化工園區(qū)5G專網(wǎng)的研究與實(shí)踐

吳一鋒 唐甸偉 曾楠諾 吳俊強(qiáng)

建設(shè)制造強(qiáng)國，離不開新一代5G通信傳輸技術(shù)。目前傳統(tǒng)有線傳輸逐漸無法適應(yīng)未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，不利于打造數(shù)字化工園區(qū)和無線工廠。本論文結(jié)合實(shí)際化工園區(qū)5G專網(wǎng)建設(shè)原則，創(chuàng)新采用“5G宏站+MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算）”的SA獨(dú)立組網(wǎng)方式為解決生產(chǎn)信息高質(zhì)量、高安全、高可靠的無線傳輸問題。

一、項(xiàng)目背景

由于制造企業(yè)的高速發(fā)展，能源行業(yè)煉化園區(qū)建設(shè)規(guī)模久，且業(yè)務(wù)規(guī)模越來越大，傳統(tǒng)的有線傳輸逐漸無法適應(yīng)未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型發(fā)展，不利于打造數(shù)字園區(qū)和無線工廠。以海南某油氣接收處理終端園區(qū)為例，企業(yè)存在未建設(shè)企業(yè)級(jí)無線高可靠專網(wǎng)、人工錄入業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)高、生產(chǎn)供應(yīng)環(huán)節(jié)信息“孤島”等諸多問題。在這種背景下，企業(yè)急需要一套新型的企業(yè)專網(wǎng)系統(tǒng)來提高園區(qū)的無線數(shù)字化管理水平，通過專網(wǎng)將園區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有的安防監(jiān)控、門禁管理、人員管理、智能巡檢等數(shù)據(jù)流進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)整體核心數(shù)據(jù)不出廠的安全平滑升級(jí)。

二、化工園區(qū)5G專網(wǎng)設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)

項(xiàng)目實(shí)施的油氣處理終端化工園區(qū)布局緊湊，金屬設(shè)施繁多，為保證無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果和組網(wǎng)安全性，原則上本次規(guī)劃使用“5G宏站+MEC”獨(dú)立組網(wǎng)模式，通過高密度大功率天線對劃定區(qū)域進(jìn)行均勻連續(xù)覆蓋，最大程度減少金屬設(shè)施對無線覆蓋效果的影響，根據(jù)化工園區(qū)5G手持終端巡檢、5G攝像頭、5G機(jī)器人巡檢等的實(shí)際承載業(yè)務(wù)需求和5G網(wǎng)絡(luò)的特性功能，以先進(jìn)技術(shù)為支撐，以協(xié)同生產(chǎn)、保障安全構(gòu)建作為無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重點(diǎn)，建設(shè)安全、可控的5G無線專網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算能力方案的設(shè)計(jì)原則是將5G核心網(wǎng)和邊緣云服務(wù)器下沉到終端化工園區(qū)機(jī)房，將化工園區(qū)5G應(yīng)用搭載在5G邊緣云平臺(tái)上，減少網(wǎng)絡(luò)鏈路的迂回和擁堵現(xiàn)象，縮短傳輸路徑，能夠有效提升傳輸帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和保證數(shù)據(jù)安全。同時(shí)，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，要求5G專網(wǎng)與運(yùn)營商公眾網(wǎng)物理隔離，實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)不出園區(qū)，來訪和生活數(shù)據(jù)不影響。具體設(shè)計(jì)原則要求如下：

（一）化工園區(qū)5G基站與運(yùn)營商大網(wǎng)基站以及室內(nèi)分布系統(tǒng)物理隔離。

（二）5G核心網(wǎng)和邊緣云須實(shí)現(xiàn)核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

（三）5G專網(wǎng)須具備5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接功能。

（四）5G專網(wǎng)建設(shè)須考慮選址問題，不得部署在防爆區(qū)域。

三、化工園區(qū)5G專網(wǎng)組網(wǎng)解決方案

（一）整體組網(wǎng)說明

項(xiàng)目整體采用5G 2.6GHz組網(wǎng)，本期工程新建MEC設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G用戶在4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)的媒體面業(yè)務(wù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。通過在終端化工園區(qū)部署海南移動(dòng)5G基站、室分系統(tǒng)和MEC邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流和保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)。企業(yè)內(nèi)部用戶通過覆蓋園區(qū)的基站附著網(wǎng)絡(luò)，MEC通過APN和訪問服務(wù)器地址進(jìn)行業(yè)務(wù)分流。訪問內(nèi)部業(yè)務(wù)的用戶，經(jīng)MEC后被指向企業(yè)服務(wù)器。企業(yè)用戶訪問大網(wǎng)內(nèi)容，經(jīng)MEC后正常訪問Internet；外部用戶無法訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^APN或企業(yè)鑒權(quán)管理來控制，外部用戶附著園區(qū)基站仍可正常訪問Internet。

（二）無線及傳輸網(wǎng)建設(shè)方案

化工園區(qū)5G基站可采用160M頻寬，傳輸采用SPN網(wǎng)絡(luò)的全新5G傳輸網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)園區(qū)域全覆蓋，可在園區(qū)大門、辦公樓等地新立20米景觀燈桿安裝AAU設(shè)備；園區(qū)通信機(jī)房內(nèi)新增BBU設(shè)備；通信機(jī)房至遠(yuǎn)端AAU之間需要使用12芯光纜。

