5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信冗余可靠性研究

辛榮寰，程 遠，傅成龍（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

1 導(dǎo)論

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)歷經(jīng)了三代變革，從現(xiàn)場總線，發(fā)展到工業(yè)有線以太網(wǎng)，再到現(xiàn)在的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)［1］。中國制造2025 和工業(yè)4.0 也明確規(guī)劃了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方向。數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求人、產(chǎn)品和機器更加緊密的連接在一起，以實現(xiàn)整個垂直產(chǎn)業(yè)鏈的互聯(lián)互通，這個概念被稱為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)［2］。移動通信技術(shù)具備高移動性和廣覆蓋范圍的優(yōu)勢，具有極大潛力應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中。由3GPP 主導(dǎo)的第5 代移動通信技術(shù)（5G）［2］不僅能夠提供更大的傳輸帶寬，將理論峰值數(shù)據(jù)速率提升到3 Gbit/s（下行）和1.5 Gbit/s（上行），甚至更高［3］，同時針對工業(yè)通信場景和物聯(lián)網(wǎng)場景進行了優(yōu)化設(shè)計，提升通信系統(tǒng)時延、可靠性等性能，以支持更為先進的工業(yè)自動化轉(zhuǎn)型升級，包括制造自動化和流程自動化。

然而，鑒于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)直接服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，其對覆蓋范圍、連接能力、可靠性、能耗均有更高性能要求。同時，隨著工業(yè)自動化程度的提升，更多的工業(yè)通信場景是時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）［4］，在傳輸關(guān)鍵性工業(yè)控制信號時，要求能做到實時傳輸，實時響應(yīng)。雖然3GPP 及5G 設(shè)備制造商提出了一系列新技術(shù)來提升5G 通信的低時延高可靠傳輸。但針對不同的工業(yè)應(yīng)用場景及5G 技術(shù)發(fā)展階段，廠商應(yīng)充分利用已有工業(yè)有線和無線的相對優(yōu)勢，將多種技術(shù)相結(jié)合，來滿足工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)更高的低時延高可靠傳輸要求。融合多種技術(shù)在4G 時代已有所應(yīng)用，未來更會成為一種趨勢［5］。本文旨在提出幾種基于5G技術(shù)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)冗余方案設(shè)計，并進行相應(yīng)的可靠性分析。

2 工業(yè)通信網(wǎng)及5G發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

AII發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接白皮書》［2］指出，當前的工廠工業(yè)網(wǎng)絡(luò)往往分為生產(chǎn)運營技術(shù)（OT）和經(jīng)濟信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)，二者通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互聯(lián)和安全隔離。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求打破信息孤島，將原來分散部署在各服務(wù)器的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如工業(yè)控制系統(tǒng)，集中部署到工廠內(nèi)的數(shù)據(jù)中心。從而形成新的核心網(wǎng)絡(luò)+分布式網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)（如圖1 所示）。其中，原有的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)與經(jīng)濟流程垂直互連，并與其他分布式業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平行并結(jié)合。這要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有靈活性和可靠性。同時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將在原有的工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上大量增加，從100到1 000甚至到10 000。因此，這對網(wǎng)絡(luò)連接的連接能力提出了更高的要求。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實施參考［2］

2.2 工業(yè)有線以太網(wǎng)與TSN

工業(yè)有線以太網(wǎng)是基于IEEE802.1 以太網(wǎng)標準發(fā)展而來。工業(yè)有線以太網(wǎng)的應(yīng)用層是成熟的現(xiàn)場總線協(xié)議，而以下的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等則遵循IEEE802.1 以太網(wǎng)標準，支持基于IP 的TCP 協(xié)議或UDP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸［6］。為了滿足工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)對實時性的要求，IEEE 從2006 年起陸續(xù)發(fā)布了時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）標準（IEEE802.1AS）［7］。TSN工作組制定了關(guān)于時序、同步、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、轉(zhuǎn)發(fā)和排隊機制以及可靠性的標準，以實現(xiàn)工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場的實時通信。

2.3 5G移動通信

5G 移動通信在延續(xù)上一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的增強移動寬帶（eMBB）特性的基礎(chǔ)上，新增兩大全新特性：大規(guī)模機器類型通信（mMTC）和超可靠的低延遲通信（URLLC）［3］。國際電信聯(lián)盟指出，5G 的目標性能指標包括高達幾Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率，每平方公里一百萬個節(jié)點的廣域覆蓋和深度的室內(nèi)穿透，端到端時延接近1 ms 以及99.999%的數(shù)據(jù)包傳輸可靠性［8］。隨著5G技術(shù)和產(chǎn)品的不斷成熟，能夠滿足上述目標性能，為工業(yè)和制造業(yè)的廣泛應(yīng)用提供低時延高可靠連接。

