面向工业的5G组网方案研究

孙丽楠，朱红绿，孙 慧

(中国电信股份有限公司研究院，上海 200122)

0 引言

2013年2月成立了IMT-2020 5G推进组[1]。2017年11月出台了中国5G频率规划方案。2018年底完成了5G关键技术、方案以及组网等研发试验。2019年6月，工信部正式发放5G商用牌照；同年10月，三大运营商宣布5G套餐，开启5G商业时代。

3GPP已经制定了R15和R16两个版本的5G标准。R15版本聚焦增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband，eMBB)，提供网络切片、多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing，MEC)等能力。R16为增强版本，支持物联网业务、高可靠低时延通信(Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC)增强等，面向工业互联网的业务需求、网络架构、空口增强技术是R16的工作重点[2]。

世界各国都在制定政策，加快5G与工业互联网融合发展。2017年起，美国联邦通信委员会开始促进5G向精准农业、远程医疗、智能交通等领域的扩散。欧盟在2018年4月成立工业互联与自动化5G联盟，推动5G在工业生产领域的落地。韩国三大运营商在2019年制定5G+战略，智慧工厂是五项核心业务之一。

我国高度重视5G与工业互联网的融合发展。2017年11月，国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，明确将5G列为工业互联网网络基础设施[3]。2018年提出《工业互联网发展行动计划》，提出两年内初步建成工业互联网基础设施和产业体系[4]。2019年出台了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，明确了建设“5G+工业互联网”园区网络等重点工作。我国已有十几个省市地区发布了5G产业规划，很多城市将5G与工业的融合应用作为重点。此外，通过5G应用产业方阵、工业互联网产业联盟、“绽放杯”5G应用大赛等，推动5G向工业互联网领域渗透，涌现出一批优秀的示范企业。5G和工业互联网的深度融合意义深远，也待继续推进[5]。

在上述背景下，本文分析了工业对网络的需求，研究了5G的典型关键技术，提炼出工业场景和5G能力的匹配关系，进而总结出面向工业进行5G组网时有哪些技术可供选择；并针对工业典型场景(例如车间内、工厂/园区内、工厂/园区间)提供了不同的5G组网方案建议。

1 工业需求和5G关键技术

1.1 工业对网络的需求

通过对化工类、生产制造类、电子制造类工业企业进行调研，可以初步得到工业对网络具有如下需求：

(1)多业务需求：工厂业务种类繁多，如视频回传、AR/VR业务、AGV调度、智能辅助驾驶等，可以通过eMBB/uRLLC/大规模机械通信(Massive Machnice Type Communication，mMTC)等5G基本能力满足。

(2)无线网络需求：传统的生产制造和工业控制依赖于有线连接，速度快、带宽高、可靠性高，但物理线路容易磨损，且影响机器的机械设计[6]。对非新建工厂，目前无线网络主要用于有线补盲，以优化后期工厂运营运维，该情况在石化行业应普遍存在。

(3)安全隔离需求：某些业务在4G网络通过虚拟专有拨号网络(Virtual Private Dial Network，VPDN)进行隔离[7]，可以满足安全需要；但对于安全性更高业务，可以引入5G专用切片，支持工业网络与公网之间以及工业网络内的不同应用之间的安全与隔离。

(4)网络切片需求：对于制造类工厂，由于业务类型丰富，尤其AGV实时调度、AR/VR类业务，切片需求比较强烈[8]。

(5)MEC需求：工业场景数据一般不出专网/虚拟专网(园区网、广域网)，可以通过用户面功能(User Plane Function，UPF)下沉结合MEC的方式，保证数据不出厂[9]。

(6)成本需求：在有条件的情况下复用公网资源，降低建网成本，快速部署5G网络。

1.2 5G典型关键技术

1.2.1 uRLLC

如表1所示，uRLLC可以满足很多工业场景需求，如工业控制、自动驾驶等。uRLLC技术可以在指定时间可靠地传输数据包，例如生产制造的闭环控制场景。uRLLC通过更短的TTI间隔、快速收发数据、调度单位更短、调度更灵活等能力，降低时延；通过分集冗余技术，使用特定的信道编码，改进空口传输的可靠性[10]，以满足未来智能工厂的要求。

表1 uRLLC关键能力

1.2.2 网络切片

5G网络增加了网络切片特性，可以满足工业场景下需要部署独立专网的需求，实现生产制造网络和移动办公网络或者和公众网络隔离的目的。

如表2所示，5G的网络切片可以通过虚拟化技术、预调度技术、FlexE等技术在不同网络实现切片[11]，并且允许建立多个虚拟网络，用以处理不同工业应用。这些虚拟网络可以在公共物理基础设施上运行，也可以根据需要在专用物理设施上运行[12]。

