基于5G蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案

華為技術(shù)有限公司

網(wǎng)絡改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造

1 概述

1.1 背景

    制造業(yè)正在向數(shù)字化、柔性化等方向發(fā)展，促進生產(chǎn)效率和市場規(guī)模的不斷提升。而設(shè)備的廣泛連接，是實現(xiàn)數(shù)字化和柔性化的重要一環(huán)。

在傳統(tǒng)模式下，制造商依靠有線技術(shù)來連接應用，但由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡布線、設(shè)備移動性等限制，有線設(shè)備的連接數(shù)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(shù)已經(jīng)在制造車間立足，隨著連接需求的發(fā)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(yè)傳輸需求。

    隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡將從傳統(tǒng)以人為中心的服務拓展至以物為中心的服務。根據(jù)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(guī)模機器類通信（mMTC），適用于能源、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不同應用場景。聚焦到工業(yè)領(lǐng)域，5G致力于為工廠內(nèi)的從設(shè)備層到企業(yè)層的設(shè)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(shù)承載工業(yè)應用的業(yè)務數(shù)據(jù)，提供工廠全連接的無線網(wǎng)絡，用以滿足多種工業(yè)設(shè)備的入網(wǎng)和通信需求。同時，通過5G蜂窩技術(shù)和OPC-UA相結(jié)合，提供工廠內(nèi)由上至下的工業(yè)通信解決方案，支持多種類型工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通。

通過5G蜂窩的解決方案，能夠促進工廠的智能化和數(shù)字化改造，使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有高度靈活性；工廠車間的網(wǎng)絡架構(gòu)可以快速調(diào)整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡化協(xié)同制造與管理水平。

1.3 適用范圍

    基于5G蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案提供了工業(yè)領(lǐng)域的無線通信技術(shù)，針對eMBB，mMTC以及URLLC三類場景的解決方案，適用于制造業(yè)的以下場景中：

表 1 5G在制造業(yè)的應用場景示例

    5G蜂窩技術(shù)除了適用于上述工業(yè)設(shè)備間的通信，通過和OPC-UA的結(jié)合還適用于工廠的設(shè)備層、控制層和企業(yè)層之間的通信，將設(shè)備層數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)狡髽I(yè)層或者云端，企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備可以實時獲得設(shè)備的運行狀態(tài)，及早將故障設(shè)備剝離出生產(chǎn)系統(tǒng)，避免對生產(chǎn)造成的影響。

1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構(gòu)中的位置

    本解決方案適用于圖中工廠內(nèi)部和工廠外部的通信，即：智能機器與工廠控制系統(tǒng)、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(tǒng)與工廠云平臺、工廠云平臺與用戶、工廠云平臺與協(xié)作平臺以及智能產(chǎn)品與工廠的通信?；?G蜂窩通信技術(shù)提供的高可靠、低時延的數(shù)據(jù)傳輸保障，可以減少數(shù)據(jù)傳輸線路的部署、適用于多種環(huán)境以及工業(yè)設(shè)備移動的應用場景。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意

2 需求分析

    5G蜂窩網(wǎng)絡應用于多種工業(yè)場景，以及單一工業(yè)場景的不同設(shè)備之間的通信時，對5G蜂窩網(wǎng)絡的傳輸提出了不同的需求。下表列出了比較典型的工業(yè)應用的傳輸需求：

表 2 典型工業(yè)應用的傳輸需求

     在滿足上述工業(yè)傳輸需求的基礎(chǔ)上，5G蜂窩網(wǎng)絡應用于工業(yè)場景，可以不受限于存量設(shè)備預留的數(shù)據(jù)端口限制，滿足存量設(shè)備智能升級需求。通過5G蜂窩網(wǎng)絡將各種工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控端，不受網(wǎng)絡布線的限制，可以實時確定設(shè)備的健康狀況，及早將故障設(shè)備剝離出生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的預測性維護。

3 解決方案

3.1 方案介紹

    基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案是以5G蜂窩網(wǎng)絡作為工業(yè)應用的傳輸承載網(wǎng)絡，完成不同工業(yè)設(shè)備之間通信的解決方案。同時，基于5G蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的結(jié)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(shè)備之間的通信，實現(xiàn)工廠內(nèi)設(shè)備的全連接。

    基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案包含蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備以及工業(yè)終端設(shè)備。其中，蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備還包含蜂窩網(wǎng)絡的基站設(shè)備和核心網(wǎng)設(shè)備。工業(yè)終端設(shè)備可以為SCADA，PLC以及各種工業(yè)輸入輸出設(shè)備。

    工業(yè)數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡傳輸時，工業(yè)設(shè)備需要集成蜂窩模組，并實現(xiàn)工業(yè)應用和蜂窩模塊的互通。

