特大型制造企业独立5G核心网建设及应用前瞻

陈巍崴

一、大制造领域为5G深度应用提供最佳实践场景

5G是万物互联的新引擎，也是支撑制造业数字化转型重要基础设施。大型制造业的无线智慧应用对网络覆盖质量、时延、带宽、数据保密性、网络控制权等要求均高于公共网。通过对制造过程中海量终端设备、应用、业态联网采集、分析处理，能够有效地预测和指导生产，真正实现智慧制造。设备运维和远程诊断、人机协同单兵智能管理、铁运机车自动控制、多点远程集中司磅、能源管线无人化巡逻、滑移装卸机远程操控等各类应用迫切要求与无线网络高速贯通。5G技术解决了上述重工业、大面积、高危险、连续控制的工业制造场景中——应用终端离散分布、有线敷设难度大、终端移动化、工业控制实时性要求高的网络互联问题，为智慧制造注入强大发展动力。从业务应用、网络基础和数据安全等多方面综合考虑，大型制造企业对于建设专用无线5G通信网络具有如下驱动特征：

1. 覆盖场景多样化。工业控制场景要求的网络时延可达到毫秒级别;AR/VR视频类场景需要保障高带宽、高吞吐量;矿山的场景中，地下挖掘作业环境的网络覆盖能力需要深达数百米，地面人员及运煤车辆调配场景下的网络则需要有较强的移动切换能力，需要一套可以灵活满足洗煤厂、办公楼、综采面、掘进面等多个应用场景的专网解决方案。

2.网络部署局域化。工业企业对于网络覆盖聚焦在局部区域，例如在智能港口领域，港口的地理位置偏远，占地面积广，需要对吊车作业区域进行针对性的网络覆盖与优化。同时港口作业效率是关键，岸桥装卸区和堆场区的远程作业对于无线网络时延要求极为苛刻，而公网发生断连、拥塞会对港口的生产带来影响。通过在园区范围内部署专网对所有生产作业区域进行重点覆盖、保障园区数据安全、降低数据传输时延，提高港口的调度能力及运输效率。

3.网元资源定制化。大型制造企业对网络可靠性、隔离性、安全性要求高，需要保证工业数据不出厂区、对厂区设备进行自动化管控，在安全隔离要求极高的情况下，需要将无线基站、核心网控制面及用户面网元全套部署在生产厂区内。

4. 网络性能可配置。大型制造企业专网需实现网络性能灵活化配置，当网络出现通信拥塞时会造成数据丢失、调度失灵等生产设备事故，可自行将时延、带宽、可靠性等重要网络性能进行配置，保障调度指令及时传达关键节点、避免网络拥塞带来的调度失灵。

5.网络运维可管可控。大型制造企业对其制造专网的网络设备、终端设备、数据流量等运行信息有自管自控及可视化管理的需求。需要自行对终端、网络设备、防火墙运行状态信息、设备活跃度等实时监控，预报自身的业务数据、生产效率、能耗分布等。

6. 现有系统平滑对接。考虑与企业现有制造IT/CT系统的兼容性以及可扩展性，在保障异构网络数据安全隔离的情况下，强化数据共享，消除信息孤岛，极大促进园区内的综合信息系统运维成本压控，为制造、管理各类信息系统高效协同、各自运行提供效率保障。

二、特大制造企业专有5G网络建设目标及组网方案

5G专网可根据不同应用场景定制设计，实现网络时延、安全隔离度、网络可靠性、网络带宽、上下行配比、峰值速率等重点因素的差异化能力。目前，5G专网建设包括：5G虚拟专网、5G+MEC网元下沉、5GC 核心专网三种方式：

综上所述，为应对离散、海量、移动化的网络通信控制终端，承载上述终端间、终端与平台间的大流量、高并发数据交互，从满足采集分析类需求，到逐步满足工业控制类需求，选择自建企业独立专享的5G核心网，与运营商网络从基站、承载网、核心网上物理隔离，方可实现各类应用业态的集约化、高效性、可扩展管理要求。

建设企业独立5G核心网目标：

1.本地数据传输网络时延≤20ms，满足10万用户数、20Gbps吞吐量规模。室外宏基站参考信号接收功率（RSRP）≥-105dBm、信号与干扰加噪声比（SINR）≥-3dB。2.具备数据本地分流卸载、业务数据近端处理、低时延数据转发、终端统一鉴权认证等功能，满足企业数据安全私密性、数据分析时效性、远程控制与协作、终端接入安全要求。3.支持运营商网络、移动智能终端与主干网多网之间的安全隔离与受控通信。4.实现移动应用终端从4G网络升级切换至5G网络，由公网变专网。5.引导支撑5G+应用场景落地。实现制造基地“生产、设备、物流、能环、安全”等核心要素即时感知、传递、可视、管理。

