面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)5G確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用研究

導讀：在行業(yè)數(shù)字化改革浪潮下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為5G網(wǎng)絡(luò)高價值目標場景，工業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠、穩(wěn)定性有著嚴苛的要求，5G網(wǎng)絡(luò)能否提供確定性的無線網(wǎng)絡(luò)保障是其深入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)場景的先決條件。本文首先對5G確定性網(wǎng)絡(luò)及產(chǎn)業(yè)動態(tài)進行概述，之后介紹5G確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，探討5G確定性網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的融合方案。1概述

移動通信服務(wù)由消費互聯(lián)網(wǎng)邁入產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)從面向公眾用戶為主向垂直行業(yè)拓展，隨著行業(yè)數(shù)字化浪潮的推動，結(jié)合云計算、AI、視覺、傳感等應(yīng)用技術(shù)，垂直行業(yè)的多個環(huán)節(jié)將涌現(xiàn)出一系列新的業(yè)務(wù)場景，對網(wǎng)絡(luò)的需求向低時延、高可靠性、融合性、確定性升級，移動網(wǎng)絡(luò)與行業(yè)業(yè)務(wù)深度融合，帶來全新的發(fā)展機遇。5G確定性網(wǎng)絡(luò)（5GDeterministicNetworking，5GDN）是指利用5G網(wǎng)絡(luò)資源打造可預(yù)期、可規(guī)劃、可驗證、有確定性能力的移動專網(wǎng)，提供差異化+確定性的業(yè)務(wù)體驗。相對于傳統(tǒng)“盡力而為”的公眾網(wǎng)絡(luò)，5G確定性網(wǎng)絡(luò)通過疊加使用一些網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)來提升和保障網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，在復(fù)雜多業(yè)務(wù)接入和高效傳輸?shù)那闆r下，提供端到端確定性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足一些行業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的嚴苛要求。確定性網(wǎng)絡(luò)中的“確定性”特性包括：時延確定性（時延上限）、抖動確定性（抖動上限）、丟包確定性（丟包上限）、帶寬確定性（帶寬上下限）、高可靠性（可靠性下限）、定位確定性（精度保障）、安全隔離等。2確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)動態(tài)現(xiàn)有多個通信標準組織及聯(lián)盟機構(gòu)已開展確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及應(yīng)用推廣，包括：3GPP、IEEE、IETF、ITU、中國通信標準化協(xié)會（CCSA）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（AII）、5G確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（5GDNA）等，本節(jié)將簡要介紹一些組織研究情況。2.13GPP

3GPPR16針對URLLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)能力進行拓展，多業(yè)務(wù)/信道并發(fā)時，明確數(shù)據(jù)搶占和排隊機制，保障URLLC業(yè)務(wù)；首次引入了5G+TSN融合架構(gòu)，5G作為TSN的透明邏輯橋，通過終端側(cè)DS-TT及核心網(wǎng)側(cè)NW-TT支持TSN標準，實現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)。R17持續(xù)開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目的研究，進一步完善支持IEEETSN協(xié)議的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、授時機制、TSCAI參數(shù)等，以及借鑒TSN技術(shù)增強網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生確定性，確立5G系統(tǒng)的確定性機制并進行標準化。R18將面向更加廣域、更高性能確定性增強。2.2IETF

IETF2015年成立了確定性網(wǎng)絡(luò)（DeterministicNetworking，DetNet）工作組，專注于網(wǎng)絡(luò)層和上層之間的廣域網(wǎng)確定性技術(shù)，在二層橋接和三層路由上實現(xiàn)確定的傳輸路由，以實現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上從盡力而為到準時準確快速，減少端到端的時延。工作組與負責第2層操作的IEEE802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）合作，為第2層和第3層定義通用的體系架構(gòu)，尚處于場景/需求/架構(gòu)前期研究和標準制定階段。

2.3CCSA

中國通信標準化協(xié)會站在通信行業(yè)角度，開展確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的標準化研究工作，目前研制的通信行業(yè)標準包括《超高精度時間同步接口要求》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡(luò)集中網(wǎng)絡(luò)配置技術(shù)要求》等，并行推動數(shù)項研究課題包括《新一代無線網(wǎng)絡(luò)確定性技術(shù)研究》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)確定性網(wǎng)絡(luò)端到端技術(shù)協(xié)同研究》等。2.4AII

