5G 智慧工厂高业务场景无线覆盖方案研究

［杨一帆 姚键 杜智烺 罗晓明］

1 引言

5G 智慧工厂是现代工业信息化发展的新阶段，通过利用工业互联网技术，实现5G、大数据、云计算以及人工智能等新一代信息通信技术和工业网络、工业控制系统等工业技术融合[1]，提高生产的可控性与自动化程度，是我国实现工业4.0 的重要标志。2019 年11 月，工信部印发了《“5G+工业互联网”512 工程推进方案》，再次明确5G 与工业互联网的融合创新发展，将有力支撑我国制造强国、网络强国建设，并制定“512 工程推进方案”，全力推进“5G+工业互联网”的发展。[2]

2 5G 智慧工厂业务需求分析

2.1 行业客户痛点分析

目前工厂智慧化改造存在以下两个痛点：

（1）现有无线接入网多为wifi 或4G 网络，无法满足关键生产设备大带宽、高可靠的网络保障要求。

（2）现有生产和监控网络为有线刚性网络，拓展性差、接入不灵活，无法满足智慧工厂产线的快速更新替换和定制化柔性制造的需求。

基于以上痛点，生产企业需引入5G 专网，利用5G网络的大带宽、低延时、高可靠和高安全性等特点，满足传统工厂向5G 智慧工厂转变的网络需求。

2.2 行业客户需求分析

结合工厂生产需求与现场调研，5G 智慧工厂目前主要业务场景有如下五大方面：

（1）大规模数据采集：实现工厂内大量不同设备数据的实时解析与高速上传，并在平台上对数据进行统计分析、可视化呈现。

（2）机器视觉质检：利用机器代替人眼来做出测量和判断，提高生产效率和生产自动化程度，提升产品质量和成品率。

（3）AGV 控制：AGV 小车通过视觉、雷达、无线等多种技术进行融合定位和障碍物判断，实现AGV 远程控制或任务自动执行。

（4）AR 远程协作：基于AR 技术的高清音视频通讯，适用于工厂企业的远程专家指导，技术人员远程操作及培训等。

（5）高清视频监控：利用视频监控终端采集高清视频，实时回传并在云端服务器进行模型训练与目标识别，实现对人员、机械等的特征与行为识别。

以上五大类业务典型场景下对5G 网络性能需求如表1 所示。

表1 智慧工厂五大业务典型场景5G 网络性能需求

3 5G 工业专网方案

由于工业企业对数据安全、网络性能及稳定性要求非常高，5G 专网多以专享及尊享两种模式进行建设。

（1）5G 专享网络

5G 网络采用SA 组网，通过将用户面设备UPF 部署在企业园区内部，实现MEC 边缘计算+UPF 下沉，为企业用户提供边缘计算、数据不出园、超低时延通信的专属网络服务。5G 工业专网专享方案网络结构如图1 所示。

图1 5G 工业专网专享方案网络结构图

（2）5G 尊享网络

5G 网络采用SA 组网，通过对基站、频率、网络资源等专建专享，即专用基站、区域性专用频谱，或核心网采用专用硬件资源物理隔离，并将UPF 网元下沉至园区，为对于数据及管理安全、网络性能要求苛刻的企业提供高安全性、高隔离度的5G 专网服务。5G 工业专网尊享方案网络结构如图2 所示。

图2 5G 工业专网尊享方案网络结构图

4 高业务场景无线网络覆盖方案

对于工业企业，高业务场景一般出现在生产车间。生产车间内由于部署了大量的生产设备，其连接设备密度非常高，同时，应用的种类可涵盖上文提到的五大应用。如何保证如此高密度的业务接入是无线网络规划设计的一大难题。本文以某电子厂生产车间无线网络方案为案例，介绍工厂车间高业务场景下的无线网络覆盖方案编制方法。

4.1 业务需求分析

本案例为某大型电子厂生产车间，生产区域面积为11 500 m2，车间布局如图3 所示。

图3 某电子厂生产车间布局

本车间共涉及应用12 个，其业务指标需求以及连接并发数如表2 所示。

表2 某电子厂生产车间业务需求

从表2 可以看到，本车间主要为大连接及大带宽类业务，其中AR 远程支持等应用对上行带宽要求极高（80 Mbit/s），PLC 生产控制对时延要求最高（50 ms），制定网络方案需要重点保障。

