肖榮軍 王 清 楊 健

中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

2020年5G網(wǎng)絡和業(yè)務加速發(fā)展，除大眾市場外，深化5G應用的關鍵是面向垂直行業(yè)，培養(yǎng)海量的垂直行業(yè)應用。5G組網(wǎng)有獨立組網(wǎng)（SA）和非獨立組網(wǎng)（NSA）兩種方式，深化5G應用只有采用SA方式，才能進一步發(fā)揮出5G網(wǎng)絡的技術性能優(yōu)勢。在國際電聯(lián)5G R16標準正式確定之后，更要重點加快獨立組網(wǎng)的5G網(wǎng)絡建設。本文針對工業(yè)網(wǎng)絡現(xiàn)存問題，分析5G關鍵指標和應用場景，結合邊緣計算（MEC），在現(xiàn)階段5G獨立組網(wǎng)模式下，給出將5G技術落地智能工業(yè)應用的解決方案，并對不同的網(wǎng)絡部署方案進行分析。

1 工業(yè)網(wǎng)絡現(xiàn)存問題

發(fā)展智能工業(yè)需要將具有環(huán)境感知和智能計算能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、新一代移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。然而，當前運行中的工業(yè)信息網(wǎng)絡存在以下問題：

（1）有線為主，妨礙柔性發(fā)展

車間內(nèi)設備多為有線連接，有線布線成本高、周期長、走線難，導致企業(yè)無法根據(jù)需求快速移動設備、調(diào)整產(chǎn)線布局，影響產(chǎn)線柔性。由于沒有可靠的無線網(wǎng)絡，機器人的研發(fā)大量集中在硬件電路控制。如果能實現(xiàn)機器人軟硬解耦，控制部分改為軟件，移植到邊緣網(wǎng)絡，將會大大加快研發(fā)和迭代效率，降低成本。

（2）無線為輔，干擾、可靠性和覆蓋難解決

WiFi網(wǎng)絡是現(xiàn)在工廠主要的無線覆蓋手段。但WiFi除了存在不抗干擾、可靠性差的問題以外，還存在覆蓋面積小、接入容量有限、移動范圍有限等問題。智能終端、機器人不能出門、易失聯(lián)，WiFi手段影響了產(chǎn)線自動化和活動范圍。

（3）多為私有網(wǎng)絡，安全優(yōu)先但難互通

多數(shù)工廠都采用私網(wǎng)模式，網(wǎng)絡必須自主、可控，格外重視數(shù)據(jù)安全。網(wǎng)絡封閉造成數(shù)據(jù)難以互通，私有網(wǎng)絡技術升級難度大。各廠家早期各自研究相關規(guī)范，互通、維護均難以協(xié)調(diào)；產(chǎn)線集成周期長，上線后數(shù)據(jù)采集成為難點，自動化智能化難以實現(xiàn)。

5G網(wǎng)絡的高速率、低時延、大帶寬的特性可有效解決上述問題。在組網(wǎng)上通過5G網(wǎng)絡用戶面（UPF）下沉和部署邊緣計算，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的泛在連接、精準控制、多媒體交互拓展更多應用場景，提供基礎平臺，有利于實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，完成多路高清視頻回傳，低延時的計算和控制助力工業(yè)設備和系統(tǒng)技術升級，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化、高效化。

2 5G關鍵指標和應用場景

首先回顧一下5G網(wǎng)絡的關鍵指標和應用場景。眾所周知，3GPP定義了5G應用三大類場景：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，更多地稱為海量低功耗連接）、uRLLC（低時延高可靠連接），如圖1所示。

eMBB場景是指在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務場景的基礎上，對用戶體驗等性能的進一步提升，主要還是追求人與人之間極致的通信體驗。mMTC和uRLLC同是物聯(lián)網(wǎng)的應用場景，mMTC提供對海量用戶的支持并保障數(shù)以億計的設備安全接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”；uRLLC主要滿足物與物之間的通信需求，空口最小時延達到1ms，可靠性>99.999%。

