面向5G確定性網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線優(yōu)化技術(shù)探討

劉海林 卞政豪

1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司；2.中國(guó)電信股份有限公司蘇州分公司

本文通過(guò)分析5G確定性網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的新需求和新挑戰(zhàn)，研究了5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、5G確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新技術(shù)在5G確定性網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用部署，總結(jié)出5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線需要解決的問(wèn)題，從滿足5G三大應(yīng)用場(chǎng)景角度進(jìn)行策略研究，便于有效提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載質(zhì)量。

1 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)和世界各國(guó)之間的核心競(jìng)爭(zhēng)方向，已經(jīng)在全球引起了非常高的重視。

5G是新一代的無(wú)線寬頻通信網(wǎng)絡(luò)，它是基于5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的全新架構(gòu)，新的無(wú)線技術(shù)，全頻譜的接入。像大規(guī)模天線技術(shù)這樣的核心技術(shù)，其峰值速率是4G峰值速率的十倍，傳送延遲是毫秒級(jí)的，連接能力是千億級(jí)的，是萬(wàn)物互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新紀(jì)元。5G是新一代的移動(dòng)通訊技術(shù)，它不但能夠給人們提供更好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境體驗(yàn)，而且也會(huì)成為智能制造、醫(yī)療、政務(wù)等領(lǐng)域以及智能都市和自動(dòng)無(wú)人駕駛等重要支持技術(shù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是由新一代的信息數(shù)字科技與工業(yè)體系緊密結(jié)合而成的一種產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用生態(tài)。通過(guò)信息化等技術(shù)方法促進(jìn)了企業(yè)的生產(chǎn)效率和資源的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重組，產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

基于工業(yè)和信息通信的綜合實(shí)力，美國(guó)政府制定了“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”和“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”項(xiàng)目；德國(guó)政府以機(jī)械、電子、自動(dòng)控制為基礎(chǔ)，實(shí)施“工業(yè)4.0”全國(guó)規(guī)劃；法國(guó)政府相繼提出了“新工業(yè)法國(guó)”和“新工業(yè)法國(guó)Ⅱ”計(jì)劃，從整體上對(duì)數(shù)字制造、智能制造以及由生產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)變所驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)方式進(jìn)行了規(guī)劃。

資料表明，中國(guó)已經(jīng)建設(shè)了世界上最大的5G通信網(wǎng)絡(luò)，為5G技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，如在工業(yè)、醫(yī)療、教育等方面。而在許多產(chǎn)業(yè)中，如運(yùn)輸?shù)确矫娑加辛速x能作用，并形成了若干具有一定的商業(yè)化價(jià)值的典型應(yīng)用，涵蓋了全國(guó)97大類國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的40個(gè)。

當(dāng)前，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已從政府主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)。但是，在5G產(chǎn)業(yè)的實(shí)施過(guò)程中，由于缺乏對(duì)5G技術(shù)的把握，使得5G市場(chǎng)的服務(wù)質(zhì)量下降，從而使市場(chǎng)的需求受到限制。本文旨在通過(guò)建立5G確定性網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，闡明其核心技術(shù)含義，從而達(dá)到5G確定性網(wǎng)絡(luò)3大特性（差異化網(wǎng)絡(luò)、專屬網(wǎng)絡(luò)、自助網(wǎng)絡(luò)）。本文基于3GPP技術(shù)的核心技術(shù)，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的確定性性能進(jìn)行了研究，并對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行了研究。

2 5G確定性性能應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

2.1 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特征

5G具有容量大、速率快、延時(shí)低、高速移動(dòng)性能好等特點(diǎn)。5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每平方公里超百萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入，為實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)奠定了基礎(chǔ)。5G通信網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速度為10Gb/s，能夠很好地適應(yīng)企業(yè)用戶的數(shù)據(jù)采集和傳輸需求。5G的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不到1ms的延遲，以及5～10ms的標(biāo)準(zhǔn)端到端延遲，支持局部的工業(yè)應(yīng)用。

5G技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用已成為未來(lái)的發(fā)展方向，在5G技術(shù)的支撐下，產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)得以快速發(fā)展。目前，4G技術(shù)已不能完全適應(yīng)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)通訊技術(shù)的需求，5G的特點(diǎn)可以適應(yīng)不同的連接方式、不同的性能要求、不同的通信要求以及不同的行業(yè)環(huán)境下的高速率的數(shù)據(jù)收集。遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、業(yè)務(wù)連續(xù)性等需求，為將來(lái)的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化提供了有力的支撐。而5G技術(shù)則是支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的途徑，5G與產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的深入融合，將會(huì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。而工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為5G技術(shù)在今后發(fā)展中的一個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用將會(huì)更加充分的發(fā)揮5G的作用。

