5G智能工业应用网络解决方案初步探讨

肖荣军 王 清 杨 健

中国移动通信集团江苏有限公司

0 引言

2020年5G网络和业务加速发展，除大众市场外，深化5G应用的关键是面向垂直行业，培养海量的垂直行业应用。5G组网有独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两种方式，深化5G应用只有采用SA方式，才能进一步发挥出5G网络的技术性能优势。在国际电联5G R16标准正式确定之后，更要重点加快独立组网的5G网络建设。本文针对工业网络现存问题，分析5G关键指标和应用场景，结合边缘计算（MEC），在现阶段5G独立组网模式下，给出将5G技术落地智能工业应用的解决方案，并对不同的网络部署方案进行分析。

1 工业网络现存问题

发展智能工业需要将具有环境感知和智能计算能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、新一代移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能化的新阶段。然而，当前运行中的工业信息网络存在以下问题：

（1）有线为主，妨碍柔性发展

车间内设备多为有线连接，有线布线成本高、周期长、走线难，导致企业无法根据需求快速移动设备、调整产线布局，影响产线柔性。由于没有可靠的无线网络，机器人的研发大量集中在硬件电路控制。如果能实现机器人软硬解耦，控制部分改为软件，移植到边缘网络，将会大大加快研发和迭代效率，降低成本。

（2）无线为辅，干扰、可靠性和覆盖难解决

WiFi网络是现在工厂主要的无线覆盖手段。但WiFi除了存在不抗干扰、可靠性差的问题以外，还存在覆盖面积小、接入容量有限、移动范围有限等问题。智能终端、机器人不能出门、易失联，WiFi手段影响了产线自动化和活动范围。

（3）多为私有网络，安全优先但难互通

多数工厂都采用私网模式，网络必须自主、可控，格外重视数据安全。网络封闭造成数据难以互通，私有网络技术升级难度大。各厂家早期各自研究相关规范，互通、维护均难以协调；产线集成周期长，上线后数据采集成为难点，自动化智能化难以实现。

5G网络的高速率、低时延、大带宽的特性可有效解决上述问题。在组网上通过5G网络用户面（UPF）下沉和部署边缘计算，为工业互联网的泛在连接、精准控制、多媒体交互拓展更多应用场景，提供基础平台，有利于实现柔性生产，完成多路高清视频回传，低延时的计算和控制助力工业设备和系统技术升级，实现生产过程的自动化、智能化、高效化。

2 5G关键指标和应用场景

首先回顾一下5G网络的关键指标和应用场景。众所周知，3GPP定义了5G应用三大类场景：eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（大规模物联网，更多地称为海量低功耗连接）、uRLLC（低时延高可靠连接），如图1所示。

eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对用户体验等性能的进一步提升，主要还是追求人与人之间极致的通信体验。mMTC和uRLLC同是物联网的应用场景，mMTC提供对海量用户的支持并保障数以亿计的设备安全接入网络，实现“万物互联”；uRLLC主要满足物与物之间的通信需求，空口最小时延达到1ms，可靠性>99.999%。

图1 5G应用三大场景

与4G比较，3GPP提出可以从八种关键指标的提升直观体现5G的关键能力，八种关键指标的具体要求和与4G的比较情况如下：

峰值速率（Peak data rate）：每个用户/终端在理想状态下所能达到的峰值数据传输速率。5G要求最高达到20 Gbit/s，而4G要求为1Gbit/s。

用户体验速率（User experienced data rate）：每个用户/终端在大多数情况下能达到的平均数据传输速率。5G要求最高达到100 Mbit/s，而4G要求为10 Mbit/s。

时延（Latency）：无线网络引入的数据从发送端到接收端的传输时延，5G要求最短达到1ms，而4G要求为10 ms。

移动速度（Mobility）：在满足定义的QOS和无缝切换条件下所能达到的最大终端移动速度，5G要求最高达到500公里/小时，而4G要求最高达到350公里/小时。