3GPP 在 已發(fā)布的5G Release 15 和Release 16 版本中，提出了一系列的創(chuàng)新技術(shù)，來實現(xiàn)5G 與TSN 網(wǎng)絡(luò)的融合，服務(wù)垂直行業(yè)，讓工業(yè)生產(chǎn)更柔性化。首先，專門為特定工廠設(shè)計的5G專網(wǎng)正在逐步應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)。5G 基站、接入網(wǎng)甚至將5G 核心網(wǎng)下沉到用戶本地，為工業(yè)企業(yè)提供更為專注的傳輸網(wǎng)絡(luò)，在時延和可靠性上均有所保障。其次，多點協(xié)作傳輸（CoMP）技術(shù)在5G RAN 中進一步深化［9］，可協(xié)調(diào)多個5G 傳輸點為一個終端傳輸數(shù)據(jù)或聯(lián)合接收一個終端的數(shù)據(jù)。CoMP 的技術(shù)實質(zhì)是空間分集，充分利用相鄰小區(qū)的傳輸點為同一終端提供通信服務(wù)。CoMP 可以有效提高5G 的傳輸能力和提升5G 傳輸?shù)目煽啃?。為了發(fā)揮5G 專網(wǎng)的最大效益，業(yè)內(nèi)正在研究將2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 的未授權(quán)頻譜也納入到5G 網(wǎng)絡(luò)中來，即5G NR-U［10］。5G NR-U將運營商的NR授權(quán)頻譜作為錨點來“聚合”非授權(quán)頻段，以利用未授權(quán)頻譜資源增強5G專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)容量和性能。

3 5G與工業(yè)以太網(wǎng)融合及網(wǎng)絡(luò)冗余

應(yīng)用5G 專網(wǎng)技術(shù)、CoMP 空間分集技術(shù)和5G NR-U 等先進技術(shù)，可以適應(yīng)不同工業(yè)通信應(yīng)用場景，有效地提高5G 傳輸能力以及5G 通信的可靠性，實現(xiàn)5G與工業(yè)以太網(wǎng)的融合。CoMP空間分集技術(shù)的應(yīng)用使得終端設(shè)備與核心網(wǎng)絡(luò)建立起雙路或多路5G連接。同時，基于IEEE802.1 標準發(fā)展而來的工業(yè)有線以太網(wǎng)已經(jīng)過多年演化，其TSN 網(wǎng)絡(luò)標準已經(jīng)能較好地支持工業(yè)實時通信。因此，當技術(shù)提供方引入以5G為基礎(chǔ)的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)充分利用5G無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的相對優(yōu)勢，形成優(yōu)勢互補，打造一張先進的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

本文提出幾種以5G 通信為基礎(chǔ)的冗余網(wǎng)絡(luò)連接方案，并進行可靠性分析。網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)指的是對網(wǎng)絡(luò)通信鏈路進行備份以確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性［11］，當通信鏈路出現(xiàn)故障而不能正常工作時，備用鏈路代替主用鏈路繼續(xù)完成相同的功能，從而減少損失［12］。網(wǎng)絡(luò)連接的冗余技術(shù)是提高工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的普遍解決方案之一。

3.1 雙路5G冗余主從網(wǎng)絡(luò)連接

5G網(wǎng)絡(luò)中的CoMP空間分集技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化功能使得終端設(shè)備能夠與核心網(wǎng)絡(luò)建立起雙路甚至多路5G網(wǎng)絡(luò)連接［13］。雙路5G網(wǎng)絡(luò)連接可以分別接入不同小區(qū)或者不同頻率的5G 無線網(wǎng)絡(luò)，雙路5G 鏈路相互隔離，各自進行數(shù)據(jù)傳輸。整體網(wǎng)絡(luò)連接場景如圖2 所示。同一個5G 終端設(shè)備接入不同的5G RAN基站，傳輸信號最終在核心網(wǎng)匯聚。安裝于邊緣控制側(cè)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以根據(jù)算法定義主連接網(wǎng)絡(luò)和從連接網(wǎng)絡(luò)［14］。主連接網(wǎng)絡(luò)在2個節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)幀的同時，可以自發(fā)地傳輸診斷幀。接收節(jié)點按照診斷算法對診斷幀的接收情況進行解析。當主連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞或數(shù)據(jù)信號丟失等情況時，診斷算法判定Fault，無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以動態(tài)切換到從連接網(wǎng)絡(luò)。但是，網(wǎng)絡(luò)切換常常需要一定的處理時間。

