王立文，唐雄燕，黃 蓉，張雪貝，楊文聰，王友祥（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

0 引言

工業(yè)作為經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，利用信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步使其向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)變和發(fā)展尤為重要。5G 作為新一代的移動通信技術(shù)，具有超高帶寬、超低時延、超大規(guī)模連接等特征，契合了工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛融合將推動工業(yè)自動化技術(shù)的進一步發(fā)展。

雖然這2 年面向垂直行業(yè)場景的5G 網(wǎng)絡(luò)方案和應(yīng)用案例層出不窮，但在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還在探索階段。工業(yè)場景對網(wǎng)絡(luò)的需求具有其獨特性，如工業(yè)終端設(shè)備通常按照LAN 方式組網(wǎng)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)對實時性要求高。為此，3GPP針對工業(yè)場景啟動了5G LAN、工業(yè)協(xié)議感知和增強、高可用方案等5G增強技術(shù)的研究。

1 典型工業(yè)應(yīng)用

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸普及。大帶寬、低時延、高確定性的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以降低數(shù)據(jù)和指令傳輸難度，提高端、邊、云算力的協(xié)同能力，使工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計和部署更靈活。

如圖1 所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分為工廠外網(wǎng)絡(luò)和工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)2 部分。工廠外網(wǎng)絡(luò)通過廣域網(wǎng)絡(luò)連接工廠、公有云平臺、上下游企業(yè)和用戶、出廠產(chǎn)品，實現(xiàn)企業(yè)協(xié)同、用戶服務(wù)、產(chǎn)品售后等。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)廠內(nèi)辦公、生產(chǎn)過程管理、機械設(shè)備控制等，又可分為工廠級、車間級和現(xiàn)場級。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系

a）工廠級網(wǎng)絡(luò)是IT網(wǎng)絡(luò)，主要采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議棧，用于辦公和生產(chǎn)管理。

b）車間級網(wǎng)絡(luò)通常采用工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)為狀態(tài)監(jiān)控、人機界面接口等系統(tǒng)提供通信網(wǎng)絡(luò)。

c）現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)處于工廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最邊緣，用于連接I/O 設(shè)備、傳感器、儀表和驅(qū)動裝置等各類工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備。在同一個車間內(nèi)往往會存在多個獨立的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如1 個工島、產(chǎn)線、機床甚至1 臺AGV小車內(nèi)可能都有1套獨立的現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)多采用工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，其規(guī)模大小不等，與工業(yè)現(xiàn)場場景相關(guān)。

用于各種工業(yè)現(xiàn)場場景的工業(yè)應(yīng)用層出不窮，但其基礎(chǔ)都離不開對現(xiàn)場設(shè)備的控制與對現(xiàn)場狀態(tài)的采集。

1.1 PLC與工業(yè)控制

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）早期只有邏輯控制的功能用來代替繼電器，后來增加了時序控制、模擬控制、定時、計數(shù)、通信等各類功能，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、電力、制造等各個行業(yè)實現(xiàn)對各類設(shè)備和過程的自動化控制，其組成和組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 PLC組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

PLC的I/O接口是PLC與生產(chǎn)現(xiàn)場相聯(lián)系的橋梁。PLC通過豐富的I/O接口與按鈕、傳感器、控制閥、指示燈等各種工業(yè)現(xiàn)場的器件相連，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場各種信號的采集和控制。典型的有開關(guān)量控制和過程控制。

a）開關(guān)量和邏輯控制：開關(guān)量和邏輯控制是工業(yè)中最普遍的場景之一，PLC按照邏輯條件通過I/O接口控制大量的開關(guān)量進行順序動作實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。PLC 具有編程能力，可通過軟件實現(xiàn)不同方式的邏輯控制，既可用于單臺設(shè)備的開關(guān)量控制，也可用于多機群控、自動化流水線等多設(shè)備多開關(guān)量的控制場景。

b）過程控制：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，除了只有通斷2種狀態(tài)的開關(guān)量之外，還有溫度、壓力、流量、液位、速度等許多連續(xù)變化的模擬量也需要被控制。PLC通過A/D、D/A 轉(zhuǎn)換I/O 接口實現(xiàn)對模擬量變化過程的采集和控制。過程控制通常需要比例—積分—微分（proportion-integral-differential，PID）閉環(huán)控制功能，可以在PLC 內(nèi)編程實現(xiàn)，也可以在云平臺/云化PLC 中實現(xiàn)或者采用專用PID 模塊。PID 控制功能的執(zhí)行位置需綜合工廠算力、現(xiàn)場級PLC 設(shè)備的運算能力、業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)的時間精度要求和通信能力等多種因素，選擇合適的方案。

