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基于5G确定化网络的行业应用研究【澳门新葡亰app】,工业互联网如何赋能产业创新

作者: 服装鞋帽  发布:2020-01-02

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

问:5G+工业互联网如何赋能产业创新?

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5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

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从互联网到工业互联网,网络技术会发生很多变化。特别是深入到工业现场的“最后一公里”,被认为是工业互联网的难点所在。

澳门新葡亰app ,5G赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,开启一个全连接的新时代。与此同时,千行百业多种多样的业务需求场景,也为5G个性化的网络定制能力带来巨大挑战,5G确定化网络应运而生,并成为近年来业界关注与发展的焦点之一[1-2]。5G确定化网络指在一个网络域内,借助移动边缘计算、网络切片和时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)等多种关键技术,可以为承载业务提供确定化业务保障能力的网络,该确定化业务保障能力涵盖时延、时延抖动和丢包率等关键QoS指标体系[1]。

01 工业互联网及其体系架构

很高兴回答这个问题,众所周知今年被外界公认为“5G元年”,随着5G商用时代的到来,民众对5G可能给未来生活带来的改变也是充满期待。可能普通人短时间内还不太容易立刻感受到5G给日常生活带来的改变。但是在工业领域,5G已经开始明显地改造“中国制造”。

在2018年汉诺威工业博览会上,工业互联网产业联盟(ALL)、边缘计算产业联盟(ECC)、FraunhoferFOKUS、华为、施耐德电气、和利时、美国国家仪器(NI)、贝加莱(BR)、TTTech、思博伦通信(Spirent Communications)等超过20家国际组织和业界知名厂商,联合发布包含六大工业互联场景的TSN+OPC UA智能制造测试床,为打通“最后一公里”奠定基础。

本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手,分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求,并重点提出了确定化网络实现架构和关键技术,并通过部分典型案例加以呈现。

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

如今中国已经拥有全球最大的工业体系,但不得不承认的是,在发展质量和竞争能力上,我们与美德等发达国家还存在一定差距。而5G时代的到来,给了中国工业加速赶超的机会。

时延敏感性网络是最后一公里重要技术

1 5G特点与能力

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

5G的独特性能让工业互联网催生了新动能,解决了过去4G、光纤通信在工业制造现场不能解决的问题,让工业制造数字孪生成为可能。例如,5G的超低时延,让工业体系里的高精度远程控制、自动驾驶和机器人协同成为可能;5G的超高带宽,催生出视频安防、视觉智能和在线质检等新功能;5G的超大容量,又带动了智能物流、移动巡检的发展;而5G的边缘计算,则让工业系统里如同科幻版的增强现实/虚拟现实、预测式维护变成现实。

从网络角度看,工业互联网目前可以分为工厂内网和外网,为了满足低时延、高可靠的网络要求,目前全球都在研究时间敏感性网络和确定性网络。

5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统,在传输速率和资源利用率等方面较4G系统获得大幅提升。用户在享受更高、更快、更丰富的体验的同时,也对网络速率和时延等性能指标提出更高的要求[3]。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

未来5G的场景应用要注重在第二产业,积极推进5G网络在工业互联网的场景应用。因为制造业对于一个国家有着极其重要的意义,制造业要是落后了,将会在未来的国际竞争中处于劣势。工业互联网作为基础设施,它的需求是低时延、高可靠、广覆盖。

由于智能制造对于柔性生产提出了更高要求,以及跨平台、跨行业的应用需求越来越多,大型实时工业通信网络为运营者带来了严峻的挑战。据介绍,此次发布的测试床基于OPC UA标准,确保了在一个系统中,来自不同厂家的多种设备可以方便地进行协作;而TSN(时间敏感网络)测试床融合了SDN(软件定义网络)技术,实现了根据精确时间进行优先级排序,把实时和非实时数据进行统一传输,真正实现了机器、人、物联接的“一网到底”,打通工业互联网“最后一公里”。