    基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案中還包含邊緣計算模塊，基于該模塊可以實現(xiàn)網(wǎng)絡和應用的融合，獲取應用的多樣數(shù)據(jù)傳輸需求，同時應用的邊緣部署實現(xiàn)了對工業(yè)數(shù)據(jù)的快速分析和超低時延響應。

圖2 工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡部署

    基于5G蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案主要包含以下創(chuàng)新點：

    ? 基于5G蜂窩技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸機制

    根據(jù)不同的工業(yè)傳輸需求，提供數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，并為不同的業(yè)務提供對應的Qos保障。5G蜂窩網(wǎng)絡既能保障傳輸?shù)母叽_定性和可靠性，也能支持大量工業(yè)設(shè)備的連接場景。

    ? 基于OPC-UA的傳輸網(wǎng)絡互連和傳輸控制機制

    主要包括基于OPC-UA和蜂窩網(wǎng)絡的映射，完成蜂窩網(wǎng)絡對工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С郑约爸С址涓C網(wǎng)絡和其他工業(yè)通信網(wǎng)絡的互連，支持不同工業(yè)場景下傳輸資源的配置和對工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?/p>

    進一步地，支持工業(yè)應用在邊緣測的部署，作為網(wǎng)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(tǒng)架構(gòu)

    基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案的總體架構(gòu)如圖3所示。主要由：工業(yè)平臺/應用、基于5G蜂窩技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡和工業(yè)終端設(shè)備組成，構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集、業(yè)務數(shù)據(jù)分析、工業(yè)設(shè)備控制的端到端總體解決方案系統(tǒng)。

圖3 基于蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案總體架構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡拓撲設(shè)計

    5G蜂窩網(wǎng)絡支持星型拓撲結(jié)構(gòu)，包含一個中心（工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備）以及多個工業(yè)設(shè)備（工業(yè)蜂窩終端設(shè)備）。終端設(shè)備通過無線空口與網(wǎng)絡設(shè)備交互完成數(shù)據(jù)通信。

其中，蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備是由網(wǎng)關(guān)設(shè)備（核心網(wǎng)絡）、工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備（接入網(wǎng)絡設(shè)備，基站）構(gòu)成。

圖4 工業(yè)無線蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)

3.4 功能設(shè)計

    5G蜂窩網(wǎng)絡中核心網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡具有不同的功能，協(xié)同完成整個蜂窩網(wǎng)絡對傳輸?shù)闹С帧?/p>

    蜂窩網(wǎng)絡接收到業(yè)務數(shù)據(jù)包之后，數(shù)據(jù)包在蜂窩網(wǎng)絡內(nèi)部的傳輸流程如下圖5所示。從網(wǎng)絡側(cè)來看，業(yè)務數(shù)據(jù)包首先經(jīng)過核心網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點的有線傳輸，然后數(shù)據(jù)包通過空中接口發(fā)送到終端設(shè)備。

圖 5 蜂窩網(wǎng)絡的用戶面數(shù)據(jù)流

作為傳輸網(wǎng)絡，5G蜂窩網(wǎng)絡主要支持的功能如下：

? 支持數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艑Χ耍?/p>

? 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(wǎng)和接入網(wǎng)功能；

? 支持對IP或MAC格式的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸；

? 支持對工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備和蜂窩終端設(shè)備的認證、設(shè)備管理安全機制；

? 支持對網(wǎng)絡的配置和組網(wǎng)；

? 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(wǎng)絡中，終端設(shè)備的主要功能如下：

? 支持將數(shù)據(jù)通過無線方式傳遞到蜂窩網(wǎng)絡設(shè)備；

? 支持對工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的認證和安全功能；

? 支持對終端設(shè)備的參數(shù)和軟件的配置；

? 支持對工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的性能和狀態(tài)監(jiān)測；

? 支持“即插即用”的工作方式。

3.5 蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的集成

    OPC-UA是目前較廣泛的工廠內(nèi)應用使能技術(shù)，定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語法表達方法（信息模型），每種系統(tǒng)都可以將采用OPC-UA的信息模型，從而可以被其他系統(tǒng)所獲取和集成。

    在本解決方案中，通過5G和OPC-UA的結(jié)合獲取業(yè)務傳輸需求以及完成傳輸協(xié)議的映射，支持5G對不同工業(yè)場景業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸，保障不同工業(yè)業(yè)務的傳輸性能，滿足多種場景的業(yè)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(jié)合，5G傳輸網(wǎng)絡實時的獲取待傳輸工業(yè)業(yè)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(yè)務的傳輸性能。其中，圖7給出了工業(yè)業(yè)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(yè)務需求獲取機制