2.2 5G面向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)3種建設(shè)的模式

（1）單純的專網(wǎng)模式。此模式的優(yōu)點(diǎn)在于，公司的資料可以完全的自主化，不會(huì)與外部世界產(chǎn)生任何聯(lián)系，并且具有最大的安全性，然而，目前中國(guó)并沒(méi)有專門的授權(quán)5G頻段。

（2）企業(yè)自建核心網(wǎng)，基站與公共共享模式。在這樣的網(wǎng)絡(luò)模式中，終端的登記、注冊(cè)以及數(shù)據(jù)流都是在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。目前，設(shè)備廠家及運(yùn)營(yíng)商在鋼鐵、礦山、碼頭等完成的5G核心網(wǎng)就是這種模式的典型案例。

(3)核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）下沉模式。這也是現(xiàn)在90%以上的工業(yè)企業(yè)都采用的建網(wǎng)模式，也就是說(shuō)核心網(wǎng)和基站都是與運(yùn)營(yíng)商共用的。共用時(shí)，企業(yè)在終端注冊(cè)登記時(shí)要到公共網(wǎng)絡(luò)去，但是它的數(shù)據(jù)流不會(huì)到公共網(wǎng)絡(luò)去，而是在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。這種模式也是當(dāng)前業(yè)內(nèi)主要采用的以電信運(yùn)營(yíng)商為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

目前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從局部的單點(diǎn)特色業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧苫?、系統(tǒng)化的發(fā)展方向。5G自身就是一種能夠支持多種服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，比如在5G基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)、倉(cāng)庫(kù)和物流等。但是5G并不只是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)其真正的應(yīng)用，必須與運(yùn)營(yíng)商、工業(yè)方案供應(yīng)商、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商等共同努力。充分利用5G技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，讓5G技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)提供有效的支持，進(jìn)而推動(dòng)中國(guó)的制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型和提升。

3 5G確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從當(dāng)前已有的網(wǎng)絡(luò)能力來(lái)看，5G網(wǎng)絡(luò)切片構(gòu)建了對(duì)于SLA（服務(wù)品質(zhì)協(xié)議）保障的基礎(chǔ)框架。包含了從需求輸入到切片部署的管理動(dòng)作，并能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)各域，拉通實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)切片，同時(shí)具備SLA指標(biāo)可視。在各網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，則采用URLLC、MEC、TSN集成等技術(shù)以提升確定性能力，上述多種方法，可以為行業(yè)業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)的SLA保障。

針對(duì)上述產(chǎn)業(yè)矛盾以及技術(shù)不足，3GPP 5G需要集成各類確定性技術(shù)，構(gòu)筑確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)需要能端到端全流程保障SLA可保障可承諾。該架構(gòu)應(yīng)能支撐確定性網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立部署，不依賴于外在的確定性網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時(shí)該架構(gòu)包含各網(wǎng)絡(luò)域的確定性技術(shù)，并能通過(guò)協(xié)同調(diào)度，提升系統(tǒng)整體確定性能力，真正支撐SLA/KPI可承諾可保障[1]。

從端到端保障SLA/KPI功能來(lái)看，確定性網(wǎng)絡(luò)功能大致分為如下3個(gè)部分，并形成閉環(huán)優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 確定性網(wǎng)絡(luò)主要功能Fig.1 Main functions of deterministic network

基于當(dāng)前5G架構(gòu)，結(jié)合無(wú)線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)現(xiàn)有技術(shù)，確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以劃分為確定性服務(wù)管理、確定性網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)度與控制中心、保障與度量3個(gè)層面，如圖2所示。

圖2 確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Deterministic network architecture diagram

4 5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化關(guān)注點(diǎn)

5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為定制網(wǎng)涉及無(wú)線、承載、5G核心網(wǎng)、云以及客戶內(nèi)網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)段。工業(yè)定制網(wǎng)的端到端帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等SLA指標(biāo)，及安全、可靠性等能力由上述不同網(wǎng)段、不同模式的性能共同決定。需將這些因素量化，指出多個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并從業(yè)務(wù)的角度對(duì)應(yīng)5G工業(yè)定制網(wǎng)的能力。

工業(yè)定制網(wǎng)要求與技術(shù)手段有以下6種對(duì)應(yīng)關(guān)系：（1）上行大帶寬的要求，技術(shù)手段為雙連接、上行載波聚合、專屬上行、超級(jí)上行等；（2）低時(shí)延、高可靠的要求，技術(shù)手段為邊緣計(jì)算、UPF下沉、時(shí)隙聚合等；（3）高可用、系統(tǒng)零中斷技術(shù)手段為主備模式，包括用戶接入號(hào)卡、接入專線、單板級(jí)備份AI、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)級(jí)備份A2以及網(wǎng)絡(luò)級(jí)備份A3等；（4）隔離和安全：PRB硬切片、PRB預(yù)留、網(wǎng)絡(luò)切片、核心網(wǎng)定制、網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制等技術(shù)手段；（5）高精度定位，利用融合定位技術(shù)等；（6）移動(dòng)性的指標(biāo)要求，技術(shù)手段為專用頻段、免調(diào)度接入、專用小區(qū)接入控制等[2]。

