5G/5G-A確定性技術體系賦能工業互聯網

摘 要

5G網絡的超低時延、超低抖動和超高可靠的確定性傳輸機制，及其無需布線、靈活部署和移動性等優勢，在以智能工廠為代表的行業應用中有著廣泛應用前景，工業領域項目成熟度不斷提升，但是在生產核心環節的應用尚面臨簡化組網、可靠通信、安全隔離和服務增強等挑戰。分析了5G網絡應用現場網的技術挑戰，從時延確定性、時空確定性、可靠確定性、業務確定性、安全確定性和系統確定性等6個方面全面闡述了5G工業互聯網確定性保障體系，并介紹了其在某智能工廠中的初步實踐成果。

引 言

5G技術具有高可靠、低時延、大連接等突出特性，可以解決工業場景中移動性差、組網不靈活、特殊環境敷設困難等問題。5G網絡突破了原有工業無線技術在可靠性、連接密度、傳輸能力以及安全性等方面的局限，能夠有效滿足大規模數據采集、泛在連接、實時分析和遠程控制等工業生產制造環節的關鍵網絡能力需求，滿足了部分制造環節中的操作空間集中化、操作崗位機器化、運維輔助遠程化等數字化管理要求，解決了現階段工業制造領域的部分痛點［1］。因此，通信運營商、生產企業和裝備制造企業都非常重視“5G+工業互聯網”，并且開展了深度試點［2-6］。從中國5G應用征集大賽2018年—2022年的參賽項目統計可以看出（見圖1），工業領域項目成熟度不斷提升，2022年實現應用示范、商業落地（含可復制）的項目比例提升至近90%；且已有超過10%的項目實現“解決方案可復制”，并在不同企業成功落地。但是在生產核心 — —現場網領域，運營商通信網絡尚處于應用探索階段。因此，本文將首先分析5G工業互聯網應用的挑戰。其次，從時延、時空、可靠、業務、安全和系統6個方面闡述5G-A工業互聯網的確定性能力體系及其對工業現場網的賦能；并介紹了5G-A確定性工業互聯網在實際工廠現場網中的應用。最后對5G-A工業聯網確定性技術進行了展望。

圖1 2018年—2022年“綻放杯”大賽中工業

領域項目統計

0 1

5G工業互聯網應用挑戰

2022年9月，工業和信息化部提出了5G全連接工廠［7］：充分利用以5G為代表的新一代信息技術，基于工業互聯網新型基礎設施，新建或改造產線、車間、工廠等生產現場，形成生產單元廣泛連接、IT/OT深度融合、數據要素充分利用、創新應用高效賦能的先進工廠。產線級聚焦在設備連接、數據采集和5G應用到生產控制環節等方面的能力建設；車間級聚焦在多產線、多系統之間協同生產，數據打通與系統集成水平提升等能力建設；工廠級聚焦在跨車間、跨層級互聯互通，生產、運營、管理等能力的全面提升。

眾多制造企業也提出要加快利用5G改造工業內網，推動“5G+工業互聯網”服務于生產核心環節。

但是，目前5G在工業制造中的應用多集中在“輔助生產”環節，僅有小部分項目開始承載核心生產系統。一方面是因為工業無線化的訴求驅動，需要考慮行業發展的自然規律是逐步替代而非一蹴而就；另一方面，在一些關鍵場景，5G需要更好地滿足簡化組網、可靠通信、安全隔離、服務增強等業務需求，才能加速深入生產環節，成為工廠最主要的基礎設施。

a）簡化組網。當前工廠車間生產網和產線工控網的5G組網，主要是2層、3層通信需求，需要部署和設置隧道類設備，不僅增加了成本和部署難度，也不滿足柔性生產需求。因此，需要更加簡單的組網方案以適應市場需求。

