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中國電信股份有限公司北京分公司

1 目標和概述

建設智能產線是3C行業提質增效的關鍵。智能生產線通過工廠物聯網，實現工廠全要素感知；通過“感知-分析-執行控制-學習”的閉環，提升裝備和工藝智能；通過信息集成和流程集成，實現計劃-執行-物流-質量-設備-人力的綜合管控；通過虛實融合的數字孿生工廠，實現對物理工廠運營的優化和決策支持；從設備/工藝柔性、動態調度、工廠重構等幾個層面，提升工廠的適應性；通過大數據方法挖掘數據價值，提升工廠智能化。

2 方案介紹

本項目中北京電信承擔“3C行業智能制造5G-F5G網絡技術”的研究工作，該方案含兩項任務：

2.1 任務一：基于MEC的5G固移融合高可靠網絡構建

2.1.1 6條產線高可靠5G定制網絡建設方案

（1）超級上行技術

超級上行技術通過將上行數據分時在Sub-3G頻譜和C-Band頻譜上發送，增加了5G用戶的上行可用時頻資源。其原理為：在C-Band頻譜的上行時隙，使用C-Band頻譜進行上行數據發送；在C-Band下行時隙，使用空閑的Sub-3G頻譜補充進行上行數據發送，實現上行數據可以在全時隙發送。5G基站支持超級上行驗證，也支持上下行解耦的驗證，現網超級上行性能測試驗證中，可實現上行速率達到240Mbps。

（2）300M載波聚合技術

受限于無線頻譜資源緊缺等因素，運營商擁有的頻譜資源都是非連續的，每個單一頻段難以滿足5G對帶寬的需求。為了達到本項目超高清視頻業務傳輸速率，通過載波聚合技術（Carrier Aggregation，CA），將多個連續或非連續的載波（Component Carrier，CC）聚合成更大的帶寬，以滿足業務速率的要求。參與載波聚合的每一個載波，叫做分量載波。這些載波在一起工作，需要相互協同。主載波，就是承載信令，管理其他載波的載波，也叫Pcell（Primarycell）。輔載波也叫Scell（Secondarycell），用來擴展帶寬增強速率，可由主載波來決定何時增加和刪除。如圖1所示。

圖1 非獨立組網架構下的MCG和SCG

（3）無線資源塊（ResourceBlock，RB）切片保障

物理資源塊（PhysicalRB，PRB）預留，打造低成本無線硬切片，如圖2所示。

圖2 PRB預留

?按切片組設置PRB預留比例，閥值在1%~100%之間；

?支持5種PRB資源調度模式，按獨占、優先、正常劃分；

?無需投資建設獨立的硬件，即可實現無線硬切片；

?PRB預留比例軟件可調，可快速滿足B端客戶需求。

（4）分布式Massive MIMO

為了降低相鄰小區間的干擾，提升邊緣用戶速率，分布式Massive MIMO將多個4T4R（4發4收）射頻合路組合并為一個邏輯小區，通過集中調度、多天線聯合收發，消除了原小區之間的干擾，實現用戶的Cell Free一致性體驗。

分布式Massive MIMO小區的傳輸接收點（Transmission Reception Point，TRP）交疊區域，多個4T4R pRRU聯合形成分布式多天線，提供更好干擾信噪比（Signalto Interferenceplus Noise Ratio，SINR），獲得高階調制、高RANK增益，提升單用戶性能。如圖3所示。

圖3 分布式Massive MIMO

分布式Massive MIMO小區通過MU-MIMO技術支持多用戶空分復用、可以顯著提升小區上下行容量和頻譜效率。每個區域內用戶可以實現NTNR，小區容量為各個區域之和。

（5）99.99%高可靠性5G網絡保障機制網絡可靠性要求單位時間內網絡的可用性為99.99%，可通過一系列5G傳輸網絡的高可靠性保障機制：

·終端和業務對端雙鏈路（如圖4所示）

圖4 終端和業務對端雙鏈路

終端的網絡層支持數據復制和冗余鏈路建立及傳輸，網絡對端網絡層支持冗余消除。

終端用特殊的深度神經網絡（Deep Neural Networks，DNN）建立兩個協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話，初始兩個會話UPF1和UPF2都連接主基站；后續將UPF2的會話遷移到輔基站。

·基站與核心網網關間雙份數據復制和傳輸（如圖5所示）

圖5 基站與核心網網關間數據復制傳輸

基站和網關都支持數據包的復制和刪除，復制的數據包使用相同的序號；建立支持冗余的傳輸隧道，基站和網在傳輸層異路徑傳輸。

·在核心網側部署邊緣UPF和核心UPF，做主備導換

在DCGW上與邊緣UPF的端口斷連，UPF故障或UPF性能下降手動進行業務倒換。在邊緣UPF斷連后，核心UPF能夠自動接管邊緣區域內的所有用戶業務。

·構建全下沉邊緣MEC，云邊協同備份保障

為滿足客戶本地化部署、數據不出廠、高安全私密性等需求，打造軟硬一體、集成交付的獨享型一體化MEC（以下簡稱：一體化MEC）解決方案，即：基于獨立的邊緣基礎資源，部署專用的MEC平臺軟件，為客戶提供自主管理的獨立平臺及門戶；應用部署及數據存儲均可按需部署在客戶本地，可實現快速、靈活的邊緣節點集成交付；支持與集約MEC業務管理平臺對接，實現統一的納管運維服務。如圖6所示。