PLC通信接口主要用于通過各類通信方式與其他設(shè)備/系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，如通過工業(yè)以太網(wǎng)與云平臺進行北向通信接收操作指令；或者通過工業(yè)總線與驅(qū)動器/執(zhí)行器、智能傳感器進行南向通信實現(xiàn)動作控制、狀態(tài)采集等。不同的工業(yè)應(yīng)用設(shè)計方案對通信接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸要求也不同，如過程控制中PID 功能可部署在云PLC，也可部署在現(xiàn)場從PLC，前者需要周期性傳遞采樣和控制數(shù)據(jù)，對通信的帶寬、實時性等要求遠高于后者。對通信網(wǎng)絡(luò)要求較高的典型應(yīng)用是運動控制。

運動控制是工業(yè)控制領(lǐng)域的另一個重要分支，通過對電機的控制調(diào)節(jié)機械部件的位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等物理量使其按照預(yù)期的軌跡和參數(shù)運動，廣泛應(yīng)用在包裝、印刷、紡織、數(shù)控機床、機器人等工業(yè)場景，已成為現(xiàn)代先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)。典型的運動控制系統(tǒng)由上位機、PLC/運動控制器、驅(qū)動裝置、電動機和傳感器反饋檢測裝置和被控對象等組成，重點在于協(xié)調(diào)多個電機，完成指定的運動，如數(shù)控機床里面要協(xié)調(diào)XYZ 軸電機、多關(guān)節(jié)機械臂的運動驅(qū)動。運動控制與常規(guī)自動控制的顯著區(qū)別之一是高動態(tài)特性。如高速加工的運行速度為90 m/min 時，伺服驅(qū)動電機之間1 ms的時間同步誤差，將造成1.5 mm 的運動同步誤差。因此運動控制器與驅(qū)動器、反饋裝置之間的數(shù)據(jù)交換接口需要有極高的精確性和實時性。

早期運動控制接口采用脈沖模擬量方式，雖然硬件成本低、標準開放，但是編程繁瑣、布線要求高、距離受限，隨著工廠自動化和信息化的發(fā)展，逐漸被工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)總線方式取代。運動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化具有簡化布線、信號雙向傳輸、降低編程復(fù)雜度、易于實現(xiàn)設(shè)備診斷和系統(tǒng)集成等優(yōu)點，但是也因為信號延遲、抖動等因素提高了采樣周期等時、同步控制的實現(xiàn)難度。

1.2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，只有采集到當(dāng)前物理世界的真實數(shù)據(jù)［7］，才能對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，進而完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和閉環(huán)控制。如圖3 所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析處理3個階段。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

數(shù)據(jù)采集是通過傳感器、智能儀表等收集生產(chǎn)過程中的真實物理狀態(tài)信息，如電流、電壓、溫度、壓力、開關(guān)狀態(tài)、聲音、圖像等。

數(shù)據(jù)傳輸是將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、TCP/IP 等方式回傳。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口與回傳網(wǎng)絡(luò)不匹配時（如工業(yè)現(xiàn)場回傳網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，但采集設(shè)備為RS232 總線接口），還需通過PLC、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和封裝后才可回傳到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)分析是對采集到的各種數(shù)據(jù)（如實時狀態(tài)、加工工藝數(shù)據(jù)等）進行加工處理后，再以各種方式輸出和展現(xiàn)，用以監(jiān)控生產(chǎn)過程、指導(dǎo)技術(shù)人員優(yōu)化工藝流程、與控制系統(tǒng)協(xié)同完成生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制等。