b）可靠通信。確定可靠是工業業務最核心的要求，尤其對于控制類業務。主要考慮2個方面：穩定時延的可靠性能否滿足業務要求，如PLC控制類業務要求10 ms以內的時延和99.999 9%的可靠性；最大時延是否滿足生產節拍要求，出現大時延波動可能會導致業務邏輯錯誤，導致后工序甚至整條產線的停產。如何在保證頻譜效率的同時提供一個滿足更高業務需求的可靠通信網絡，是對現有5G網絡能力的新挑戰。

c）安全隔離。相比傳統工業專用網絡，5G網絡帶來的網絡化協同、個性化定制等對網絡的安全隔離能力和安全服務保障提出了更高的要求；5G網絡中的大量新IT技術將傳輸鏈路上的軟、硬件安全威脅也帶入了工業互聯網；5G核心網UPF下沉造成網絡邊界模糊。這一系列安全隔離問題亟需解決。

d）服務增強?，F有5G在工業場景中的應用未能完全滿足業務需求，如高精度定位、確定性傳輸、專網運維等方面。其中，定位方面需要基于部署的基站，提供亞米級的定位能力；確定性傳輸方面缺乏端到端的確定性保障體系；5G專網運維方面需要提供便利簡潔的運維服務。

0 2

5G-A工業互聯網確定性能力

工業現場環境復雜，接入設備多樣化，業務要求差異化，這就需要網絡能夠對各類業務提供確定性的質量保障。5G/5G-Advanced自R15版本針對工業互聯網業務的確定性需求，逐步引入了高精度定位、ULRRC、TSN、5G-LAN等技術，增強5G對工業業務的支持，并在后續版本中持續演進。圖2所示為5G標準化的總體進程。

圖2 5G標準化進程

總體上來說，5G/5G-A網絡從時延、時空、可靠、業務、安全和系統6個方面構建確定性能力體系，為智能工廠提供端到端的通信確定性保障。

2.1 時延確定性

5G技術對工業互聯網最重要的改進就是對傳輸時延的保障，降低傳輸時延和時延抖動，加強時延的一致性水平。

a）低時延。通過工業連接設備、無線網、核心網和傳輸網等單域時延和多域時延的協同縮短，降低了端到端的業務時延。無線網通過uRLLC技術，采用更加靈活的調度方式（靈活的調度間隔和免授權調度）、更小的調度單元以及靈活的HARQ、ARQ-ACK反饋機制，實現低時延要求，使得用戶面空口時延能夠低于1 ms，傳輸可靠性預計可達到99.999%。核心網和傳輸網通過 UPF下沉和MEC技術，縮短業務傳輸路徑，從而降低業務時延；對于計算能力需求相對較少的現場業務，可以部署在與基站完全融合的MEC中，進一步降低時延。

b）低抖動。5G與時延敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）相結合，在5G終端和網絡側部署TSN轉換器，將5G系統（包括終端、無線、核心網整體）作為TSN網絡的一個透明網橋，由CUC/CNC決策，采用精準授時、流量調度、QoS映射等技術，實現工業業務端到端的確定性服務。進一步地，5G-TSN網絡中增加了TSCTSF網元功能，并引入生存時間，不依賴外部TSN網絡，在5G內部獨立實現更加精確的確定性數據轉發。從而滿足對時延抖動敏感的工業控制類業務，如電力行業差動保護、PLC控制等。圖3所示為3GPP在不同版本引入5G-TSN的主要性能。

圖3 3GPP在不同版本引入5G-TSN的

主要性能

c）優先級保障。5G根據業務需求，通過網絡切片實現不同的SLA，并支持多種共享類型進行靈活組網，為高優先級業務提供隔離和QoS保障。此外，通過切片能力開放，應用可以獲取UE的狀態信息，設置UE切片策略?；贒PI的靈活QoS策略、定制化的網絡功能參數、個性化的切片和流量路徑管理等技術，使網絡能夠更加精細、智能地滿足垂直行業應用要求（見圖4）。

