5G5G-A确定性技术体系赋能工业互联网.docx

摘?要

5G网络的超低时延、超低抖动和超高可靠的确定性传输机制，及其无需布线、灵活部署和移动性等优势，在以智能工厂为代表的行业应用中有着广泛应用前景，工业领域项目成熟度不断提升，但是在生产核心环节的应用尚面临简化组网、可靠通信、安全隔离和服务增强等挑战。分析了5G网络应用现场网的技术挑战，从时延确定性、时空确定性、可靠确定性、业务确定性、安全确定性和系统确定性等6个方面全面阐述了5G工业互联网确定性保障体系，并介绍了其在某智能工厂中的初步实践成果。

引?言???

5G技术具有高可靠、低时延、大连接等突出特性，可以解决工业场景中移动性差、组网不灵活、特殊环境敷设困难等问题。5G网络突破了原有工业无线技术在可靠性、连接密度、传输能力以及安全性等方面的局限，能够有效满足大规模数据采集、泛在连接、实时分析和远程控制等工业生产制造环节的关键网络能力需求，满足了部分制造环节中的操作空间集中化、操作岗位机器化、运维辅助远程化等数字化管理要求，解决了现阶段工业制造领域的部分痛点［1］。因此，通信运营商、生产企业和装备制造企业都非常重视“5G+工业互联网”，并且开展了深度试点［2-6］。从中国5G应用征集大赛2018年—2022年的参赛项目统计可以看出（见图1），工业领域项目成熟度不断提升，2022年实现应用示范、商业落地（含可复制）的项目比例提升至近90%；且已有超过10%的项目实现“解决方案可复制”，并在不同企业成功落地。但是在生产核心——现场网领域，运营商通信网络尚处于应用探索阶段。因此，本文将首先分析5G工业互联网应用的挑战。其次，从时延、时空、可靠、业务、安全和系统6个方面阐述5G-A工业互联网的确定性能力体系及其对工业现场网的赋能；并介绍了5G-A确定性工业互联网在实际工厂现场网中的应用。最后对5G-A工业联网确定性技术进行了展望。

?图12018年—2022年“绽放杯”大赛中工业

领域项目统计

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5G工业互联网应用挑战

2022年9月，工业和信息化部提出了5G全连接工厂［7］：充分利用以5G为代表的新一代信息技术，基于工业互联网新型基础设施，新建或改造产线、车间、工厂等生产现场，形成生产单元广泛连接、IT/OT深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。产线级聚焦在设备连接、数据采集和5G应用到生产控制环节等方面的能力建设；车间级聚焦在多产线、多系统之间协同生产，数据打通与系统集成水平提升等能力建设；工厂级聚焦在跨车间、跨层级互联互通，生产、运营、管理等能力的全面提升。

众多制造企业也提出要加快利用5G改造工业内网，推动“5G+工业互联网”服务于生产核心环节。

但是，目前5G在工业制造中的应用多集中在“辅助生产”环节，仅有小部分项目开始承载核心生产系统。一方面是因为工业无线化的诉求驱动，需要考虑行业发展的自然规律是逐步替代而非一蹴而就；另一方面，在一些关键场景，5G需要更好地满足简化组网、可靠通信、安全隔离、服务增强等业务需求，才能加速深入生产环节，成为工厂最主要的基础设施。

a）简化组网。当前工厂车间生产网和产线工控网的5G组网，主要是2层、3层通信需求，需要部署和设置隧道类设备，不仅增加了成本和部署难度，也不满足柔性生产需求。因此，需要更加简单的组网方案以适应市场需求。

b）可靠通信。确定可靠是工业业务最核心的要求，尤其对于控制类业务。主要考虑2个方面：稳定时延的可靠性能否满足业务要求，如PLC控制类业务要求10ms以内的时延和99.9999%的可靠性；最大时延是否满足生产节拍要求，出现大时延波动可能会导致业务逻辑错误，导致后工序甚至整条产线的停产。如何在保证频谱效率的同时提供一个满足更高业务需求的可靠通信网络，是对现有5G网络能力的新挑战。

c）安全隔离。相比传统工业专用网络，5G网络带来的网络化协同、个性化定制等对网络的安全隔离能力和安全服务保障提出了更高的要求；5G网络中的大量新IT技术将传输链路上的软、硬件安全威胁也带入了工业互联网；5G核心网UPF下沉造成网络边界模糊。这一系列安全隔离问题亟需解决。

d）服务增强。现有5G在工业场景中的应用未能完全满足业务需求，如高精度定位、确定性传输、专网运维等方面。其中，定位方面需要基于部署的基站，提供亚米级的定位能力；确定性传输方面缺乏端到端的确定性保障体系；5G专网运维方面需要提供便利简洁的运维服务。

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5G-A工业互联网确定性能力

工业现场环境复杂，接入设备多样化，业务要求差异化，这就需要网络能够对各类业务提供确定性的质量保障。5G/5G-Advanced自R15版本针对工业互联网业务的确定性需求，逐步引入了高精度定位、ULRRC、TSN、5G-LAN等技术，增强5G对工业业务的支持，并在后续版本中持续演进。