基于5G蜂窩技術的工業傳輸解決方案
華為技術有限公司
網絡改造技術篇/前沿技術/工廠內網改造
1 概述
1.1 背景
制造業正在向數字化、柔性化等方向發展，促進生產效率和市場規模的不斷提升。而設備的廣泛連接，是實現數字化和柔性化的重要一環。
在傳統模式下，制造商依靠有線技術來連接應用，但由于數據網絡布線、設備移動性等限制，有線設備的連接數和場景具有局限性。
近些年無線解決方案逐漸增多，Wi-Fi、藍牙等近距通信無線技術已經在制造車間立足，隨著連接需求的發展，這些無線解決方案在帶寬、可靠性和安全性方面的限制，難以適應更高要求的工業傳輸需求。
隨著移動通信技術的發展，5G網絡將從傳統以人為中心的服務拓展至以物為中心的服務。根據不同的傳輸需求，5G 定義了三大場景：增強移動帶寬（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和大規模機器類通信（mMTC），適用于能源、車聯網、工業控制等物聯網行業的不同應用場景。聚焦到工業領域，5G致力于為工廠內的從設備層到企業層的設備提供可靠、安全、可保障的通信機制。
1.2 實施目標
本項目的目標是通過5G蜂窩技術承載工業應用的業務數據，提供工廠全連接的無線網絡，用以滿足多種工業設備的入網和通信需求。同時，通過5G蜂窩技術和OPC-UA相結合，提供工廠內由上至下的工業通信解決方案，支持多種類型工業設備的互聯互通。
通過5G蜂窩的解決方案，能夠促進工廠的智能化和數字化改造，使得生產制造系統具有高度靈活性；工廠車間的網絡架構可以快速調整優化，有效提升網絡化協同制造與管理水平。
1.3 適用范圍
基于5G蜂窩技術的工業傳輸解決方案提供了工業領域的無線通信技術，針對eMBB，mMTC以及URLLC三類場景的解決方案，適用于制造業的以下場景中：
表 1 5G在制造業的應用場景示例
類別 | 應用場景 |
運動控制 | 例如：大型打印機，數控車床，包裝設備 |
機器間控制 | 多臺獨立機器間協作 |
移動面板 | 裝配機器人（或機床），移動式起重機 |
工業AR及監控 | 高清視頻，全高清視頻 |
大規模連接 | 各種傳感器連接等，傳輸的數據量小、連接數多 |
移動機器人 | 精準運動控制，機器間控制，協作駕駛，遠程視頻控制，運行路徑管理 |
5G蜂窩技術除了適用于上述工業設備間的通信，通過和OPC-UA的結合還適用于工廠的設備層、控制層和企業層之間的通信，將設備層數據直接傳輸到企業層或者云端，企業的生產監控設備可以實時獲得設備的運行狀態，及早將故障設備剝離出生產系統，避免對生產造成的影響。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
本解決方案適用于圖中工廠內部和工廠外部的通信，即：智能機器與工廠控制系統、在制品與智能機器、在制品與工廠云平臺、智能機器與智能機器、工廠控制系統與工廠云平臺、工廠云平臺與用戶、工廠云平臺與協作平臺以及智能產品與工廠的通信。基于5G蜂窩通信技術提供的高可靠、低時延的數據傳輸保障，可以減少數據傳輸線路的部署、適用于多種環境以及工業設備移動的應用場景。
圖1 工業互聯網互聯示意
2 需求分析
5G蜂窩網絡應用于多種工業場景，以及單一工業場景的不同設備之間的通信時，對5G蜂窩網絡的傳輸提出了不同的需求。下表列出了比較典型的工業應用的傳輸需求：
表 2 典型工業應用的傳輸需求
類別 | 傳輸需求 |
運動控制 | 運動控制類對傳輸網絡的要求較高：傳輸時延小于5ms，傳輸抖動為微秒級別；傳輸可靠性要求為99.9999%，數據包小于100字節。 |
機器間控制 | 傳輸時延小于10ms，數據包1K字節，傳輸抖動為微秒級別；傳輸可靠性要求通常小于99.9999%。 |
移動面板 | 傳輸時延小于10ms，數據包幾百字節左右，傳輸抖動為毫秒級別；設備有小范圍移動的需求。 |
工業AR及監控 | 由于是視頻傳輸需求，業務數據包較大，傳輸速率需求達到Gbps級別，可靠性要求99.9%左右。 |
