2022面向数字孪生的5G现场网体系架构

面向数字孪生的5G+现场网体系架构白皮书（2022年）55（221目 录目录 3字生未行展的向 4数孪生念与历程 4数孪生层架关键技术 4数孪生展趋势 6业场的念键技术 75G+场网系架与关键术 75G+场网型应场景 8向字生的5G+场网系构 9面数字生的5G+现场网层架构 95G+场网六个展趋势六个术维度 103.2.1“”-感知 3.2.2“”-通信 123.2.3“”-计算 123.2.4“”-数据 123.2.5“”-智能 133.2.6“”-应用 135G+场网五个接技术 135G+新无通信 145G+新短通信 155G+确性络 175G+高度内位 205G与低网络 21向字生的5G+场网业型用 23工机械造 23智矿山 23智钢铁 24智楼宇 25智医疗 265.略语 27参考献 28联合写位作者 28数字孪生是未来行业发展的方向数字孪生概念与发展历程策的优化闭环。数字孪生的概念始于航天领域，经历了“技术探索、概念提出、应用萌芽、19692003Grieves2010年开始，数字孪生技术在各行业呈现应用价值，大型工数字孪生三层架构与关键技术势预测和综合优化等功能。根据ISO发布的数字孪生领域首个体系架构标准《ISO/DIS23247：DigitalTwinframeworkformanufacturing图1-1 ISO数字孪生体系架构为了构建数字化镜像并实现上述目标，需要感知、建模、仿真等基础支撑技术通过平台化的架构进行融合，搭建从物理世界到孪生空间的信息交互闭环。（一）感知技术标识，并确保设备可信可控。（二）建模技术模型构建技术实现了物理空间中的实体向虚拟空间孪生体的映射，并通过在（三）仿真技术立相对应的虚拟模型，并模拟物理实体在真实环境下的行为。数字孪生发展趋势数字孪生是物联网发展的新阶段，数字孪生的应用普及将推进以“万物互联为目标的传统物联网正在向“万物智联”业务需求和精准泛在的感知数据对以行业现场网在内的通信网络提出了更高要求。ICT字孪生技术体将一边探索和尝试、一边优化和完善。行业现场网的概念与关键技术2013年ISO.23247ProximityNetwork（直译为邻近网络）5G+AICDE5G+5G+行业现场网是以网关为中心，南向通过无源物联、短距、确定性传输等5G数据传输到平台，可服务于行业生产现场，满足各类业务差异化需求。5G算力感知等能力，提升网络的智能化能力。图2-15G+行业现场网体系架构5G+资产盘点：得益于低成本、零功耗的特性，传统收发一体的无源物联系统广5G痛点。移动设备互通信：机器换人可有效提升行业生产效率，降低人工成本，许多AGVQoS级通信时延，从而使行业现场移动设备间的高效协同成为可能。无线确定性传输：钢厂铁水罐中装载高温铁水，需周期性、确定性上报铁水5G+调度等实现生产管理数据的确定性传输、故障数据优先传输，保障生产安全。基于中低速通信的数据采集：电力数据采集包括采集实时电能数据、工况数端实时监测用户负载的电压、电流、功率等电能质量动态信息。面向数字孪生的5G+现场网体系架构Cube3655G+3”表示66扁平化、无线化、IP化、智能化、可控化、精细化6“感、通、算、数、智、用55G+新型无源通信、5G+新型短距通信、5G+确定性传输、5G+高精度定位、5G线化、IP化、智能化、可控化、精准化的发展方向。图3-1面向数字孪生的现场网体系架构（Cube365）5G+现场网三层架构术提供面向行业刚需的“感、通、算、数、智、用”六个技术维度。中间为能力层，可通过边缘计算、协议适配、AI等技术为下层的物理实体仿真分析、智能处理、孪生模型构建与融合等。业务全生命周期管理服务，是与用户的直接界面和接口。5G+随着产业数字化转型不断推进，行业客户的定制化生产需求逐渐显现，网络和平台正朝着扁平化、无线化、IP化、智能化、可控化、精准化方向演进。一是网络架构更加扁平化。现场网络结构复杂，有多种工业总线协议、工业Zigbee、UWB二是网络连接更加无线化。2020年全球工业网络市场份额中，有线占比94%，6%5G+接向无线化发展。三是网络传输更加IP化。