5G在鋼鐵行業應用淺談

郭亮 陳成 宋海洋 張聰 郗曉法 潘建雙

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司信息計量部，河北唐山 063210）

0.概述

隨著工業互聯網技術的發展，傳統工業無線局域網除了覆蓋范圍有限，存在競爭性和干擾性的問題，Wi-Fi并不能支持海量連接和低功耗連接，在性能上5G技術具有大帶寬、低時延、廣連接的特點，有效地彌補了傳統工業無線的局限性。但實際應用場景中，受廠房封閉、遮擋等環境限制，削弱了5G網絡的穿透力和覆蓋面。5G核心網元異地集中部署，組網結構、傳輸鏈路復雜，數據通訊時延、穩定性不強，也增加了5G網絡應用的風險。現階段5G工業應用模組終端種類不全、設備功能單一，5G網絡與有線網絡融合通訊的難度增大。

針對5G深度應用場景的實際問題，進行了5G部署模式、組網架構、5G與有線網絡融合通信的實踐探索，構建了組網簡單、性能穩定的工業5G應用架構體系。5G深度應用的實際探索場景如表1所示。

表1 5G深度應用的實際探索場景

1.5G無線覆蓋實踐探索

1.1 工業廠房封閉區域常規5G無線覆蓋[1]

在鋼鐵生產現場工業鋼結構廠房封閉、遮擋，加之5G頻點高、波長短、穿透力差、覆蓋性不強，運營商仍采用常規密集安裝室內微型基站PRRU設備進行5G無線覆蓋。其部署模式穩定性差，通信邏輯小區偶發時延高，室內微型基站設備投資大、安裝部署復雜，應用推廣性不強。以某鋼廠冷軋車間庫長189m、寬78m的成品庫為例，庫內部署40臺PRRU微型基站，但實際覆蓋區域內3個邏輯小區端到端時延200ms以上，通訊數據上傳速率約20Mbps，邏輯小區存在強干擾（-85dBm）。

1.2 工業廠房封閉區域5G無線覆蓋探索實踐

針對工業廠房封閉區域常規5G無線覆蓋存在設備投資大、5G網絡性能可用性差等問題，采用對5G基站改進部署、覆蓋區域雙頻混合頻段組網、通訊終端頻段鎖頻，實現由40臺PRRU微型基站改進為3臺AAU 5G基站無線覆蓋，由單頻2.6GHz無線覆蓋改進為2.6GHz和4.9GHz混合頻段覆蓋，并針對不同5G終端采用不同無線5G頻段進行鎖頻，廠房5G設備部署如圖1所示。通過實踐探索技術改進對無線性能測試，小區干擾由-85分貝毫瓦左右降至正常值-105分貝毫瓦以下，無線覆蓋平均參考信號接收功率、干擾信噪比達到較好水平。

圖1 廠房5G設備部署圖

2.5G組網架構探索[2]

2.1 工業園區常規5G組網架構

常規5G組網架構采用工業專網的形式進行5G覆蓋，5G核心采用數據信令面、用戶面運營商異地集中部署，5G無線終端通過復雜的運營商城域環網連接到運營商5G核心，組網架構涉及光纖鏈路跨市、跨省鏈路復雜、光纖傳輸距離長。組網架構復雜度高，在實際應用中5G終端收發數據至應用服務平均傳輸時延24ms，最大33ms，時延大，傳輸過程中易丟數據包、穩定性不強，組網架構如圖2所示。

2.2 工業園區常規5G組網架構探索實踐

在5G工業專網組網下，對于常規組網中的數據通訊穩定性差、架構復雜的情況，探索構建5G組網架構，在園區部署2套UPF（用戶面網元）設備，分別通過不同的鏈路聯通運營商不同地區的5G核心，2套UPF設備互為備份，采用多鏈路通過物理防火墻與廠區內的應用資源池聯通，實現UE（終端）通過5G網絡訪問應用，在實踐中實現數據平均時延9.76ms和較高的數據通訊穩定性。組網架構如圖3所示。

圖3 雙UPF系統組網架構示意圖

在5G實際生產應用過程中，因5G核心SMF、UDM、AMF等網元運營商仍異地集中部署，運營商雖對5G核心系統進行異地熱備。園區5G系統受外部運營商通訊系統影響仍存在較大中斷風險，如某鋼鐵廠在圖4組網架構下發生2次因運營商網絡故障造成園區5G系統全中斷事件。針對應用故障風險，通過實踐驗證探索對核心網架構重構，部署2套輕量化5G核心系統，將關鍵功能網元本地化部署，實現網絡架構、設備配置、運行維護簡單化，系統網元運行、設備運行冗余化，達到了簡單、穩定的5G工業組網要求，如圖4所示。

圖4 鋼鐵園區5G組網架構圖

3.5G無線與工業網絡融合探索

現階段5G工業終端生態不完善，5G無線與有線融合通訊穩定性差、難度大。CPE終端是目前5G無線網絡與工業網絡融合的關鍵設備，在實際應用中，CPE終端經常出現 “假死”、中斷、掉線等故障問題，穩定性較差。CPE設備調試、組網復雜，需采用代碼程序本地化調試，要求維護人員技術水平較高。

對于此種情況實踐探索現階段5G無線有線融合的形式，聯合有關設備廠商開發應用新型5G智能網關終端，將原有的5G終端基于TCP/IP應用接口轉換融合改進為網絡二層、三層隧道技術融合，使用具有功能集成化、設備調試頁面化的智能網關平臺。5G無線與工業網絡融合如圖5所示。

圖5 5G與工業網絡融合示意圖

4.總結與展望

鋼鐵行業系統數據傳輸對5G通訊網絡性能、穩定性要求高，本文通過實踐探索，對常規5G無線覆蓋、5G核心組網模式、5G無線與有線網絡融合形式進行技術改進和效果驗證，構建了簡單、穩定的工業5G系統通訊架構體系。但現階段工業企業應用5G投資大、輕量化核心組網落地難度大的情況依然存在，還需要工業企業、運營商、設備廠商共同推動，優化5G應用商業模式、完善工業通訊組網架構、加快設備終端研發等探索，共同推進鋼鐵行業5G深度應用。