连接密度（Connection density）：每单位区域（1平方公里）所能满足的最大连接数或接入终端数，5G要求最高达到106，而4G要求最高达到105。

网络能耗效率（Network Energy efficiency）： 从网络侧和终端侧两方面，5G最大达到4G的100倍。

频谱效率（Spectrum efficiency）：每单位频谱资源所传送数据的效率，5G期望达到4G的3倍。

密集区域容量（Area traffic capacity）：每地理区域的流量容量，5G要求支持达到10 Mbit/s/m2，而4G为0.1 Mbit/s/m2。

三大应用场景对5G的八种关键指标的侧重程度不同，如图2所示。

图2 三种场景的关键指标侧重程度

从图中可以看出，uRLLC是针对时延和移动速度均有特别高要求的应用场景，例如自动驾驶应用；mMTC重点侧重于连接密度特别大的场景下应用。虽然uRLLC和mMTC面向物联网，但是这两种场景目前的成熟度低，mMTC在国内未进行推广。因此，在现阶段，满足eMBB场景也可以综合体现速率高、时延低的5G网络优势，可满足工业大部分场景下的需求，在面向垂直行业方面可先行落地应用，积累经验，并随着uRLLC的发展，进一步拓展应用领域。

3 5G SA+MEC解决方案

运营商在向企业提供5G解决方案时，出于企业对网络专网专用的需求，一般会倾向于采用SA组网解决方案，利用SA组网对网络切片的支持，同时配合部署MEC，满足工业场景各种智能应用的部署和对网络性能的要求。在整个项目解决方案中，运营商可采用以下两种模式：

基础模式：由运营商建设5G网络和边缘云，提供网络解决方案，客户自行部署应用。

平台模式：由运营商建设5G网络和边缘云能力IaaS/PaaS+应用+运维服务+集成服务，提供分层的云服务能力。IaaS以运营商自主提供为主，PaaS和行业应用采用自主和合作研发并重。

现阶段，运营商可从基础模式切入，积极向平台模式拓展，引入更多硬件、软件、应用提供商，降低项目成本，逐步打造5G应用生态体系。

3.1 网络切片

在4G网络中，运营商提供APN业务，向客户提供虚拟专网服务。而在5G网络中，提出了“网络切片”的概念，网络切片是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，每个虚拟网络之间（包括网络内的设备、接入、传输和核心网）逻辑独立，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他虚拟网络。

5G网络切片可以提供定制化网络能力、相互隔离、质量可保证、逻辑隔离的端到端网络，包括接入网、传输和核心网。

5G网络切片提供了全新的特性：

（1）多样的定制性：网络能力可定制、网络性能可定制、接入方式可定制、服务范围/部署策略可定制。

（2）隔离性/专用性：切片服务于特定的应用场景，不同切片之间相互隔离，互不影响。

（3）质量可保证：按照垂直行业需求，满足其SLA服务质量要求。

（4）统一平台：网络切片将基于NFV/SDN的统一基础设施灵活、按需构建。

端到端网络切片由无线网侧网络切片、传输网侧网络切片、核心网侧网络切片组成。目前，核心网侧网络切片已具备落地应用条件，端到端网络切片还在发展中，实际网络部署并不成熟。

3.2 边缘计算

边缘计算（MEC，Multi-access Edge Computing）是在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础设施，并为边缘应用提供云服务和IT环境服务。该技术的优势主要有：

（1）减低传输时延，数据处理更快

通过将服务器下沉部署在靠近用户和终端设备的边缘，解决了垂直行业中时延过长、汇聚流量大等问题，为实时性和带宽要求较高的业务提供更好的支持。

（2）网络带宽需求降低，抑制网络阻塞

随着联网设备的增多，网络传输压力会越来越大。而边缘计算的引入，5G网络通过用户面功能UPF在网络边缘的灵活部署，实现了数据流量本地卸载，减少了用户与远端服务器的数据交换，因此也不需要占用太多网络带宽。本地的数据处理，减少了大量数据传输带来的网络压力。