圖6 一體化MEC解決方案

本項目擬在客戶園區機房全下沉部署一體化MEC與邊緣UPF供客戶獨享，MEC支持固移融合，即支持5G+F5G等多種網絡接入，滿足企業統一通信需求。此外還支持云邊協同，支持云邊之間通過高品質專線連接，實現邊緣云與天翼云協同雙備份。

最終從無線、承載、核心網、云邊側實現端到端網絡可靠性在99.99%。

2.1.2 F5G網絡建設方案

F5G是固定網絡發展到第五代即千兆光網，中國電信落實國家發展千兆行業應用和發展工業互聯網的戰略布局，將PON技術引入工廠內網，面向工業客戶提供滿足工業可靠性、低成本、廣連接需求的光網底座，稱之為“工業PON”。工業PON網絡幫助工業企業構建云網融合的光網架構，滿足海量連接、低時延、大帶寬等工業連接需求，解決工業數據互聯互通，并融合邊緣計算、AI、大數據等技術，實現工業數據實時采集分析，為智慧化生產管理提供決策依據，已經在工業場景下廣泛應用。

方案概述：針對3C行業生產，有SMT線、整機裝配線、整機測試線、整機包裝線等多工序和人、機、料、法、環等多數據源，F5G網絡提供具備抗干擾能力、高可靠性、確定性時延能力的低成本接入能力，用于承載區域內固定設備接入。

方案特點：

·高可靠（99.99%）、低時延（10~20ms）的光纖傳輸。

·支持與工廠生產系統和邊緣計算設備的融合。

·支持對接入工業PON網絡設備的認證和數據傳輸過程中采用加密算法等物理安全防護能力。

·根據現場的需求，具備靈活的可擴展能力。

2.1.3 基于工業PON的產線數采

方案描述：工業PON網絡來承載表面組裝技術（Surface Mount Technology，SMT）產線數采需求，同樣采用通過Web服務器采集近實時數據的方案實施。

方案架構：采用工業PON網絡通信技術，通過生產線部署光網絡單元（Optical Network Unit，ONU）設備與邊緣數據采集終端連接，實現SMT產線設備高可靠、低時延數采。

本方案采用設備現場部署邊緣數據采集終端，并通過網線直連ONU設備，再向上連接到工廠機房部署的光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設備，實現按需規劃數據本地分流和出工廠到外網及工業平臺。

邊緣數采終端具備有邊緣計算功能，可以設定對應的算法模型來針對采集數據進行數據解析、轉換、過濾、匯聚等一系列數據處理動作，實現在網絡中設備邊緣側數據的預處理，從而減輕服務器端的壓力，達到快速處理響應的目的。

組網架構如圖7所示。

圖7 基于工業PON的產線數采組網架構圖

2.1.4 基于工業PON的設備連接

方案描述：工業PON網絡來承載固定設備接入，工業PON網關提供RS232/485、以太口、光口、POTS口等主流接口滿足多類型固定設備聯網。

方案架構：基于工業PON網絡用于承載該場景下固定設備接入，如工業設備、辦公電腦、辦公電話、智能攝像頭等，通過切片采用虛擬專網的方式分別承載生產網、辦公網、安防網。針對核心生產數據通過OLT以后駐留在工廠內，做到數據不出廠。針對需要連接Internet或者工業互聯網平臺的數據，通過OLT經過交換機和防火墻利用工廠外網進行連接，工廠外網采用CN2企業專線或者SD-WAN專線等根據實際情況來進一步選擇。

組網架構如圖8所示。

圖8 基于工業PON的設備連接組網架構圖

2.2 任務二：基于5G智能工廠的網絡前沿技術研究

2.2.1 5G-F5G融合關鍵技術研究

基于F5G和5G的技術融合，由工業PON與5G構建雙千兆工業網絡底座，滿足3C行業智能制造場景的多類型終端可靠、穩定、便捷的接入需求。F5G可提供抗干擾的穩定光纖聯接，與5G網絡形成互補，實現5G網絡回傳，協同構建全聯結力網絡。如圖9所示。

圖9 工業PON+5G融合部署架構示意圖

融合部署架構中，工業PON網絡需要5G小基站提供時間同步功能，從而滿足小基站高精度時間要求。利用網絡時間同步方式（IEEE 1588），將網絡側時間通過PON網絡中OLT、CBU等設備同步到5G小基站。如圖10所示。

圖10 工業PON提供網絡同步功能示意圖

融合組網情況下，需要通過AGF功能，實現工業PON網絡中支持5G功能的ONU設備和用于工廠網絡的5G核心網進行協同。需要研究AGF邏輯網元的功能和接口等關鍵技術，確保工業PON網絡和5G網絡的融合協同。如圖11所示。