5G网络的增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量连接,构建了5G与垂直行业实现万物互联全连接愿景的特性,如表1所示。一方面,5G技术凭借虚拟化架构的引入,实现转发面与控制面的彻底分离,通过网络切片和边缘计算技术使得面向行业的可定制化网络构建成为可能,实现业务的快速上线和更极致的用户体验,使能垂直行业应用的开放和发展;另一方面,相对于4G“尽力而为”的网络特性,5G大带宽(0~10 Gb/s)、低时延(1~100 ms)和高可靠性(0~99.999 9%)等能力,为网络性能配置提供了灵活的配置空间,从而满足车联网、工业互联网和智能电网等行业网络的不同需求[4]。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

所以从网络的角度看,网络和5G技术要分开,将来很多垂直行业的工厂可以建立自己的5G网络。

在测试床中,华为TSN(时间敏感网络)交换机提供了高可靠性和超低时延的工业控制网络。测试床通过模拟丰富的真实智能制造场景,现场演示验证智能制造的关键技术点——TSN+OPC UA,该技术是预测性维护、数据分析、机器学习和人工智能等新技术的关键推动因素,可以帮助工业企业提升效率,例如减少停机时间、提高设备综合效率和降低总体成本等。

随着移动通信网络的快速研究与发展,不同行业用户对网络确定化需求日益高涨,特别是在智能电网和工业互联网等面向于低时延和高可靠性的垂直应用领域,对网络提出了更加严格的时延、抖动、丢包率和可靠性等承载需求,这种随网络指标的严格要求促使5G确定化网络应运而生,并成为业界关注的重点。

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

谢谢邀请。

在本次发布的智能制造测试床中,华为与多家厂商共同打造了六大工业互联场景,包括与AII打造的电机预测性维护网络(TSN for Predictive Maintenance),与美国国家仪器打造的“马达同步”,与和利时打造的“赛车游戏”,与Linmot打造的“绘图运动控制”,与施耐德电气打造的“LED同步”,以及与贝加莱打造的“OPCUA Over TSN”等场景,验证了TSN网络在复杂环境情况下的高确定性和低时延性,保障工业场景下的严格同步运动控制。此外,思博伦通信的测试设备用于生成TSN和非TSN流量,以验证新的工业网络架构和服务带来的好处。

目前,电子电气工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)和互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)已提出确定性网络技术。IEEE 802.1工作组(Work Group,WG)致力于时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)的标准化,时间敏感网络是当前实现确定性网络的技术方向,通过IEEE 802.1AS时钟同步、IEEE 802.1Qcc流预留、IEEE 802.1Qch循环排队等技术保障物理层和链路层的确定性时延;IETF的DetNet(Deterministic Network)工作组专注于网络层(L3)及更高层次的广域确定性网络技术。此外,5G标准化工作组已将目标定为总时延1 ms或更低,应用层的开放通信平台OPC UA(Object linking and embedding for Process Control Unified Architecture)也在积极寻求与TSN的结合,确定性网络的发展充满了机遇与挑战,是未来真正实现5G产业繁荣的基础,也是5G使能千行百业的重要抓手[2]。

两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

华为欧洲解决方案产品管理及营销总监罗济军博士认为,未来工业领域将有数以百亿计的设备连接上网,传统工业以太网无法承受巨大的数据传输量,需要一种新的架构来满足高带宽、高速率和海量连接等方面诉求。未来华为将与业界更多的组织和厂商合作共建工业互联网生态,推进TSN技术和标准的不断完善,真正实现TSN网络下的“全网通”,推动制造行业数字化转型。

2 典型应用场景

三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

时延敏感网络或替代MES系统

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一,不仅在学术领域有广阔的研究空间,而且在产业化方面也有巨大的市场前景,因此,研究其在特定场景下具体需求对确定化网络的发展落地具有重要意义。本节将主要分析确定化网络的4个典型应用场景,并介绍每个场景下对网络能力的具体需求。