表2 网络切片关键能力

1.2.3 MEC

MEC能够把网络流量就近分发给用户，降低网络传输时延[13]。边缘计算平台可以部署于工厂内，工厂的工业互联网平台、企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning，ERP)平台、虚拟交换机等系统均可以部署于运营商的MEC，同时能够满足数据不出工厂的诉求[14]。

如表3所示，MEC可以使网络具备计算能力，在降低传输带宽的同时使业务更靠近用户侧，为用户带来更好的业务体验。可以满足5G相关的低时延、高带宽的应用需求，在工业互联网领域将有广泛应用前景。

表3 多接入边缘计算关键能力

1.3 工业场景和5G能力的匹配

图1为工业场景与5G能力的匹配。对于流量较小的环境监控类应用，使用大连接网络能力即可；对于无线视频监控，可选择高速率的eMBB能力[15]；对于工业现场的数据采集，选择eMBB能力，如果需保障其数据传输的安全性，可叠加VPDN能力。对于各类无人机、机器人、AGV、AR/VR、工业视觉类的应用，均可以通过eMBB能力实现，如果需要保障更好的体验，可以叠加服务质量(Quality of Service，QoS)、MEC等能力。对于AI/大数据类应用、工业控制类以及安全性要求较高的应用，建议选择MEC和网络切片能力。

图1 工业场景和5G能力的匹配

2 工业5G组网方案

2.1 工业5G组网技术

图2所示为工业5G组网方案，主要由工业终端、无线侧的5G基站、工厂本地UPFMEC、传输网、核心网几部分组成。

图2 工业5G组网方案

基于上述组网方案，归纳总结在无线、承载、核心网、管理等不同层面，工业5G组网相关的关键技术、应用场景及推荐建议细节，如表4所示。

表4 工业5G组网关键技术

2.2 工业5G组网具体方案

2.2.1 车间内组网

同一工厂同一车间不同工业设备间的连接，可以通过5G客户终端设备(Customer Premise Equipment，CPE)作为转发，将数据传送给5G基站。如果工业设备支持5G模组能力，也可以不经过CPE，直接与基站通信。CPE与工业设备之间可以经过有线连接，或者无线连接。初始上电后，CPE到核心网用户数据管理(User Data Management，UDM)进行安全认证。CPE设备的地址由核心网控制面会话管理功能(Session Management Function，SMF)或UPF分配。工业设备的IP地址由CPE分配。如果无CPE，工业模组的地址由SMF或UPF分配。工业设备的流量(如图3所示加粗实曲线)经由基站，转发到就近的UPF，由UPF转发到企业私有云平台或者互联网。UPF可以下沉到园区，此时与企业私有云之间需要设置防火墙，保证大网安全。

图3 车间内组网

2.2.2 工厂/园区内组网

同一工厂不同车间之间，覆盖范围相对较大，业务需求多样。如图4所示，可以部署多个5G基站。基站类型可以是宏站、室分、一体化小基站等，可以根据覆盖范围选择不同的类型。不同业务对基站要求可能也不尽相同，例如某些工业控制类业务对时延要求较高，基站需要支持uRLLC技术。不同车间之间的流量转发如图4中加粗实曲线所示。例如车间1的设备，经过空口到基站，再到UPF，UPF再寻址到车间2的基站，再到车间2的设备。

图4 工厂/园区内组网

2.2.3 工厂/园区间组网

不同工厂或者工业园区之间由于地理距离比较远，同一个UPF下的基站可能覆盖不到，此时需要部署多个UPF，满足覆盖需求。工厂/园区间工业设备的流量转发如图5加粗实曲线所示。例如工厂1的设备，经过空口到基站，再到UPF，UPF再到运营商网络的中心UPF，由中心UPF寻址到工厂2对应的UPF，再到工厂2的基站，最终到设备。

图5 工厂/园区间组网

3 结论

工业互联网是第四次工业革命的关键技术，5G是新一代信息通信技术演进的重要方向，二者都是实现社会数字化转型的重要驱动力。5G的低时延、高可靠、大带宽等特性，以及网络切片、边缘计算等更加灵活的组网模式，都为工业互联网的创新发展提供了新方向。本文在分析工业需求、研究5G典型关键技术的基础上，细化了工业场景和5G能力的匹配关系，归纳总结了工业5G组网技术，针对不同场景提出了工业5G的组网方案。5G与工业互联网融合创新发展，将加快推动工业网络智能化的转型升级。