基于工業場景應用的WIA-FA與5G融合解決方案

孫 超，蘇 郁，楊雨沱，張小松，梁 煒

(1.電子科技大學 網絡空間安全研究院，四川 成都 611700；2.中移(成都)信息通信科技有限公司，四川 成都 610200;3.中國科學院沈陽自動化研究所 工業控制網絡與系統研究室，遼寧 沈陽 110169)

0 引言

在信息與通信技術(Information and Communications Technology，ICT)的推動下，智能制造已經成為新一輪工業革命的核心驅動和戰略焦點。其中，網絡技術是工廠智能化的重要支撐技術，是實現設備間與系統間互聯互通的前提，接入技術則是網絡技術的基礎部分。工業互聯網(Industrial Internet of Things，IIoT)是工業3.0向工業4.0演進的重要標志。工業 4.0的一個趨勢是將原有的有線設施更換為無線設備[1-2],接入技術的無線化，可以提高網絡的可擴展性、靈活性和移動性，也方便未來網絡的升級、節約成本[3]，是當前接入技術發展的主要趨勢。無線接入具有以下優勢：首先，無線網絡可支持智能工廠的泛在感知，支持工廠全流程、全生命周期管控；其次，無線網絡以其靈活方便等特性成為實現工廠柔性重組的必然選擇，對推進制造業由傳統大批量生產模式向工業 4.0 時代的個性化生產模式轉變，具有重要意義；此外，無線網絡解決了工廠有線網絡所面臨布線與維護成本高、移動性與靈活性差等難題，在提升生產效率、提高產品質量、降低生產成本等方面將發揮重要作用。

2020年4月，國家發改委提出新基建主要包括三類：① 信息基礎設施，如5G、物聯網、人工智能等；② 融合基礎設施，即新技術和傳統基建的融合，比如智能交通系統、智慧能源系統等；③ 創新基礎設施，即用于支持科技創新的基礎設施，比如大科學裝置、科教基礎設施等[4]。5G與云計算、大數據、物聯網、人工智能等數字經濟領域深度融合，連接人、機、物，將形成新一代信息基礎設施的核心能力，推動制造走向智能。

5G技術是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統之后的延伸，通信帶寬能達到Gbit/s量級，空口時延最低為1 ms。基于其卓越的通信性能，除商用移動通信應用外，5G技術在交通、工業等領域仍具有廣泛的應用價值。我國《“十四五”智能制造發展規劃》中著重對工業無線技術的應用提出需求，包括加快創新研發5G等新技術在典型行業如質量檢測、過程控制、工藝優化、計劃調度、設備運維、管理決策等工業領域的適用性技術；推進新型創新網絡建設，實現泛在感知、數據貫通、集成互聯；覆蓋加工、檢測、物流等環節，推動設備聯網和生產環境數字化連接。但是，現階段無線環境無法提供有限傳輸那樣可靠且高速的傳輸，因此，如何為工業場景提供高可靠、低時延的傳輸環境是5G網絡的一個研究熱點[5]。

1 適合工業場景無線技術分析

中國是傳統的“工業大國”，據中國工業和信息化部2022年2月23日發布《關于促進工業經濟平穩增長的若干政策》，2020年疫情暴發以來，中國工業扛起“穩增長”重任，2020年和2021年對GDP增長的貢獻率一直保持在36.5%以上，較2019年大幅提升9.6個點，成為推動經濟穩定恢復的重要支撐。但是疫情的爆發也使得工業企業面臨原材料供應、勞動力不足等諸多挑戰，并且在疫情的倒逼下，催生了虛擬團隊、無接觸經濟等新型業態，加速了傳統工業向數字化、智能化轉型。

工業數字化和智能化轉型需要工廠實現智能化改造，來實現遠程控制、自動化生產等作業目標。如工業機器人的部署，利用人工智能等技術代替人工操作，可以提升工業生產效率；通過數字化平臺的部署打通企業內部之間、產業鏈上下游的工作協同，實現資源的智能化調度，降低企業生產和運營成本。其中工業機器人的部署、機器的遠程控制都必須依托于無線網絡實現。

1.1 工業場景下5G技術應用面臨的問題

5G網絡雖然能夠覆蓋工業場景中的無線通信需求，但中國工程院院士、未來移動通信論壇理事長鄔賀銓多次在技術論壇上表示，目前5G的應用依舊并沒有針對ToB的應用做重點研究，而是將ToC的系統架構和設備直接搬到了車間場景，所以在低時延、可靠性和維護性方面依然面臨著一系列困境。需要朝以下方向繼續演進：