圖4 多樣化切片設計

2.2 時空確定性

5G能夠提供時間和空間上的確定性，滿足工業網絡和業務的高精度授時和定位服務需求。

在時間上，5G網絡支持對終端的高精度授時能力；與TSN結合支持多種時鐘協議和靈活的時間同步機制，并大幅增強了時鐘源的可靠性；支持多個時鐘源，當時鐘源出現故障時，可將NW-TT/DS-TT等作為新的時鐘源，維持TSN網絡的高精度時鐘同步，從而使得5G-TSN網絡中的時間同步精度可達到300 ns；并可以通過能力開放供外部的生產網絡調用（3GPP不同版本的特性參見圖3）。

在空間上，5G網絡支持高精度定位與識別，通過Massive MIMO多波束、高精度同步和更低的網絡時延提升了基于時間測量的精度，能夠滿足如表1所示的性能。借助5G高精度定位，5G-A智能工廠可實現對工廠內的人、車、物、料等的精確定位、無縫追蹤、智能調配與高效協同，大幅提升工廠的精益生產及精細化管理水平。

表1 5G R17版本商用場景下的定位指標要求

隨著Massive MIMO、毫米波、超密集網絡等技術的標準化或商用，5G-A網絡還將具有提供高精度感知服務的潛力，如測速、測距、物體識別等。此外，通過無線感知與攝像頭感知等多種感知方式的協作，5G-A將進一步提升整個工業互聯網的感知能力，支持更多的應用場景。

2.3 可靠確定性

作為生產現場網的核心業務，工業控制、遠程操控等對數據的傳輸可靠性要求非常高。為此，5G網絡首先通過高可靠的傳輸協議設計提升5G自身的數據傳輸成功率，其次提升5G網絡設備的運行穩定性，保證5G工業互聯網數據準確收發的可靠性。

a）高可靠傳輸協議設計。提高傳輸可靠性的一個簡單原理就是利用重復傳輸獲得增益。在鏈路層，5G在業務信道上重復發送以提升數據傳輸的可靠性，并且允許跨時隙重復，在提升可靠性的同時降低時延；采用低碼率的調制編碼方式進一步降低空口傳輸誤碼率。在分組數據匯聚層，采用冗余傳輸機制，可通過載波聚合和雙連接2種模式實現，降低空口數據丟包率，保證數據實時完整。在用戶面，通過雙發選收冗余機制，面向1個業務建立2個PDU會話，通過獨立的通路上承載后進行數據合并，減少因傳輸網絡、核心網處理等環節的數據丟包導致的業務受損，提升端到端數據傳輸的可靠性。5G自身的高可靠傳輸協議有效地提升了無線工業互聯網的數據包傳輸成功率。

b）設備運行穩定性增強。5G工業現場網設備采用1+1、1+N等主備設計，如在5G基站設備中對電源模塊、主控模塊、基帶處理模塊進行熱備份部署，當某模塊出現故障時，支持在線業務的快速熱備倒換，保障網絡的正常運行。當采用通用服務器部署時，相同功能的虛機或容器可按照互斥原則部署在不同的服務器上以保證設備的高可靠性；并可以在設備內部采用無狀態化設計，解耦設備運行的配置與業務數據，以減少設備故障對業務的影響，進一步提升5G工業現場網設備運行的穩定性。

2.4 業務確定性

5G網絡引入智能化的手段，基于對業務特征的識別和感知，對網絡資源進行準確評估、動態規劃、快速部署、全生命周期監控和優化等一系列閉環管理，對關鍵業務做到感知的全程全網的保障，向用戶提供差異化的確定性服務。此外結合高效的標準化運營維護SLA體系，可有效支撐5G網絡向各行業持續延伸。

a）增強業務感知和調度能力。目前5G主要通過切片和QoS體系進行業務感知和保障，但是切片尚未廣泛使用，QoS類別有限，無法滿足業務差異化的確定性需求，因此需要對網絡進行增強。首先，構建網絡與應用/終端之間的雙向感知機制，網絡基于應用上報的關鍵信息，具備更加精細的感知能力。其次，網絡通過理解應用數據的發送特征，進行業務的智能調度與編排，從而實現業務的確定性保障（見圖5）。