圖1 5G應用三大場景

與4G比較，3GPP提出可以從八種關鍵指標的提升直觀體現(xiàn)5G的關鍵能力，八種關鍵指標的具體要求和與4G的比較情況如下：

峰值速率（Peak data rate）：每個用戶/終端在理想狀態(tài)下所能達到的峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。5G要求最高達到20 Gbit/s，而4G要求為1Gbit/s。

用戶體驗速率（User experienced data rate）：每個用戶/終端在大多數(shù)情況下能達到的平均數(shù)據(jù)傳輸速率。5G要求最高達到100 Mbit/s，而4G要求為10 Mbit/s。

時延（Latency）：無線網(wǎng)絡引入的數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端的傳輸時延，5G要求最短達到1ms，而4G要求為10 ms。

移動速度（Mobility）：在滿足定義的QOS和無縫切換條件下所能達到的最大終端移動速度，5G要求最高達到500公里/小時，而4G要求最高達到350公里/小時。

連接密度（Connection density）：每單位區(qū)域（1平方公里）所能滿足的最大連接數(shù)或接入終端數(shù)，5G要求最高達到106，而4G要求最高達到105。

網(wǎng)絡能耗效率（Network Energy efficiency）： 從網(wǎng)絡側(cè)和終端側(cè)兩方面，5G最大達到4G的100倍。

頻譜效率（Spectrum efficiency）：每單位頻譜資源所傳送數(shù)據(jù)的效率，5G期望達到4G的3倍。

密集區(qū)域容量（Area traffic capacity）：每地理區(qū)域的流量容量，5G要求支持達到10 Mbit/s/m2，而4G為0.1 Mbit/s/m2。

三大應用場景對5G的八種關鍵指標的側(cè)重程度不同，如圖2所示。

圖2 三種場景的關鍵指標側(cè)重程度

從圖中可以看出，uRLLC是針對時延和移動速度均有特別高要求的應用場景，例如自動駕駛應用；mMTC重點側(cè)重于連接密度特別大的場景下應用。雖然uRLLC和mMTC面向物聯(lián)網(wǎng)，但是這兩種場景目前的成熟度低，mMTC在國內(nèi)未進行推廣。因此，在現(xiàn)階段，滿足eMBB場景也可以綜合體現(xiàn)速率高、時延低的5G網(wǎng)絡優(yōu)勢，可滿足工業(yè)大部分場景下的需求，在面向垂直行業(yè)方面可先行落地應用，積累經(jīng)驗，并隨著uRLLC的發(fā)展，進一步拓展應用領域。

3 5G SA+MEC解決方案

運營商在向企業(yè)提供5G解決方案時，出于企業(yè)對網(wǎng)絡專網(wǎng)專用的需求，一般會傾向于采用SA組網(wǎng)解決方案，利用SA組網(wǎng)對網(wǎng)絡切片的支持，同時配合部署MEC，滿足工業(yè)場景各種智能應用的部署和對網(wǎng)絡性能的要求。在整個項目解決方案中，運營商可采用以下兩種模式：

基礎模式：由運營商建設5G網(wǎng)絡和邊緣云，提供網(wǎng)絡解決方案，客戶自行部署應用。

平臺模式：由運營商建設5G網(wǎng)絡和邊緣云能力IaaS/PaaS+應用+運維服務+集成服務，提供分層的云服務能力。IaaS以運營商自主提供為主，PaaS和行業(yè)應用采用自主和合作研發(fā)并重。

現(xiàn)階段，運營商可從基礎模式切入，積極向平臺模式拓展，引入更多硬件、軟件、應用提供商，降低項目成本，逐步打造5G應用生態(tài)體系。

3.1 網(wǎng)絡切片

在4G網(wǎng)絡中，運營商提供APN業(yè)務，向客戶提供虛擬專網(wǎng)服務。而在5G網(wǎng)絡中，提出了“網(wǎng)絡切片”的概念，網(wǎng)絡切片是將一個物理網(wǎng)絡切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡之間（包括網(wǎng)絡內(nèi)的設備、接入、傳輸和核心網(wǎng)）邏輯獨立，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響其他虛擬網(wǎng)絡。