结合设备分布情况，本车间6 大片区业务需求如表3所示。

表3 某电子厂生产车间业务需求

4.2 覆盖分析

（1）空口链路预算传播模型

本案例室内覆盖采用基于衰减因子的半经验模型进行链路分析。该模型公式如下

（2）链路预算

根据需求分析，需要保证“AR参观”上行边缘80 Mbit/s，下行边缘80 Mbit/s 的需求。由于上行需求巨大，所以仅需进行上行的链路预算即可。考虑到生产车间为室内场景，无线网采用分布式皮飞站进行建设。链路预算结果如表4 所示。

表4 某电子厂生产车间无线链路预算结果

从以上链路预算结果可以看到，当采用4T4R pRRU进行覆盖时，2.6 GHz pRRU 的覆盖距为18 m、4.9 GHz pRRU 的覆盖距离为14.1 m。

4.3 容量分析

结合试验网测试结果，取定分布式皮飞站（4TR）单pRRU 能提供的吞吐量如表5 所示。

表5 5G 单小区业务吸收能力取定

考虑到现网4G 时隙配置与生产区内上行需求巨大等因素，生产车间采用2.6G 160 MHz+4.9G 100 MHz 组网，计算室内覆盖小区需求如表6 所示。

表6 生产车间容量规划

从表6 可以看到，由于生产区的上行需求极大，如需满足容量需求，单pRRU 覆盖范围将非常小，而在采用全向天线的情况下，pRRU 的覆盖能力将达20 m 以上，过密的pRRU 将会带来严重的干扰。需进行干扰控制。

4.4 干扰控制

为了控制干扰，提升网络质量，本案例采用干扰控制手段如下：

（1）采用“pRRU+定向天线”的方式，使用高精度的室内定向天线控制信号覆盖范围，避免信号过覆盖。某型号室内定向天线与全向天线覆盖测试对比如表7 所示。

表7 某型号室内定向天线与全向天线覆盖测试对比

从表7 可以看到，采用定向65 度的室内覆盖天线在覆盖水平相当的情况下获得更好的信号覆盖质量，干扰控制更好。

（2）由于在小区的边缘位置，上行干扰较为严重。可以通过基于5QI 的用户接入频点分层机制进行干扰控制，设置在小区边缘的UE 接入下沉到2.6G 网络或隔离度较高的BWP 区间，从而减少相邻用户的上行干扰，达到干扰控制的目的。具体如图4 所示。

图4 上行干扰优化方案

4.5 无线网络建设方案

考虑到电子厂对业务保障及数据保密性要求苛刻，5G 专网采用尊享模式建设，在工厂车间建设5G 无线专网。经现场查勘，生产车间天花板水平每相隔12 m 可建设1面天线，天线离地面距离为3.8 m，经评估，车间覆盖区内共可建设91 副定向天线。考虑到车间内容量需求较大，且未来有产线改造等需求，本次建设采用8 通道室内定向覆盖天线建设，单面天线馈入2.6 GHz 和4.9 GHz 4T4R pRRU，天线建设方案如图5 所示。

图5 生产车间天线建设方案

根据建设方案容量评估如表8 所示。

从以上分析可以看到，本方案能满足该电子厂生产车间的业务需求。

5 总结与展望

本文分析了5G 智慧工厂的业务需求，并结合5G 工业专网的建设要求，以一个典型案例介绍了5G 智慧工厂

表8 生产车间建设方案容量评估

高业务场景下的无线网络建设方案，其规划设计思路及建设方案可为5G 智慧工厂无线网络建设提供参考。

5G 技术与工业生产的融合目前仍处于探索阶段，5G技术与设备仍不能完全满足工业控制的低时延、高可靠需求。然而，5G 与TSN（Time-Sensitive Networking，时间敏感网络）网络架构融合已被写入3GPP R16 标准，通过基于5G 传输的TSN 网络可为工厂提供灵活的确定性网络传输[3][4]，结合MEC（Mobile Edge Computing 移动边缘计算）平台的部署，具有高度自动化、智能化、安全可靠的5G 智慧工厂将会在不久的将来得以实现。