面向5G确定性网络的工业互联网无线优化技术探讨

2023-03-16刘海林卞政豪

数字技术与应用 2023年2期

刘海林卞政豪

1.中通服咨询设计研究院有限公司；2.中国电信股份有限公司苏州分公司

本文通过分析5G确定性网络的工业互联网面临的新需求和新挑战，研究了5G工业互联网业务特点、5G确定性网络架构以及新技术在5G确定性网络中的应用部署，总结出5G工业互联网无线需要解决的问题，从满足5G三大应用场景角度进行策略研究，便于有效提升无线网络承载质量。

1 5G工业互联网发展状况

随着数字技术的发展，5G+工业互联网是今后的发展趋势和世界各国之间的核心竞争方向，已经在全球引起了非常高的重视。

5G是新一代的无线宽频通信网络，它是基于5G无线网络的全新架构，新的无线技术，全频谱的接入。像大规模天线技术这样的核心技术，其峰值速率是4G峰值速率的十倍，传送延迟是毫秒级的，连接能力是千亿级的，是万物互联、人机深度交互的新纪元。5G是新一代的移动通讯技术，它不但能够给人们提供更好的网络环境体验，而且也会成为智能制造、医疗、政务等领域以及智能都市和自动无人驾驶等重要支持技术。

工业互联网络是由新一代的信息数字科技与工业体系紧密结合而成的一种产业及应用生态。通过信息化等技术方法促进了企业的生产效率和资源的优化，从而实现了产业结构的重组，产业网络将会产生很大的经济效益。

基于工业和信息通信的综合实力，美国政府制定了“先进制造伙伴计划”和“国家制造创新网络计划”项目；德国政府以机械、电子、自动控制为基础，实施“工业4.0”全国规划；法国政府相继提出了“新工业法国”和“新工业法国Ⅱ”计划，从整体上对数字制造、智能制造以及由生产设备转变所驱动的业务方式进行了规划。

资料表明，中国已经建设了世界上最大的5G通信网络，为5G技术的创新发展奠定了良好的基础，如在工业、医疗、教育等方面。而在许多产业中，如运输等方面都有了赋能作用，并形成了若干具有一定的商业化价值的典型应用，涵盖了全国97大类国民经济中的40个。

当前，5G+工业互联网的发展已从政府主导转变为市场的内在驱动。但是，在5G产业的实施过程中，由于缺乏对5G技术的把握，使得5G市场的服务质量下降，从而使市场的需求受到限制。本文旨在通过建立5G确定性网络体系结构，阐明其核心技术含义，从而达到5G确定性网络3大特性（差异化网络、专属网络、自助网络）。本文基于3GPP技术的核心技术，对提高网络的确定性性能进行了研究，并对提高系统的稳定性和安全性进行了研究。

2 5G确定性性能应用于工业互联网

2.1 5G工业互联网业务特征

5G具有容量大、速率快、延时低、高速移动性能好等特点。5G网络可以实现对每平方公里超百万台设备的网络接入，为实现万物互联奠定了基础。5G通信网络的最高传输速度为10Gb/s，能够很好地适应企业用户的数据采集和传输需求。5G的系统可以实现不到1ms的延迟，以及5～10ms的标准端到端延迟，支持局部的工业应用。

5G技术在工业网络中的运用已成为未来的发展方向，在5G技术的支撑下，产业网络得以快速发展。目前，4G技术已不能完全适应产业网络对通讯技术的需求，5G的特点可以适应不同的连接方式、不同的性能要求、不同的通信要求以及不同的行业环境下的高速率的数据收集。远程控制、数据传输稳定可靠、业务连续性等需求，为将来的产业互联网实现数字化、网络化和智能化提供了有力的支撑。而5G技术则是支撑产业发展的途径，5G与产业网络的深入融合，将会推动产业网络的进一步发展。而工业网络作为5G技术在今后发展中的一个主要的应用领域，其在工业网络中的运用将会更加充分的发挥5G的作用。