5G網(wǎng)絡切片可以提供定制化網(wǎng)絡能力、相互隔離、質(zhì)量可保證、邏輯隔離的端到端網(wǎng)絡，包括接入網(wǎng)、傳輸和核心網(wǎng)。

5G網(wǎng)絡切片提供了全新的特性：

（1）多樣的定制性：網(wǎng)絡能力可定制、網(wǎng)絡性能可定制、接入方式可定制、服務范圍/部署策略可定制。

（2）隔離性/專用性：切片服務于特定的應用場景，不同切片之間相互隔離，互不影響。

（3）質(zhì)量可保證：按照垂直行業(yè)需求，滿足其SLA服務質(zhì)量要求。

（4）統(tǒng)一平臺：網(wǎng)絡切片將基于NFV/SDN的統(tǒng)一基礎設施靈活、按需構建。

端到端網(wǎng)絡切片由無線網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡切片、傳輸網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡切片、核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡切片組成。目前，核心網(wǎng)側(cè)網(wǎng)絡切片已具備落地應用條件，端到端網(wǎng)絡切片還在發(fā)展中，實際網(wǎng)絡部署并不成熟。

3.2 邊緣計算

邊緣計算（MEC，Multi-access Edge Computing）是在靠近數(shù)據(jù)源或用戶的地方提供計算、存儲等基礎設施，并為邊緣應用提供云服務和IT環(huán)境服務。該技術的優(yōu)勢主要有：

（1）減低傳輸時延，數(shù)據(jù)處理更快

通過將服務器下沉部署在靠近用戶和終端設備的邊緣，解決了垂直行業(yè)中時延過長、匯聚流量大等問題，為實時性和帶寬要求較高的業(yè)務提供更好的支持。

（2）網(wǎng)絡帶寬需求降低，抑制網(wǎng)絡阻塞

隨著聯(lián)網(wǎng)設備的增多，網(wǎng)絡傳輸壓力會越來越大。而邊緣計算的引入，5G網(wǎng)絡通過用戶面功能UPF在網(wǎng)絡邊緣的靈活部署，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量本地卸載，減少了用戶與遠端服務器的數(shù)據(jù)交換，因此也不需要占用太多網(wǎng)絡帶寬。本地的數(shù)據(jù)處理，減少了大量數(shù)據(jù)傳輸帶來的網(wǎng)絡壓力。

（3）數(shù)據(jù)隱私保護能力增強

數(shù)據(jù)的收集和計算都是基于本地，不再被傳輸?shù)皆贫?，因此重要的敏感信息可以不?jīng)過外部網(wǎng)絡傳輸，能夠有效避免傳輸過程中的泄漏。

（4）網(wǎng)絡開放性增強

移動網(wǎng)絡能力通過標準化接口開放給邊緣計算平臺，可供第三方應用調(diào)用。這些移動網(wǎng)絡能力包括無線網(wǎng)絡信息服務、位置服務、QoS服務等。

3.3 兩種UPF/MEC部署方案

5G組網(wǎng)架構中將用戶面功能分離并下沉，具有很多優(yōu)點，在具體部署時，可針對不同場景按照UPF下沉的層次分為兩種部署方案：

方案一：將UPF/MEC部署到用戶側(cè)，直接部署在用戶機房內(nèi)，組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 UPF/MEC企業(yè)園區(qū)部署方案

將UPF/MEC下沉部署到用戶側(cè)，具有以下特點：

（1）每用戶獨立建設UPF/MEC，投資大，對用戶側(cè)機房環(huán)境要求高，后期UPF/MEC現(xiàn)場維護需要進入用戶端現(xiàn)場。

（2）可滿足用戶打造5G企業(yè)專網(wǎng)的要求，降低數(shù)據(jù)傳輸時延，真正做到數(shù)據(jù)“物理”不出園區(qū)（基站→傳輸→園區(qū)MEC→企業(yè)網(wǎng)絡）。