（三）核心網(wǎng)建設(shè)方案

5G核心網(wǎng)建設(shè)內(nèi)容包括邊緣增強(qiáng)型一體化UPF、服務(wù)器、配套交換機(jī)、配套防火墻和管理域MEPM設(shè)備。5G核心網(wǎng)安裝在終端化工園區(qū)公司辦公樓機(jī)房內(nèi)。

5G SA核心網(wǎng)絡(luò)采用了虛擬層NFV+MANO+容器+網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)，SA核心網(wǎng)控制面和用戶面分離，用戶面在省內(nèi)部署并可靠近用戶下沉建設(shè)，實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和節(jié)約傳輸成本目標(biāo)；控制面集中在全國八大區(qū)域集中建設(shè)，確保網(wǎng)絡(luò)的安全、先進(jìn)和高效。在SA核心網(wǎng)技術(shù)下，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可控制在30ms以內(nèi)，并具備網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)能力。具體實(shí)現(xiàn)如下：

1.UPF與5G NR間通過SPN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。UPF與AMF優(yōu)先同廠家，其覆蓋的無線服務(wù)區(qū)屬于本廠家AMF無線服務(wù)區(qū)的子集。

2.UPF與5G SA控制面通過SPN連接到?？贗P承載網(wǎng)，通過IP承載網(wǎng)分別與華南、華中大區(qū)的控制面設(shè)備互聯(lián)。

3.UPF與運(yùn)維管理域OMC通過SPN連接到?？贗P承載網(wǎng)，通過IP承載網(wǎng)與?？诤诵木W(wǎng)機(jī)房新建的OMC設(shè)備互聯(lián)。

4.UPF通過現(xiàn)有光纜連接到本地園區(qū)。

四、化工園區(qū)5G專網(wǎng)運(yùn)行情況

經(jīng)實(shí)際使用測試，本項(xiàng)目終端化工園區(qū)5G專網(wǎng)能夠由MEC進(jìn)行業(yè)務(wù)分流。使用專網(wǎng)卡訪問內(nèi)部業(yè)務(wù)的用戶，經(jīng)MEC后被指向企業(yè)服務(wù)器，可以進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)訪問。專網(wǎng)卡不能訪問公網(wǎng)。園區(qū)外部用戶無法訪問園區(qū)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)營商大網(wǎng)基站數(shù)據(jù)流不經(jīng)過本化工園區(qū)的MEC。5G互聯(lián)設(shè)備安全性符合要求。具體運(yùn)行指標(biāo)如表1所示。

五、化工園區(qū)5G專網(wǎng)創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目通過5G技術(shù)與智能化技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場5G視頻、5G巡檢、現(xiàn)場機(jī)器人作業(yè)管控、提升作業(yè)人員管理效能，助力實(shí)現(xiàn)接收站少人化、無人化的智能化建設(shè)目標(biāo)。

（一）簡易組網(wǎng)

減少了企業(yè)內(nèi)部組網(wǎng)的復(fù)雜性，以移代固，部署快捷方便，采用即插即用的基礎(chǔ)設(shè)施。降低網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和外設(shè)的復(fù)雜性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的可擴(kuò)展性和更低的成本。

（二）靈活可靠的MEC平臺(tái)

同時(shí)支持虛機(jī)和容器雙核，提供IaaS、CaaS、FaaS、PaaS等服務(wù)；除可以提供天生的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)外，還提供對應(yīng)用流的優(yōu)化和七層分發(fā)服務(wù)。

（三）云原生的APP應(yīng)用

部署于MEC平臺(tái)的APP從一開始設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了云原生應(yīng)用或能演進(jìn)到云原生應(yīng)用。

（四）靈活的安全服務(wù)

MEC部署于網(wǎng)絡(luò)管道內(nèi)部，并且提供本地化的計(jì)算，同云端計(jì)算的協(xié)同，并考慮企業(yè)數(shù)據(jù)的隱私和安全。在虛擬化實(shí)現(xiàn)的隔離及網(wǎng)絡(luò)隔離的基礎(chǔ)上，考慮了數(shù)據(jù)安全以及同云端和現(xiàn)場邊緣計(jì)算的安全協(xié)同。

六、商業(yè)分析及未來展望

本次海南某終端化工園區(qū)5G專網(wǎng)的無線、傳輸、核心網(wǎng)、通信卡設(shè)備都嚴(yán)格按照海上作業(yè)要求施工，如期保質(zhì)保量完成項(xiàng)目開通，技術(shù)完全國產(chǎn)化自主化。本化工園區(qū)5G專網(wǎng)可以向全國渤海、北海、東海等海域平臺(tái)作業(yè)以及港口接收站作業(yè)規(guī)模復(fù)制，同時(shí)海南作為自貿(mào)港的國際展示窗口，可以向“一帶一路”東南亞國家推廣，助力國家通信技術(shù)海外推廣和5G聯(lián)合海油出國創(chuàng)匯。

作者單位：吳一鋒、唐甸偉 中國移動(dòng)通信集團(tuán)海南有限公司

曾楠諾 中海石油（中國）有限公司海南分公司

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