1.3 AGV小車

自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）小車是一種集導(dǎo)航、通信、外部感知和數(shù)據(jù)處理等智能技術(shù)于一體的可移動機器人，擁有快速、高效裝卸和搬運物料的能力，具有高智能化、無人駕駛、行駛路徑靈活等優(yōu)點，是柔性智能物流設(shè)備的典型代表。

每輛AGV 是一個獨立個體，對于自身的運動控制，有著獨立的運行裝置和控制系統(tǒng)。在實際使用中，還需要使這些獨立的AGV 間相互配合有序完成生產(chǎn)任務(wù)，當(dāng)多臺AGV 共同完成同一任務(wù)時可以編為一組。通過通信系統(tǒng)，調(diào)度控制器可與每臺AGV 小車點對點通信實現(xiàn)對AGV 小車的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和任務(wù)調(diào)度、編組管理，編組內(nèi)AGV 小車間可點對多點通信實現(xiàn)位置和狀態(tài)信息廣播，編組間可進行邏輯隔離避免干擾。因此通信系統(tǒng)除了滿足QoS 指標外，還需要具備靈活的邏輯隔離能力和隔離域內(nèi)多播能力。

2 工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求

在工業(yè)場景中，不同工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)終端規(guī)模、業(yè)務(wù)功能、部署方案不同，對工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)指標、組網(wǎng)方式、隔離要求等需求也不同。

2.1 網(wǎng)絡(luò)指標需求

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中存在著控制數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，表1為一種工業(yè)通信數(shù)據(jù)分類模型，主要分為等時同步、周期/循環(huán)、事件告警、網(wǎng)絡(luò)控制、診斷組態(tài)、Best Effort、音視頻等。

表1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)模型

等時同步、周期/循環(huán)、網(wǎng)絡(luò)控制為周期性數(shù)據(jù)，即連續(xù)周期性下發(fā)的控制數(shù)據(jù)和上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如運動控制場景中控制器發(fā)送給驅(qū)動器的位移數(shù)據(jù)、過程控制場景中周期性采樣的壓力數(shù)據(jù)等。通常周期性數(shù)據(jù)關(guān)鍵程度較高，具有相對嚴格的實時性要求，其報文長度通常固定且較短，帶寬需求也比較固定。其中等時同步數(shù)據(jù)流常用于運動控制，如前文所述高速高精度場景對運動控制網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延要求非常高，控制數(shù)據(jù)需在截止時間之前送達，對時延抖動和丟包的容忍度為零。

事件告警、診斷組態(tài)、Best Effort為非周期性數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期性數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用更復(fù)雜，報文特征和網(wǎng)絡(luò)指標要求也不同，如影響生產(chǎn)安全的告警數(shù)據(jù)具有較嚴格的實時性要求，診斷組態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)鍵程度為中，數(shù)據(jù)備份等其他關(guān)鍵程度較低但帶寬需求較大的數(shù)據(jù)采用盡力而為的傳輸。

音視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送周期與其采樣幀率相關(guān)，報文長度較大且可變，包丟失主要影響傳輸質(zhì)量，對丟包容忍度也相對較高。

表1 總結(jié)了不同數(shù)據(jù)類型對網(wǎng)絡(luò)傳輸指標的要求，但實際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)指標要求與工業(yè)應(yīng)用相關(guān)，可根據(jù)實際需求設(shè)計和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。如運動控制場景中不同執(zhí)行器和機械部件動力反應(yīng)時間不同（注塑機械的液壓軸所需的反應(yīng)時間為250 μs～1 ms，印刷機械軸的反應(yīng)時間約3 ms、封裝加工機械反應(yīng)時間為2～6 ms），實際需要的網(wǎng)絡(luò)傳輸指標也不同。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)性能成為提升系統(tǒng)效率的瓶頸時，可以通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低工業(yè)應(yīng)用的反應(yīng)時間，提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，減少材料浪費，達到降本增效的目的。

2.2 組網(wǎng)需求

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)除了滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)指標要求外，還需要具備易用、支持邏輯隔離、高可用等特性。