（3）運營商可利用MEC+MEP集成企業(yè)第三方應用，增強業(yè)務粘性。

（4）由于核心網(wǎng)元UPF下沉，運營商核心網(wǎng)絡延伸，網(wǎng)絡安全防控難度大。

該部署方案可針對高要求高價值客戶，與客戶接觸點多，項目合作密切程度高，難度大，投資大，但項目如果成功，客戶粘性強。

方案二：將UPF/MEC部署到地市級或區(qū)縣級運營商自有機房中，可多個客戶共享物理資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡邏輯隔離。其特點是：

（1）項目容易復制，可批量推廣，自有機房中資源部署完畢后，后續(xù)每個項目投入少，業(yè)務開通速度快。

（2）自有機房內(nèi)機房條件好，設備運行更穩(wěn)定，易于維護。

（3）更適合于運營商為主導的平臺模式。

（4）企業(yè)網(wǎng)絡和UPF/MEC間需增加數(shù)據(jù)專線實現(xiàn)網(wǎng)絡互通。

（5）數(shù)據(jù)傳輸端到端將引入一定延時，不能滿足對時延特別苛刻的場景。

方案二的組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 UPF/MEC運營商自有機房部署方案

3.4 5G時延和速率指標測試

在按UPF/MEC部署到用戶側(cè)的應用項目中，配置為eMBB場景，我們對5G時延和速率指標進行模擬測試，情況如下：

（1）通過在MEC設備近端搭建FTP企業(yè)服務器，ping測試服務器的時延大約在14～15 ms。其中基站與MEC之間傳輸引入時延在5 ms，MEC側(cè)基本未引入明顯時延，MEC側(cè)出口到企業(yè)服務器的企業(yè)內(nèi)網(wǎng)引入的時延大約在2 ms，無線基站在開啟預調(diào)度時延為7～8 ms。逐段分析時延情況如圖5所示。

圖5 時延指標分析

（2）在具體的5G落地項目現(xiàn)場測試中，采用FTP多線程上傳下載速率測試，現(xiàn)場實測下載速率達到750 Mbps，上傳速率達到100 Mbps，符合eMBB場景中用戶體驗速率的要求。

從測試結果看，采用方案一的組網(wǎng)方案滿足了項目工業(yè)攝像機高清圖像機器視覺檢測（AVI）、大帶寬傳送場景和自動運輸車自動導航（AGV）、邊緣計算和低時延場景的要求。以上場景的網(wǎng)絡需求為：上傳速率大于100 Mbps，時延低于20 ms。經(jīng)實際驗證，滿足應用系統(tǒng)要求，系統(tǒng)運行良好。

雖然現(xiàn)階段SA組網(wǎng)端到端切片還未成熟，但5G在關鍵的指標（時延和上傳、下載速率）已明顯優(yōu)于4G，與傳統(tǒng)的工業(yè)組網(wǎng)比較，在移動性、安全性等方面均具備優(yōu)勢，可以滿足工業(yè)智能化應用拓展。

4 結束語

本文僅對目前階段5G面向工業(yè)智能化應用的組網(wǎng)方案進行了初步探討，實際上，SA+MEC的組網(wǎng)方案可在多個行業(yè)領域的垂直行業(yè)場景下拓展應用。目前，一方面，5G的技術標準和網(wǎng)絡建設均在發(fā)展中，另一方面，5G面向垂直行業(yè)應用的項目如雨后春筍，市場前景如一片藍海。運營商在積極推進5G垂直行業(yè)項目的“樣板房”建設中，不應簡單追求極致、等待技術成熟，而應和工業(yè)企業(yè)共同大膽嘗試推廣，快速落地應用，將“樣板房”變成“商品房”。

另外，在具體項目實踐中，還有很多方面值得進一步深入研究，如網(wǎng)絡傳輸方案的優(yōu)化、網(wǎng)絡安全方案、網(wǎng)絡可靠性組網(wǎng)方案等。