圖2 雙路5G冗余網(wǎng)絡(luò)連接

這種方案充分利用了5G 的新技術(shù)特性。雙路5G網(wǎng)絡(luò)連接僅需通過軟件實現(xiàn)，無需額外的物理硬件成本，在經(jīng)濟性上有一定優(yōu)勢。然而，因為雙路5G 網(wǎng)絡(luò)連接僅通過軟件隔離，無線信號發(fā)射和接收等物理設(shè)備的故障仍可能造成工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的失效。

3.2 雙路5G冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接

與3.1 中描述的相同，5G 網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能建立起雙路相互隔離的5G 網(wǎng)絡(luò)連接。采用雙路5G冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接方案時，2 路5G 鏈路同時同步在2個節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)幀。為了能夠區(qū)分2 路5G 鏈路，數(shù)據(jù)幀在發(fā)送前可以添加相同的序列號和不同的標識［14］。接收節(jié)點根據(jù)忽略算法對接收到的數(shù)據(jù)幀的序列號和標識進行分析，優(yōu)先接收到的具有相同序列號的數(shù)據(jù)幀會被轉(zhuǎn)發(fā)到上一層，而后接收到的數(shù)據(jù)幀會被忽略。該方案無需增加物理接入設(shè)備，僅通過軟件實現(xiàn)雙路連接，節(jié)省了硬件成本。盡管雙路5G冗余網(wǎng)絡(luò)連接仍受制于物理設(shè)備的故障，雙路5G冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接能夠在一路5G 網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)生故障后實現(xiàn)無時延切換。但是，并行網(wǎng)絡(luò)連接使每1 組數(shù)據(jù)報文需經(jīng)過2次傳輸，這意味著雙倍的網(wǎng)絡(luò)流量在5G RAN中傳輸。雙倍的網(wǎng)絡(luò)流量對帶寬的需求有所提升，在傳輸成本上有所增加。因此，并行冗余方案并不適合視頻等大帶寬業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ希m合傳輸工業(yè)控制信號等工業(yè)通信場景。

3.3 5G+工業(yè)以太網(wǎng)冗余主從網(wǎng)絡(luò)連接

5G+工業(yè)以太網(wǎng)方案將5G 網(wǎng)絡(luò)連接與現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)連接有機結(jié)合，充分利用2 種技術(shù)的比較優(yōu)勢，提高了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。5G 的低時延高可靠特性能夠完全滿足工業(yè)控制的時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸需要，并且具有高移動性和靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)的有線連接受到生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境影響相對較小，但生產(chǎn)設(shè)備必須固定或部署長線纜，缺乏靈活性。工廠可以根據(jù)實際需要選擇5G 無線網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)有線以太網(wǎng)作為主連接網(wǎng)絡(luò)，另一路網(wǎng)絡(luò)作為備用連接網(wǎng)絡(luò)。對原有具備工業(yè)以太網(wǎng)通信能力的設(shè)備進行改造時，通常選用5G網(wǎng)絡(luò)作為備用連接網(wǎng)絡(luò)，以最大程度避免對實際生產(chǎn)產(chǎn)生干擾。在部署新的大型工業(yè)設(shè)備時，5G 網(wǎng)絡(luò)通常被推薦作為主連接網(wǎng)絡(luò)。目前，一些廠商生產(chǎn)的大型工業(yè)設(shè)備已經(jīng)直接集成了5G接入能力，可以利用5G無線通信優(yōu)勢，進行應(yīng)用擴展部署。

工業(yè)控制終端通過交換機與無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備相連接。5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞或數(shù)據(jù)丟失等情況時，交換機可以動態(tài)切換到工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證可靠性。其冗余連接的場景如圖3所示，終端設(shè)備同時具備接入5G RAN和工業(yè)以太網(wǎng)通信的能力，工業(yè)以太網(wǎng)和5G 核心網(wǎng)互通，并通過核心網(wǎng)與工業(yè)企業(yè)服務(wù)器交互。

