“5G+工业互联网”通信网络架构及关键技术概述刘思扬

“5G+工业互联网”通信网络架构及关键技术概述刘思扬
发布时间：2023-04-21T01:16:28.463Z 来源：《国家科学进展》2023年2期作者：刘思扬
[导读] 随着新一代信息通信技术的发展，5G与工业互联网的融合不断加快，国内对工业互联网应用的探索也在逐步加深。

“5G+工业互联网”通过5G等新一代通信技术实现工业领域“人、机、物、系统”等的全面连接，加快了中国新型工业化数字化转型的进程。

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摘要：随着新一代信息通信技术的发展，5G与工业互联网的融合不断加快，国内对工业互联网应用的探索也在逐步加深。

“5G+工业互联网”通过5G等新一代通信技术实现工业领域“人、机、物、系统”等的全面连接，加快了中国新型工业化数字化转型的进程。

关键词：“5G+工业互联网”；通信网络架构；关键技术
1技术要求
1.1交互类业务对上行带宽的要求
工业互联网对网络带宽的要求主要是上行。

机器视觉对上行带宽的要求根据图像的像素、帧率等有所不同。

对单点上行速率要求，普通电器制造行业要求较低，一般小于20 Mbps; 3C电子制造行业一般为30～100 Mbps; 而在飞机等精密制造行业，要求超高清图片且不能压缩，要求可达到600 Mbps。

远程操控和高清监控是港口、钢铁和煤矿行业的典型自动化场景需求，这些场景中对单点视频上传的诉求一般是2～20 Mbps, 多点视频并发时上行容量的需求可达300 Mbps～1 Gbps。

1.2控制类业务对低时延高可靠的要求
3GPP定义URLLC控制面时延小于10ms, 环回时延小于1ms, 32B包可靠度达99.999%。

但在实际应用中，不同业务的要求不尽相同。

根据行业项目交付经验，机械远程控制场景一般要求为20～**********%(@99.99%表示可靠性达到99.99%);AGV远控场景一般要求时延为50～100 ms, 多AGV协同场景要求小于20 ms, 并且支持移动时仍能满足上述要求；PLC无线化场景对时延可靠性要求更高，PLC北向(PLC到上位机)要求**********%,PLC东西向(PLC到PLC)要求4～***********%,PLC南向(PLC到伺服和I/O)要求1～**********%。

1.3人员定位和资产定位的要求
基于行业定位场景的分析，主要应用场景为面向人员的定位和面向资产的定位。

面向人员的定位，主要应用场景包括员工轨迹分析、电子围栏、紧急救助、访客管理等，精度要求小于1 m, 电池续航要求一般30～60天。

面向资产的定位，主要应用场景包括资产盘点、生产资源调度、车辆管理等，定位精度一般要求1～3 m, 但对电池使用年限要求高，一般1～3年。

对于AGV引导等应用场景定位精度为厘米级，当前5G无法支持。

2 工业互联网的典型网络架构
2.1 工业互联网外网
与公有云服务器、企业互联网数据中心（Internet Data Center,IDC）或者公网（Data Network,DN）相连，用于连接企业工厂、分支机构、上下游协作单位、工业云平台、智能产品与用户等主体，支撑网络化协同、远程调度控制等新业务、新应用。

工业互联网内网如图2“工厂（园区）内”部分所示，通过有线和无线相结合的通信方式连接人员、车间、产线和设备，主要承载管理控制类、数据采集类和信息交互类业务。

内外网之间的数据通过“专线连接”或“上网连接”进行传输，中转用户面网元（User Plane Function,UPF）通过N9接口（国际标准化组织3GPP定义的UPF与UPF之间的协议接口）连接工业互联网内网，将数据通过N6接口（3GPP定义的UPF与DN之间的协议接口）中转至DN或多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing,MEC）端。

具体传输方式可根据企业规模、业务需求等选定。

一般而言，网络连接是工业企业实现制造服务化的基础，而专线连接则可在保证服务质量的前提下实现信息的网络传输。

2.2 通过分布式Massive MIMO技术实现泛在的一致性体验
工业生产要求在覆盖区域内提供泛在的一致性体验，即在网络覆盖区域内的任何位置，都需要满足工业生产所需的网络速率和时延要求，否则将会影响生产效率。

