基于5G蜂窩技術的工業(yè)傳輸解決方案
基于5G蜂窩技術的工業(yè)傳輸解決方案
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網(wǎng)絡改造技術篇/前沿技術/工廠內網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
制造業(yè)正在向數(shù)字化、柔性化等方向發(fā)展，促進生產效率和市場規(guī)模的不斷提升。而設備的廣泛連接，是實現(xiàn)數(shù)字化和柔性化的重要一環(huán)。
在傳統(tǒng)模式下，制造商依靠有線技術來連接應用，但由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡布線、設備移動性等限制，有線設備的連接數(shù)和場景具有局限性。
近些年無線解決方案逐漸增多，Wi-Fi、藍牙等近距通信無線技術已經在制造車間立足，隨著連接需求的發(fā)展，這些無線解決方案在帶寬、可靠性和安全性方面的限制，難以適應更高要求的工業(yè)傳輸需求。
隨著移動通信技術的發(fā)展，5G網(wǎng)絡將從傳統(tǒng)以人為中心的服務拓展至以物為中心的服務。根據(jù)不同的傳輸需求，5G 定義了三大場景：增強移動帶寬（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和大規(guī)模機器類通信（mMTC），適用于能源、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不同應用場景。聚焦到工業(yè)領域，5G致力于為工廠內的從設備層到企業(yè)層的設備提供可靠、安全、可保障的通信機制。
1.2 實施目標
本項目的目標是通過5G蜂窩技術承載工業(yè)應用的業(yè)務數(shù)據(jù)，提供工廠全連接的無線網(wǎng)絡，用以滿足多種工業(yè)設備的入網(wǎng)和通信需求。同時，通過5G蜂窩技術和OPC-UA相結合，提供工廠內由上至下的工業(yè)通信解決方案，支持多種類型工業(yè)設備的互聯(lián)互通。
通過5G蜂窩的解決方案，能夠促進工廠的智能化和數(shù)字化改造，使得生產制造系統(tǒng)具有高度靈活性；工廠車間的網(wǎng)絡架構可以快速調整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡化協(xié)同制造與管理水平。
1.3 適用范圍
基于5G蜂窩技術的工業(yè)傳輸解決方案提供了工業(yè)領域的無線通信技術，針對eMBB，mMTC以及URLLC三類場景的解決方案，適用于制造業(yè)的以下場景中：
表 1 5G在制造業(yè)的應用場景示例
類別 | 應用場景 |
運動控制 | 例如：大型打印機，數(shù)控車床，包裝設備 |
機器間控制 | 多臺獨立機器間協(xié)作 |
移動面板 | 裝配機器人（或機床），移動式起重機 |
工業(yè)AR及監(jiān)控 | 高清視頻，全高清視頻 |
大規(guī)模連接 | 各種傳感器連接等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、連接數(shù)多 |
移動機器人 | 精準運動控制，機器間控制，協(xié)作駕駛，遠程視頻控制，運行路徑管理 |
5G蜂窩技術除了適用于上述工業(yè)設備間的通信，通過和OPC-UA的結合還適用于工廠的設備層、控制層和企業(yè)層之間的通信，將設備層數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)狡髽I(yè)層或者云端，企業(yè)的生產監(jiān)控設備可以實時獲得設備的運行狀態(tài)，及早將故障設備剝離出生產系統(tǒng)，避免對生產造成的影響。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置
本解決方案適用于圖中工廠內部和工廠外部的通信，即：智能機器與工廠控制系統(tǒng)、在制品與智能機器、在制品與工廠云平臺、智能機器與智能機器、工廠控制系統(tǒng)與工廠云平臺、工廠云平臺與用戶、工廠云平臺與協(xié)作平臺以及智能產品與工廠的通信?；?G蜂窩通信技術提供的高可靠、低時延的數(shù)據(jù)傳輸保障，可以減少數(shù)據(jù)傳輸線路的部署、適用于多種環(huán)境以及工業(yè)設備移動的應用場景。
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意
2 需求分析
5G蜂窩網(wǎng)絡應用于多種工業(yè)場景，以及單一工業(yè)場景的不同設備之間的通信時，對5G蜂窩網(wǎng)絡的傳輸提出了不同的需求。下表列出了比較典型的工業(yè)應用的傳輸需求：
