特大型制造企業(yè)獨立5G核心網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用前瞻

陳巍崴

一、大制造領(lǐng)域為5G深度應(yīng)用提供最佳實踐場景

5G是萬物互聯(lián)的新引擎，也是支撐制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型重要基礎(chǔ)設(shè)施。大型制造業(yè)的無線智慧應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、時延、帶寬、數(shù)據(jù)保密性、網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等要求均高于公共網(wǎng)。通過對制造過程中海量終端設(shè)備、應(yīng)用、業(yè)態(tài)聯(lián)網(wǎng)采集、分析處理，能夠有效地預(yù)測和指導(dǎo)生產(chǎn)，真正實現(xiàn)智慧制造。設(shè)備運維和遠(yuǎn)程診斷、人機協(xié)同單兵智能管理、鐵運機車自動控制、多點遠(yuǎn)程集中司磅、能源管線無人化巡邏、滑移裝卸機遠(yuǎn)程操控等各類應(yīng)用迫切要求與無線網(wǎng)絡(luò)高速貫通。5G技術(shù)解決了上述重工業(yè)、大面積、高危險、連續(xù)控制的工業(yè)制造場景中——應(yīng)用終端離散分布、有線敷設(shè)難度大、終端移動化、工業(yè)控制實時性要求高的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題，為智慧制造注入強大發(fā)展動力。從業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)安全等多方面綜合考慮，大型制造企業(yè)對于建設(shè)專用無線5G通信網(wǎng)絡(luò)具有如下驅(qū)動特征：

1. 覆蓋場景多樣化。工業(yè)控制場景要求的網(wǎng)絡(luò)時延可達(dá)到毫秒級別;AR/VR視頻類場景需要保障高帶寬、高吞吐量;礦山的場景中，地下挖掘作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力需要深達(dá)數(shù)百米，地面人員及運煤車輛調(diào)配場景下的網(wǎng)絡(luò)則需要有較強的移動切換能力，需要一套可以靈活滿足洗煤廠、辦公樓、綜采面、掘進面等多個應(yīng)用場景的專網(wǎng)解決方案。

2.網(wǎng)絡(luò)部署局域化。工業(yè)企業(yè)對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋聚焦在局部區(qū)域，例如在智能港口領(lǐng)域，港口的地理位置偏遠(yuǎn)，占地面積廣，需要對吊車作業(yè)區(qū)域進行針對性的網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化。同時港口作業(yè)效率是關(guān)鍵，岸橋裝卸區(qū)和堆場區(qū)的遠(yuǎn)程作業(yè)對于無線網(wǎng)絡(luò)時延要求極為苛刻，而公網(wǎng)發(fā)生斷連、擁塞會對港口的生產(chǎn)帶來影響。通過在園區(qū)范圍內(nèi)部署專網(wǎng)對所有生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域進行重點覆蓋、保障園區(qū)數(shù)據(jù)安全、降低數(shù)據(jù)傳輸時延，提高港口的調(diào)度能力及運輸效率。

3.網(wǎng)元資源定制化。大型制造企業(yè)對網(wǎng)絡(luò)可靠性、隔離性、安全性要求高，需要保證工業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)、對廠區(qū)設(shè)備進行自動化管控，在安全隔離要求極高的情況下，需要將無線基站、核心網(wǎng)控制面及用戶面網(wǎng)元全套部署在生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)。

4. 網(wǎng)絡(luò)性能可配置。大型制造企業(yè)專網(wǎng)需實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能靈活化配置，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信擁塞時會造成數(shù)據(jù)丟失、調(diào)度失靈等生產(chǎn)設(shè)備事故，可自行將時延、帶寬、可靠性等重要網(wǎng)絡(luò)性能進行配置，保障調(diào)度指令及時傳達(dá)關(guān)鍵節(jié)點、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的調(diào)度失靈。

5.網(wǎng)絡(luò)運維可管可控。大型制造企業(yè)對其制造專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端設(shè)備、數(shù)據(jù)流量等運行信息有自管自控及可視化管理的需求。需要自行對終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻運行狀態(tài)信息、設(shè)備活躍度等實時監(jiān)控，預(yù)報自身的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)效率、能耗分布等。