圖11 工業PON和5G系統系統的AGF邏輯功能位置示意圖

2.2.2 5G確定性網絡技術研究

TSN為以太網協議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網數據通訊的時間確定性的同時，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能性。TSN由以下三部分技術標準構成：

?時鐘同步：IEEE 802.1AS

?數據流調度策略（即整形器）：IEEE 802.1Qav

?網絡配置與資源管理：IEEE 802.1Qcc

根據場景的不同，可通過TSN的時間同步和異步兩種方式對工業流量進行調度，實現網絡運維效率和網絡傳輸質量的最佳平衡。通過TSN輔助參數（包括周期性、流方向、流的到達時間），輔助無線資源預留，確保5G系統的時間同步+時鐘偏移消除。

2.2.3 5G可視化平臺

開發5G可視化平臺滿足：

（1）統一平臺：切片、專線和園區等多場景的運營管理可持續沉淀資產、可靈活擴展場景；

（2）業務開通：能夠靈活應對企業各類業務的產商品組合，實現一站式&快速敏捷開通；

（3）可視可管：面向不同行業的技術要求，為企業提供可視可管SLA保障能力；

（4）能力開放：開放網絡能力，使能業務運營和第三方應用。

2.2.4 5G切片服務平臺

開發5G切片服務平臺滿足：

（1）5G ToB切片運營：建設5G ToB切片運營使能中心和5G行業商城及自服務門戶，實現5G專網業務敏捷運營、靈活擴展、迭代創新；

（2）5G ToB切片編排與開放：靈活編排切片能力，滿足不同業務場景的技術要求；

（3）ToB業務可視可管：構建租戶級業務管理能力，業務性能看得到，業務問題可定界。

2.2.5 5G網絡信息安全

5G安全既包括由終端和網絡組成的5G網絡本身通信安全，也包括5G網絡承載的上層應用安全。移動通信網絡標準在設計之初，就充分考慮了網絡的可靠性和安全性，經過全球通信行業幾十年的共同努力，移動通信網絡安全架構日臻完善。

5G繼承了4G網絡分層分域的安全架構，分為傳送層、歸屬層/服務層和應用層，各層間相互隔離；在安全分域方面，5G安全框架分為接入域安全、網絡域安全、用戶域安全、應用域安全、服務域安全、安全可視化和配置安全六個域，與4G網絡安全架構相比，增加了服務域安全。5G提供了比4G更強的安全能力，包括：

（1）服務域安全：針對5G全新服務化架構帶來的安全風險，5G采用完善的服務注冊、發現、授權安全機制及安全協議來保障服務域安全。

（2）增強的用戶隱私保護：5G網絡使用加密方式傳送用戶身份標識，以防范攻擊者利用空中接口明文傳送用戶身份標識來非法追蹤用戶的位置和信息。

（3）增強的完整性保護：在4G空中接口用戶面數據加密保護的基礎上，5G網絡進一步支持用戶面數據的完整性保護，以防范用戶面數據被篡改。

（4）增強的網間漫游安全：5G網絡提供了網絡運營商網間信令的端到端保護，防范以中間人攻擊方式獲取運營商網間的敏感數據。

（5）統一認證框架：4G網絡不同接入技術采用不同的認證方式和流程，難以保障異構網絡切換時認證流程的連續性。5G采用統一認證框架，能夠融合不同制式的多種接入認證方式。

綜上，5G針對服務化架構、隱私保護、認證授權等安全方面的增強需求，提供了標準化的解決方案和更強的安全保障機制。

3 代表性及推廣價值

隨著智能制造的發展，自動化、信息化、智能化等技術滲透到制造業生產過程的各個環節，從工業現場的傳感器、設備到制造生產過程中的各個信息系統（如制造執行管理系統、生產監控系統、設備運行維護系統、產品質量檢測系統、能耗管理系統等），均會產生大量不同結構類型的數據。支撐3C數字化智能制造模式，核心是數據，數據的互聯互通以及數據標準，制約智能化發展進程；同時3C行業生產有SMT線、整機裝配線、整機測試線、整機包裝線等多工序和人、機、料、法、環等多數據源，數據來源渠道具有多樣性，產生數據多源性；數據分布、類型、稀疏性等產生數據異構性。當前多源異構的生產數據，給3C數字化智能制造模式帶來阻礙。

在多源異構數據背景下，構建小米未來智能工廠，如何實現數據融合，形成統一數據模型構建亟待解決。因此研究3C行業的整體數據融合技術體系，是實現3C行業數字化的前提和保障，對構建未來3C智能工廠，引領3C產業先進制造模式具有重要意義。同時針對傳統網絡“盡力而為”的服務能力無法滿足工業互聯網高質量穩定網絡要求，對移動網絡具有多維度、差異化能力需求，如時延確定、連接確定等可靠性要求，并且在需要提供抗干擾能力、高可靠性、確定性時延能力的特定場景，以及區域性、固定性等小米工廠特定的場景中，5G存在一定的局限性，急需引入新技術來解決智能化工廠現存問題。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