表 2 典型工業(yè)應用的傳輸需求
類別 | 傳輸需求 |
運動控制 | 運動控制類對傳輸網(wǎng)絡的要求較高：傳輸時延小于5ms，傳輸抖動為微秒級別；傳輸可靠性要求為99.9999%，數(shù)據(jù)包小于100字節(jié)。 |
機器間控制 | 傳輸時延小于10ms，數(shù)據(jù)包1K字節(jié)，傳輸抖動為微秒級別；傳輸可靠性要求通常小于99.9999%。 |
移動面板 | 傳輸時延小于10ms，數(shù)據(jù)包幾百字節(jié)左右，傳輸抖動為毫秒級別；設備有小范圍移動的需求。 |
工業(yè)AR及監(jiān)控 | 由于是視頻傳輸需求，業(yè)務數(shù)據(jù)包較大，傳輸速率需求達到Gbps級別，可靠性要求99.9%左右。 |
大規(guī)模連接 | 連接數(shù)多，包含各種傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸時延要求通常在50ms以上。需要注意的是，大規(guī)模連接中不同設備的傳輸需求差異較大，該類業(yè)務中基于安全應用的傳輸時延要求在10ms以內。 |
移動機器人 | 根據(jù)移動機器人不同的應用，傳輸時延在1ms~1s的范圍內，多數(shù)應用的傳輸可靠性要求為99.9999%，對傳輸網(wǎng)絡具有移動性的需求，移動過程中業(yè)務不要中斷。 |
在滿足上述工業(yè)傳輸需求的基礎上，5G蜂窩網(wǎng)絡應用于工業(yè)場景，可以不受限于存量設備預留的數(shù)據(jù)端口限制，滿足存量設備智能升級需求。通過5G蜂窩網(wǎng)絡將各種工業(yè)設備數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控端，不受網(wǎng)絡布線的限制，可以實時確定設備的健康狀況，及早將故障設備剝離出生產系統(tǒng)，實現(xiàn)對工業(yè)設備的預測性維護。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案是以5G蜂窩網(wǎng)絡作為工業(yè)應用的傳輸承載網(wǎng)絡，完成不同工業(yè)設備之間通信的解決方案。同時，基于5G蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的結合，提供由工廠底層到高層之間的不同層之間的通信以及同一層設備之間的通信，實現(xiàn)工廠內設備的全連接。
基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案包含蜂窩網(wǎng)絡設備以及工業(yè)終端設備。其中，蜂窩網(wǎng)絡設備還包含蜂窩網(wǎng)絡的基站設備和核心網(wǎng)設備。工業(yè)終端設備可以為SCADA，PLC以及各種工業(yè)輸入輸出設備。
工業(yè)數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡傳輸時，工業(yè)設備需要集成蜂窩模組，并實現(xiàn)工業(yè)應用和蜂窩模塊的互通。
基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案中還包含邊緣計算模塊，基于該模塊可以實現(xiàn)網(wǎng)絡和應用的融合，獲取應用的多樣數(shù)據(jù)傳輸需求，同時應用的邊緣部署實現(xiàn)了對工業(yè)數(shù)據(jù)的快速分析和超低時延響應。
圖2 工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡部署
基于5G蜂窩技術的工業(yè)傳輸解決方案主要包含以下創(chuàng)新點：
? 基于5G蜂窩技術的數(shù)據(jù)傳輸機制
根據(jù)不同的工業(yè)傳輸需求，提供數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，并為不同的業(yè)務提供對應的Qos保障。5G蜂窩網(wǎng)絡既能保障傳輸?shù)母叽_定性和可靠性，也能支持大量工業(yè)設備的連接場景。
? 基于OPC-UA的傳輸網(wǎng)絡互連和傳輸控制機制
主要包括基于OPC-UA和蜂窩網(wǎng)絡的映射，完成蜂窩網(wǎng)絡對工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?，以及支持蜂窩網(wǎng)絡和其他工業(yè)通信網(wǎng)絡的互連，支持不同工業(yè)場景下傳輸資源的配置和對工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?/p>