5 低時(shí)延高可靠確定性案例優(yōu)化分析

5.1 典型場(chǎng)景

低時(shí)延高可靠場(chǎng)景涉及到的業(yè)務(wù)種類繁多，如機(jī)器控制、遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化生產(chǎn)流程控制等，傳輸?shù)臅r(shí)延直接影響生產(chǎn)作業(yè)的安全和效率，且傳輸超時(shí)的數(shù)據(jù)包被設(shè)備視為異常，實(shí)際生產(chǎn)中低時(shí)延、低抖動(dòng)、高可靠的需求往往相生相伴。

5.2 技術(shù)優(yōu)化手段

針對(duì)5G端到端（主要是空口）的時(shí)延優(yōu)化和可靠性保障：

通過(guò)為指定業(yè)務(wù)分配獨(dú)立GBR類型5QI，保障業(yè)務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)以及最小速率；

通過(guò)開(kāi)啟5QI級(jí)別的上行預(yù)調(diào)度（更短的SR周期、關(guān)閉DRX功能）等功能參數(shù)，節(jié)約空口調(diào)度時(shí)間來(lái)降低時(shí)延；

通過(guò)調(diào)整5QI級(jí)別的目標(biāo)IBLER參數(shù)來(lái)減少空口重傳概率，提升可靠性；

通過(guò)引入切片級(jí)的RB預(yù)留功能，提升空口擁塞時(shí)的可靠性保障；

根據(jù)3GPP協(xié)議里的URLLC的技術(shù)演進(jìn)，未來(lái)引入更大的子載波間隔、Mini-slot調(diào)度、上行免調(diào)度、更保守的CQI/MCS表格、PDCP冗余復(fù)制等技術(shù)，可進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)延和可靠性。

針對(duì)5G承載時(shí)延優(yōu)化和可靠性保障：承載的平均時(shí)延一般由設(shè)備跳數(shù)和光纖長(zhǎng)度決定，理論上1000km的光纖線路產(chǎn)生的信號(hào)傳播時(shí)延平均為5ms。

在5G網(wǎng)絡(luò)部署層面，將5G的用戶面UPF/MEC 下沉到本地網(wǎng)電信機(jī)房或企業(yè)園區(qū)/機(jī)房，縮短5G承載網(wǎng)的通信距離和中間傳輸節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，降低端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

通過(guò)FlexE硬切片隔離不同企業(yè)的業(yè)務(wù)，確保企業(yè)業(yè)務(wù)不受2C等業(yè)務(wù)擁塞的影響，確保時(shí)延的可靠性。

5.3 5G業(yè)務(wù)端到端時(shí)延等級(jí)分類（如表1所示）

表1 5G 業(yè)務(wù)端到端時(shí)延等級(jí)分類Tab.1 End to end delay level classification of 5G service

5G承載網(wǎng)時(shí)延是指5G承載設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、5G核心網(wǎng)到客戶內(nèi)網(wǎng)的5G專線所涉及的光纖線路時(shí)延?？s短承載網(wǎng)時(shí)延可以將UPF下沉到本地網(wǎng)電信機(jī)房（比鄰模式）。設(shè)置承載網(wǎng)軟切片獨(dú)立VLAN的DSCP或硬切片F(xiàn)lexE，可以調(diào)整承載網(wǎng)調(diào)度優(yōu)先級(jí)、提高資源預(yù)留可靠性。

5G無(wú)線側(cè)縮短時(shí)延可以引入時(shí)延敏感型GBR 5QI、配置上行預(yù)調(diào)度和目標(biāo)IBLER。進(jìn)一步的可采用更大的子載波間隔、Mini-slot調(diào)度、上行免調(diào)度，設(shè)置更保守的CQI/MCS 表格、PDCP冗余復(fù)制等配置。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析5G確定性網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的新需求和新挑戰(zhàn)，研究了5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、5G確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新技術(shù)在5G確定性網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用部署，總結(jié)出5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線需要解決的問(wèn)題，從而滿足在5G三大應(yīng)用場(chǎng)景角度中進(jìn)行的策略研究，便于有效提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載質(zhì)量。

引用

[1]汪碩,王佳森,蔡磊,等.面向工業(yè)制造的確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2021,23(2):22-29.

[2]王強(qiáng),劉海林,黃杰,等.5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京:人民郵電出版社,2020.