目录 | 2022年第8期出版 本期专题：5G专网应用
5G行业虚拟专网驱动应用规模化发展
5G专网应用专题 02
5G工业专网架构和关键技术探讨*
黄蓉，唐雄燕，裴郁杉，范斌，王友祥
【摘 要】5G具有大带宽、低时延、高可靠和大规模互联的能力，与边缘计算、AI等融合设计，可有力支持工业互联网网络化、数字化、智能化转型。5G在工业互联网中的应用尚处于起步阶段。首先从工业系统架构变革出发，提出5G和工业互联网融合的趋势，分析面向未来无线化的、异构接入以及算力分布式部署的5G工业专网多级融合网络架构，并提出基于网络资源层、业务感知层和网业协同层构建工业网络逻辑架构的思路，进一步研究了面向工业生产控制的5G确定性关键使能技术。
【关键词】5G；工业专网；确定性
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2022)08-0008-07
引用格式：黄蓉,唐雄燕,裴郁杉,等. 5G工业专网架构和关键技术探讨[J]. 移动通信, 2022,46(8): 08-14.
0 引言
工业互联网是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物，通过人、机、物的全面互联，全要素、全产业链、全价值链的全面连接。5G设计初衷是全面支持万物互联，从R16版本开始，在eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽）基础上，URLLC（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，超高可靠低时延通信）和mMTC（massive Machine Type Communication，海量物联网通信）逐步完善，同时明确提出针对工业互联网场景的技术优化及与工业以太网TSN协同传输技术，是工业控制、电网自动化等业务的基础。
国家高度重视5G和工业互联网深度发展，已发布一系列政策举措加快5G全连接工厂建设。在过去的几年，国内基于R15和R16版本已涌现大量5G工业专网优秀案例，但大部分停留在外围业务且单点性强，难以进入生产控制环节，无法形成5G全连接可复制化方案并得到规模化应用。工业场景复杂，能力要求多样化。在5G技术和标准基础上针对工业场景进行架构和技术的适配性研究，提升5G可定制能力，保障生产安全性，数据隔离的必要性较高。
本文第1节介绍5G与工业互联网融合趋势和发展现状，第2节提出5G工业专网架构，第3节对适配工业业务需求的关键性5G演进技术进行研究。
1 5G与工业互联网融合发展
1.1 工业系统架构
随着工业数字化、智能化发展，工业控制系统将从单个控制走向分布式协同控制，打破原有5层金字塔架构，拉通现场级到工厂级数据高效流转，形成云网边端深度协同的扁平化架构，如图1所示。基于多级AI（Artificial Intelligent，人工智能）架构，海量传感/执行器将工业园区数据回传至公有云或私有云，中心云进行模型训练并将模型推送到边缘，通过多级工业边缘云负责现场异构接入汇聚和协议互通转换，同时负责面向工厂级、车间级及现场级等位置的不同业务根据实时性要求进行数据采集和预处理、模型推理和决策控制等 [1-3] 。
1.2 工业网络现状
工业网络贯穿云网边端，是工业互联网发展的重要基础。工厂外网通常采用租用运营商专线等方式实现多个工厂间协同，以及工厂与中心云之间的数据流通和交互。工厂内网应用于工厂或园区内部，最核心的是支持同步、实时控制类业务，是保障安全生产的前提。
工业内网技术包括工业有线和无线。传统工业有线以现场总线、工业以太为主实现高实时和高可靠生产。常用总线协议包括Modbus、Profibus等，工业以太包括Profinet、EtherCAT等。工业有线协议众多，数据异构、互联互通和兼容性差，同时局域性强、设备上网率低、网络管控水平低，导致孤岛问题突出。常用工业无线有Wi-Fi，LoRA，Zigbee，WIA（Wireless Networks for Industrial Automation，工业无线网络）等，一方面可解决布线维护难、无法支持移动性等问题，另一方面支持传感数据采集、视频回传等，使得工厂生产更加模块化，是柔性生产的基础。但目前难以用统一的接入方式支持各类业务，造成接入制式复杂，同时现有无线网络可靠性、网络时延难以满足生产网络需求，导致规模无线化难度极高。
1.3 5G与工业互联网融合
