5G在钢铁行业应用浅谈

郭亮 陈成 宋海洋 张聪 郗晓法 潘建双

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司信息计量部，河北唐山 063210）

0.概述

随着工业互联网技术的发展，传统工业无线局域网除了覆盖范围有限，存在竞争性和干扰性的问题，Wi-Fi并不能支持海量连接和低功耗连接，在性能上5G技术具有大带宽、低时延、广连接的特点，有效地弥补了传统工业无线的局限性。但实际应用场景中，受厂房封闭、遮挡等环境限制，削弱了5G网络的穿透力和覆盖面。5G核心网元异地集中部署，组网结构、传输链路复杂，数据通讯时延、稳定性不强，也增加了5G网络应用的风险。现阶段5G工业应用模组终端种类不全、设备功能单一，5G网络与有线网络融合通讯的难度增大。

针对5G深度应用场景的实际问题，进行了5G部署模式、组网架构、5G与有线网络融合通信的实践探索，构建了组网简单、性能稳定的工业5G应用架构体系。5G深度应用的实际探索场景如表1所示。

表1 5G深度应用的实际探索场景

1.5G无线覆盖实践探索

1.1 工业厂房封闭区域常规5G无线覆盖[1]

在钢铁生产现场工业钢结构厂房封闭、遮挡，加之5G频点高、波长短、穿透力差、覆盖性不强，运营商仍采用常规密集安装室内微型基站PRRU设备进行5G无线覆盖。其部署模式稳定性差，通信逻辑小区偶发时延高，室内微型基站设备投资大、安装部署复杂，应用推广性不强。以某钢厂冷轧车间库长189m、宽78m的成品库为例，库内部署40台PRRU微型基站，但实际覆盖区域内3个逻辑小区端到端时延200ms以上，通讯数据上传速率约20Mbps，逻辑小区存在强干扰（-85dBm）。

1.2 工业厂房封闭区域5G无线覆盖探索实践

针对工业厂房封闭区域常规5G无线覆盖存在设备投资大、5G网络性能可用性差等问题，采用对5G基站改进部署、覆盖区域双频混合频段组网、通讯终端频段锁频，实现由40台PRRU微型基站改进为3台AAU 5G基站无线覆盖，由单频2.6GHz无线覆盖改进为2.6GHz和4.9GHz混合频段覆盖，并针对不同5G终端采用不同无线5G频段进行锁频，厂房5G设备部署如图1所示。通过实践探索技术改进对无线性能测试，小区干扰由-85分贝毫瓦左右降至正常值-105分贝毫瓦以下，无线覆盖平均参考信号接收功率、干扰信噪比达到较好水平。

图1 厂房5G设备部署图

2.5G组网架构探索[2]

2.1 工业园区常规5G组网架构

常规5G组网架构采用工业专网的形式进行5G覆盖，5G核心采用数据信令面、用户面运营商异地集中部署，5G无线终端通过复杂的运营商城域环网连接到运营商5G核心，组网架构涉及光纤链路跨市、跨省链路复杂、光纤传输距离长。组网架构复杂度高，在实际应用中5G终端收发数据至应用服务平均传输时延24ms，最大33ms，时延大，传输过程中易丢数据包、稳定性不强，组网架构如图2所示。

2.2 工业园区常规5G组网架构探索实践

在5G工业专网组网下，对于常规组网中的数据通讯稳定性差、架构复杂的情况，探索构建5G组网架构，在园区部署2套UPF（用户面网元）设备，分别通过不同的链路联通运营商不同地区的5G核心，2套UPF设备互为备份，采用多链路通过物理防火墙与厂区内的应用资源池联通，实现UE（终端）通过5G网络访问应用，在实践中实现数据平均时延9.76ms和较高的数据通讯稳定性。组网架构如图3所示。

图3 双UPF系统组网架构示意图

在5G实际生产应用过程中，因5G核心SMF、UDM、AMF等网元运营商仍异地集中部署，运营商虽对5G核心系统进行异地热备。园区5G系统受外部运营商通讯系统影响仍存在较大中断风险，如某钢铁厂在图4组网架构下发生2次因运营商网络故障造成园区5G系统全中断事件。针对应用故障风险，通过实践验证探索对核心网架构重构，部署2套轻量化5G核心系统，将关键功能网元本地化部署，实现网络架构、设备配置、运行维护简单化，系统网元运行、设备运行冗余化，达到了简单、稳定的5G工业组网要求，如图4所示。

图4 钢铁园区5G组网架构图

3.5G无线与工业网络融合探索

现阶段5G工业终端生态不完善，5G无线与有线融合通讯稳定性差、难度大。CPE终端是目前5G无线网络与工业网络融合的关键设备，在实际应用中，CPE终端经常出现 “假死”、中断、掉线等故障问题，稳定性较差。CPE设备调试、组网复杂，需采用代码程序本地化调试，要求维护人员技术水平较高。

对于此种情况实践探索现阶段5G无线有线融合的形式，联合有关设备厂商开发应用新型5G智能网关终端，将原有的5G终端基于TCP/IP应用接口转换融合改进为网络二层、三层隧道技术融合，使用具有功能集成化、设备调试页面化的智能网关平台。5G无线与工业网络融合如图5所示。

图5 5G与工业网络融合示意图

4.总结与展望

钢铁行业系统数据传输对5G通讯网络性能、稳定性要求高，本文通过实践探索，对常规5G无线覆盖、5G核心组网模式、5G无线与有线网络融合形式进行技术改进和效果验证，构建了简单、稳定的工业5G系统通讯架构体系。但现阶段工业企业应用5G投资大、轻量化核心组网落地难度大的情况依然存在，还需要工业企业、运营商、设备厂商共同推动，优化5G应用商业模式、完善工业通讯组网架构、加快设备终端研发等探索，共同推进钢铁行业5G深度应用。