5G專網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通

李 靜

（中國鐵塔股份有限公司 云南省分公司，云南 昆明 650228）

1 概 述

1.1 5G 專網(wǎng)

5G 專網(wǎng)指通過5G 網(wǎng)絡的組網(wǎng)、切片、邊緣計算等技術(shù)，為用戶提供具有專屬覆蓋、網(wǎng)絡定制、數(shù)據(jù)隔離、質(zhì)量保障且能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬、低時延、廣互聯(lián)以及高安全性數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N連接網(wǎng)絡，能夠在生產(chǎn)、辦公、管理等領(lǐng)域滿足用戶對通信服務的需要[1]。5G 專網(wǎng)提高了企業(yè)定制化網(wǎng)絡的自由度，可以根據(jù)用戶的工作環(huán)境、工作性質(zhì)進行靈活配置，具有很強的隱私性和安全性。

用戶面功能（User Plane Function，UPF）是5G核心網(wǎng)中的用戶面網(wǎng)元，其作用是響應會話管理功能（Session Management Function，SMF）的請求，作為無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（Data Network，DN）之間的連接點，主要功能為分組路由的轉(zhuǎn)發(fā)、策略實施、流量報告、數(shù)據(jù)包檢查以及QoS Flow 映射等網(wǎng)絡用戶面的處理，完成用戶面門控、重定向、流量轉(zhuǎn)向等策略規(guī)則的實施[2]。許多企業(yè)和用戶都對網(wǎng)絡的安全性有很高的要求，而5G 專網(wǎng)可以為用戶提供全方位的端到端安全服務，“以達到降低信息、基礎(chǔ)架構(gòu)和人員受到威脅概率的目的”。5G 專網(wǎng)能夠通過網(wǎng)絡隔離、數(shù)據(jù)保護、個人身份信息認證等方式對重要數(shù)據(jù)或資產(chǎn)進行保護，通過將UPF、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在企業(yè)內(nèi)部，確保數(shù)據(jù)不跨越園區(qū)劃定范圍、敏感信息保留在本地，從而使企業(yè)掌握控制、保留數(shù)據(jù)的主動權(quán)。

5G 專網(wǎng)可劃分為虛擬專用網(wǎng)絡、獨立專用網(wǎng)絡以及混合專用網(wǎng)絡3 種。其中，虛擬專用網(wǎng)絡以運營商已經(jīng)建立的5G 網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，構(gòu)建出一個屬于企業(yè)自己的專用網(wǎng)絡，可以被用于提升辦公效率、提高工業(yè)控制力以及提高操作的效率，實現(xiàn)費用的控制。獨立專用網(wǎng)絡將超級上行、5G網(wǎng)絡切片等網(wǎng)絡技術(shù)應用到了極致，根據(jù)客戶的需要，對專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級UPF 等專用網(wǎng)絡設(shè)備進行靈活定制，為企業(yè)客戶提供一張具備隔離保護、端到端連接、高性能的專用接入網(wǎng)絡[3]。5G 混合專用網(wǎng)絡系統(tǒng)是基于5G 的數(shù)據(jù)分流方法，采用靈活定制控制網(wǎng)元，為企業(yè)客戶搭建了一個帶寬大、時延低的基礎(chǔ)連接網(wǎng)絡系統(tǒng)。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種新型的信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施、應用模式和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，不僅能夠?qū)⑷?、機、物及系統(tǒng)有機地連接在一起，而且能夠穩(wěn)定地推進中國新型工業(yè)化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，同時能夠構(gòu)建起一套完整產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的新型制造服務系統(tǒng)[5]。工業(yè)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡體系，而企業(yè)網(wǎng)絡中上層業(yè)務的發(fā)展主要取決于與基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將新一代信息化技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)深度結(jié)合的嶄新事物，是實現(xiàn)企業(yè)全產(chǎn)品制造過程中全要素、全價值鏈系統(tǒng)互聯(lián)的關(guān)鍵基石，也是以數(shù)字化、網(wǎng)絡化以及智能化為主要特征的新一輪行業(yè)轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)?？傮w來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)可以分為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G 邊緣計算網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1 所示，公司通過互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)與云服務器、公司互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心及公網(wǎng)相連，并可用來連接公司廠區(qū)、子公司、上下游業(yè)務合作單元、公司云平臺、智慧生產(chǎn)和企業(yè)服務等主體資源，為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同、遠程調(diào)度管理及企業(yè)服務、創(chuàng)新技術(shù)提供支撐。中小企業(yè)的內(nèi)網(wǎng)主要是通過有線和無線兩類通信手段，將整個中小企業(yè)內(nèi)部、廠房、生產(chǎn)線和機器設(shè)備等連接起來，主要載體是企業(yè)管理控制類、信息收集類以及數(shù)據(jù)交換類的服務。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G 邊緣計算網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)可通過運用5G 等新型網(wǎng)絡技術(shù)手段，配合IPv6+、無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)等更先進的應用技術(shù)，對整個工業(yè)網(wǎng)絡進行全區(qū)域的無線覆蓋。其中，信息技術(shù)（Information Technology，IT）網(wǎng)絡分層架構(gòu)主要劃分為現(xiàn)場級、控制級、車間級以及工廠級，囊括了研發(fā)類工業(yè)軟件、信息管理類工業(yè)軟件。運營技術(shù)（Operation Technology，OT）網(wǎng)絡所覆蓋的主體有人、產(chǎn)品、機器、工業(yè)控制系統(tǒng)等，主要用于現(xiàn)場的控制器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、傳感器、伺服器以及監(jiān)控器等各類移動終端設(shè)備。在OT 網(wǎng)絡中，有線傳輸部分是利用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)來完成，而無線傳輸部分是利用5G 技術(shù)來實現(xiàn)。