这种“全区域泛在一致性体验”要求明显高于“尽力而为的体验”要求。

传统的有线网络采用点对点直接连接，缺乏灵活性，但可以确保资源，且不受周边环境的影响。

无线蜂窝网络的本质是干扰受限的软容量系统，系统的容量和信噪比成正比。

单个无线蜂窝小区的覆盖面积和容量有限，因此，大型工厂车间无法由单小区完全覆盖。

运营商通常采用小区分裂的方式组网，从而满足行业生产区域内的覆盖和容量需求。

由于无线多小区组网中存在小区交叠和小区边缘区域，该区域信噪比极低，难以保证网络覆盖区域内的任何位置都具备确定性体验能力。

多天线技术作为提高频谱效率和传输可靠性的有效手段，已经应用于多种无线通信系统。

由于工业互联网多属于室内场景，难以部署宏站场景下的AAU(active antenna unit)天线，因此需要分布式Massive MIMO技术，将多个4T4R射频单元组成一个Massive MIMO小区。

分布式Massive MIMO技术将传统的集中部署方式拓展至分布式部署，在多个分布式节点之间引入智能协作，实现资源的联合调度和数据的联合发送，从而突破了传统蜂窝系统中由频率资源静态支配所带来的局限。

分布式超大规模MIMO技术一方面
将干扰转化为增益，有效解决小区间的干扰问题，为用户带来无边界性能体验；另一方面通过MU-MIMO技术实现波束空分复用，显著提升小区容量。

2.3工业互联网内网
工业互联网外网的建设多为电信运营商和政府主导，对于需要部署“5G+工业互联网”典型应用场景的企业/工厂而言，工业互联网内网的建设更为重要。

企业/工厂根据自身对部署区域化、网络需求个性化、行业应用场景化的需求，建立与业务相匹配的内网通信，是其实现工业互联网上层平台开发与创新应用的关键。

工业互联网内网可通过运用5G、时间敏感网络（Time Sensitive Network,TSN）等新型网络技术和IPv6+(Internet Protocol Version 6+,IPv6下一代互联网的升级）、无源光网络（Passive Optical Network,PON）等先进适用技术，实现信息技术（Information Technology,IT）网络和生产控制（Operational Technology,OT）网络的全区域无线覆盖。

其中IT网络分层架构主要分为现场级、控制级、车间级、工厂级，囊括研发类工业软件（如计算机辅助设计〈Computer Aided Design,CAD〉）、信息管理类工业软件（如企业资源计划〈EnterpriseResource Planning,ERP〉）。

OT网络覆盖的主体包括人、产品、机器、工业控制系统等，主要用于连接现场的控制器（如分散控制系统〈Distributed Control System,DCS〉、现场总线控制系统〈Fieldbus C o n t r o l S y s t e m,FCS〉）、传感器（流水线）、伺服器（机床）、监控器、各类移动终端设备（如自动导引运输车〈Automated Guided Vehicle,AGV〉）等。

OT网络中的有线传输部分主要通过现场总线和工业以太网实现，无线传输部分可通过5G技术实现（由客户前置终端设备〈Customer Premise Equipment,CPE〉提供移动运营商5G通信网和用户端Wi-Fi局域网之间的对接服务，将5G信号转化为Wi-Fi信号供终端设备接入）。

3结论
5G+工业互联网已经得到全球学术界和产业界的充分重视，本文总结了5G+工业互联网的应用场景和相关的性能要求，归纳了5G+工业互联网领域的五大关键技术的现有发展状况。

基于现有的发展状况，本文全面阐述了5G+工业互联网潜在的技术挑战和难点，并提出对5G+工业互联网的未来发展方向的思考。

参考文献：
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[2]肖斌,欧炳强,程俊,郭智英.5G+工业互联网数字新基建的应用浅析[J].广西通信技术,2021(03):23-27.
[3]朱璎,许洁,陈晓雯.“5G+工业互联网”行业专网建网模式的思考与分析[J].通信与信息技术,2021(04):69-71+74.
[4]黄劲安,蒋绍杰,林东云.5G+工业互联网发展探讨[J].广东通信技术,2021,41(05):19-24.。