四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

01 工业互联网及其体系架构

随着工业互联网的兴起,传统的工业网络技术和架构会发生巨大的变化。中国工程院院士邬贺铨表示,由于TSN能实现IT跟OT(运营技术)的融合,淡化了现场层、控制层、管理层的层级划分,将来有可能使MES(制造执行系统)取消。

2.1智能电网

澳门新葡亰app 45G将成为未来工厂的中枢神经,为工业生产带来颠覆性的变化。

8455新澳门路线网址 ,工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

欧洲最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫协会-开放通讯系统研究所(Fraunhofer FOKUS)的Alexander Willner博士表示,自从可编程逻辑控制器(PLCs)问世以来,工业自动化流程得到了极大优化。OT与IT之间的融合令人兴奋,将带来有趣的创新体验。OPC UA和TSN的结合,让工业领域得以实现实时信息交换和互操作。

智能电网是智慧能源的基本保障,是推动我国经济社会协调、可持续发展进程的重要物质基础。基于现有电网业务作“从主干向末端延伸”式的5G应用,如配网差动保护、毫秒级精准负荷控制对通信的可靠性、低时延、大带宽、安全防护有着迫切需求,5G技术为这些业务的推广应用提供了基础。智能电网中具有潜在需求和典型代表意义的应用场景对5G网络性能指标的要求如表2~表4所示。

02 5G由浅入深赋能工业互联网

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

工业互联网需要面向工业现场的生产问题进行优化,还要面向企业运营的管理决策优化、面向社会生产资源配置优化、面向全生命周期管理优化。所以工业互联网必将与互联网有很多不同。现在工厂中采用得比较多的是工业以太网技术,网络速率已经提高到100Mbps——1Gbps,并要向10G提速,但其进一步发展受制约于标准太多,目前有西门子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、罗克韦尔的Ehternet/IP,还有EtherCAT、POWEDLINK、CC-Link等,这些标准是对以太网协议进行改进而来,但互相不兼容。“此外,工业以太网的实时性不行,没有很好的服务质量保证(QoS)。”邬贺铨说,“TSN网络通过改进链路层的协议,引入了QoS的优先权来保证服务质量,并且跨越了工厂和企业,实现了OT与IT的融合,而且TSN在实时通信上能力更强。”

2.2 工业互联网

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

在工业互联网中,如果是非实时通信,以太网技术的时间周期是100毫秒,应用不存在问题。但在实时通信中,最典型的就是运动控制方面,工业以太网的通信周期在1毫秒,而TSN的通信周期是微秒级的,同步进度是纳秒级。因此工业互联网最后一公里会逐渐从工业以太网向TSN网络过渡。

工业互联网通过智能机器间的连接并最终将人机连接,结合软件和大数据分析,重构全球工业、激发生产力。工业互联网涉及机械、船舶、飞机制造、电力等较多的工业领域,应用广泛。如飞机制造领域,通过5G+8K视频检测生产安装缺陷,使用5G+AR辅助飞机装配,有效提高飞机生产研制效率,该场景对5G网络时延、带宽和安全性等性能指标都提出了较为严格的要求。

工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此,工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会(ZVEI)基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

在TSN的应用上,邬贺铨表示,TSN首先瞄准工业应用,通过TSN避免专用的实时通信协议和网关瓶颈,机器人可以通过TSN实现全球同步,控制数据网能够实现网络综合,这是TSN的主要应用,此外在车联网中的汽车控制系统、网络安全、5G等领域都有较大用武之地。

工业互联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表5所示。

澳门新葡亰app 51. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

2.3 智慧医疗

工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络,占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响,很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比,存在协议众多,标准缺失,难以互联互通等弊端。

借助5G网络的毫秒级别的低时延、Gb/s级别的高速率,并充分利用5G 移动通信网络提供的移动边缘计算能力,可以为医疗行业提供低时延、高可靠的边缘云技术服务,实现个性化的便利智慧医疗。