① 工業應用場景需求多樣。5G網絡的優勢更側重于大帶寬、高并發的數據通信，而一些工廠自動化類應用大量存在開關量等控制數據傳輸的需求，呈現出小數據、低時延、高可靠等特點[6]。5G網絡空口時延最低可達約1 ms，但這是無線端的時延，并不是車間控制層面要求的端到端的低時延。

5G網絡端到端傳輸時延受基站中轉、運營商網絡中轉等制約，只能達到平均幾十毫秒級，難以滿足工廠自動化中控制數據的通信時延要求。

② 5G網絡本身既有終端又有基站，還有核心網，鄔賀銓院士指出：“絕不能把現有公眾網的這套方案直接搬到企業里面，未來放在車間的基站應該是輕型基站，因為不需要那么多的能力”。在工廠車間中存在大量的傳感器、執行器等應用節點，5G CPE終端設備通常體積較大，在工業現場不便于大范圍使用[7]。

③ 工業車間控制要求高可靠性，但是在車間里面，可能終端到基站的距離不太遠，信道是多個同時性，達不到互補和差異。在工業車間內，如果單基站損壞，如何繼續保證高可靠而且能夠免維護或快速維護，這是工業車間和現有公眾網要求不同的地方。

④ 工業現場5G技術應用發展成本較高。目前普遍的應用方式包括運營商公網公用、運營商公網專用、專網專用部署等三種方式[8]。其中，5G專網專用的建設方式可能存在成本較高問題，且在實際使用中，一些特殊要求領域，如果采用非專網方式建設，數據會通過運營商的網絡，可能會引發商業秘密信息和其他敏感信息的保護等問題。

⑤ 目前5G標準在工業應用的標準量化程度上并不十分準確，在R16、R17之后，還需要繼續演進，針對工業場景的產品形態還會發生變化。5G專網使用的頻段、建設方案、標準等還需要有關部門進一步明確規范。

綜上，基于工業應用領域特殊場景、5G專網政策、使用成本以及數據安全等因素，現今的5G網絡并非適用于工業應用的所有場景。工廠車間內部大量傳感器、控制器以及移動設備間的互聯更適合結合應用無線局域網通信技術[9]，無線局域網的低成本、易部署及其通信私密性等特點能夠彌補5G網絡在工業現場應用的弊端，但現場級無線局域網又存在頻譜易受干擾及覆蓋、容量受限等問題，所以需要考慮一種現場級高安全無線局域網與5G專網融合的互補方案。

1.2 工業場景下無線技術對比

目前，工業場景中主流的高速無線局域網方案包括WiFi、WAPI以及WIA-FA技術。其中，WiFi與WAPI技術均基于IEEE802.11通信協議，WAPI是在IEEE802.11協議的基礎上增加了安全鑒別協議，WIA-FA(Wireless Network for Industrial Automation-Factory Automation)技術為中國科學院沈陽自動化研究所牽頭研制的面向工廠自動化的工業無線網絡通信技術[10]。表1為幾種無線通信技術的技術指標對比[11-12]。

表1 無線技術指標對比

由表1可以得出，WIA-FA技術高實時、高可靠的特性更適合應用在工廠場景自動化通信中。此外，其自主可控協議、短距離的電磁控制以及國產加密算法集成等功能更適合應用于特殊行業。5G技術高帶寬、遠距離傳輸的特性更適合于室外遠程傳輸，例如生產企業各個車間、工作站之間的大數據交互，或辦公手機對生產狀態信息的遠程訪問等。

綜上，5G技術與WIA-FA技術分別是廣域網與工業無線局域網領域的技術領跑者，二者在工業場景下的應用均有各自優勢。本文面向工業應用場景融合5G與WIA-FA各自技術優勢，探索形成整體工業無線解決方案的可行性。

2 WIA-FA與5G融合關鍵技術分析

本文根據WIA-FA網絡的拓撲架構與典型5G網絡應用架構設計了網絡融合方案。針對工廠應用場景具有車間內固定封閉區域無線接入和廠區室外無線接入兩種不同使用環境的需求情況，可設計不同無線接入方案，滿足各類應用場景需求。