進一步地，支持工業(yè)應用在邊緣測的部署，作為網(wǎng)絡和應用融合的平臺，有效提高工廠的智能化水平。
3.2 系統(tǒng)架構
基于5G蜂窩網(wǎng)絡的工業(yè)解決方案的總體架構如圖3所示。主要由：工業(yè)平臺/應用、基于5G蜂窩技術的傳輸網(wǎng)絡和工業(yè)終端設備組成，構成了數(shù)據(jù)采集、業(yè)務數(shù)據(jù)分析、工業(yè)設備控制的端到端總體解決方案系統(tǒng)。
圖3 基于蜂窩技術的工業(yè)傳輸解決方案總體架構
3.3 網(wǎng)絡拓撲設計
5G蜂窩網(wǎng)絡支持星型拓撲結構，包含一個中心（工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設備）以及多個工業(yè)設備（工業(yè)蜂窩終端設備）。終端設備通過無線空口與網(wǎng)絡設備交互完成數(shù)據(jù)通信。
其中，蜂窩網(wǎng)絡設備是由網(wǎng)關設備（核心網(wǎng)絡）、工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設備（接入網(wǎng)絡設備，基站）構成。
圖4 工業(yè)無線蜂窩拓撲結構
3.4 功能設計
5G蜂窩網(wǎng)絡中核心網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡具有不同的功能，協(xié)同完成整個蜂窩網(wǎng)絡對傳輸?shù)闹С帧?/p>
蜂窩網(wǎng)絡接收到業(yè)務數(shù)據(jù)包之后，數(shù)據(jù)包在蜂窩網(wǎng)絡內部的傳輸流程如下圖5所示。從網(wǎng)絡側來看，業(yè)務數(shù)據(jù)包首先經過核心網(wǎng)絡內部節(jié)點的有線傳輸，然后數(shù)據(jù)包通過空中接口發(fā)送到終端設備。
圖 5 蜂窩網(wǎng)絡的用戶面數(shù)據(jù)流
作為傳輸網(wǎng)絡，5G蜂窩網(wǎng)絡主要支持的功能如下：
? 支持數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艑Χ耍?/p>
? 支持以4G移動通信、5G移動通信等通信接入方式中的一種或多種，包含核心網(wǎng)和接入網(wǎng)功能；
? 支持對IP或MAC格式的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸；
? 支持對工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡設備和蜂窩終端設備的認證、設備管理安全機制；
? 支持對網(wǎng)絡的配置和組網(wǎng)；
? 支持RJ-45，RS485等物理接口；
? 支持“即插即用”的工作方式；
? 支持版本升級失敗后回退到前一個可正常工作的版本。
? 在蜂窩網(wǎng)絡中，終端設備的主要功能如下：
? 支持將數(shù)據(jù)通過無線方式傳遞到蜂窩網(wǎng)絡設備；
? 支持對工業(yè)蜂窩終端設備的認證和安全功能；
? 支持對終端設備的參數(shù)和軟件的配置；
? 支持對工業(yè)蜂窩終端設備的性能和狀態(tài)監(jiān)測；
? 支持“即插即用”的工作方式。
3.5 蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的集成
OPC-UA是目前較廣泛的工廠內應用使能技術，定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語法表達方法（信息模型），每種系統(tǒng)都可以將采用OPC-UA的信息模型，從而可以被其他系統(tǒng)所獲取和集成。
在本解決方案中，通過5G和OPC-UA的結合獲取業(yè)務傳輸需求以及完成傳輸協(xié)議的映射，支持5G對不同工業(yè)場景業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸，保障不同工業(yè)業(yè)務的傳輸性能，滿足多種場景的業(yè)務需求。
圖6 OPC-UA和蜂窩的集成方案
基于5G蜂窩和OPC-UA的結合，5G傳輸網(wǎng)絡實時的獲取待傳輸工業(yè)業(yè)務的傳輸需求，并提供對應的傳輸資源，更好的保障不同類別業(yè)務的傳輸性能。其中，圖7給出了工業(yè)業(yè)務傳輸需求獲取以及對應不同需求的蜂窩承載示意圖。
圖7 基于OPC-UA的業(yè)務需求獲取機制
3.6 5G蜂窩網(wǎng)絡的安全及可靠性