传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

目前,医疗行业的相关业务比较全面地覆盖了5G的三大应用场景。例如,增强型移动宽带场景应用主要有5G急救车,通过广域连续覆盖的5G网络实现现场高清视频、病患体征及病情等关键生命信息的实时回传,辅助后台指挥中心的指挥调度;同时,通过可穿戴设备对病患及高危人群的体征数据进行全天候不间断的检测与分析,建立用户的体征档案,实现对所患疾病的早发现、早治疗。低时延、高可靠场景主要应用有院内无线监护、远程监测及远程手术等对低时延有较高要求的场景。针对当前存在的院内医疗设备种类多、管理监控不便、设备间数据难以共享等问题,海量机器连接场景则可以提供统一接入方式,实现院内医疗设备统一管理与数据互联。

5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性,令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%,但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年,工业通信连接中无线连接占比将达58%,其中5G将发挥重要作用。

智慧医疗场景中的远程诊断、远程示教等高价值应用业务对5G网络服务能力的要求如表6所示。

工业企业的OT(Operation Technology)和IT(Information Technology)系统采取分级架构。其中OT系统从下往上包括Level 0级外部仪器、传感器、执行器等;Level 1级控制系统PLC,DCS等;Level 2级监督控制和数据采集SCADA。IT系统从下往上包括Level 3级生产管理系统MES、PMS;Level 4级商业和物流系统管理ERP、MRP、CRM等;Level 5级云计算、数据分析和AI等。5G的无线接入技术和网络技术对OT和IT系统的支撑,将从架构底层向上层逐步延伸。

2.4 车联网

另外,现有的OT和IT系统分层架构,数据难以跨层交互,存在明显弊端。未来5G网络技术,尤其是网络切片、边缘计算、TSN等的使用,将加速工业企业OT和IT系统深度融合,从传统的分级架构过渡到基于微服务的新型网状交互架构。

车联网是5G重要应用场景之一,也是解决目前自动驾驶面临技术瓶颈的重要技术手段之一。5G车联网的自动驾驶业务对网络时延、可靠性以及速率要求非常高,根据车辆自动化不同等级,网络指标也不尽相同,全自动化(L5级)场景中,5G网络传输时延需要达到1 ms,传输速率需要达到0.1 Gb/s[4]。

澳门新葡亰app 62. 从辅助功能向生产过程控制逐步延伸

车联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表7所示。

当前进行的5G工业应用,大多聚焦在辅助功能上,比如基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等。

3 网络实现架构与关键技术

远程监控:例如钢铁生产工厂,生产环境复杂,移动设备多,数据回传设备线路铺设难度大、成本高。另一方面,生产设备监控系统需要根据生产任务,配合产线频繁地进行调整,因此采用有线组网的方式极为复杂,且工期长。可以将生产视频监控数据和设备运行状态数据通过5G网络进行回传。

5G确定化网络基于原生云超分布式架构,包括三大关键使能技术:超性能异构MEC、动态智能网络切片和时间敏感网络技术。超性能异构MEC是5G确定化网络的基础,业务在边缘闭环支持更低时延;动态智能网络切片则是5G确定化网络的核心能力,保证确定化网络体验;时间敏感网络旨在为以太网协议构建“通用”的时间敏感机制,确保网络数据传输的时间确定化。

澳门新葡亰app 7AR装配辅助:例如飞机制造工厂,装配工艺复杂,工人需要经过严格培训认证。而AR眼镜及其后台技术,可实现基于空间定位和物体识别的数模全息显示,应用在飞机装配的辅助装配、线缆端接、支架拆装、虚拟测试等各个环节。如可以做到自动识别线缆,然后直观地在连接器上指示这根线缆对应的孔位,工人根据指示直接插入即可。利用该解决方案,原来需要同时工作的3个工人将会缩减为1个,装配时间大幅缩短,而装配准确性也会进一步提高,同时整个装配过程会通过视频自动记录在云端,方便后续查验。