3.6 5G蜂窩網(wǎng)絡的安全及可靠性

1）5G蜂窩網(wǎng)絡提供安全的數(shù)據(jù)傳輸機制

蜂窩網(wǎng)絡提供多層次的切片安全保障，為不同類別的工業(yè)業(yè)務提供差異化的隔離服務。同時，蜂窩網(wǎng)絡支持數(shù)據(jù)加密，完整性保護，抗重放，鑒權(quán)（認證）等功能，通過對空口數(shù)據(jù)進行加密和解密，確保數(shù)據(jù)不被竊聽、篡改，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2）蜂窩網(wǎng)絡的傳輸可靠性

蜂窩網(wǎng)絡支持系統(tǒng)級和鏈路級的兩類可靠性保障機制。

? 系統(tǒng)級可靠性保障：蜂窩網(wǎng)絡可以提供備份鏈路和備份節(jié)點，保障整個蜂窩系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的正常工作。

? 鏈路級可靠性保障：數(shù)據(jù)傳輸過程中，網(wǎng)絡設(shè)備提供多個數(shù)據(jù)傳輸鏈路，保障單個業(yè)務數(shù)據(jù)包在蜂窩內(nèi)部傳輸時的高可靠性。

3.7 無縫移動性支持

    蜂窩網(wǎng)絡支持終端設(shè)備移動過程中業(yè)務數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪B續(xù)性，保障無數(shù)據(jù)包的丟失。

根據(jù)終端設(shè)備移動范圍的不同，分為終端設(shè)備在接入網(wǎng)絡（AN）之間的切換和終端設(shè)備在核心網(wǎng)絡之間的切換。

    以移動過程中跨越接入網(wǎng)絡節(jié)點為例，切換過程的流程如下：

1) 終端設(shè)備向源接入網(wǎng)絡發(fā)送無線測量報告，源接入網(wǎng)絡判斷終端設(shè)備的接收質(zhì)量以及移動的位置；

2) 源接入網(wǎng)絡節(jié)點確定終端設(shè)備需要變更接入網(wǎng)絡節(jié)點，則向目標接入網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送終端設(shè)備信息，指示目標接入網(wǎng)絡節(jié)點準備該終端設(shè)備的資源；

3) 目標接入網(wǎng)絡節(jié)點為終端設(shè)備配置數(shù)據(jù)傳輸所需的資源，并向源接入網(wǎng)絡節(jié)點確認切換準備完成；

4) 源接入網(wǎng)絡節(jié)點向終端設(shè)備發(fā)送切換到目標接入網(wǎng)絡節(jié)點的命令；終端設(shè)備接入目標接入網(wǎng)絡節(jié)點。

圖 8 無縫移動性流程

    通過上述過程，5G蜂窩網(wǎng)絡在不中斷終端設(shè)備的現(xiàn)有業(yè)務的前提下，完成接入網(wǎng)絡節(jié)點的切換，保障了工業(yè)有移動性需求的應用的數(shù)傳性能。目前，5G蜂窩網(wǎng)絡還正在進一步的提升切換時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽Ｕ辖K端設(shè)備在高速運動的情況下仍然能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，完成接入節(jié)點的切換。

4 成功案例

    目前5G尚未商用，為了驗證5G對工業(yè)業(yè)務的承載性能，目前正在和上海某大學的工業(yè)實驗室進行基于5G蜂窩實驗網(wǎng)絡承載工業(yè)場景以及5G和OPC-UA結(jié)合的驗證工作。預計2019年中驗證完成，后續(xù)在相關(guān)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(yè)制造場景，驗證5G蜂窩支持工廠設(shè)備和PLC之間、PLC和PLC之間以及PLC和監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。

圖9 5G蜂窩網(wǎng)絡承載工廠內(nèi)通信場景

    在該實驗室，機床中內(nèi)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?，F(xiàn)在工業(yè)設(shè)備常用的通信方式為Ethernet通信，為了驗證蜂窩技術(shù)對現(xiàn)有設(shè)備傳輸保障，本方案進一步的考慮了將不同類型的Ethernet數(shù)據(jù)包封裝為無線蜂窩數(shù)據(jù)包，通過蜂窩網(wǎng)絡進行傳輸?shù)姆桨福脖阌诤罄m(xù)支持存量設(shè)備的升級改造。

    通過本項目，驗證5G蜂窩網(wǎng)絡對不同工業(yè)場景的支撐情況，同時驗證5G蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的結(jié)合，實現(xiàn)不同層級的蜂窩設(shè)備之間的互聯(lián)互通，推進工廠尤其是具有大量存量設(shè)備的工廠可以通過蜂窩技術(shù)，快速的完成數(shù)字化和智能化升級。