內(nèi)外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用“專線連接”或“網(wǎng)絡連接”2 種形式，根據(jù)企業(yè)的規(guī)模與業(yè)務需求選定不同的傳輸方式。通常來說，網(wǎng)絡連接是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)服務化的標準基礎(chǔ)，而專線連接則可在保證服務質(zhì)量的前提下高效實現(xiàn)信息的網(wǎng)絡傳輸。

1.3 雙域互通

通信系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)手段，其特點是低延遲、高傳輸速率、可擴展性以及高穩(wěn)定性。為使5G 技術(shù)能最大限度地適應現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的客觀需求，將5G 技術(shù)應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是必然的選擇。5G 專用網(wǎng)作為一種面向行業(yè)的網(wǎng)絡部署方式，能夠有效地滿足企業(yè)對高傳輸速率、高可靠性以及高穩(wěn)定性的要求，特別是在當前以政府和企業(yè)為主體的5G 工業(yè)應用市場，5G 專網(wǎng)的部署已經(jīng)成為各垂直產(chǎn)業(yè)提升生產(chǎn)效率、加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑[4]。

在“5G 專網(wǎng)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的典型應用場景中，各種終端設(shè)備利用無線通信技術(shù)、有線通信技術(shù)或是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)完成對設(shè)備的控制，并進行數(shù)據(jù)元素的采集、傳輸。在特定的應用環(huán)境下，通信網(wǎng)絡必須具備低時延、高速率、易擴展以及強穩(wěn)定等特性，才能適應各種不同的傳輸要求。

2 5G 專網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的具體應用

2.1 5G 專網(wǎng)的具體應用

5G 網(wǎng)絡覆蓋范圍主要包括能源、公共事業(yè)、制造業(yè)及交通運輸業(yè)。日本的5G 專網(wǎng)較5G 公用網(wǎng)絡更早被踐行，他們將各行業(yè)自建的5G 專網(wǎng)命名為“Local 5G”，有別于運營商的5G 專網(wǎng)，允許在特定區(qū)域中使用自己的專用網(wǎng)絡。目前，日本的5G 的頻譜的分布主要包括3.7 GHz 波段、4.5 GHz 波段以及28 GHz 波段[5]。至于為什么要給各行業(yè)使用“Local 5G”專網(wǎng)頻譜的權(quán)利，則是為了讓每個垂直行業(yè)都能按照自己的需求來配置5G 專用網(wǎng)絡。

國內(nèi)，750 kV 蘭州東變電所已經(jīng)正式開通了我國第一個自主建設(shè)的5G 電力無線專用網(wǎng)絡。該公司通過采用非授權(quán)頻段以及5.8 GHz NR-U 免授權(quán)頻段技術(shù)，實現(xiàn)自建5G 電力無線專網(wǎng)。這是國內(nèi)首個核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、基站完全自建的獨享網(wǎng)絡，也是首次使用5.8GHz免授權(quán)頻段建設(shè)的5G 專網(wǎng)，是國內(nèi)可見的首個