3.1实现架构

澳门新葡亰app 8AR运维和巡检辅助:例如电站运维远程协作和水利项目巡检,在传统的售后模式下,存在检测数据信息相对孤立,对问题判断准确率及解决问题效率不高等问题。借助AR远程协助系统,可由经验丰富的技术专家,协助一线运维人员进行“面对面”的远程指导服务。不仅可以帮助工作人员进行设备巡检、故障排查和维修,减少专业人员昂贵差旅费用,还可以节省时间,大幅提升工作效率。同时,还可以对测试输出结果进行主动判别,并逐步扩展到智能专家系统。

5G确定化网络是一个端到端的概念,涉及无线网络的基站、传输和核心网等多个组成部分。其中,核心网对于5G确定化能力至关重要,5G核心网控制面可以集中部署,对转发资源进行全局调度;用户面则可按需集中或分布式灵活部署,当用户面下沉靠近网络边缘部署时,可实现本地流量分流,支持端到端的毫秒级时延。

澳门新葡亰app 9未来,随着5G网络部署的完善,将从辅助功能向生产过程控制逐步延伸。

图1给出了5G确定化网络逻辑架构示意图,其中最底层展示了5G服务化架构,核心网、接入网、传输网构成网络能力生成层;业务需求层主要负责接收各垂直行业的业务需求,客户统一订购签约界面;能力匹配层主要根据客户的需求,借助网络切片、移动边缘计算、时间敏感网络等5G关键技术,形成5G网络的确定化服务能力;能力提取与编排层根据“确定化服务能力”指标要求,将提取到的能力借助能力编排器进行封装与编排,最终满足行业客户对确定化网络能力的需求。

3. 从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸

3.2 关键技术

典型的工业应用场景契合了5G三大场景(eMBB、mMTC、uRLLC),5G其他性能如移动性、QoS、安全性等也促进了5G在工业应用场景中的应用。

3.2.1 边缘计算

大带宽:5G将支持下行速率达20Gb/s和上行速率达10Gb/s;广连接:每平方公里100万连接;低时延可靠性:可以实现0.5~1ms的时延以及超过99.999%的可靠性;移动性:对于AGV、机器人等在内的移动设备和非固定式产线,5G提供了极强的灵活性;QoS:5G提供了灵活的QoS框架支持在同一网络内的数据流通;安全性:5G具备较高的端到端安全性,支持终端和网络之间的互相认证。

在5G确定化网络中,边缘计算非常重要。MEC边缘计算节点有两个核心任务:(1)把网络端到端的时延最大化地降低到可接受的范围。时延是所有网络能力中最关键的一点,确定化网络首先要能够保证低时延。MEC使时延能够降低到足够低,使整个网络的联接可以快速在边缘实现。(2)实现确定化的网络,需要在MEC边缘节点上通过移动边缘计算业务平台(ME Platform manager,MEP),使能各系统之间的互联互通合作,所有应用可以在边缘实施,确保确定化时延和可靠性[3]。

基于eMBB和移动性场景包括基于视觉的照相检测、AGV、云化机器人等。基于mMTC场景包括海量连接和室内定位等。基于uRLLC场景包括工业机械远程控制、柔性机械臂等。

MEC可以使应用、服务和内容实现本地化、近距离、分布式部署,作为5G演进的关键技术之一,在5G架构也支撑边缘计算的部署,常见模式是用户面功能(User Plane Function,UPF)可以选择业务,本地业务可以选择下沉的方式,具体部署架构图如图2所示。

基于视觉的照相检测:例如发动机质量检测,传统的生产过程质量检测依赖人工和经验,标准化程度低,人力成本高,且易受主观因素影响,整体效率低,准确度不高。通过产线部署内置5G通信模组的工业相机和边缘计算网关,可以进行移动测量和道边检测。