传统工业网络多为点对点的层二通信，暂时无法实现数据溯源，灵活路由以及精细化业务网络管理，而工业生产对网络的可扩展性、IP改造需求已越来越迫切。IPv6IP址。IPv6SLA保障。四是行业应用更加智能化。现阶段智能分析能力主要依赖云平台，部分工业五是现场网络更加可控化。传统网管系统尚未延伸至现场网络，无法实时感六是设备控制更加精准化。随着5G和确定性网络技术发展，网络时延和抖动大大缩短，使设备分布式部署，控制集中化管理成为可能。在远程设备操作、设备协同作业等场景中，通过5G网络采集传输现场数据，基于软件实现工业控制功能，实现设备远程精准控制。IP5G+现场网技术体系业的多样化需求。3.2.1“感”-感知业务分析以及向上的确定性传输提供数据支撑。3.2.2“通”-通信流能力。3.2.3“算”-计算AI服务大多基于深度神经网/3.2.4“数”-数据5G和现场网的网络监测和网络运维自治能力。3.2.5“智”-智能不利于数据安全和隐私等问题。针对工业现场大数据、低时延、高隐私的需求，AI模型智能部署功能，根据原始模型、资源需求，快速实现模型部署和AI3.2.6“用”-应用PLC采用PLCSCADAPLC5G+5G+5G+距通信、5G+确定性传输、5G+高精定位、5G与中低速通信等在现场中广泛使用的五个连接技术。5G+新型无源通信（125-134KHz（13.56MHz（900MHz（2.4GHz1-10激励通信激励通信图3-2传统的无源物联框架图3-3增强型无源物联框架图和研发成本。5G技术应用到室外场景。5G+新型短距通信短距无线通信泛指在较小的区域内（通常小于100米）提供点对点的无线通信，是典型的行业现场网网络，主要用于设备间的小范围互连，具有部署简单、成本低等优势。图3-4现有短距通信技术Wi-FiZigbee20209跨层透传机制，基于业务特性使能半持续调度，实现单向用户面传输时延小于20usPolarRS5G5G5G（管理节点作为一个路由/T（通信节点5GT据格式、数据集，可部署在边缘UPF、归属用户服务器(HomeSubscriberServer,HSS)5GGT图3-55G与短距通信技术的网络融合框架图5G+星闪融合通信技5GQoS未来，5G5G5G+确定性网络现场网确定性网络是指能保证业务的确定性带宽、时延、抖动、丢包率指标的网络。这里的确定性是指指标可预期，比如确定性时延10ms，时延的抖动在±10μs。PROFIBUSCANCC-LinkEtherNet/IPPROFINETEtherCATPowerLink技术的出现，为工业领域提供了新的通信5G确定性网络所采用的确定性技术并非是伴随5G+工业互联网发展而诞生的2002AVB领域的高实时、低时延、确定性数据传输需求。为满足无线接入网络支持应用TSN3GPPR165GTSNTSN5GTSN5GTSN图3-63GPP定义的TSN逻辑网桥系统架构图为了实现5GTSN逻辑网桥和TSN网络的对接，5G系统扩展了如下3个功能模块：1）DS-TTTSN（Device-sideTSNtranslatorTSN系统。2）NW-TTTSN（Network-sideTSNtranslatorTSN系统。3）TSNAFTSN（ApplicationFunctionTSNCNC5G+TSN一定程度上解决了工业互联网数智化转型发展所提出的无线替代有线、数据互联互通、确定性数据传输等需求，具有一定发展前景。出了有线局域网确定性技术时间明晰网络（TimeAwareNetwork，TAN）TANTANTANPDU，信的调度能力和控制能力。5GTANTAN领域和场景，具体的融合方案目前正在测试验证阶段。5GTSN/TAN会推出的NC-Link和OPC基金会推出的新一代OPC标准OPCUA（UnifiedArchitecture，统一架构5GTSN/TANNC-Link/OPCUA着技术之间融合适配方案的日益成熟，将有望逐渐成为工业现场通信的最佳实践。5G+高精度室内定位采用载波接收信号强度做指纹库定位实现相对简单，可将Wi-FiRSSI1/31/4法提升精度，但其缺陷是精度低，维护困难，对环境改变的适应性差。针对定位需求，业界主要有三种技术方向：UWBGHz需求，但由于方案私有化程度较高，终端扩展受限，因此其成本较高。