面向工业互联网5G确定性网络技术与应用研究

导读：在行业数字化改革浪潮下，工业互联网成为5G网络高价值目标场景，工业对网络的低时延、高可靠、稳定性有着严苛的要求，5G网络能否提供确定性的无线网络保障是其深入工业互联网等行业场景的先决条件。本文首先对5G确定性网络及产业动态进行概述，之后介绍5G确定性网络技术，分析工业互联网应用需求，探讨5G确定性网络与现有工业生产网络的融合方案。1概述

移动通信服务由消费互联网迈入产业互联网时代，5G网络业务从面向公众用户为主向垂直行业拓展，随着行业数字化浪潮的推动，结合云计算、AI、视觉、传感等应用技术，垂直行业的多个环节将涌现出一系列新的业务场景，对网络的需求向低时延、高可靠性、融合性、确定性升级，移动网络与行业业务深度融合，带来全新的发展机遇。5G确定性网络（5GDeterministicNetworking，5GDN）是指利用5G网络资源打造可预期、可规划、可验证、有确定性能力的移动专网，提供差异化+确定性的业务体验。相对于传统“尽力而为”的公众网络，5G确定性网络通过叠加使用一些网络新技术来提升和保障网络的质量，在复杂多业务接入和高效传输的情况下，提供端到端确定性的网络服务，满足一些行业应用对网络的严苛要求。确定性网络中的“确定性”特性包括：时延确定性（时延上限）、抖动确定性（抖动上限）、丢包确定性（丢包上限）、带宽确定性（带宽上下限）、高可靠性（可靠性下限）、定位确定性（精度保障）、安全隔离等。2确定性网络产业动态现有多个通信标准组织及联盟机构已开展确定性网络技术研究及应用推广，包括：3GPP、IEEE、IETF、ITU、中国通信标准化协会（CCSA）、工业互联网联盟（AII）、5G确定性网络产业联盟（5GDNA）等，本节将简要介绍一些组织研究情况。2.13GPP

3GPPR16针对URLLC、工业互联网、车联网等行业能力进行拓展，多业务/信道并发时，明确数据抢占和排队机制，保障URLLC业务；首次引入了5G+TSN融合架构，5G作为TSN的透明逻辑桥，通过终端侧DS-TT及核心网侧NW-TT支持TSN标准，实现确定性转发。R17持续开展工业互联网项目的研究，进一步完善支持IEEETSN协议的5G网络系统、授时机制、TSCAI参数等，以及借鉴TSN技术增强网络内生确定性，确立5G系统的确定性机制并进行标准化。R18将面向更加广域、更高性能确定性增强。2.2IETF

IETF2015年成立了确定性网络（DeterministicNetworking，DetNet）工作组，专注于网络层和上层之间的广域网确定性技术，在二层桥接和三层路由上实现确定的传输路由，以实现在IP网络上从尽力而为到准时准确快速，减少端到端的时延。工作组与负责第2层操作的IEEE802.1时间敏感网络（TSN）合作，为第2层和第3层定义通用的体系架构，尚处于场景/需求/架构前期研究和标准制定阶段。

2.3CCSA

中国通信标准化协会站在通信行业角度，开展确定性网络相关的标准化研究工作，目前研制的通信行业标准包括《超高精度时间同步接口要求》《工业互联网时间敏感网络集中网络配置技术要求》等，并行推动数项研究课题包括《新一代无线网络确定性技术研究》《工业互联网确定性网络端到端技术协同研究》等。2.4AII

工业互联网产业联盟联合产业界，梳理行业网络需求及应用场景，已发布《5G+TSN融合部署场景及技术发展白皮书》《车载TSN白皮书》，正在研制《TSN控制管理白皮书》《电力行业确定性网络白皮书》，电力、钢铁等行业客户也积极参与探讨确定性网络应用。2.55GDNA

5G确定性网络产业联盟旨在汇聚产业界力量，共建5G确定性网络产业生态，致力于推进5G确定性网络产业发展。目前已发布《5G确定性网络架构产业白皮书》《5G确定性网络+工业互联网融合》《5G确定性网络@电力系列白皮书》等多项白皮书。35G确定性网络关键技术本节介绍5G确定性网络的一些关键技术，这些技术通常根据实际组网及业务需求，可进行选择性使用或者组合使用，以增强5G网络确定性能力，为工业企业提供高质量网络服务。3.1精准时间同步技术