具有獨立意義的企業(yè)自建專網(wǎng)[6]。它的2 個站點對大約0.8 m2的變電站區(qū)域進行了覆蓋。在這片范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)巡檢機器人、移動巡查、影像監(jiān)測等移動服務以及大帶寬服務應用。通過這種方法，過去各類業(yè)務終端接入方式繁雜、業(yè)務拓展應用和接入運行管理難度大的問題均能夠得以解決。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的具體應用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代化工業(yè)的核心技術(shù)支撐，它利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了原料生產(chǎn)、供應、銷售以及運輸?shù)雀鱾€方面的無縫銜接，還可以通過實現(xiàn)生產(chǎn)線中各設(shè)備的高效連接，迅速提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和效能。工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、運輸、供應、銷售乃至售后服務形成一體化的全新格局，可以有效推動工業(yè)生產(chǎn)的跨越式發(fā)展。然而，面對工業(yè)生產(chǎn)鏈的日趨復雜化與工業(yè)信息的海量化，傳統(tǒng)4G 技術(shù)已不能適應現(xiàn)代化工業(yè)運營的需求，5G 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用已成為必然。目前，我國大部分的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)都是以電信、政府部門為主，而在“5G 專網(wǎng)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的典型應用中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)的構(gòu)建顯得尤為重要。企業(yè)和工廠應在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的上層發(fā)展和創(chuàng)新應用過程中，按照企業(yè)自身的布局地域化、網(wǎng)絡需求多樣化、業(yè)務應用場景化等要求構(gòu)建與其業(yè)務相匹配的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡通信體系，這是其要想在更高層面上對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)發(fā)展和創(chuàng)新應用的關(guān)鍵一步。

3 雙域互聯(lián)互通的展望

當前，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的復雜化、工業(yè)信息的海量化，傳統(tǒng)4G 技術(shù)已不能適應現(xiàn)代工業(yè)運營的要求，5G 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式下的應用已是必然趨勢。5G 技術(shù)的應用不但可以極大地提高系統(tǒng)的操作水平和數(shù)據(jù)的傳輸效率，實現(xiàn)對管理系統(tǒng)的智能化控制，而且可以實現(xiàn)對該地區(qū)視頻監(jiān)控、音頻監(jiān)控等設(shè)備的互聯(lián)互通，利用工業(yè)傳感設(shè)備、無人機等實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集，并在智慧云中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)共享，進而促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級。5G 專網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合的標準應用如圖2 所示。

圖2 5G 專網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融合的標準應用

機器視覺技術(shù)也是5G技術(shù)深入發(fā)展的重要表現(xiàn)，被廣泛應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。通過機器視覺技術(shù)的應用，工作人員可以對生產(chǎn)設(shè)備進行遠程操作，甚至是虛擬設(shè)計，使得人與設(shè)備、產(chǎn)品之間的交互不再需要直接接觸，這就極大地減少了時間和空間對于生產(chǎn)、創(chuàng)造活動的限制與制約，從而顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。5G 與超高清視頻技術(shù)的融合是當前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的一種比較成熟的技術(shù)場景，其能夠?qū)崿F(xiàn)極高清晰度和分辨率的數(shù)據(jù)傳輸，使遠程監(jiān)管、測量等與實地操作之間的差距得到極大程度地縮小，有效提升產(chǎn)品裝配的質(zhì)量和工藝水平。

4 結(jié) 論

不論是5G 專網(wǎng)還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都不能只滿足于“一廠一地”的小范圍融合，而是需要在省級層面乃至國家層面做好頂層的規(guī)劃與設(shè)計，加強傳統(tǒng)工業(yè)與現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)動發(fā)展，將5G 專網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合上升到國家戰(zhàn)略的高度，為2 個產(chǎn)業(yè)的融合提供最優(yōu)質(zhì)的外部環(huán)境。與此同時，要以積極、謹慎的態(tài)度推動5G 專網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用的監(jiān)管，持續(xù)構(gòu)建并完善相關(guān)行業(yè)制度和融合規(guī)范，對融合應用過程中可能出現(xiàn)的技術(shù)風險和安全風險進行有效防控，從而為二者的融合應用創(chuàng)造一個更加健康的環(huán)境，有效推動現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，為我國工業(yè)生產(chǎn)和信息化發(fā)展提供強有力的支撐。