2.1 僅在工業車間內使用的設備融合接入方案設計

僅在工業車間內部使用的設備可只配備WIA-FA無線模塊，WIA-FA在車間內無線局域網絡典型應用架構如圖1所示，包括一個中心及若干現場設備，中心由一個網關設備及一或多個接入設備組成，現場設備可以在多個接入設備覆蓋區域間漫游通信。

融合網絡方案下的車間WIA-FA網關設備需要集成5G CPE的部分功能，既能夠實現與5G網絡的高速通信又能夠按照典型WIA-FA拓撲結構與接入設備連接，實現WIA-FA無線網絡的數據互通與網絡管理。集成5G功能的WIA-FA網關設備設計方案如圖2所示，截取5G數據鏈路層中的數據報文，并通過MAC地址、IP地址以及網絡協議等信息對數據進行過濾，只將與車間現場網絡相關的數據傳送至協議轉換模塊。協議轉換模塊負責去掉5G MAC層數據包頭，并根據地址信息添加基于WIA-FA協議的數據包頭，最后通過以太網接口將數據傳輸至WIA-FA接入設備，實現5G數據與WIA-FA數據的互聯互通。

圖2 WIA-FA網關設備集成5G技術

融合后的數據業務流程為：帶有WIA-FA無線模塊工業設備通過WIA-FA接入設備AD(Access Device)后，將數據匯聚到WIA-FA融合5G無線網關，通過5G基站接入5G核心網，核心網UPF網元與園區應用服務器對接，最終數據流通過WIA-FA、5G網絡匯入應用服務器，其連接示意圖如圖3所示。

圖3 工業車間內 WIA-FA與5G融合網絡架構

2.2 車間內和廠區室外使用的設備融合接入方案設計

在工業場景車間內部與廠區室外具有同時使用需求的設備，可在設備上配備WIA-FA和5G兩種通信模塊，通過這兩種模塊，可實現設備在車間內部需要實現端對端低時延、高可靠性控制時，采用WIA-FA協議進行無線通信控制，在車間室外廠區內開闊地帶通過5G基站直接進行數據回傳，保證數據傳輸的連續性，確保業務無中斷。其技術架構如圖4所示。

圖4 車間內部和廠區融合網絡技術架構

融合后的數據業務流程為：終端同時具備WIA-FA與5G模塊，在WIA-FA覆蓋區域時，接入WIA-FA網絡，WIA-FA網關數據也可接入5G網絡。在5G覆蓋區域時，通過5G基站接入5G網絡。其連接示意圖如圖5所示。

圖5 車間和廠區內WIA-FA與5G融合網絡架構

多樣化的產品形態和靈活的接入方式，在廠區內等開闊地帶可充分發揮5G網絡長距離、高帶寬的技術優勢。在車間內部采用低時延、高可靠、部署靈活、易維護的WIA-FA網絡實現工業設備間的高性能控制和數據互通。

2.3 設備數據安全機制分析

WIA-FA網絡的安全方案可根據企業實際需求，采取獨立的高安全方案，如符合商用密碼要求的硬件加密認證體系等。可建設獨立的安全管理中心，由數字證書系統與集成服務器密碼機的密鑰管理系統組成，其中數字證書系統負責各種車間內設備數字證書簽發、更新以及注銷全生命周期管理，密鑰管理系統負責各種設備對稱密鑰的全生命周期管理，包括密鑰生成、密鑰更新、密鑰存儲、備份與追溯、刪除與銷毀等功能。WIA-FA網關設備、接入設備以及現場設備均集成基于國密算法的密碼模塊，實現數據加密、網絡認證等功能。車間內部獨立加密安全方案如圖6所示。

圖6 WIA-FA工業無線網絡獨立安全加密方案

5G網絡有其標準的安全架構，在3GPP 5G安全標準《5G系統安全架構和流程》中規定：在安全分層方面，分為傳送層、歸屬層/服務層和應用層，各層間相互隔離；在安全分域方面，5G安全框架分為接入域安全、網絡域安全、用戶域安全、應用域安全、服務域安全、安全可視化和配置安全六個域[13]。所有的安全保密方式全部要依托于整體網絡和系統的能力。在5G原生安全的基礎上，還可以采取控制面和用戶面的雙安全增強進一步提升安全能力，如采用5G輕量化核心網進行物理隔離、控制面用戶接入認證的國密算法替換、用戶面數據的IP層加密安全增強等[14]，這些5G專網的安全增強措施，可以使得用戶的5G專網更加安全可靠。