和工业有线相比，5G可解决移动性差、组网不灵活、特殊环境铺设困难等问题。和工业无线相比，5G同时支持大带宽、低时延、高可靠和大规模物联多维度特性，其核心能力随着3GPP版本不断迭代而提升，将满足自动化控制等更加低时延、高可靠性等的业务需求，具备通过统一的接入实现网络数据汇聚，达到工厂设备一网全连接和互联互通的能力。
5G与工业互联网融合正在国内外标准和联盟等平台被加速讨论。3GPP主要致力于5G原生确定性研究并通过与TSN（Time Sensitive Network，时间敏感网络）等协同传输实现对工业互联网的支持。德国成立5G-ACIA（5G Alliance for Connected Industries and Automation，5G产业自动化联盟），推动5G支持低时延、高可靠和移动性以实现无线工业4.0。国内CCSA成立TC13 SWG1“5G+工业互联网”组推进标准建设。
2 5G与工业互联融合专网架构
5G服务工业互联网，最重要的是提供端到端SLA保障能力。5G的SBA设计、网络切片和边缘计算为业务灵活部署、数据隔离传输提供了先决条件；5G无线网高效的部署规划，室内外宏站、微站等协同部署解决方案实现全方位覆盖，是5G提供工厂园区服务的基础。
基于5G公网专用，根据部署形态和资源专用性不同，有3种基本专网形态：（1）端到端资源共享的虚拟专网；（2）UPF下沉和MEC的混合专网；（3）基站专享及AMF/SMF等部分核心网能力下沉的独立专网。但5G基于公网设计思路，仍面临网元功能复杂、控制功能集中度高、蜂窝结构在复杂工业环境实用性弱、网络和业务相互感知联动差等问题，在应用设计中如何适配工业园区的需求值得探讨。另还需考虑支持5G+Wi-Fi/工业PON等满足工业场景的更高连接需求和后向兼容性；以及与边缘计算和OT技术等不断融合提升生产效率，实现从园区到车间，包括异地实时交互等应用场景的深入扩展，达到协同制造和高效运营的目标 [7] 。
2.1 5G工业专网组网架构
随着5G向工业生产环节的深入应用，业务部署将下沉到产线级和车间级。基于现有专网形态，并结合不同的业务需求、部署场景和设备形态，进一步形成专网架构，如图2所示。
（1）工厂内业务多级按需部署，如控制类业务可根据其实时性需求在产线超边缘控制器、工业智能网关、车间边缘节点等进行实时处理。用户面分流功能需要更加轻量化及灵活部署，使得业务流能够按需随时随地分流，实现业务快速处理和响应，在工厂内将形成多级5G分布式网络的架构。同时为简化组网复杂度，提升通信效率，引入5G局域网通信支持UPF内和跨UPF的终端以及群组内直接通信。
（2）对不同业务区域，需根据系统容量、终端数量、移动性要求以及厂房空间等进行针对性的基站选型和组网规划。对于较高厂房引入大规模MIMO宏站实现波束垂直覆盖，对于遮挡物较多区域应进行定向覆盖，对于覆盖盲区可采用一体化基站。在产线车间大部分终端位置和业务逻辑相对固定位置，对于小区边界处终端可通过小区锁定避免频繁切换或通过多小区联合发送保障可靠性，对于轨迹固定的移动性终端如AGV小车、叉车等可提前根据运行速度和轨迹预判小区切换。
（3）考虑到终端成本、后向兼容性以及极致业务能力等因素，多制式共存将是长期的局面，5G需具备和工业以太网、工厂二层通信的融合组网能力。未来可考虑5G与工业PON、Wi-Fi等在管理控制以及实际部署实现层面的融合。5G工业边缘网关将长期发挥多连接数据汇聚、协议转换和5G网络转发的作用，将由网关进行工业设备IP地址分配和配置管理。
（4）工业网络对网络可用性有较高要求。可用性取决于数据包传输可靠性、设备可靠性等因素，涉及无线接入、承载网和核心网端到端网络。网络组网设计和部署需建立可用性等级和可用性模型，设备层面考虑端口级、单板级到节点级热备，链路层面考虑链路冗余多发选收以及临时保活机制保障网断业务不断。
（5）从基础设施层面看，可采用基于云原生的基站基带、核心网和业务分流功能、MEC等共平台融合部署方式，减少数据转发节点数和设备，缩短数据流转时延并提升可靠性，为网络和业务一体化便捷部署、编排提供基础能力。
2.2 5G工业专网逻辑架构
从逻辑层面看，工业互联网需加强构建从自下而上的基础网络和设施能力、网业协同能力实现通信—智能—控制业务一体化服务。如图3所示。
◆网络资源层引入URLLC、高精度定位、TSN、5G LAN等确定性技术，并结合网络切片等实现对网络资源的端到端统一调度，提供确定、稳定的网络能力。
◆业务感知层进行工业实时和非实时类业务流的精准感知、SLA/KPI评估反馈，引入智能化手段进行面向不同业务类型的传输路径规划和调度配置等，与网络资源层形成局域和广域闭环机制。