MEC作为AF与5G核心网之间的接口,交互路由与控制策略信息。图3为AF影响路由与策略,即本地卸载流量走插入UPF,其他流量直接走大区核心网或省级UPF。

AGV:例如在智能仓库中,基于单机智能进行视觉导航的AGV单台成本高,不利于大规模应用。而除视觉导航以外的其他方式均需对AGV工作环境进行改造,灵活性较差,部署和改造困难。另外,Wifi信号容易被干扰,且带宽不足以支撑视觉导航,而激光导航在高密度运行时互相存在干扰。而将5G技术应用于AGV,将彻底解决Wifi方案引起的接入受限、切换失败、小车停驶等难题,提升仓库的整体运营效率和稳定性。

MEC并非一定要部署到末端综合接入机房,而是可以根据业务需求确定,主要部署位置包括边缘级(基站与回传网络之间)、区域级(汇聚环和接入环之间)和地区级(汇聚核心层)。依据UPF与MEP部署位置的不同,可以进一步实现对网络确定化时延的灵活控制,如图3所示。

云化机器人:例如物流仓储领域,采用无线网络将摆脱线缆束缚,机器人可以装上轮子随心所欲地自由移动,工厂可以实现迅速且低成本地在不同种类的产品生产线之间转换生产。云化机器人通过5G连接到云端控制中心,通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制,由自组织和协同机器人来满足柔性生产的需求。

3.2.2 网络切片

澳门新葡亰app 10海量连接:例如汽车生产线,每台发动机都刻上编号和条码,每个工序都通过传感器进行数据检验,并对产品从上线到包装各个环节的所有信息进行记录。通过纳入5G R16标准的NB-IOT技术,可以减少人工干预、及时采集生产数据,合理编排生产计划,生产线人员将大幅减少,作业自动化率和自动纠错防错能力将大幅提升,人均产出效率也将显著提升。

网络切片是5G网络核心能力,在5G确定化网络中扮演了重要角色网络。网络切片通过将网络资源灵活分配、能力灵活组合,基于一张物理网络虚拟出网络特性不同的逻辑子网,满足不同场景的定制化需求。在网络切片划分的过程中,可以根据不同类型业务对逻辑子网的特性和能力进行定制,因此网络切片使得运营商具备了按需定制网络服务的能力。此外,通过开放标准API和自服务入口,网络运营商可以授权其客户自行购买并运营网络切片,客户可以将网络切片集成到自身的服务和应用中,从而极大提升网络切片应用的灵活性和变现能力,拓展运营商的商业机会。

室内定位:室内定位是工业领域的普遍需求,目前室内定位基本是蓝牙、激光、UWB三分天下。从算法上看主要有两类,一类TOF/TDOA算法,通过光速乘时间来测距;一类AOA算法,通过智能天线判断信源方向,基于场强角度定位,两种算法的精度差不多,都是分米级别。5G使用新型编码调制、大规模天线阵列等带来的大带宽特性,有利于参数估计,为高精度距离测量提供支持;大规模天线技术,5G基站可实现128个天线阵子,为高精度角度测量提供支持;另外,5G将实现超密集组网,用户信号可被多个基站同时接收,将有利于多基站协作实现高精度定位。通过部署大量5G低功耗定位标签将挑战蓝牙、激光、UWB室内定位地位。

面对行业客户多变的需求,网络切片提供灵活按需定制的服务,需要实现切片闭环的保障和SLA指标实现的检测,需要实现切片的隔离和安全性保障,来应对不同行业的不同的安全等级要求。同时,一个E2E切片同样可以由多个专业子切片组成,需要实现E2E切片的统一管理。基于确定化网络编排可以提供专业子切片内部的传输,通过使用多个彼此资源不冲突的子切片,在不同逻辑网络中实现单独带宽和时延保障,确保网络性能的确定性。其中E2E切片智能保障的示意图如图4所示,主要依赖自动化闭环来实现,同时对于物理性维护和必要的外线干预,提供人工闭环的保障途径。