大規模連接 | 連接數多，包含各種傳感器數據的傳輸，傳輸時延要求通常在50ms以上。需要注意的是，大規模連接中不同設備的傳輸需求差異較大，該類業務中基于安全應用的傳輸時延要求在10ms以內。 |
移動機器人 | 根據移動機器人不同的應用，傳輸時延在1ms~1s的范圍內，多數應用的傳輸可靠性要求為99.9999%，對傳輸網絡具有移動性的需求，移動過程中業務不要中斷。 |
在滿足上述工業傳輸需求的基礎上，5G蜂窩網絡應用于工業場景，可以不受限于存量設備預留的數據端口限制，滿足存量設備智能升級需求。通過5G蜂窩網絡將各種工業設備數據上傳到監控端，不受網絡布線的限制，可以實時確定設備的健康狀況，及早將故障設備剝離出生產系統，實現對工業設備的預測性維護。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于5G蜂窩網絡的工業解決方案是以5G蜂窩網絡作為工業應用的傳輸承載網絡，完成不同工業設備之間通信的解決方案。同時，基于5G蜂窩網絡和OPC-UA的結合，提供由工廠底層到高層之間的不同層之間的通信以及同一層設備之間的通信，實現工廠內設備的全連接。
基于5G蜂窩網絡的工業解決方案包含蜂窩網絡設備以及工業終端設備。其中，蜂窩網絡設備還包含蜂窩網絡的基站設備和核心網設備。工業終端設備可以為SCADA，PLC以及各種工業輸入輸出設備。
工業數據通過蜂窩網絡傳輸時，工業設備需要集成蜂窩模組，并實現工業應用和蜂窩模塊的互通。
基于5G蜂窩網絡的工業解決方案中還包含邊緣計算模塊，基于該模塊可以實現網絡和應用的融合，獲取應用的多樣數據傳輸需求，同時應用的邊緣部署實現了對工業數據的快速分析和超低時延響應。
圖2 工業無線蜂窩網絡部署
基于5G蜂窩技術的工業傳輸解決方案主要包含以下創新點：
? 基于5G蜂窩技術的數據傳輸機制
根據不同的工業傳輸需求，提供數據包的傳輸路徑，并為不同的業務提供對應的Qos保障。5G蜂窩網絡既能保障傳輸的高確定性和可靠性，也能支持大量工業設備的連接場景。
? 基于OPC-UA的傳輸網絡互連和傳輸控制機制
主要包括基于OPC-UA和蜂窩網絡的映射，完成蜂窩網絡對工業數據傳輸的支持，以及支持蜂窩網絡和其他工業通信網絡的互連，支持不同工業場景下傳輸資源的配置和對工業數據傳輸的控制。
進一步地，支持工業應用在邊緣測的部署，作為網絡和應用融合的平臺，有效提高工廠的智能化水平。
3.2 系統架構
基于5G蜂窩網絡的工業解決方案的總體架構如圖3所示。主要由：工業平臺/應用、基于5G蜂窩技術的傳輸網絡和工業終端設備組成，構成了數據采集、業務數據分析、工業設備控制的端到端總體解決方案系統。
圖3 基于蜂窩技術的工業傳輸解決方案總體架構
3.3 網絡拓撲設計
5G蜂窩網絡支持星型拓撲結構，包含一個中心（工業蜂窩網絡設備）以及多個工業設備（工業蜂窩終端設備）。終端設備通過無線空口與網絡設備交互完成數據通信。
其中，蜂窩網絡設備是由網關設備（核心網絡）、工業蜂窩網絡設備（接入網絡設備，基站）構成。
圖4 工業無線蜂窩拓撲結構
3.4 功能設計
5G蜂窩網絡中核心網絡和接入網絡具有不同的功能，協同完成整個蜂窩網絡對傳輸的支持。
蜂窩網絡接收到業務數據包之后，數據包在蜂窩網絡內部的傳輸流程如下圖5所示。從網絡側來看，業務數據包首先經過核心網絡內部節點的有線傳輸，然后數據包通過空中接口發送到終端設備。
圖 5 蜂窩網絡的用戶面數據流
作為傳輸網絡，5G蜂窩網絡主要支持的功能如下：
? 支持數據協同和匯聚，將匯聚的數據傳輸到通信對端；
? 支持以4G移動通信、5G移動通信等通信接入方式中的一種或多種，包含核心網和接入網功能；
? 支持對IP或MAC格式的工業數據傳輸；
? 支持對工業蜂窩網絡設備和蜂窩終端設備的認證、設備管理安全機制；
? 支持對網絡的配置和組網；
? 支持RJ-45，RS485等物理接口；
? 支持“即插即用”的工作方式；
? 支持版本升級失敗后回退到前一個可正常工作的版本。
? 在蜂窩網絡中，終端設備的主要功能如下：