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界，梳理行業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求及應(yīng)用場景，已發(fā)布《5G+TSN融合部署場景及技術(shù)發(fā)展白皮書》《車載TSN白皮書》，正在研制《TSN控制管理白皮書》《電力行業(yè)確定性網(wǎng)絡(luò)白皮書》，電力、鋼鐵等行業(yè)客戶也積極參與探討確定性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。2.55GDNA

5G確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟旨在匯聚產(chǎn)業(yè)界力量，共建5G確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)生態(tài)，致力于推進5G確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前已發(fā)布《5G確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)產(chǎn)業(yè)白皮書》《5G確定性網(wǎng)絡(luò)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合》《5G確定性網(wǎng)絡(luò)@電力系列白皮書》等多項白皮書。35G確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)本節(jié)介紹5G確定性網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)通常根據(jù)實際組網(wǎng)及業(yè)務(wù)需求，可進行選擇性使用或者組合使用，以增強5G網(wǎng)絡(luò)確定性能力，為工業(yè)企業(yè)提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。3.1精準時間同步技術(shù)

端到端高精度時間同步是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)同調(diào)度和保障網(wǎng)絡(luò)確定性的基礎(chǔ)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的精準時間同步，依靠無線基站發(fā)送的同步信號和時間信息，通過特定的接口協(xié)議發(fā)送給行業(yè)終端使用，可滿足行業(yè)終端1μs的時間同步需求，相比現(xiàn)有的GNSS授時技術(shù)和有線網(wǎng)絡(luò)授時技術(shù)，具有時鐘源穩(wěn)定、無縫覆蓋，以及終端的授時模塊與通信模塊合一的優(yōu)點。3.2URLLC技術(shù)

無線空口的時延受環(huán)境影響較大，是5G網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中最容易出現(xiàn)抖動的部分，5G網(wǎng)絡(luò)可憑借MiniSlot、上行免授權(quán)調(diào)度、DCI壓縮等URLLC關(guān)鍵技術(shù)，通過短時隙和通道優(yōu)先搶占的機制，為無線空口提供更低的時延保障，在5G定義的超高可靠超低時延的業(yè)務(wù)場景下，網(wǎng)絡(luò)性能空口時延理論值可縮短到1ms。3.35G+TSN時間敏感網(wǎng)絡(luò)

TSN作為工業(yè)4.0的演進方向，可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對確定性傳輸和協(xié)議統(tǒng)一的訴求，是面向未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等高可靠性、低時延應(yīng)用的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G與TSN網(wǎng)絡(luò)低時延、高可靠特性具有天然融合優(yōu)勢，發(fā)揮5G靈活性和TSN極低延遲性，構(gòu)建端到端確定性網(wǎng)絡(luò)，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。3GPPR16定義了5G系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡(luò)融合橋接的基本架構(gòu)，如圖1所示。對于TSN網(wǎng)絡(luò)，5G系統(tǒng)被視為一個TSN網(wǎng)橋設(shè)備進行透明傳輸，只有位于5G系統(tǒng)邊緣的TSN轉(zhuǎn)換器（TT）需要支持IEEE802.1AS協(xié)議規(guī)范。圖15G+TSN融合架構(gòu)3.4MEC邊緣計算

通過UPF下沉+MEC降低業(yè)務(wù)時延，MEC是一個邊緣云平臺，通過與5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合（UPF是結(jié)合點），提供一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將移動接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合。利用本地分流減少網(wǎng)絡(luò)延時，節(jié)約帶寬資源，可在MEC上集成第三方應(yīng)用將計算能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，降低業(yè)務(wù)總體響應(yīng)時長，滿足用戶業(yè)務(wù)體驗需求。MEC在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置及時延如圖2所示。圖2MEC部署位置及時延3.55GLAN

5GLAN基于5G移動性、遠距離接入、高性能和安全性等優(yōu)勢，提供類似工業(yè)局域網(wǎng)的服務(wù)。3GPPR16定義了5GLAN技術(shù)，5GLAN能夠提供L3層VPN服務(wù)（IP轉(zhuǎn)發(fā)），以及L2層LAN服務(wù)（Ethernet局域網(wǎng)二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)），支持單播/組播/廣播業(yè)務(wù)，支持VLAN隔離等關(guān)鍵能力。如圖3所示。圖35GLAN工業(yè)5G終端通過UPF實現(xiàn)設(shè)備間直接通信，不必再經(jīng)過外部數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN）中轉(zhuǎn)，大幅降低了組網(wǎng)復(fù)雜性及行業(yè)終端間通信時延，可作為當前局域網(wǎng)的增強或替代，解決行業(yè)私有網(wǎng)絡(luò)可靠性、性能問題。3.6增強上行