◆网业协同层进行业务KQI模板与网络KPI转换、面向工业用户的网络能力开放、自服务和自管理能力，实现业务自主加载上线，端到端链路配置等。
3 面向工业互联的5G专网关键技术
工业现场专网业务根据具有周期性、实时性和确定性等不同特征，主要可分为如下流量模型：
◆周期性确定性业务流：对传输及时性有严格要求，需要端到端全局规划周期性和及时准时调度，保障每条业务流的各数据包在每个网络节点的精准实时调度，主要用于工业控制类业务，如移动机器人、协同运动控制等。
◆非周期性确定性业务流：无预设发送时间的通信，典型业务模式是由事件驱动的操作，如设备突发故障造成信息上报，AR巡检等，具有一定的突发性，可能造成网络拥塞。
◆非确定性通信：其他对时间不敏感的业务流，包括周期性的非实时流量和非周期性的非实时流量，如文件下载。
一些典型业务指标要求详见表1。
工厂车间产线装备布设、终端和业务类型等相对固定，具备提前进行业务流模型规划的条件。但仍存在确定性和非确定性多类型业务流混合传输的情况，且工业环境复杂，空口数据传输不确定性高，这将对带宽有限的无线网络带来较大的设计挑战。实现高效5G混合传输将是较长时间需要面对的核心问题。同时物料精准定位、多装备协同高精度同步需求等均将成为支持5G工业互联网发展的基础能力。3GPP一方面正完善面向工业场景的时延、带宽以及网络可用性等确定性KPI指标要求和技术内涵，另一方面也在逐步挖掘新的业务能力，逐步形成面向工业互联的5G关键技术图谱。
3.1 空口增强与局域闭环技术
无线空口由于频率资源紧张，带宽、时延、可靠性及资源效率存在相互制约关系，工厂业务性能极大程度受到空口传输的影响。3GPP URLLC引入了新的5QI等级，其目标可靠性达到5个9以上，用户面空口时延能够低于1 ms，是实现协同控制、运动控制业务的基础。涉及技术包括新型帧结构、多连接传输、Multi-TRP、COMP等。实现方案包括delay critical GBR设计、Mini-Slot符号级别的调度，PDCP包复制、99.999%低码率的MCS/CQI表格、免授权调度、实时业务（URLLC）和非实时业务（如eMBB）共存的帧抢占技术等。系统层面3GPP定义QoS monitoring实现业务指标监测，并由AF或NWDAF进行QoS流级别或GTP-U会话级别的策略调整机制，但该方式在业务本地部署的情况下反馈响应机制较慢。为提升业务闭环实时性，可在基站建立更加精细的业务流管理和局域闭环优化机制如下 [9-11] ：
◆针对实时业务流进一步提升无线资源管理和调度能力。根据业务数据流特征进行调度参数预配置并根据实时传输情况，综合考虑多流业务排队，以及根据时延情况、无线信道环境情况动态调整调度策略。
3.2 OT集成与内生确定性技术
为实现与工业以太网的对接，5G从R16版本起立项IIoT，研究5G与TSN网络融合支持时间敏感通信。TSN是在标准以太网基础上增加了对实时业务的支持，确保能够为关键数据传输提供稳定一致的服务，是工业以太标准通用化的发展方向。5G作为独立网桥与TSN的集成，包括（1）高精度时间同步支持802.1AS；（2）在UPF和终端集成NW-TT和DS-TT支持802.1Qbv和LLDP（Link Layer Discovery Protocol，链路层发现协议）；（3）端到端支持Delay Critical GBR转发，RAN支持TSCAI用于资源调度；（4）对接TSN CUC进行协同管理，解决QoS映射等问题 [12-13] 。
随着R17/R18版本的逐步深入，将极大提升工业互联网的TSN能力，并将5G网络的确定性范围进一步扩展，支持内生确定性，潜在实现框架如图4所示。
◆支持DetNet集成：基于TSCTSF或TSN AF将5GS与IETF DetNet架构集成，提供DetNet配置和5GS参数之间的映射，实现更加广域范围内的确定性。
◆提供5G授时弹性服务：检测并上报授时服务的时钟源故障，触发5GS网络根据签约、配置和性能要等，切换到备份时钟源，例如在卫星授时服务异常时提供5GS时钟作为备份，满足工厂授时要求。
◆端到端的低时延确定性通信：N3与传输融合，保证RAN和UPF之间的传输时延和抖动；基于业务流量特征以及RAN侧资源调度反馈，实现无线、N3、业务联合调度，确定并调整业务流在RAN/UPF/应用侧的发送窗口，降低RAN侧排队时延。
3.3 通感融合与高精度定位技术