1）5G蜂窩網(wǎng)絡提供安全的數(shù)據(jù)傳輸機制
蜂窩網(wǎng)絡提供多層次的切片安全保障，為不同類別的工業(yè)業(yè)務提供差異化的隔離服務。同時，蜂窩網(wǎng)絡支持數(shù)據(jù)加密，完整性保護，抗重放，鑒權（認證）等功能，通過對空口數(shù)據(jù)進行加密和解密，確保數(shù)據(jù)不被竊聽、篡改，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>
2）蜂窩網(wǎng)絡的傳輸可靠性
蜂窩網(wǎng)絡支持系統(tǒng)級和鏈路級的兩類可靠性保障機制。
? 系統(tǒng)級可靠性保障：蜂窩網(wǎng)絡可以提供備份鏈路和備份節(jié)點，保障整個蜂窩系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的正常工作。
? 鏈路級可靠性保障：數(shù)據(jù)傳輸過程中，網(wǎng)絡設備提供多個數(shù)據(jù)傳輸鏈路，保障單個業(yè)務數(shù)據(jù)包在蜂窩內部傳輸時的高可靠性。
3.7 無縫移動性支持
蜂窩網(wǎng)絡支持終端設備移動過程中業(yè)務數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪B續(xù)性，保障無數(shù)據(jù)包的丟失。
根據(jù)終端設備移動范圍的不同，分為終端設備在接入網(wǎng)絡（AN）之間的切換和終端設備在核心網(wǎng)絡之間的切換。
以移動過程中跨越接入網(wǎng)絡節(jié)點為例，切換過程的流程如下：
1) 終端設備向源接入網(wǎng)絡發(fā)送無線測量報告，源接入網(wǎng)絡判斷終端設備的接收質量以及移動的位置；
2) 源接入網(wǎng)絡節(jié)點確定終端設備需要變更接入網(wǎng)絡節(jié)點，則向目標接入網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送終端設備信息，指示目標接入網(wǎng)絡節(jié)點準備該終端設備的資源；
3) 目標接入網(wǎng)絡節(jié)點為終端設備配置數(shù)據(jù)傳輸所需的資源，并向源接入網(wǎng)絡節(jié)點確認切換準備完成；
4) 源接入網(wǎng)絡節(jié)點向終端設備發(fā)送切換到目標接入網(wǎng)絡節(jié)點的命令；終端設備接入目標接入網(wǎng)絡節(jié)點。
圖 8 無縫移動性流程
通過上述過程，5G蜂窩網(wǎng)絡在不中斷終端設備的現(xiàn)有業(yè)務的前提下，完成接入網(wǎng)絡節(jié)點的切換，保障了工業(yè)有移動性需求的應用的數(shù)傳性能。目前，5G蜂窩網(wǎng)絡還正在進一步的提升切換時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽Ｕ辖K端設備在高速運動的情況下仍然能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，完成接入節(jié)點的切換。
4 成功案例
目前5G尚未商用，為了驗證5G對工業(yè)業(yè)務的承載性能，目前正在和上海某大學的工業(yè)實驗室進行基于5G蜂窩實驗網(wǎng)絡承載工業(yè)場景以及5G和OPC-UA結合的驗證工作。預計2019年中驗證完成，后續(xù)在相關工廠進行推廣使用。
本項目中選定了流水線、機器人和機床共同組成的工業(yè)制造場景，驗證5G蜂窩支持工廠設備和PLC之間、PLC和PLC之間以及PLC和監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。
圖9 5G蜂窩網(wǎng)絡承載工廠內通信場景
在該實驗室，機床中內置與外置的傳感器用來來采集信號，其中傳感器包括位置傳感器，溫度傳感器，振動傳感器等等。現(xiàn)在工業(yè)設備常用的通信方式為Ethernet通信，為了驗證蜂窩技術對現(xiàn)有設備傳輸保障，本方案進一步的考慮了將不同類型的Ethernet數(shù)據(jù)包封裝為無線蜂窩數(shù)據(jù)包，通過蜂窩網(wǎng)絡進行傳輸?shù)姆桨?，也便于后續(xù)支持存量設備的升級改造。
通過本項目，驗證5G蜂窩網(wǎng)絡對不同工業(yè)場景的支撐情況，同時驗證5G蜂窩網(wǎng)絡和OPC-UA的結合，實現(xiàn)不同層級的蜂窩設備之間的互聯(lián)互通，推進工廠尤其是具有大量存量設備的工廠可以通過蜂窩技術，快速的完成數(shù)字化和智能化升級。
聲明
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