端到端高精度时间同步是网络节点协同调度和保障网络确定性的基础，基于5G网络的精准时间同步，依靠无线基站发送的同步信号和时间信息，通过特定的接口协议发送给行业终端使用，可满足行业终端1μs的时间同步需求，相比现有的GNSS授时技术和有线网络授时技术，具有时钟源稳定、无缝覆盖，以及终端的授时模块与通信模块合一的优点。3.2URLLC技术

无线空口的时延受环境影响较大，是5G网络传输过程中最容易出现抖动的部分，5G网络可凭借MiniSlot、上行免授权调度、DCI压缩等URLLC关键技术，通过短时隙和通道优先抢占的机制，为无线空口提供更低的时延保障，在5G定义的超高可靠超低时延的业务场景下，网络性能空口时延理论值可缩短到1ms。3.35G+TSN时间敏感网络

TSN作为工业4.0的演进方向，可满足工业互联网对确定性传输和协议统一的诉求，是面向未来工业互联网、车联网等高可靠性、低时延应用的关键网络技术。5G与TSN网络低时延、高可靠特性具有天然融合优势，发挥5G灵活性和TSN极低延迟性，构建端到端确定性网络，赋能工业互联网。3GPPR16定义了5G系统与TSN网络融合桥接的基本架构，如图1所示。对于TSN网络，5G系统被视为一个TSN网桥设备进行透明传输，只有位于5G系统边缘的TSN转换器（TT）需要支持IEEE802.1AS协议规范。图15G+TSN融合架构3.4MEC边缘计算

通过UPF下沉+MEC降低业务时延，MEC是一个边缘云平台，通过与5G网络结合（UPF是结合点），提供一种新的网络架构，将移动接入网与互联网业务深度融合。利用本地分流减少网络延时，节约带宽资源，可在MEC上集成第三方应用将计算能力下沉到网络边缘，降低业务总体响应时长，满足用户业务体验需求。MEC在网络中的部署位置及时延如图2所示。图2MEC部署位置及时延3.55GLAN

5GLAN基于5G移动性、远距离接入、高性能和安全性等优势，提供类似工业局域网的服务。3GPPR16定义了5GLAN技术，5GLAN能够提供L3层VPN服务（IP转发），以及L2层LAN服务（Ethernet局域网二层转发网络），支持单播/组播/广播业务，支持VLAN隔离等关键能力。如图3所示。图35GLAN工业5G终端通过UPF实现设备间直接通信，不必再经过外部数据网（PDN）中转，大幅降低了组网复杂性及行业终端间通信时延，可作为当前局域网的增强或替代，解决行业私有网络可靠性、性能问题。3.6增强上行

由于公众网络下行流量需求远大于上行流量，因此在网络设计时通常让下行占用更多资源，而工业互联网业务以各类实时的数据采集、感知和视频类信息回传为主，对网络上行容量有更高的要求。5G网络可以通过双连接（E-UTRA-NRDualConnectivity，EN-DC）、载波聚合（CarrierAggregation，CA）、超级上行补充载波（SupplementaryUplink，SUL）、灵活时隙配比、5G毫米波等技术来提高网络覆盖能力，增强上行容量，提供可保障的大带宽。3.7网络切片

通过网络切片实现业务隔离保障，端到端网络切片包括接入网、承载网、核心网切片，不同切片间资源安全隔离，可根据业务场景的隔离需求和成本要求，选择不同的切片隔离技术。如接入网可使用专用频率隔离、RB资源预留以及QoS动态调度的方式实现网络切片；承载网可使用FlexE接口隔离和MTN交叉隔离等硬隔离方案，基于VPN+QoS调度隔离的方式；核心网可使用硬件资源物理隔离、虚拟资源池隔离、网元功能不同程度的共享/独占的方式。3.8高可靠技术

5G网络可通过链路冗余，多传输链路备份，防止网络故障、丢包等异常导致的业务中断，提升端到端的用户面数据传输的可靠性，网络冗余包括：基于双PDU会话的终端和业务对端双链路冗余，基于单PDU会话的回传网双链路冗余，基于单终端双UE冗余。45G确定性网络在工业互联网中的应用需求工业领域存在多样化的与生产相关的业务应用，一些业务场景对网络要求严苛，根据对网络的需求，5G确定性网络业务场景可大致分为四类：基于高清视频智能化应用、低时延控制类应用、设备能源管理类、融合通信类应用。4.1基于高清视频智能化应用

在工业园区/工厂部署高清摄像头，将采集到高清视频/图像实时回传到云端服务器，结合后台人工智能技术及智能检测系统，实现工业领域基于高清视频/图像的业务应用场景。该类业务应用的特点为高清视频/图像分辨率高，传输速率高，要满足无损、无卡顿、实时稳定回传及查看，需要通信网络具备可保障的上下行大带宽、低丢包率、高可靠特性。典型业务应用如智能监控、机器视觉质检、AR辅助作业等。4.2低时延控制类应用