采用WIA-FA與5G網絡融合方案能夠大幅減少SIM卡在車間現場的部署，減少中心基站的負載，同時為保證企業生產現場數據控制在企業內部，兩個網絡間的協議轉換由WIA-FA網關完成。此外，結合5G網絡的安全增強措施，使融合方案更加安全可靠。

2.4 兩種網絡接入切換和QoS保證技術分析

WIA-FA與5G融合網絡中，還需要解決工業設備在5G網絡中的QoS保證和工業終端在5G網絡和WIA-FA網絡之間的切換等關鍵問題。

工業設備在5G網絡中的QoS保障，可分為基于用戶的識別和基于IP地址識別，其中為了保障采用WIA-FA無線網絡接入5G網絡工業設備的高優先級低時延，可根據用戶ID識別，在PCF側為該用戶的所有用戶配置高優先級5QI，進一步，如果對該終端下業務進行細分的話，還可以根據目的IP地址進行識別，匹配高優先級的5QI[[15]。另外，基站的空口資源也可以做到用戶級別的RB資源預留。這些都能夠保證采用WIA-FA無線網絡接入5G網絡工業設備在5G網絡里的高優先級，達到WIA-FA設備低時延傳輸的目的。

當一個終端同時包含WIA-FA與5G雙模塊，可以依賴于終端的雙連接來實現。終端根據測得的兩種網絡之間的信號強度，結合管理系統對于兩個網絡實時鏈路的狀態監控，實現WIA-FA網絡與5G網絡之間的快速切換。

3 前景展望

作為兩種無線通信技術，WIA-FA與5G有各自的功能和優勢，從部署成本、應用場景要求和后續維護優勢等方面來看，在工業生產領域都需要WIA-FA與5G進行深度融合。從工業場景要求來看，WIA-FA可以很好地滿足無抖動的低時延、快速部署、高安全、高可靠的工業關鍵場景的控制要求[16]，同時在部署成本、日常運行能耗和維護管理成本及應急響應抗風險方面具有較大優勢。

但隨著工業的發展，對于廠區內室外無線覆蓋的拓展、用戶數的大量新增、跨區域無線通信的聯合協同等需求到來，就需要通過與5G的融合來實現。本文提出的工業場景下無線通信的WIA-FA與5G融合解決方案充分汲取了兩種網絡的技術優勢，如：

① 融合部署方式保證了車間內工業現場端到端應用控制的高實時性、高可靠性以及高安全性，又能夠在廣域范圍內利用5G網絡高帶寬、大容量以及遠距離的優勢打通廠區間的數據互通，實現跨區域協同作業。

② WIA-FA無線局域網在車間內部具有低成本、易部署的優點，同時可根據車間設備的增加靈活地對網絡進行擴充。由于網絡的日常管理和維護均可以在車間層面解決，不需要依靠核心網設備，所以后續的運行維護難度和應急響應抗風險能力也大大增加。在車間內采用WIA-FA無線局域網可極大緩解5G網絡在固定區域內專網的部署成本高和維護難度大的問題。

③ 通過數據控制，可將車間內工業現場數據控制在WIA-FA無線局域網內部傳輸，并針對數據敏感程度采用不同的安全加密防護措施，更好地保護企業工業生產相關數據安全。

WIA-FA與5G網絡融合部署方案是目前工業場景下實現企業內設備-系統-人互聯互通的最優方案，結合此方案中基于國密算法的高安全機制，是航空、航天、船舶、武器裝備制造等重點行業智能化升級改造的基礎。因此，對于高安全、低時延、高保密、大并發的工業場景，WIA-FA與5G的融合組網將成為未來的發展趨勢。

4 結束語

本文分析5G網絡在工業場景下應用的痛點以及WIA-FA網絡的技術優勢，提出了一種WIA-FA網絡與5G網絡融合的解決方案，結合兩種網絡的優勢提出網絡架構、數據互通關鍵技術以及安全機制，可有效地對5G網絡技術在室內場景應用進行補充，降低了5G網絡建設的投資部署成本和維護難度，并提供了更高的室內覆蓋密度、更低的無線傳輸時延保障和更高的可靠性，形成了能夠實際落地并切實解決企業智能化升級難題的無線互聯解決方案。