二是蓝牙角度定位，其基于天线阵列的角度定位(AoA/AoD)，是基于收发信(ULAUCA均匀方阵)上不同天线链路上的相位差得到信号的来波角度，再根据部署高UWBUWB5G5G等室内场景下的各种定位业务需求。5GRTTAOA/AODTDOA精度都有较高要求。5GRTT、AOA/AOD、TDOAGNSS角度的测量。5G（距离、角度相对速度变化率，具有一定的应用场景。否能够得到快速应用，还需要进一步进行技术验证。LPHA（LowHighAccuracyPositioning5GRRC_INACTIVEUTDOAAOANLOS亚米级定位精度；同时，通过快速转到浅睡眠/深睡眠状态降低底电流、结合网络侧优化等方式达到降低功耗目的。5G与中低速网络10Mbps5Mbps物联网连接。NB-IoTCat.1LoRaSigfox，NB-IoTLoRa是使用非授权频谱的广域低功耗技术代表，与NB-IoT、LTECat.1等采用授权频段的技术相比，其可靠性及可信度相对较弱，特别在身份凭证安全、认证机制、密钥管理方面存在差距；Zigbee、BLE等受限于覆盖有限，还难以满足那些需要远距离传输、通信数据量少、且需电池供电长久的物联网应用。5G+现场网行业典型应用工程机械制造签上行信噪比低，导致读写器无法解调标签信号。使用新型无源物联技术可以打破传统无源物联技术通信距离过近的问题。通过新型无源物联设备可周期性读取并刷新模具当前位置、合模次数、成形周期、使用物料和产品等信息，完全取代人工扫码。SaaS增大投资边际效益和提高资产使用率，减少无谓的设备投资和闲置浪费。智慧矿山图4-2矿山现场网架构围连接的无人远程操控设备技术代替现场人工操作，助力矿企安全高效生产。Wi-Fi5G井下通信类时则需要大的带宽、较高的上下行速率。智慧钢铁工艺技术与5G、大数据、云计算等技术的深度融合和创新应用，实现铁区生产5G5-105G米级定位的需求。服务等级需得到高保障，且时延需达到微秒级。5G+新型短距可支持超低时延、智慧楼宇也成为未来发展的必然趋势。提升信息传输效率。用户多次刷卡，极大的提高停车管理效率。除停车管理外，5G+现场网也能为智慧楼宇的资产管理、人员管理、楼宇节智能化运营管控能力。智慧医疗5G+及的场景，推动智慧医疗服务。在医疗监护方面，当有紧急病患时，医生和护士必须先寻找该病人过往病员就可以随时随地掌握每一位病人的准确信息，提高救治效率。缩略语5G第5代通信技术(TheFifth-Generation)AGV无人导航小车（AutomatedGuidedVehicle）AoA到达角度定位（AngleofArrival）BBU室内基带处理单元（BuildingBasebandUnite）CNC数控车床(ComputerizedNumericalControl)DT数字孪生（DigitalTwin）DTU分布式终端（DistributionTerminalUnit）eMTC基于LTE演进的物联网技术(LTEenhancedMTO)GIS地理信息系统（GeographicInformationSystem)GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem)HSS归属用户服务器(HomeSubscriberServer)IT信息技术（InternetTechnology）LoRa远距离无线电（LongRangeRadio）mMTC海量机器类通信(MassiveMachineTypeofCommunication)NB-IoT窄带物联网（NarrowBandInternetofThings)OPCUAOPC统一架构（OPCUnifiedArchitecture）OT操作技术(OperationTechnology)PLC可逻辑编程控制器（ProgrammableLogicController）pRRU远端射频单元(PicoRemoteRadioUnit)QoS服务质量(QualityofService)RFID无源射频识别（RadioFrequencyIdentification）RSSI接收的信号强度指示（ReceivedSignalStrengthI