工业自动化生产过程中，通过PLC、变频器、伺服电机、工控机等工业控制设备，对机器臂、AGV小车、机床、行车等现场设备进行周期性自动化控制、远程控制，以及多个机器人之间的协同作业，降低人力成本提高作业效率，需要对控制指令进行上传下达，实现工业领域低时延控制类应用。该类业务应用的特点包括控制类信号为小数据包、可靠性及时延要求严苛，端侧设备以PLC为主，多为各自动化设备厂家工业以太网私有协议，需要通信网络具备高可靠性、低时延低抖动、QoS保障特性。典型的业务应用如产线自动装配、AGV自动化搬运、吊车远程控制、钢铁焦化四大车远程协同控制、机械臂协同装配等。4.3设备能源管理类应用

工业场景中存在大量的传感器及物联网终端，通过传感器采集工业设备、生产环境、能源仪表数据，按时上传至设备/能源平台进行监管，实现基于海量连接的工业设备、能源管理类应用场景。该类业务应用的特点为设备连接量大、传输数据量小、功耗低、周期性采集为主，部分例如差动保护类时延及抖动要求高，需要通信网络具备大容量、高可用性、低时延低抖动特性。典型的业务应用如智能抄表、智能检测、配网智能保护。4.4融合通信类应用

工业企业为实现各种业务的应用，园区建设了多种制式的通信网络，存在互通性差、维护升级难等问题，可通过一张高性能网络综合承载各类业务，提升网络能力，实现融合通信，节省网络投资及后期运维成本。该类业务应用的特点为多业务在一张网络的统一承载，存在多种终端接入方式，不同业务之间有隔离要求，对网络性能有差异化需求。需要通信网络具备高可靠性、业务隔离、多业务综合承载、按需提供差异化网络服务特性。典型业务场景如生产网络、人员通信网络、办公网络的统一承载。55G确定性网络与工业生产网络的融合5G无线网络具备灵活部署、深度覆盖、持续演进的优势，强大的承载能力以及增强的网络确定性能力保障，为工业行业提供一种热门的网络可选方案。一方面，5G确定性网络作为工业生产网络的补充，初期在丰富数据采集手段和行业应用场景，降低成本，提高可靠性方面提供网络支持，随着人工智能、AR/VR、传感等技术的发展，通过5G确定性网络增强工业信息交互，基于工业大数据进行生产的科学决策能力，逐步实现全连接智慧化工厂。另一方面伴随5G确定性网络渗透以及确定性技术的应用，5G网络与生产网络集成，5G确定性网络与有线网络融合、互为补充，深入工业核心业务应用，一定程度替代多种制式的网络，形成统一的承载网络，简化工业企业组网拓扑，降低运维成本，为数据互通、统一管理提供强有力支撑。5G确定性网络与生产网络融合部署方案主要包括以下两种：（1）部署独立的5G网络提供工业以太网服务传感器、执行器、控制器直接通过5G网络用户侧端设备（如CPE、5G网关、5GUE）连接至5G网络进行数据交换，可以通过集成多个5G基站来满足工业现场网络的无线覆盖要求，如图4所示。这种方式改造代价高，与现有网络互操作性非常有限且应用场景局限，适用于一些布线覆盖困难的工业场景以及工业5G智能终端的通信。图4独立部署5G网络（2）5G网络透传与工业以太网络集成5G网络将被有线网络视为以太网桥和链路，利用5G网络灵活部署的优势替换部分链路工业以太网络，实现与有线网络的互为补充以及无缝互操作性，是现阶段使用较多且普遍被接受的方式，这种方法的挑战是确保控制层和用户平面层之间的交互，典型的例如3GPPR16中定义的5G+TSN桥接方案。此外，一个5G网络可以服务多个工业以太网网络，例如通过VLAN，这些网络在逻辑上是隔离的，因此在QoS和隐私方面是隔离的。如图5所示。图55G网络与工业以太网集成此外，5G确定性网络与现有工业通信网络融合时，用户平面功能（UPF）的部署实现至关重要，因为UPF是锚点，是用户数据进入和退出5G网络到数据网络的逻辑和物理实体。UPF可以部署在运营商公共网络域，与3GPP中定义的PNI-NPN一致，优点是改造成本相对较低便于运维，但是会引入一些时延、可用性价值问题，防火墙配置复杂度会有所增加，适用于远程运维、资产监控、数据采集等对时延、可靠性要求不严苛的场景。UPF也可以