企业独立5G核心网建设方案简述：

企业5G独立专网采用核心网整体下沉建设方式， 5G独立核心专网中的网络切片、边缘计算、NFV/SDN可以实现园区网络灵活部署行业应用场景化，并与现有IT系统兼容互通。

企业园区内部署5G基站和传输网络，采用5G参考面N2接口和N3接口分别与企业园区5GC专网AMF和UPF对接。园区内数据流和信令流无需回传至运营商大网，数据不出园。采用无线侧网络接入共享方式，无线基站及传输网络与分别对接运营商大网以及企业专网两张核心网，利用PLMN或者PLMN+NID进行隔离。在使用PLMN或者PLMN+NID进行隔离时，无线网络通过广播对应的PLMD ID，终端注册时会自动选择到对应的网络里面。无线侧网络接入完成后，无线基站可以在无线信号物理连接上完成5G数据业务区分，不会影响专网的独立性和安全性。

5G专网用户业务数据流向，如下图所示：

采用5G独立建设专网的模式，在物理传输层面上，专网与运营商大网保持极高的独立性。各类安全策略权限均由企业设置等级，全权管控，达到了最高的安全等级和控制管理。同时在5G核心网和企业内网之间进行安全隔离，在防火墙设置边界安全区互访受控、配置入侵状态检测和病毒拦截功能，实现应用端口级的安全管控，保障企业信息网络安全整体可控。合理部署专网独立工业宏基站与基站承载网，针对制造企业普遍存在弱覆盖问题，解决厂区内大型厂房较多，钢铁结构厂房对信号阻挡比较严重，部分安全等级高的区域暂时没有合适的站址的问题。结合内存量通信网络路由、机房、4G基础设施情况，规划5G宏站站点，选择汇聚情况好的通信机房安放5G核心网设备，构建承载环网及5G宏站连接网络。在完成“面”覆盖基础上，依据5G应用需求在铁道路口、汽车衡及轨道衡磅房、港口装卸区域、变压器电气室开关柜区域、产线厂房内部通过5G微站对局部深度覆盖进行“点”状的补充。

三、5G应用实践与未来探索

1.铁水运输。以5G +AI模型，满足铁水罐、机车等位置及状态实时精准跟踪及可视化，在高炉炉下铁口机车对位及炼钢脱硫前行车进罐吊装等工序进行车架号、罐号及配空状态数据识别采集。利用5G网络完成上千个传感器及控制设备数据传输，实现机车运输的全天候环境感知、全障碍物精准识别。配合数字孪生技术，实现铁水智能分配、高炉智能配罐、机车智能配载、路径智能选择等功能。

2.机车控制。通过在铁路道口、铁水运输线部署5G基站，利用车载5G通信网关有效解决各类视频图像上机车、各类地面控制状态信息上机车，运管机任务数据上下行的通讯难题，辅助调乘人员提升运输作业效率，降低作业安全风险。

3.智能单兵管理。工业智能头盔结合AR人机视觉，包含了信息采集，传感器融合、实时跟踪、场景融合，将现场设备的信息在穿戴的人的视线前方即时动态呈现。头盔5G芯片结合宏站和微站及室分，準确动态物理定位，配套区域总图、人员作业区域可视、危险区域即时智能预警、标准化作业线路和任务通过AR指示，实时视频显示及控制、前后台交互等新的技术和手段。

4.设备远程管理。制造企业涉及集中司磅室与分散衡站间衡量数据与视频双流高效传输、风机、减速机等温度和振动等数据采集、变压器电流与环境温湿度、开关柜状态与环境温湿度等参数采集传输。这些设备设施数量多、分布广、运行环境复杂。利用5G+物联网技术实现设备的远程数据采集，降低点检负荷率，提高点检效率。

5.无人机巡逻。特大型制造企业存在大量电力架空线路和管道。5G+无人机实时将现场图片回传云端。当云端诊断到巡检目标可能存在缺陷时，无人机会调整飞行姿态、云台角度，对目标缺陷进行二次拍摄，完成视频采集、拼接处理、视频流处理。连入5G网络将4K全景视频通过上行链路传输到推流服务器中，现场拉流分路显示至头盔，单兵人员立即对现场进行处置。