2.2.1 易用

易用指符合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和工業(yè)終端設(shè)備的組網(wǎng)習(xí)慣。目前工業(yè)以太網(wǎng)一般基于層二的單播、組播、廣播通信方式實現(xiàn)層三或者應(yīng)用層通信。如某些工業(yè)終端設(shè)備需要通過層二廣播報文完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)。

2.2.2 隔離

工業(yè)現(xiàn)場的業(yè)務(wù)應(yīng)用繁多，且隨著產(chǎn)線的升級改造還有新業(yè)務(wù)不斷加入，為了避免不同業(yè)務(wù)間的干擾，需要在網(wǎng)絡(luò)上進行隔離；同一業(yè)務(wù)的不同子系統(tǒng)間也可能會需要靈活的網(wǎng)絡(luò)隔離功能，如AGV 小車編組間隔離。因此工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)還需要具有靈活的邏輯隔離能力。

2.2.3 高可用

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的核心組成部分，業(yè)務(wù)報文傳輸?shù)目煽啃灾苯佑绊懣刂葡到y(tǒng)的可靠性。在實際的生產(chǎn)使用中，業(yè)務(wù)應(yīng)用正常運行的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高可靠性。網(wǎng)絡(luò)高可靠性一方面是通過優(yōu)化QoS調(diào)度保障高優(yōu)先級數(shù)據(jù)在通信鏈路資源發(fā)生競爭時可靠傳輸實現(xiàn)；另一方面是提高通信鏈路的可靠性，如提高通信設(shè)備本身的可靠性或者采用設(shè)備、端口、傳輸介質(zhì)冗余的高可用方案。

環(huán)網(wǎng)拓撲是最簡單、成本最低的鏈路冗余方案，為了避免環(huán)網(wǎng)狀態(tài)下的以太網(wǎng)廣播風(fēng)暴，需要冗余管理協(xié)議通過阻塞網(wǎng)絡(luò)端口的方式將物理上的環(huán)狀拓撲配置為邏輯上所有設(shè)備節(jié)點之間僅存在唯一通信路徑的樹狀拓撲，當(dāng)設(shè)備節(jié)點或者傳輸介質(zhì)發(fā)生故障時，冗余管理協(xié)議會計算新的邏輯拓撲，重新配置網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信。從鏈路故障通信中斷到冗余管理協(xié)議感知到故障狀態(tài)后重新配置網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)通信的時間為冗余恢復(fù)時間（也被稱為故障倒換時間）。標準以太網(wǎng)中使用的STP、RSTP 等冗余管理算法的秒級冗余恢復(fù)時間無法滿足工業(yè)應(yīng)用，工業(yè)以太網(wǎng)又推出了DLR、MRP、DRP等更快速冗余恢復(fù)技術(shù)。

鏈路冗余恢復(fù)方案在鏈路故障時會造成短暫的通信中斷。IEC62439 標準中定義了PRP、HSR 等數(shù)據(jù)包粒度的多發(fā)選收協(xié)議，其原理是發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)幀復(fù)制并添加相關(guān)控制信息后經(jīng)過冗余的多條通信鏈路分別發(fā)送，接收端經(jīng)不同的通信鏈路接收到數(shù)據(jù)幀后根據(jù)控制信息只保留第1個接收到的數(shù)據(jù)幀，從而達到某一鏈路故障時不丟包的目的。

3 面向工業(yè)應(yīng)用的5G增強技術(shù)

針對工業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的需求，3GPP啟動了相關(guān)的5G增強技術(shù)的研究。

3.1 工業(yè)協(xié)議感知和網(wǎng)絡(luò)控制

目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中主要是工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，雖然同一種現(xiàn)場總線是具有互換性和互操作性，但不同的現(xiàn)場總線之間的兼容性較差，需要專用設(shè)備轉(zhuǎn)換，設(shè)備復(fù)雜、成本高。工業(yè)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3 系列標準和TCP/IP 標準之上，通過Ether-Net/IP、Profinet、EtherCAT、Modbus TCP、PowerLink 等應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)的分布式實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸速度要求較高的場合，已經(jīng)逐漸超過現(xiàn)場總線的市場占比，成為工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)的主流。

