網拓撲示意圖如圖2所示，網絡配置方面，可以通過劃分平臺基礎運維管理平面和用戶業務服務平面，部署防火墻實現業務平面及區域的隔離及互訪控制。

在成本方面，該工廠公網和專網共享基站，可以極大地降低網絡部署成本。其次，將部分公網頻段劃分為專網的獨享頻段，可以避免公網與專網之間的頻率干擾，該專網組網架構可以實現工廠內數據的本地卸載以及本地化存儲，可以保

圖2 MEC組網拓撲示意圖

證專網數據傳輸的安全性，實現數據不出園區。同時，由于MEC和UPF的下沉，也可以提供低時延服務，從而滿足該工廠的QoS指標要求。

4 網絡性能評估

5G專網的基本設計要求包括高速率、大帶寬和高容量等，另外還有額外網絡需求包括低時延、低抖動等高性能需求，尤其是工業控制領域的一些生產應用對報文時延和抖動等性能指標有著相對較高的要求。單向的端到端網絡時延是無線空口處理時延、傳輸路徑時延、傳輸設備時延、核心網設備時延、承載網設備時延的總和，其中傳輸路徑時延、核心網設備時延以及承載網設備時延可以通過下沉的UPF和MEC來縮短。端到端網絡時延主要由設備部署、信道狀況、負載數量等決定，5G專網可以通過MEC分流、空口優化等方式提供相對精確的時延保障。為驗證上述專網部署的網絡性能指標，在不同的負荷程度下，對該廠區的網絡時延進行了測試，50%負荷加載時延比例情況見表3，95%負荷加載時延比例情況見表4。在無線側負荷不超過50%的情況下，終端發送短包的時延幾乎不受影響，平均時延在13 ms左右，在無線側負荷接近滿載的情況下，終端發送短包平均時延可控制在30 ms以內，偶爾會出現丟包和時延相對較大的情況。

為進一步驗證時延性能，對該專網長包時延進行了測試，結果見表5。在8 h可靠性時延測試情況下，終端發送1 500包的時延基本穩定，與短期測試結果的差異不大，與短包時延測試結果相近，個別差異為偶然現象，與該工廠自測Wi-Fi在無干擾情況下的平均性能相當，且時延抖動表現更優。而且，經測試，Wi-Fi在初始干擾或有滿負荷加載用戶情況下，短期內對時延和丟包影響嚴重，需要較長時間才可實現多用戶的競爭資源情況的穩定。

表5 5G長包時延對比

表3 50%負荷加載時延比例情況

表4 95%負荷加載時延比例情況

最后，對5G灌包情況進行了測試對比，結果見表6、表7。短期測試時終端上行速率較高，平均速率可達232 Mbit/s。在持續灌包可靠性測試時，終端上行平均速率回落到177 Mbit/s，可在99%情況時上行速率保持在150 Mbit/s以上。經上述時延和終端速率測試，在無線側不同等級負荷情況下，終端發送長包的時延幾乎不受任何影響，終端平均速率基本可以保持在150 Mbit/s以上，顯著優于Wi-Fi城域專線測試結果。

表6 20 min灌包速率統計

表7 6 h連續灌包速率統計

5 結束語

5G低時延、高可靠及大帶寬等特點，為新一輪信息通信技術革命提供了發展方向，將推動工業等各垂直行業的數字化、智能化和網絡化轉型。目前，5G商用化進程正在蓬勃發展，5G網絡建設正在加速推進，5G與垂直行業的融合將成為未來社會發展的關鍵環節。本文在總結當前5G行業應用的基礎上，針對國內某工廠這一實際場景，分析了該工廠對工業專網的需求，提出了專屬化的5G組網方案，并測試驗證了該方案部署的優越性。

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Research on 5G private networking schemes for industry

DONG Shilei, ZHAO Jingbo

Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China

5G network with large bandwidth, and the advantages of wide coverage, low latency, the interpersonal communication, extended to the communication between the people and things, things and objects, open everything connected age, but as a result of network planning and design and safety, management and other reasons, the existing 5G network does not apply to 2C industry enterprises. Therefore, the major operators are striving to build 5G 2B private network. In particular, enabling 5G to traditional industries can promote the intelligence, digitization and networking of traditional industries, and effectively improve production efficiency and quality. Based on the research of 5G key technology, combined with the actual industrial scene of a domestic factory, the solution of deep integration of 5G private network and traditional industrial manufacturing field was explored, so as to realize the intelligent transformation of the factory.

5G private networking, industry application, smart factory

TN929

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021250

董石磊（1980?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為5G行業應用、5G定制網、數字孿生。

趙婧博（1981?），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向為5G定制網、5G行業應用。

2021?07?02；

2021?11?11

董石磊，dongshl@chinatelecom.cn