澳门新葡亰app 11工程机械远程控制:例如针对工程机械,在偏远、有毒、有害等特殊场景作业时人员成本高、危险性高等问题,利用5G SA(Stand Alone)网络大带宽、高可靠、低时延等特性,通过“工程机械驾驶室远程控制台”和“真实工程机械现场实景屏幕”来对远端工程机械进行远程驾驶和操控。

3GPP标准协议制定的全新5G核心网架构中引入了新的网络功能网络数据分析功能(NWDAF),用于收集、分析网络数据,以及向其他的网络功能提供数据分析结果信息,NWDAF提供的数据分析结果主要包含切片负载、业务体验、网络性能等信息[5]。NWDAF在切片的智能选择、切片自动负荷分担、网络功能备份的自动调整等切片保障方面,将有望带来更多的可能性。

柔性机械臂:通过5G实现对工厂内自动化装备的实时控制,替代有线网络, 节省线缆及布线工作量,大大节省生产线调整时间,支持工厂越来越柔性化。控制系统部分功能上移至边缘计算设备进行控制,降低单体本身及后续维护升级成本。

3.2.3 时间敏感网络(TSN)

澳门新葡亰app 124. 从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、TSN等逐步延伸

在5G垂直行业的业务中,及时、安全地传输数据是工业通信技术的关键要求之一。时间敏感网络是满足该要求的很有发展前景的重要技术。根据3GPP 5G需求规范[3],对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到1 ms的延迟、1 ?滋s的抖动和99.9999%的可靠性。

5G涉及的核心技术,主要包括无线连接技术和网络技术两大类。无线连接技术方面,主要包括MassiveMIMO,超密集组网,D2D,灵活双工/全双工,新型多址技术,新型编码调制,高频段通信等。网络技术方面,主要包括网络切片(Network Slicing),移动边缘计算,SDN/NFV,C-RAN架构、TSN(Time Sensitive Networking)等。

5G与TSN的融合有助于将5G的潜力扩展到更广阔的领域,在5G网络上融合TSN服务,关键在于实现5G网络与TSN的互通,图5给出了5G与TSN的融合方案。为了满足行业应用对确定性时延的要求,首先要提供精确的时间同步机制,并要提供确定的传输路径。具体实现中可以将网络中性能需求不同的业务设置不同优先级,并进行包括带宽、时延、分组长度、发送频率、端口入时间窗口和出时间窗口以及每个节点间的出、入时间窗口的匹配等特性配置,实现确定性需求业务流程与其他业务没通过时分复用为高优先级业务流程提供确定传输时隙,以保证时间敏感业务的确定化传输路径[2]。

在工业互联网应用中,将从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、TSN等逐步延伸。

目前,在OT和CT领域,部分企业正在尝试将5G与TSN相结合,实现将传感器和执行器等工业设备以5G方式连接到TSN网络。较之于4G,5G无线接入网提供了更好的可靠性和传输延迟。同时,5G虚拟化系统架构允许被灵活地部署,可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。

移动边缘计算:利用MEC可将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器,其涉及到网络、计算、存储和安全四大方面核心技术。

4 实现案例

以机械制造行业为例,数据开放性差且工业协议标准不统一,存在罗克韦尔自动化的EtherNet/IP、西门子的Profinet、德国倍福的EtherCAT、贝加莱的PowerLink、以及施耐德的ModBus-TCP等多种工业协议标准,各个自动化设备生产商和集成商还会自己开发各种私有工业协议,各种协议标准不统一、互不兼容,导致协议适配、协议解析和数据互联互通困难;另外一方面,工业数据采集实时性要求难以得到保证,传统数据采集技术对于高精度、低时延的工业场景难以保证重要的信息实时采集和上传,无法满足生产过程的实时监控需求。

在工业互联网、智能电网、车联网、智能医疗等5G垂直行业典型应用场景,对时延、带宽、可靠性等网络指标提出严格要求。本文以智能电网典型场景为例,阐述5G确定化网络已在行业应用中的初步探索。