由于公眾網(wǎng)絡(luò)下行流量需求遠大于上行流量，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時通常讓下行占用更多資源，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以各類實時的數(shù)據(jù)采集、感知和視頻類信息回傳為主，對網(wǎng)絡(luò)上行容量有更高的要求。5G網(wǎng)絡(luò)可以通過雙連接（E-UTRA-NRDualConnectivity，EN-DC）、載波聚合（CarrierAggregation，CA）、超級上行補充載波（SupplementaryUplink，SUL）、靈活時隙配比、5G毫米波等技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，增強上行容量，提供可保障的大帶寬。3.7網(wǎng)絡(luò)切片

通過網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離保障，端到端網(wǎng)絡(luò)切片包括接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)切片，不同切片間資源安全隔離，可根據(jù)業(yè)務(wù)場景的隔離需求和成本要求，選擇不同的切片隔離技術(shù)。如接入網(wǎng)可使用專用頻率隔離、RB資源預(yù)留以及QoS動態(tài)調(diào)度的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片；承載網(wǎng)可使用FlexE接口隔離和MTN交叉隔離等硬隔離方案，基于VPN+QoS調(diào)度隔離的方式；核心網(wǎng)可使用硬件資源物理隔離、虛擬資源池隔離、網(wǎng)元功能不同程度的共享/獨占的方式。3.8高可靠技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)可通過鏈路冗余，多傳輸鏈路備份，防止網(wǎng)絡(luò)故障、丟包等異常導致的業(yè)務(wù)中斷，提升端到端的用戶面數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，網(wǎng)絡(luò)冗余包括：基于雙PDU會話的終端和業(yè)務(wù)對端雙鏈路冗余，基于單PDU會話的回傳網(wǎng)雙鏈路冗余，基于單終端雙UE冗余。45G確定性網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用需求工業(yè)領(lǐng)域存在多樣化的與生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，一些業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)要求嚴苛，根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的需求，5G確定性網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場景可大致分為四類：基于高清視頻智能化應(yīng)用、低時延控制類應(yīng)用、設(shè)備能源管理類、融合通信類應(yīng)用。4.1基于高清視頻智能化應(yīng)用

在工業(yè)園區(qū)/工廠部署高清攝像頭，將采集到高清視頻/圖像實時回傳到云端服務(wù)器，結(jié)合后臺人工智能技術(shù)及智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域基于高清視頻/圖像的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。該類業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點為高清視頻/圖像分辨率高，傳輸速率高，要滿足無損、無卡頓、實時穩(wěn)定回傳及查看，需要通信網(wǎng)絡(luò)具備可保障的上下行大帶寬、低丟包率、高可靠特性。典型業(yè)務(wù)應(yīng)用如智能監(jiān)控、機器視覺質(zhì)檢、AR輔助作業(yè)等。4.2低時延控制類應(yīng)用

工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，通過PLC、變頻器、伺服電機、工控機等工業(yè)控制設(shè)備，對機器臂、AGV小車、機床、行車等現(xiàn)場設(shè)備進行周期性自動化控制、遠程控制，以及多個機器人之間的協(xié)同作業(yè)，降低人力成本提高作業(yè)效率，需要對控制指令進行上傳下達，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域低時延控制類應(yīng)用。該類業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點包括控制類信號為小數(shù)據(jù)包、可靠性及時延要求嚴苛，端側(cè)設(shè)備以PLC為主，多為各自動化設(shè)備廠家工業(yè)以太網(wǎng)私有協(xié)議，需要通信網(wǎng)絡(luò)具備高可靠性、低時延低抖動、QoS保障特性。典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用如產(chǎn)線自動裝配、AGV自動化搬運、吊車遠程控制、鋼鐵焦化四大車遠程協(xié)同控制、機械臂協(xié)同裝配等。4.3設(shè)備能源管理類應(yīng)用

工業(yè)場景中存在大量的傳感器及物聯(lián)網(wǎng)終端，通過傳感器采集工業(yè)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境、能源儀表數(shù)據(jù)，按時上傳至設(shè)備/能源平臺進行監(jiān)管，實現(xiàn)基于海量連接的工業(yè)設(shè)備、能源管理類應(yīng)用場景。該類業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點為設(shè)備連接量大、傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗低、周期性采集為主，部分例如差動保護類時延及抖動要求高，需要通信網(wǎng)絡(luò)具備大容量、高可用性、低時延低抖動特性。典型的業(yè)務(wù)應(yīng)用如智能抄表、智能檢測、配網(wǎng)智能保護。4.4融合通信類應(yīng)用