2.2 5G面向工业网络3种建设的模式

（1）单纯的专网模式。此模式的优点在于，公司的资料可以完全的自主化，不会与外部世界产生任何联系，并且具有最大的安全性，然而，目前中国并没有专门的授权5G频段。

（2）企业自建核心网，基站与公共共享模式。在这样的网络模式中，终端的登记、注册以及数据流都是在企业内部网络进行。目前，设备厂家及运营商在钢铁、矿山、码头等完成的5G核心网就是这种模式的典型案例。

(3)核心网用户面功能（UPF）下沉模式。这也是现在90%以上的工业企业都采用的建网模式，也就是说核心网和基站都是与运营商共用的。共用时，企业在终端注册登记时要到公共网络去，但是它的数据流不会到公共网络去，而是在企业内部网络。这种模式也是当前业内主要采用的以电信运营商为基础的网络架构。

目前5G+工业互联网已经从局部的单点特色业务逐步转变为集成化、系统化的发展方向。5G自身就是一种能够支持多种服务的网络，比如在5G基础上进行生产、仓库和物流等。但是5G并不只是一个网络，要实现其真正的应用，必须与运营商、工业方案供应商、工业现场的自动化设备供应商等共同努力。充分利用5G技术的优点，让5G技术为工业生产提供有效的支持，进而推动中国的制造业实现转型和提升。

3 5G确定性网络架构

从当前已有的网络能力来看，5G网络切片构建了对于SLA（服务品质协议）保障的基础框架。包含了从需求输入到切片部署的管理动作，并能协同网络各域，拉通实现端到端网络切片，同时具备SLA指标可视。在各网络领域，则采用URLLC、MEC、TSN集成等技术以提升确定性能力，上述多种方法，可以为行业业务提供基础的SLA保障。

针对上述产业矛盾以及技术不足，3GPP 5G需要集成各类确定性技术，构筑确定性网络架构，该架构需要能端到端全流程保障SLA可保障可承诺。该架构应能支撑确定性网络的独立部署，不依赖于外在的确定性网络环境。同时该架构包含各网络域的确定性技术，并能通过协同调度，提升系统整体确定性能力，真正支撑SLA/KPI可承诺可保障[1]。

从端到端保障SLA/KPI功能来看，确定性网络功能大致分为如下3个部分，并形成闭环优化，如图1所示。

图1 确定性网络主要功能Fig.1 Main functions of deterministic network

基于当前5G架构，结合无线接入网、核心网、传输网现有技术，确定性网络架构可以划分为确定性服务管理、确定性网络能力调度与控制中心、保障与度量3个层面，如图2所示。

图2 确定性网络架构简图Fig.2 Deterministic network architecture diagram

4 5G工业互联网无线网络优化关注点

5G工业互联网为定制网涉及无线、承载、5G核心网、云以及客户内网等多个网段。工业定制网的端到端带宽、时延、抖动、丢包率等SLA指标，及安全、可靠性等能力由上述不同网段、不同模式的性能共同决定。需将这些因素量化，指出多个因素之间的关联关系，并从业务的角度对应5G工业定制网的能力。

工业定制网要求与技术手段有以下6种对应关系：（1）上行大带宽的要求，技术手段为双连接、上行载波聚合、专属上行、超级上行等；（2）低时延、高可靠的要求，技术手段为边缘计算、UPF下沉、时隙聚合等；（3）高可用、系统零中断技术手段为主备模式，包括用户接入号卡、接入专线、单板级备份AI、网络节点级备份A2以及网络级备份A3等；（4）隔离和安全：PRB硬切片、PRB预留、网络切片、核心网定制、网络安全机制等技术手段；（5）高精度定位，利用融合定位技术等；（6）移动性的指标要求，技术手段为专用频段、免调度接入、专用小区接入控制等[2]。