通信感知融合可利用无线系统的主动、被动或协作感知等方式，使得终端和网络尽早地获得物理、数字、业务环境等先验信息，从而提前优化自身工作策略和资源预分配。工业现场环境由于金属屏蔽、不规则遮挡、粉尘作业等环境通常较为复杂，从而造成无线传输环境的高不确定性。网络可对目标用户及周围环境进行及时智能感知，防止空口信道环境突然恶化，提高波束训练和跟踪效果，提升服务连续性，降低计算开销，改善工业互联网的通信质量 [14] 。依据业务需求不同，一方面可以利用现有5G通信辅助感知服务，另外一方面感知也可以作为提升通信系统本身性能的新手段。通信信息和感知信息可以在相同的架构下实现共享，通过二者的高效融合实现对新业务新场景的高效支持。
定位能力是通感融合的重要应用方向。5G载波带宽大、大规模MIMO应用使得定位可行性高，在R16到R17版本中定位能力不断提升，商用场景下90%用户的定位误差小于1 m，工业物联网场景下90%用户的定位误差小于0.2 m，端到端定位时延小于100 ms。在R18版本中将一方面通过载波相位定位、LPHAP（Low-Power High-Accuracy Positioning，低功耗高精度定位）和载波聚合定位提升定位精度至厘米级，另一方面将定位扩展到终端之间、RedCap终端等。实现对工厂内的人、车、物、料等的精确定位和跟踪，从而高效协同和调配资源，有助于工厂高效生产及精细化管理 [15] 。
3.4 5G LAN技术
工业互联网中广泛采用了设备间局域网通信，尤其是在工业控制领域。3GPP在R16阶段开始定义5G LAN技术并持续增强 [18] 。
◆可按照用户需求实现特定终端组的三层或者二层通信服务；支持广播和组播通讯功能，提供QoS管理；通过能力开放提供组管理服务，灵活构建不同的虚拟网络。手持终端、CPE、摄像头、传感器等都能便捷地接入5G网络并组建无线局域网，进行协同操作。
◆5G LAN的组管理能力与5G网络切片配合，可支持企业划分不同用途的子网，如生产网络、管理网络、控制网络等，实现了工业园区多业务网络逻辑隔离，以获得特定的SLA保障。
5G LAN定义了多种用户面组网及流量转发模式，包括N6转发、单UPF内本地交换以及跨UPF的N19隧道转发，且支持终端的移动性和业务连续性，配合5G网络CU分离架构，可根据业务需求将UPF设备下沉到工业园区、工厂车间等网络边缘，也支持组建跨车间、跨园区的网络，实现组网、覆盖范围的灵活性 [19-20] 。通过持续的能力增强，5G LAN的使用范围和VN组间的互通能力将得到进一步扩展，从而扩展5G LAN在工业互联网中的应用领域。
4 结束语
相比于长期以来服务于消费互联网，5G在设计之初就已考虑了垂直行业需求，但更多是性能指标的提升。面向工业互联的应用，无论是从架构、技术还是从产业推进上都面临极大的挑战。本文从5G与工业互联网融合现状和挑战出发，深入讨论了工业5G多级分布式融合组网架构，提出了基于网络资源层、业务感知层和网业协同层构建工业5G专网的逻辑架构，分析了多种面向工业互联网的5G确定性核心技术。在实践中，运营商面向不同工业应用场景，还需联合应用多种5G新技术形成集成化的解决方案，实现端到端的服务质量保障，这方面还需要开展大量的试点应用和实践探索。
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★原文发表于《 移动通信》2022年第8期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2022.08.002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2022)08-0008-07
引用格式：黄蓉,唐雄燕,裴郁杉,等. 5G工业专网架构和关键技术探讨[J]. 移动通信, 2022,46(8): 08-14.
作者简介
唐雄燕： 教授级高级工程师，博士，现任中国联通研究院副院长，首席科学家，主要研究方向为宽带通信、互联网/物联网、新一代网络等。
裴郁杉： 高级工程师，博士，现就职于中国联通研究院，主要研究方向为通信感知计算一体化、5G+工业互联网。
范斌： 高级工程师，博士，现任中国联通网络部无线网管理室总监，主要研究方向为移动通信网关键技术及标准制定。
王友祥： 高级工程师，博士，现就职于中国联通研究院，主要研究方向为5G/6G、工业算网等。
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2022年第9期目录 | 专题【面向6G的边缘人工智能】
2022年第8期 目录 | 本期专题：5G专网应用
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