6. 現(xiàn)有系統(tǒng)平滑對接?？紤]與企業(yè)現(xiàn)有制造IT/CT系統(tǒng)的兼容性以及可擴展性，在保障異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全隔離的情況下，強化數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，極大促進園區(qū)內(nèi)的綜合信息系統(tǒng)運維成本壓控，為制造、管理各類信息系統(tǒng)高效協(xié)同、各自運行提供效率保障。

二、特大制造企業(yè)專有5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)及組網(wǎng)方案

5G專網(wǎng)可根據(jù)不同應(yīng)用場景定制設(shè)計，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延、安全隔離度、網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)帶寬、上下行配比、峰值速率等重點因素的差異化能力。目前，5G專網(wǎng)建設(shè)包括：5G虛擬專網(wǎng)、5G+MEC網(wǎng)元下沉、5GC 核心專網(wǎng)三種方式：

綜上所述，為應(yīng)對離散、海量、移動化的網(wǎng)絡(luò)通信控制終端，承載上述終端間、終端與平臺間的大流量、高并發(fā)數(shù)據(jù)交互，從滿足采集分析類需求，到逐步滿足工業(yè)控制類需求，選擇自建企業(yè)獨立專享的5G核心網(wǎng)，與運營商網(wǎng)絡(luò)從基站、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)上物理隔離，方可實現(xiàn)各類應(yīng)用業(yè)態(tài)的集約化、高效性、可擴展管理要求。

建設(shè)企業(yè)獨立5G核心網(wǎng)目標(biāo)：

1.本地數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時延≤20ms，滿足10萬用戶數(shù)、20Gbps吞吐量規(guī)模。室外宏基站參考信號接收功率（RSRP）≥-105dBm、信號與干擾加噪聲比（SINR）≥-3dB。2.具備數(shù)據(jù)本地分流卸載、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)近端處理、低時延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、終端統(tǒng)一鑒權(quán)認(rèn)證等功能，滿足企業(yè)數(shù)據(jù)安全私密性、數(shù)據(jù)分析時效性、遠(yuǎn)程控制與協(xié)作、終端接入安全要求。3.支持運營商網(wǎng)絡(luò)、移動智能終端與主干網(wǎng)多網(wǎng)之間的安全隔離與受控通信。4.實現(xiàn)移動應(yīng)用終端從4G網(wǎng)絡(luò)升級切換至5G網(wǎng)絡(luò)，由公網(wǎng)變專網(wǎng)。5.引導(dǎo)支撐5G+應(yīng)用場景落地。實現(xiàn)制造基地“生產(chǎn)、設(shè)備、物流、能環(huán)、安全”等核心要素即時感知、傳遞、可視、管理。

企業(yè)獨立5G核心網(wǎng)建設(shè)方案簡述：

企業(yè)5G獨立專網(wǎng)采用核心網(wǎng)整體下沉建設(shè)方式， 5G獨立核心專網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、NFV/SDN可以實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)靈活部署行業(yè)應(yīng)用場景化，并與現(xiàn)有IT系統(tǒng)兼容互通。

企業(yè)園區(qū)內(nèi)部署5G基站和傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用5G參考面N2接口和N3接口分別與企業(yè)園區(qū)5GC專網(wǎng)AMF和UPF對接。園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)流和信令流無需回傳至運營商大網(wǎng)，數(shù)據(jù)不出園。采用無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)接入共享方式，無線基站及傳輸網(wǎng)絡(luò)與分別對接運營商大網(wǎng)以及企業(yè)專網(wǎng)兩張核心網(wǎng)，利用PLMN或者PLMN+NID進行隔離。在使用PLMN或者PLMN+NID進行隔離時，無線網(wǎng)絡(luò)通過廣播對應(yīng)的PLMD ID，終端注冊時會自動選擇到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)里面。無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)接入完成后，無線基站可以在無線信號物理連接上完成5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分，不會影響專網(wǎng)的獨立性和安全性。