圖3 5G+工業(yè)以太網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)連接

3.4 5G+工業(yè)以太網(wǎng)冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接

同樣，5G+工業(yè)以太網(wǎng)冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)了2個節(jié)點間采用5G 通信和工業(yè)以太網(wǎng)并行傳輸數(shù)據(jù)幀的高可靠網(wǎng)絡(luò)連接場景。此類冗余連接方式可以降低單一網(wǎng)絡(luò)連接對工業(yè)控制數(shù)據(jù)傳輸效率影響，并在故障發(fā)生后實現(xiàn)無時延切換。然而，不可忽略的是2種完全不同的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)在時延和傳輸速率上存在差異，這可能會導(dǎo)致接收節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生混淆。IEC SC65 委員會制定的IEC 62439 標準提出了并行冗余協(xié)議（PRP），設(shè)計了并行冗余網(wǎng)絡(luò)的機制和算法［15］。根據(jù)PRP 協(xié)議的設(shè)計，接收節(jié)點側(cè)常常需要配置匯聚網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)幀進行篩選和忽略，該匯聚網(wǎng)關(guān)需要具備較強算力和處理速率，以保證數(shù)據(jù)的高效分發(fā)。另外，與雙路5G 冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接場景相似，并行場景意味著雙倍的網(wǎng)絡(luò)流量，傳輸成本將有所增加，同時匯聚網(wǎng)關(guān)處理壓力將會加大［16］。因此，數(shù)據(jù)量較小的傳輸信號（譬如工業(yè)控制信號）適用于冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接，其對網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的影響較小。

4 可靠性分析比較

對第3 章中描述的幾種方法在各種基于5G 的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的冗余連接場景表現(xiàn)進行了定性比較。各種網(wǎng)絡(luò)連接和冗余技術(shù)的性能和可靠性比較如表1所示。各種冗余技術(shù)在性能表現(xiàn)上各有差異，但是故障恢復(fù)時間是衡量冗余技術(shù)的關(guān)鍵指標［7］。

表1 各種網(wǎng)絡(luò)連接和冗余技術(shù)的性能和可靠性比較

表1的比較內(nèi)容可以為實際生產(chǎn)中的網(wǎng)絡(luò)部署提供參考，不同的網(wǎng)絡(luò)冗余組網(wǎng)方案各有優(yōu)缺點，需要結(jié)合工業(yè)應(yīng)用場景的現(xiàn)狀及實際建設(shè)需求，進行合理選擇。冗余網(wǎng)絡(luò)連接的部署成本高于單路網(wǎng)絡(luò)連接，但在大部分時延敏感及高可靠性要求的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景下是必要的［7］。隨著雙路5G 網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的成熟，其虛擬化網(wǎng)絡(luò)連接的形式能夠顯著降低部署的物理硬件成本，僅通過軟件來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余功能，在成本、部署、運維等方面的優(yōu)勢，有助于推動5G技術(shù)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中全面應(yīng)用推廣。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商和工業(yè)企業(yè)需要根據(jù)生產(chǎn)的實際需求，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)實施形式，在最大程度保障可靠性的基礎(chǔ)上，避免網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。

5 結(jié)語

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是一類專業(yè)性強、實時傳輸要求高的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)，對時延和可靠性的要求較高。5G通信以其移動性強、技術(shù)先進的優(yōu)勢，正在被廣泛應(yīng)用于建設(shè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)以5G 為主的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求，建立起雙路甚至多路的5G+5G 或5G+工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)冗余方案。

不論是5G還是工業(yè)以太網(wǎng)，冗余網(wǎng)絡(luò)連接場景的可靠性優(yōu)于單一網(wǎng)絡(luò)連接場景。5G+工業(yè)以太網(wǎng)的冗余網(wǎng)絡(luò)方案適用于已有大型工業(yè)設(shè)備的改造場景，但是其網(wǎng)絡(luò)部署成本較高。雙路5G 通信的冗余網(wǎng)絡(luò)方案可以基于同一套物理硬件設(shè)備利用軟件方式建立并隔離雙路5G通信，具備經(jīng)濟性優(yōu)勢。冗余主從網(wǎng)絡(luò)方案能夠在主連接網(wǎng)絡(luò)故障時實現(xiàn)快速切換，其故障恢復(fù)速度明顯優(yōu)于單一網(wǎng)絡(luò)連接，同時對業(yè)務(wù)帶寬不敏感，因此，比較適合視頻傳輸?shù)却髱挊I(yè)務(wù)傳輸場景。相比之下，不論是雙路5G 冗余并行網(wǎng)絡(luò)和5G+工業(yè)以太網(wǎng)冗余并行網(wǎng)絡(luò)，冗余并行網(wǎng)絡(luò)流量相比于實際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量成倍增加，在傳輸成本上有所增加。因此，建議數(shù)據(jù)量不大但是可靠性要求較高的業(yè)務(wù)（譬如工業(yè)控制信號）使用冗余并行網(wǎng)絡(luò)連接方案。

不同的網(wǎng)絡(luò)冗余方案在性能、可靠性、建設(shè)成本和傳輸成本上存在差異，需要根據(jù)不同應(yīng)用場景的實際需求，選擇合適的方案，以實現(xiàn)效益最大化。