圖5 業務確定性保障體系

b）增強確定性度量和反饋能力。當前5G網絡的KPI度量體系統計周期長、粒度粗，難以滿足工業應用精細化度量的需求。為實現SLA精確可視和及時定位問題，需要改進數據采集和統計系統，實現時延、帶寬、抖動等指標的精細度量和全量上報，并且能按照業務需求實現不同粒度的監控可視。同時，業務可以根據網絡KPI的確定性度量結果進行適配，達到最優體驗。

c）引入AI等新技術。針對業務確定性保障帶來的海量數據，引入AI技術進行高效快速處理，實現確定性業務的實時分析與決策，更好地滿足工業確定性需求。

2.5 安全確定性

5G-A網絡賦能工業互聯網安全體系主要體現在以下2個層面。

首先，5G網絡的基礎安全能力可大大增強工業互聯網的安全保障。針對終端，5G網絡定義了多重終端接入認證方式，從基礎的網絡級主認證到細化的切片級認證，以及進一步的數據網絡認證。根據業務安全級別要求，可以靈活配置不同級別的認證策略或策略組合?？湛趥?，5G網絡空口采用加密身份標識，提供增強的用戶隱私保護，解決了4G網絡中用戶標識在空口泄露的問題；5G網絡無線接口增加了用戶數據的完整性保護，支持更高級的密碼算法，提供了完善的機密性和完整性保護方案，防止用戶數據被篡改。

其次，5G網絡通過網絡、管理及安全的增強，實現了垂直行業的IT網絡與OT網絡的融合，為5G工業互聯網中的不同應用提供SLA級的安全保障水平。企業部署5G行業專網，通過5G LAN技術將企業自身的網絡體系與5G網絡融合，可對企業終端地址進行統一管理和規劃，5G LAN的虛擬組實現行業網與運營商網絡間按需有效的隔離，構建面向企業的統一網管和監控體系，企業專網接入的所有數據通過防火墻過濾，確保敏感數據不出園區。另一方面，5G工業互聯網實現了基于5G技術的OT+IT+CT的扁平化網絡架構，解決了傳統工業互聯網連接與組網配置的物理綁定約束問題，提高了企業現場網絡快速部署的靈活性，實現了數據驅動下的柔性制造。通過5G-A網絡切片技術為企業用戶提供確定性且定制化的網絡互聯通道，在全域扁平化架構中實現了OT域不同業務間的邏輯隔離，針對不同的OT業務安全需求提供不同等級的安全保障。

2.6 系統確定性

穩定運行的工業現場網絡是企業穩定生產、提升利潤的基礎。在工業生產現場應用中，需要及時可靠地獲取工業裝備的控制信息和生產運行狀態信息，因此，需要保證無線網絡長時間連續的高可用性，例如無人化設計的智能制造工廠通常要求現場網絡至少保障7×24 h不間斷穩態運行。5G通過系統高可用保障機制，提升整個通信系統的穩定性；通過增強網絡邊緣和局域網，保障5G工業互聯網本地系統穩定運行。

a）系統高可用保障。故障是影響網絡穩定運行最主要的因素，降低故障的有效方式是冗余和備份。5G-A工業現場網可支持網元級的負荷分擔、主備等容災機制，如5G基站的BBU熱備、RRU的互助、傳輸鏈路的匯聚等，支持在線業務的熱備倒換，還可通過異地容災進一步提升系統級可靠性。