5G專網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流向，如下圖所示：

采用5G獨立建設(shè)專網(wǎng)的模式，在物理傳輸層面上，專網(wǎng)與運營商大網(wǎng)保持極高的獨立性。各類安全策略權(quán)限均由企業(yè)設(shè)置等級，全權(quán)管控，達(dá)到了最高的安全等級和控制管理。同時在5G核心網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)之間進行安全隔離，在防火墻設(shè)置邊界安全區(qū)互訪受控、配置入侵狀態(tài)檢測和病毒攔截功能，實現(xiàn)應(yīng)用端口級的安全管控，保障企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)安全整體可控。合理部署專網(wǎng)獨立工業(yè)宏基站與基站承載網(wǎng)，針對制造企業(yè)普遍存在弱覆蓋問題，解決廠區(qū)內(nèi)大型廠房較多，鋼鐵結(jié)構(gòu)廠房對信號阻擋比較嚴(yán)重，部分安全等級高的區(qū)域暫時沒有合適的站址的問題。結(jié)合內(nèi)存量通信網(wǎng)絡(luò)路由、機房、4G基礎(chǔ)設(shè)施情況，規(guī)劃5G宏站站點，選擇匯聚情況好的通信機房安放5G核心網(wǎng)設(shè)備，構(gòu)建承載環(huán)網(wǎng)及5G宏站連接網(wǎng)絡(luò)。在完成“面”覆蓋基礎(chǔ)上，依據(jù)5G應(yīng)用需求在鐵道路口、汽車衡及軌道衡磅房、港口裝卸區(qū)域、變壓器電氣室開關(guān)柜區(qū)域、產(chǎn)線廠房內(nèi)部通過5G微站對局部深度覆蓋進行“點”狀的補充。

三、5G應(yīng)用實踐與未來探索

1.鐵水運輸。以5G +AI模型，滿足鐵水罐、機車等位置及狀態(tài)實時精準(zhǔn)跟蹤及可視化，在高爐爐下鐵口機車對位及煉鋼脫硫前行車進罐吊裝等工序進行車架號、罐號及配空狀態(tài)數(shù)據(jù)識別采集。利用5G網(wǎng)絡(luò)完成上千個傳感器及控制設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)機車運輸?shù)娜旌颦h(huán)境感知、全障礙物精準(zhǔn)識別。配合數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)鐵水智能分配、高爐智能配罐、機車智能配載、路徑智能選擇等功能。

2.機車控制。通過在鐵路道口、鐵水運輸線部署5G基站，利用車載5G通信網(wǎng)關(guān)有效解決各類視頻圖像上機車、各類地面控制狀態(tài)信息上機車，運管機任務(wù)數(shù)據(jù)上下行的通訊難題，輔助調(diào)乘人員提升運輸作業(yè)效率，降低作業(yè)安全風(fēng)險。

3.智能單兵管理。工業(yè)智能頭盔結(jié)合AR人機視覺，包含了信息采集，傳感器融合、實時跟蹤、場景融合，將現(xiàn)場設(shè)備的信息在穿戴的人的視線前方即時動態(tài)呈現(xiàn)。頭盔5G芯片結(jié)合宏站和微站及室分，準(zhǔn)確動態(tài)物理定位，配套區(qū)域總圖、人員作業(yè)區(qū)域可視、危險區(qū)域即時智能預(yù)警、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)線路和任務(wù)通過AR指示，實時視頻顯示及控制、前后臺交互等新的技術(shù)和手段。

4.設(shè)備遠(yuǎn)程管理。制造企業(yè)涉及集中司磅室與分散衡站間衡量數(shù)據(jù)與視頻雙流高效傳輸、風(fēng)機、減速機等溫度和振動等數(shù)據(jù)采集、變壓器電流與環(huán)境溫濕度、開關(guān)柜狀態(tài)與環(huán)境溫濕度等參數(shù)采集傳輸。這些設(shè)備設(shè)施數(shù)量多、分布廣、運行環(huán)境復(fù)雜。利用5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，降低點檢負(fù)荷率，提高點檢效率。

5.無人機巡邏。特大型制造企業(yè)存在大量電力架空線路和管道。5G+無人機實時將現(xiàn)場圖片回傳云端。當(dāng)云端診斷到巡檢目標(biāo)可能存在缺陷時，無人機會調(diào)整飛行姿態(tài)、云臺角度，對目標(biāo)缺陷進行二次拍攝，完成視頻采集、拼接處理、視頻流處理。連入5G網(wǎng)絡(luò)將4K全景視頻通過上行鏈路傳輸?shù)酵屏鞣?wù)器中，現(xiàn)場拉流分路顯示至頭盔，單兵人員立即對現(xiàn)場進行處置。