現(xiàn)在主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議主要是基于有線傳輸介質(zhì)進行部署，而5G 作為一種無線傳輸技術(shù)，雖然在高帶寬、高可靠、低時延方面進行了優(yōu)化和改進，但相較于有線介質(zhì)依然存在易受干擾、時延高、抖動大等劣勢。支持感知工業(yè)協(xié)議并針對關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)化QoS保障重要業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量的5G 增強技術(shù)是繼5G+TSN之后又一提高5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的解決思路。

如圖4 所示，工業(yè)應(yīng)用的控制端和工業(yè)終端之間通過5G 網(wǎng)絡(luò)互通，5G 系統(tǒng)中增加感知協(xié)同功能模塊，在UPF 中增加探針感知工業(yè)協(xié)議，再針對工業(yè)數(shù)據(jù)的類型和重要程度，修改5G 網(wǎng)絡(luò)的QoS 參數(shù)，實現(xiàn)針對工業(yè)應(yīng)用的傳輸質(zhì)量增強。

該方案的優(yōu)點是實現(xiàn)過程對工業(yè)應(yīng)用透明，可以使5G網(wǎng)絡(luò)在物理層替換原來的有線傳輸介質(zhì)，不影響業(yè)務(wù)應(yīng)用。未來還可以從工業(yè)應(yīng)用中獲取業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求，向工業(yè)應(yīng)用開放5G 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等，實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用與5G網(wǎng)絡(luò)的雙向感知，有助于進一步優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗。

3.2 5G LAN

3GPP R15 中，5G 網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)了基于IP 類型會話的層三通信。為了適應(yīng)工業(yè)場景中設(shè)備間層二通信的需求，需要在CPE 和UPF 兩端架設(shè)隧道設(shè)備將工業(yè)層二協(xié)議報文封裝在IP 隧道報文中傳輸，額外引入隧道設(shè)備增加了組網(wǎng)復(fù)雜度和成本。

5G 網(wǎng)絡(luò)還支持ethernet 類型的會話，可以支持用戶面層二通信。圖5 為5G 端到端系統(tǒng)中ethernet 和IP類型會話的用戶面協(xié)議棧對比，IP 類型會話的用戶面數(shù)據(jù)只攜帶IP協(xié)議報文頭，在UPF中基于IP地址進行路由轉(zhuǎn)發(fā)；而ethernet 類型會話的用戶面數(shù)據(jù)則攜帶具有源MAC 和目的MAC 的以太幀報文頭，在UPF 中會基于MAC 地址進行交換轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)用戶面的端到端層二通信。

圖5 5G端到端系統(tǒng)用戶面協(xié)議棧

3GPP R16中啟動了5G LAN 項目，通過ethernet類型的5G LAN 技術(shù)，可以提供直接支持層二通信的5G虛擬本地網(wǎng)，如圖6 所示，3GPP 定義了3 種轉(zhuǎn)發(fā)方式：Local Switch 轉(zhuǎn)發(fā)、基于N19 接口轉(zhuǎn)發(fā)和基于N6 接口轉(zhuǎn)發(fā)，分別適用于同廠區(qū)內(nèi)UE（共用同一錨點UPF）間轉(zhuǎn)發(fā)、跨廠區(qū)UE（跨錨點UPF）間轉(zhuǎn)發(fā)、UE 與DN 側(cè)設(shè)備間轉(zhuǎn)發(fā)等場景。

圖6 5G LAN的3種轉(zhuǎn)發(fā)方式

5G LAN 將有互訪功能的用戶組劃分到相同的邏輯域內(nèi)，即VN 組。通過VN 組可以實現(xiàn)同組內(nèi)的UE間互通和不同組UE 間的邏輯隔離，以滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中對業(yè)務(wù)隔離的需求。在3GPP R16 中，VN 組僅支持與DNN+S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）的1∶1 映射關(guān)聯(lián)，用戶本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的細粒度隔離需求都要通過DNN 和切片來配合實現(xiàn)VNG 的隔離，在實際使用中可以將VNG 結(jié)合VLAN使用，使網(wǎng)絡(luò)的邏輯隔離功能更精細靈活。