（3）数据隐私保护能力增强

数据的收集和计算都是基于本地，不再被传输到云端，因此重要的敏感信息可以不经过外部网络传输，能够有效避免传输过程中的泄漏。

（4）网络开放性增强

移动网络能力通过标准化接口开放给边缘计算平台，可供第三方应用调用。这些移动网络能力包括无线网络信息服务、位置服务、QoS服务等。

3.3 两种UPF/MEC部署方案

5G组网架构中将用户面功能分离并下沉，具有很多优点，在具体部署时，可针对不同场景按照UPF下沉的层次分为两种部署方案：

方案一：将UPF/MEC部署到用户侧，直接部署在用户机房内，组网如图3所示。

图3 UPF/MEC企业园区部署方案

将UPF/MEC下沉部署到用户侧，具有以下特点：

（1）每用户独立建设UPF/MEC，投资大，对用户侧机房环境要求高，后期UPF/MEC现场维护需要进入用户端现场。

（2）可满足用户打造5G企业专网的要求，降低数据传输时延，真正做到数据“物理”不出园区（基站→传输→园区MEC→企业网络）。

（3）运营商可利用MEC+MEP集成企业第三方应用，增强业务粘性。

（4）由于核心网元UPF下沉，运营商核心网络延伸，网络安全防控难度大。

该部署方案可针对高要求高价值客户，与客户接触点多，项目合作密切程度高，难度大，投资大，但项目如果成功，客户粘性强。

方案二：将UPF/MEC部署到地市级或区县级运营商自有机房中，可多个客户共享物理资源，实现网络逻辑隔离。其特点是：

（1）项目容易复制，可批量推广，自有机房中资源部署完毕后，后续每个项目投入少，业务开通速度快。

（2）自有机房内机房条件好，设备运行更稳定，易于维护。

（3）更适合于运营商为主导的平台模式。

（4）企业网络和UPF/MEC间需增加数据专线实现网络互通。

（5）数据传输端到端将引入一定延时，不能满足对时延特别苛刻的场景。

方案二的组网如图4所示。

图4 UPF/MEC运营商自有机房部署方案

3.4 5G时延和速率指标测试

在按UPF/MEC部署到用户侧的应用项目中，配置为eMBB场景，我们对5G时延和速率指标进行模拟测试，情况如下：

（1）通过在MEC设备近端搭建FTP企业服务器，ping测试服务器的时延大约在14～15 ms。其中基站与MEC之间传输引入时延在5 ms，MEC侧基本未引入明显时延，MEC侧出口到企业服务器的企业内网引入的时延大约在2 ms，无线基站在开启预调度时延为7～8 ms。逐段分析时延情况如图5所示。

图5 时延指标分析

（2）在具体的5G落地项目现场测试中，采用FTP多线程上传下载速率测试，现场实测下载速率达到750 Mbps，上传速率达到100 Mbps，符合eMBB场景中用户体验速率的要求。

从测试结果看，采用方案一的组网方案满足了项目工业摄像机高清图像机器视觉检测（AVI）、大带宽传送场景和自动运输车自动导航（AGV）、边缘计算和低时延场景的要求。以上场景的网络需求为：上传速率大于100 Mbps，时延低于20 ms。经实际验证，满足应用系统要求，系统运行良好。

虽然现阶段SA组网端到端切片还未成熟，但5G在关键的指标（时延和上传、下载速率）已明显优于4G，与传统的工业组网比较，在移动性、安全性等方面均具备优势，可以满足工业智能化应用拓展。

4 结束语

本文仅对目前阶段5G面向工业智能化应用的组网方案进行了初步探讨，实际上，SA+MEC的组网方案可在多个行业领域的垂直行业场景下拓展应用。目前，一方面，5G的技术标准和网络建设均在发展中，另一方面，5G面向垂直行业应用的项目如雨后春笋，市场前景如一片蓝海。运营商在积极推进5G垂直行业项目的“样板房”建设中，不应简单追求极致、等待技术成熟，而应和工业企业共同大胆尝试推广，快速落地应用，将“样板房”变成“商品房”。

另外，在具体项目实践中，还有很多方面值得进一步深入研究，如网络传输方案的优化、网络安全方案、网络可靠性组网方案等。