利用MEC,解决多设备接入和协议转换问题。同时,MEC根据典型行业数据接入特点,基于流式数据分析对数据即来即处理,快速响应事件和不断变化的业务条件与需求。

在智能电网的发电、输电、变电、配电和用电等多个生产环节中,包括视频巡检、配网自动化、精准负荷、控制自动抄表等可以与5G“超低时延”和“海量连接”特性相结合的典型业务场景。其中,对于广域开放性场景,主要针对配网和用网以及少量存在移动性或无线接入需求的输变电场景。确定化网络重点采用5G网络切片解决方案,而边缘计算是支撑超低时延超大带宽网络切片的主要技术手段;对于局域封闭性场景,主要针对发电厂、变电站等特定高安全隔离需求场景,确定化网络重点采用以边缘计算为核心的虚拟专网解决方案,网络切片则是实现公专网业务协同的支撑技术。

澳门新葡亰app 13网络切片(Network Slicing):网络切片是SDN/NFV技术应用于5G网络的关键服务,一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,涵盖所有网段,包括无线网络、有线网络、传输网、核心网、业务应用,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。

以精准符合控制场景为例,该场景重点为解决电网故障初期频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用、电网旋转备用不足等问题。通过确定化网络技术,根据不同控制要求分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级/分钟级控制系统,基于5G网络切片解决方案,通过边缘计算实现超低时延超大带宽网络切片,实现架构如图6所示。

对于工业企业而言,网络切片主要体现三大功能。资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立;功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本方式得到满足;质量保障则意味着工业互联网在工厂内部的应用将高可靠。

测试结果表明:基于5G确定化网络技术,充分利用5G网络的毫秒级低时延能力,结合网络切片的SLA保障,增强电网与电力用户间的双向互动,有效提升了在突发电网负荷超载的情况下对电网末端小颗粒度负荷单元的精准管理能力,将因停电所造成的经济、社会影响降至最低。

澳门新葡亰app 14TSN(Time Sensitive Networking):时间敏感网络作为一组位于数据链路层的协议簇,从底层网络架构中改变了普通以太网数据传输的不确定性,将它转变为确定性网络,同时为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。将能够快速打通工业通信协议和现场总线,成为OT和IT融合的基础。

5 结论

显然现有的工业以太网协议EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、PowerLink、ModBus-TCP等不会立刻消失,可喜的是几乎所有工业以太网组织都提供了与TSN设备结合的模型。其中包括罗克韦尔自动化、西门子、ABB、CISCO、施耐德、NI、三菱电机等自动化与IT厂商。

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一。本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手,分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求,重点提出了确定化网络实现架构和关键技术,并通过部分典型案例加以呈现。5G确定化网络关键技术的研发仍处于起步探索阶段,而5G与时间敏感性技术的协同融合也是实现确定化网络的关键,5G确定化网络将是实现5G行业业务应用的基础,也是5G使能千行百业的重要抓手。

在5G网络上融合TSN服务,关键的问题就是5G网络与TSN的互通。在3GPP R16规划中,3GPP已经开始对5G NR支持工业互联网进行新的研究规划。根据需求规范,对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到0.5 ms的延迟和99.9999%的可靠性。时间敏感网络TSN over 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求,以更好地集成5G和TSN。

参考文献

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[1] 赵福川,刘爱华,周华东.5G确定性网络的应用和传送技术[J/OL].中兴通讯技术:1-14[2019-11-20].http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN.20190916.1427.002.html.

[2] 黄韬,汪硕,黄玉栋,等.确定性网络研究综述[J].通信学报,2019,40(6):160-176.

[3] TS 22.261,Service requirements for next generation new services and markets,V17.0.1[Z].2019.

[4] IMT-2020 5G推进组.5G愿景与需求白皮书[Z].2014.

[5] 中国电信,国家电网,华为.5G网络切片使能智能电网[Z].2018.

作者信息:

张 蕾,夏 旭,朱雪田

(中国电信智能网络与终端研究院,北京102209)

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