5G LAN 技術(shù)可以使5G 網(wǎng)絡(luò)支持層二的單播、多播通信和廣播域隔離，滿足工業(yè)場景組網(wǎng)所需的易用性和業(yè)務(wù)隔離特性。

3.3 高可用技術(shù)

基于5G LAN 的5G 網(wǎng)絡(luò)可以參考工業(yè)以太網(wǎng)，采用鏈路冗余和數(shù)據(jù)包多發(fā)選收等高可用方案。

圖7為一種鏈路冗余方案的組網(wǎng)拓撲，該方案中2組CPE、基站、UPF 構(gòu)成了2 條5G 通信鏈路，在CPE 和UPF 兩側(cè)連接交換機。當(dāng)CPE 建立ethernet 類型會話實現(xiàn)5G 用戶面端到端層二互通后，2 臺工業(yè)交換機與2 條5G 鏈路組成環(huán)網(wǎng)拓撲，需要使能冗余管理協(xié)議“破環(huán)”以避免廣播風(fēng)暴。但現(xiàn)有的冗余管理協(xié)議應(yīng)用在5G場景中時存在以下問題。

圖7 一種5G鏈路冗余方案的組網(wǎng)拓撲

a）5G 設(shè)備的5G 空口/GTP-U 隧道等鏈路與傳統(tǒng)有線介質(zhì)不同，系統(tǒng)對鏈路狀態(tài)的感知機制不同，參與計算的節(jié)點規(guī)模不同，導(dǎo)致現(xiàn)有的冗余管理協(xié)議無法直接應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。

b）5G 網(wǎng)絡(luò)直接透傳冗余管理協(xié)議的協(xié)議報文，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓撲倒換發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，5G 網(wǎng)絡(luò)會大量丟包，同時也會無差別地丟掉協(xié)議報文導(dǎo)致協(xié)議工作異常。目前如何有效“破環(huán)”是5G LAN 技術(shù)的研究熱點之一。

鏈路冗余方案在實際運行中只有單鏈路工作，當(dāng)5G空口受到突發(fā)干擾或者鏈路故障發(fā)生鏈路倒換時，會發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟包、重傳、時延抖動等問題，導(dǎo)致PLC 和I/O 連接異常，影響工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定。圖8 為一種基于5G LAN 的雙發(fā)選收方案，與圖7 類似，5G 建立2 條獨立的用戶面層二鏈路，然后CPE 和UPF 兩側(cè)的交換機使能PRP 或者HSR 協(xié)議，實現(xiàn)主PLC 與從PLC等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)包冗余傳輸，該機制也可以起到平滑時延抖動的效果。該方案雖然可以復(fù)用現(xiàn)有的PRP/HSR 交換機設(shè)備，但需要2 套5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，成本較高，可作為現(xiàn)階段的過渡方案，將來可以將PRP、HSR 等多發(fā)選收協(xié)議集成到UPF 和CPE 等5G 設(shè)備，并與5G QoS等功能協(xié)同優(yōu)化，形成多發(fā)選收能力內(nèi)生的5G網(wǎng)絡(luò)方案，如圖9所示。

圖8 一種5G雙發(fā)選收方案的組網(wǎng)拓撲

圖9 內(nèi)生雙發(fā)選收能力的5G網(wǎng)絡(luò)方案

4 結(jié)束語

5G 具備無線連接、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)優(yōu)勢，在工業(yè)無線通信、云化機器人、柔性生產(chǎn)等工業(yè)自動化領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。為了滿足工業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求，5G 技術(shù)也在LAN 組網(wǎng)、高可用和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等方面不斷地優(yōu)化與改進，助力5G在工業(yè)領(lǐng)域普及應(yīng)用。但是5G 網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)應(yīng)用雙方供需主體之間的認知還在初級階段，依然存在著面向工業(yè)應(yīng)用的5G 網(wǎng)絡(luò)需求的輸入不足，針對工業(yè)應(yīng)用的5G 網(wǎng)絡(luò)解決方案研發(fā)不夠等問題，還需要進一步加強面向工業(yè)應(yīng)用的5G 網(wǎng)絡(luò)需求和解決方案研究，以推動5G在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。