b）邊緣確定性增強。5G網絡通過下沉UPF或部署MEC，將無線網絡和中心云網有效地融合在一起，在邊緣側提供云計算能力和無線網絡能力。應用服務和內容部署在本地邊緣，可以減少數據傳輸環節，降低業務對回傳網絡的依賴，提高終端訪問園區業務的可靠性。此外，針對工業生產不中斷的業務性能要求，UPF集成AMF、SMF和UDM的極簡功能，并備份專網用戶相關的網絡功能及數據，當核心網回傳鏈路發生故障時，專網用戶通過UPF上的備份網絡功能實現已有業務的慣性運行和新用戶的接入。同時，在園區內的UPF也可以采用1+1主備方式部署，進一步提升網絡可用性。借助運營商高可用網絡的部署維護經驗與團隊，可簡化MEC維護管理，大幅提升智能工廠系統的穩定性與可靠性，同時降低智能工廠的部署和運維成本（見圖6）。

圖6 邊緣可靠性增強

c）局域網確定性增強?，F有工業互聯網生產區域監控、自動化控制以及遠程操作等業務場景中，大量使用了有線LAN和Wi-Fi技術。但是，有線LAN技術的移動性受限，無法滿足柔性生產、活動機器人等應用場景；而Wi-Fi技術的 QoS保障能力差、安全性差，其穩定性在很多情況下無法滿足工業互聯網的應用需求。為此，引入5G LAN技術，在5G網絡上構建局域網（LAN），為特定的終端組提供IP類型（三層）或者以太網類型（二層）的通信服務，支持點到點以及點到多點（廣播，組播）的通信功能；并可以通過組管理服務，第三方應用可以靈活構建不同的虛擬網絡（VN）。通過5G LAN技術，移動終端如手持終端、CPE、攝像頭、傳感器等都能便捷地接入5G網絡并在其中組建無線局域網，快速進行協同操作，獲得和Wi-Fi相同的便捷使用體驗，以及更好的移動性和QoS保障。5G LAN特性應用到局域網可讓工業設備擺脫線纜的束縛，提升無線工業互聯網絡的穩定性（見圖7）。

圖7 5G-LAN的標準化引入

0 3

5G-A確定性技術智能工廠應用試點

2022年，中國聯通在某工廠開展了“5G全連接工廠”建設，在生產運營監測、產品檢測、倉儲物流等應用上加深合作，打造低碳、安全的智慧工廠，全面建設了生產車間的設備、生產資料、環境等數據采集系統，已完成12個5G+生產運營場景的商用落地，包括產品自動質量檢測、無人AVG物流、遠程遙控、設備定位及無人監測等多個關鍵生產工序。并且通過部署內置MEC能力的5G基站，實現工業現場業務的本地分流、超低時延數據轉發和AI服務，從而為時延敏感類業務（如焊接質檢、工藝參數分析等）提供確定性的通信服務。圖8所示是某工廠5G專網邏輯組網圖。

圖8 某工廠5G工業專網邏輯組網

3.1 5G-A 低時延應用降低生產能耗

搪瓷燒結是某工廠能耗最大的生產環節之一。如圖9所示，通過5G網絡連接搪瓷燒結爐，數據采集和控制算法部署在邊緣MEC上，根據對搪瓷燒結工藝過程和設備特性的分析，基于產量變化對爐溫進行遠程實時控制以降低能耗，實現了爐溫和爐體開啟狀態的快速反饋和實時遠程控制，改善了設備管理模式，提升了搪瓷燒結過程中的能耗效率。根據評估，每年可以實現能耗節約12%以上，年度成本節約300萬元以上，減碳約3 656 t。

圖9 搪瓷線節能案例

3.2 5G-A大帶寬+算力內置+AI應用提升制造直通率

傳統生產工藝采用人工水檢，效率低，出錯概率大。如圖10所示，在5G智能化改造后，通過高頻數據采集（20 Hz），對焊接電流、電壓、保護氣用量等數據進行實時監控，通過基站內置的MEC和AI算法，在本地實現對焊縫質量的自動判斷及預警，大幅提升了焊接環節的直通率，極大提高了生產效率。