? 支持將數據通過無線方式傳遞到蜂窩網絡設備；
? 支持對工業蜂窩終端設備的認證和安全功能；
? 支持對終端設備的參數和軟件的配置；
? 支持對工業蜂窩終端設備的性能和狀態監測；
? 支持“即插即用”的工作方式。
3.5 蜂窩網絡和OPC-UA的集成
OPC-UA是目前較廣泛的工廠內應用使能技術，定義了一套通用的數據描述和語法表達方法（信息模型），每種系統都可以將采用OPC-UA的信息模型，從而可以被其他系統所獲取和集成。
在本解決方案中，通過5G和OPC-UA的結合獲取業務傳輸需求以及完成傳輸協議的映射，支持5G對不同工業場景業務數據的傳輸，保障不同工業業務的傳輸性能，滿足多種場景的業務需求。
圖6 OPC-UA和蜂窩的集成方案
基于5G蜂窩和OPC-UA的結合，5G傳輸網絡實時的獲取待傳輸工業業務的傳輸需求，并提供對應的傳輸資源，更好的保障不同類別業務的傳輸性能。其中，圖7給出了工業業務傳輸需求獲取以及對應不同需求的蜂窩承載示意圖。
圖7 基于OPC-UA的業務需求獲取機制
3.6 5G蜂窩網絡的安全及可靠性
1）5G蜂窩網絡提供安全的數據傳輸機制
蜂窩網絡提供多層次的切片安全保障，為不同類別的工業業務提供差異化的隔離服務。同時，蜂窩網絡支持數據加密，完整性保護，抗重放，鑒權（認證）等功能，通過對空口數據進行加密和解密，確保數據不被竊聽、篡改，保障數據傳輸的安全性。
2）蜂窩網絡的傳輸可靠性
蜂窩網絡支持系統級和鏈路級的兩類可靠性保障機制。
? 系統級可靠性保障：蜂窩網絡可以提供備份鏈路和備份節點，保障整個蜂窩系統作為數據傳輸節點的正常工作。
? 鏈路級可靠性保障：數據傳輸過程中，網絡設備提供多個數據傳輸鏈路，保障單個業務數據包在蜂窩內部傳輸時的高可靠性。
3.7 無縫移動性支持
蜂窩網絡支持終端設備移動過程中業務數據包傳輸的連續性，保障無數據包的丟失。
根據終端設備移動范圍的不同，分為終端設備在接入網絡（AN）之間的切換和終端設備在核心網絡之間的切換。
以移動過程中跨越接入網絡節點為例，切換過程的流程如下：
1) 終端設備向源接入網絡發送無線測量報告，源接入網絡判斷終端設備的接收質量以及移動的位置；
2) 源接入網絡節點確定終端設備需要變更接入網絡節點，則向目標接入網絡節點發送終端設備信息，指示目標接入網絡節點準備該終端設備的資源；
3) 目標接入網絡節點為終端設備配置數據傳輸所需的資源，并向源接入網絡節點確認切換準備完成；
4) 源接入網絡節點向終端設備發送切換到目標接入網絡節點的命令；終端設備接入目標接入網絡節點。
圖 8 無縫移動性流程
通過上述過程，5G蜂窩網絡在不中斷終端設備的現有業務的前提下，完成接入網絡節點的切換，保障了工業有移動性需求的應用的數傳性能。目前，5G蜂窩網絡還正在進一步的提升切換時數據傳輸的性能，保障終端設備在高速運動的情況下仍然能夠保障數據傳輸的連續性，完成接入節點的切換。
4 成功案例
目前5G尚未商用，為了驗證5G對工業業務的承載性能，目前正在和上海某大學的工業實驗室進行基于5G蜂窩實驗網絡承載工業場景以及5G和OPC-UA結合的驗證工作。預計2019年中驗證完成，后續在相關工廠進行推廣使用。
本項目中選定了流水線、機器人和機床共同組成的工業制造場景，驗證5G蜂窩支持工廠設備和PLC之間、PLC和PLC之間以及PLC和監控系統之間的通信。
圖9 5G蜂窩網絡承載工廠內通信場景
在該實驗室，機床中內置與外置的傳感器用來來采集信號，其中傳感器包括位置傳感器，溫度傳感器，振動傳感器等等。現在工業設備常用的通信方式為Ethernet通信，為了驗證蜂窩技術對現有設備傳輸保障，本方案進一步的考慮了將不同類型的Ethernet數據包封裝為無線蜂窩數據包，通過蜂窩網絡進行傳輸的方案，也便于后續支持存量設備的升級改造。
通過本項目，驗證5G蜂窩網絡對不同工業場景的支撐情況，同時驗證5G蜂窩網絡和OPC-UA的結合，實現不同層級的蜂窩設備之間的互聯互通，推進工廠尤其是具有大量存量設備的工廠可以通過蜂窩技術，快速的完成數字化和智能化升級。