工業(yè)企業(yè)為實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用，園區(qū)建設(shè)了多種制式的通信網(wǎng)絡(luò)，存在互通性差、維護升級難等問題，可通過一張高性能網(wǎng)絡(luò)綜合承載各類業(yè)務(wù)，提升網(wǎng)絡(luò)能力，實現(xiàn)融合通信，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)投資及后期運維成本。該類業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點為多業(yè)務(wù)在一張網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一承載，存在多種終端接入方式，不同業(yè)務(wù)之間有隔離要求，對網(wǎng)絡(luò)性能有差異化需求。需要通信網(wǎng)絡(luò)具備高可靠性、業(yè)務(wù)隔離、多業(yè)務(wù)綜合承載、按需提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)特性。典型業(yè)務(wù)場景如生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、人員通信網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一承載。55G確定性網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的融合5G無線網(wǎng)絡(luò)具備靈活部署、深度覆蓋、持續(xù)演進的優(yōu)勢，強大的承載能力以及增強的網(wǎng)絡(luò)確定性能力保障，為工業(yè)行業(yè)提供一種熱門的網(wǎng)絡(luò)可選方案。一方面，5G確定性網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的補充，初期在豐富數(shù)據(jù)采集手段和行業(yè)應(yīng)用場景，降低成本，提高可靠性方面提供網(wǎng)絡(luò)支持，隨著人工智能、AR/VR、傳感等技術(shù)的發(fā)展，通過5G確定性網(wǎng)絡(luò)增強工業(yè)信息交互，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)的科學決策能力，逐步實現(xiàn)全連接智慧化工廠。另一方面伴隨5G確定性網(wǎng)絡(luò)滲透以及確定性技術(shù)的應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)集成，5G確定性網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)融合、互為補充，深入工業(yè)核心業(yè)務(wù)應(yīng)用，一定程度替代多種制式的網(wǎng)絡(luò)，形成統(tǒng)一的承載網(wǎng)絡(luò)，簡化工業(yè)企業(yè)組網(wǎng)拓撲，降低運維成本，為數(shù)據(jù)互通、統(tǒng)一管理提供強有力支撐。5G確定性網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)融合部署方案主要包括以下兩種：（1）部署獨立的5G網(wǎng)絡(luò)提供工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)傳感器、執(zhí)行器、控制器直接通過5G網(wǎng)絡(luò)用戶側(cè)端設(shè)備（如CPE、5G網(wǎng)關(guān)、5GUE）連接至5G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換，可以通過集成多個5G基站來滿足工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋要求，如圖4所示。這種方式改造代價高，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互操作性非常有限且應(yīng)用場景局限，適用于一些布線覆蓋困難的工業(yè)場景以及工業(yè)5G智能終端的通信。圖4獨立部署5G網(wǎng)絡(luò)（2）5G網(wǎng)絡(luò)透傳與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)集成5G網(wǎng)絡(luò)將被有線網(wǎng)絡(luò)視為以太網(wǎng)橋和鏈路，利用5G網(wǎng)絡(luò)靈活部署的優(yōu)勢替換部分鏈路工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與有線網(wǎng)絡(luò)的互為補充以及無縫互操作性，是現(xiàn)階段使用較多且普遍被接受的方式，這種方法的挑戰(zhàn)是確?？刂茖雍陀脩羝矫鎸又g的交互，典型的例如3GPPR16中定義的5G+TSN橋接方案。此外，一個5G網(wǎng)絡(luò)可以服務(wù)多個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，例如通過VLAN，這些網(wǎng)絡(luò)在邏輯上是隔離的，因此在QoS和隱私方面是隔離的。如圖5所示。圖55G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)集成此外，5G確定性網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)融合時，用戶平面功能（UPF）的部署實現(xiàn)至關(guān)重要，因為UPF是錨點，是用戶數(shù)據(jù)進入和退出5G網(wǎng)絡(luò)到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的邏輯和物理實體。UPF可以部署在運營商公共網(wǎng)絡(luò)域，與3GPP中定義的PNI-NPN一致，優(yōu)點是改造成本相對較低便于運維，但是會引入一些時延、可用性價值問題，防火墻配置復(fù)雜度會有所增加，適用于遠程運維、資產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等對時延、可靠性要求不嚴苛的場景。UPF也可以