圖10 智能工藝檢測案例

3.3 5G-A確定性應用使能協同作業

在傳統生產車間，AGV按照設計位置停車后機械臂將物料放到AGV上；AGV在物料放置完畢后再次啟動將物料送往下道工序。如圖11所示，在5G智能化改造后，采用uRLLC+TSN+算網業一體化基站進一步降低無線傳輸時延和抖動，并采用雙發選收機制提升數據傳輸的可靠性，從而保障AGV的精確定位信息和機械臂的控制信息的實時可靠傳輸，使得AGV可以在不停車的情況下裝載完成，并開往下一道工序，大幅縮短工序間的停頓時間，提高生產效率。

圖11 AGV+機械臂協同控制案例

在已經部署5G智慧應用的3個生產車間中，5G確定性服務大幅提升了現場網絡的可靠性和便捷性，為該工廠創造了可觀的價值：管理效率提升20%，生產成本降低近4 000萬元，產品投訴率降低60%以上。該項目已經成為該工廠5G智慧工廠的示范標桿。

0 4

5G-A工業聯網確定性技術展望

5G為工業現場網業務定義了KPI指標體系，并通過uRLLC+TSN、感知增強、5G LAN、UPF下沉、MEC等技術提升網絡能力，增強對現場網通信確定性和可用性的保障能力。隨著3GPP 5G-Advanced標準化工作的開展，5G-A確定性技術在支持工業互聯網領域，將有更加廣闊的發展空間。

a）更加精細化的故障處理優先級。面向行業用戶建立統一的故障處理等級體系，針對不同級別的事件采用不同的響應時間和處理時間標準，保障高優先級業務故障及時處理?？砂凑展收嫌绊懞途o急程度分為：特別重大事故（Critical）、重大事故（High）、較大事故（Medium）、一般故障（Low）（見圖12）。

圖12 故障事件的優先級

b）低功耗高精度定位與測距。工業設備需要頻繁地獲取實時位置信息進行高精度定位和測距，5G-A技術能夠提供高精度的位置、相對速度、角速度等全部動態信息，這將為設備間高精度協同、復雜工藝加工等智能生產流程提供有力的支持；但另一方面，頻繁的高精度定位與測距將消耗更多的電量，而由于工業場景的特殊性，工業終端無法頻繁地更換電池，因此，低功耗的高精度定位與測距在5G全連接工廠中至關重要。

c）多模態感知通信服務。目前，行業專網中應用了觸覺、視頻、音頻、傳感器等多種感知設備，以獲取豐富的生產信息；5G-A將具備高精度定位與測距、無線感知的能力。因此，未來5G-A感知與上述感知模式融合，并結合5G-A的確定性時延、超高可靠和安全等網絡確定性能力，支持多模態的感知通信服務，獲知更加豐富和確定的環境、設備與產品等生產信息，可應用于遠程設備操控、設備協同作業、柔性生產制造、現場輔助裝配、質檢與設備故障診斷、廠區智能物流、無人智能巡檢等多個領域。

d）更有保障的端到端確定性。借助更直接的數據傳送機制、更高的頻譜，更小的子載波間隔，進一步降低系統端到端傳輸時延；增強TSN支持超低時延的能力，如支持無線側向業務網絡反饋調度時間的機制，業務側可基于該信息調整發包時機；更穩定的授時同步和多鏈路傳輸機制進一步提升數據傳輸可靠性，能夠為更復雜的協同控制提供有效的數據通路；通過更加精細化的切片運營和SLA能力開放，以及對uRLLC的持續增強，實現對業務確定性更加精細化的保障。

e）更廣泛的端到端確定性。支持5G-TSN與DetNet的互通，提升三層網絡的確定性能力，擴展5G工業互聯網的確定性范圍。增強5G LAN 特性，支持多SMF/多UPF管理VN Group，5G LAN的使用范圍和VN組間的互通能力將得到進一步擴展，實現更廣域的5G局域網組網，提升工業互聯網中多域互通的確定性，為更大規模普及5G在工業互聯網中的應用提供更大的支撐。