中國電信股份有限公司北京分公司

1 目標(biāo)和概述

建設(shè)智能產(chǎn)線是3C行業(yè)提質(zhì)增效的關(guān)鍵。智能生產(chǎn)線通過工廠物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)工廠全要素感知；通過“感知-分析-執(zhí)行控制-學(xué)習(xí)”的閉環(huán)，提升裝備和工藝智能；通過信息集成和流程集成，實現(xiàn)計劃-執(zhí)行-物流-質(zhì)量-設(shè)備-人力的綜合管控；通過虛實融合的數(shù)字孿生工廠，實現(xiàn)對物理工廠運營的優(yōu)化和決策支持；從設(shè)備/工藝柔性、動態(tài)調(diào)度、工廠重構(gòu)等幾個層面，提升工廠的適應(yīng)性；通過大數(shù)據(jù)方法挖掘數(shù)據(jù)價值，提升工廠智能化。

2 方案介紹

本項目中北京電信承擔(dān)“3C行業(yè)智能制造5G-F5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”的研究工作，該方案含兩項任務(wù)：

2.1 任務(wù)一：基于MEC的5G固移融合高可靠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1.1 6條產(chǎn)線高可靠5G定制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

（1）超級上行技術(shù)

超級上行技術(shù)通過將上行數(shù)據(jù)分時在Sub-3G頻譜和C-Band頻譜上發(fā)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(shù)據(jù)發(fā)送；在C-Band下行時隙，使用空閑的Sub-3G頻譜補充進行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，實現(xiàn)上行數(shù)據(jù)可以在全時隙發(fā)送。5G基站支持超級上行驗證，也支持上下行解耦的驗證，現(xiàn)網(wǎng)超級上行性能測試驗證中，可實現(xiàn)上行速率達到240Mbps。

（2）300M載波聚合技術(shù)

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(xù)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(yè)務(wù)傳輸速率，通過載波聚合技術(shù)（Carrier Aggregation，CA），將多個連續(xù)或非連續(xù)的載波（Component Carrier，CC）聚合成更大的帶寬，以滿足業(yè)務(wù)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(xié)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(wǎng)架構(gòu)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(yù)留，打造低成本無線硬切片，如圖2所示。

圖2 PRB預(yù)留

?按切片組設(shè)置PRB預(yù)留比例，閥值在1%~100%之間；

?支持5種PRB資源調(diào)度模式，按獨占、優(yōu)先、正常劃分；

?無需投資建設(shè)獨立的硬件，即可實現(xiàn)無線硬切片；

?PRB預(yù)留比例軟件可調(diào)，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(qū)間的干擾，提升邊緣用戶速率，分布式Massive MIMO將多個4T4R（4發(fā)4收）射頻合路組合并為一個邏輯小區(qū)，通過集中調(diào)度、多天線聯(lián)合收發(fā)，消除了原小區(qū)之間的干擾，實現(xiàn)用戶的Cell Free一致性體驗。

分布式Massive MIMO小區(qū)的傳輸接收點（Transmission Reception Point，TRP）交疊區(qū)域，多個4T4R pRRU聯(lián)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(diào)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(qū)通過MU-MIMO技術(shù)支持多用戶空分復(fù)用、可以顯著提升小區(qū)上下行容量和頻譜效率。每個區(qū)域內(nèi)用戶可以實現(xiàn)NTNR，小區(qū)容量為各個區(qū)域之和。

（5）99.99%高可靠性5G網(wǎng)絡(luò)保障機制網(wǎng)絡(luò)可靠性要求單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的可用性為99.99%，可通過一系列5G傳輸網(wǎng)絡(luò)的高可靠性保障機制：

·終端和業(yè)務(wù)對端雙鏈路（如圖4所示）

圖4 終端和業(yè)務(wù)對端雙鏈路

終端的網(wǎng)絡(luò)層支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制和冗余鏈路建立及傳輸，網(wǎng)絡(luò)對端網(wǎng)絡(luò)層支持冗余消除。

終端用特殊的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Networks，DNN）建立兩個協(xié)議數(shù)據(jù)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(xù)將UPF2的會話遷移到輔基站。

·基站與核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)間雙份數(shù)據(jù)復(fù)制和傳輸（如圖5所示）

圖5 基站與核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)間數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸

基站和網(wǎng)關(guān)都支持?jǐn)?shù)據(jù)包的復(fù)制和刪除，復(fù)制的數(shù)據(jù)包使用相同的序號；建立支持冗余的傳輸隧道，基站和網(wǎng)在傳輸層異路徑傳輸。

·在核心網(wǎng)側(cè)部署邊緣UPF和核心UPF，做主備導(dǎo)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(yè)務(wù)倒換。在邊緣UPF斷連后，核心UPF能夠自動接管邊緣區(qū)域內(nèi)的所有用戶業(yè)務(wù)。

·構(gòu)建全下沉邊緣MEC，云邊協(xié)同備份保障

為滿足客戶本地化部署、數(shù)據(jù)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(chǔ)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(yīng)用部署及數(shù)據(jù)存儲均可按需部署在客戶本地，可實現(xiàn)快速、靈活的邊緣節(jié)點集成交付；支持與集約MEC業(yè)務(wù)管理平臺對接，實現(xiàn)統(tǒng)一的納管運維服務(wù)。如圖6所示。

圖6 一體化MEC解決方案

本項目擬在客戶園區(qū)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(wǎng)絡(luò)接入，滿足企業(yè)統(tǒng)一通信需求。此外還支持云邊協(xié)同，支持云邊之間通過高品質(zhì)專線連接，實現(xiàn)邊緣云與天翼云協(xié)同雙備份。

最終從無線、承載、核心網(wǎng)、云邊側(cè)實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)可靠性在99.99%。

2.1.2 F5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

F5G是固定網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到第五代即千兆光網(wǎng)，中國電信落實國家發(fā)展千兆行業(yè)應(yīng)用和發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略布局，將PON技術(shù)引入工廠內(nèi)網(wǎng)，面向工業(yè)客戶提供滿足工業(yè)可靠性、低成本、廣連接需求的光網(wǎng)底座，稱之為“工業(yè)PON”。工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)幫助工業(yè)企業(yè)構(gòu)建云網(wǎng)融合的光網(wǎng)架構(gòu)，滿足海量連接、低時延、大帶寬等工業(yè)連接需求，解決工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并融合邊緣計算、AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)實時采集分析，為智慧化生產(chǎn)管理提供決策依據(jù)，已經(jīng)在工業(yè)場景下廣泛應(yīng)用。

方案概述：針對3C行業(yè)生產(chǎn)，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(huán)等多數(shù)據(jù)源，F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)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(qū)域內(nèi)固定設(shè)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(chǎn)系統(tǒng)和邊緣計算設(shè)備的融合。

·支持對接入工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的認(rèn)證和數(shù)據(jù)傳輸過程中采用加密算法等物理安全防護能力。

·根據(jù)現(xiàn)場的需求，具備靈活的可擴展能力。

2.1.3 基于工業(yè)PON的產(chǎn)線數(shù)采

方案描述：工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)來承載表面組裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT）產(chǎn)線數(shù)采需求，同樣采用通過Web服務(wù)器采集近實時數(shù)據(jù)的方案實施。

方案架構(gòu)：采用工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過生產(chǎn)線部署光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit，ONU）設(shè)備與邊緣數(shù)據(jù)采集終端連接，實現(xiàn)SMT產(chǎn)線設(shè)備高可靠、低時延數(shù)采。

本方案采用設(shè)備現(xiàn)場部署邊緣數(shù)據(jù)采集終端，并通過網(wǎng)線直連ONU設(shè)備，再向上連接到工廠機房部署的光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設(shè)備，實現(xiàn)按需規(guī)劃數(shù)據(jù)本地分流和出工廠到外網(wǎng)及工業(yè)平臺。

邊緣數(shù)采終端具備有邊緣計算功能，可以設(shè)定對應(yīng)的算法模型來針對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析、轉(zhuǎn)換、過濾、匯聚等一系列數(shù)據(jù)處理動作，實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備邊緣側(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，從而減輕服務(wù)器端的壓力，達到快速處理響應(yīng)的目的。

組網(wǎng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 基于工業(yè)PON的產(chǎn)線數(shù)采組網(wǎng)架構(gòu)圖

2.1.4 基于工業(yè)PON的設(shè)備連接

方案描述：工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)來承載固定設(shè)備接入，工業(yè)PON網(wǎng)關(guān)提供RS232/485、以太口、光口、POTS口等主流接口滿足多類型固定設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

方案架構(gòu)：基于工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)用于承載該場景下固定設(shè)備接入，如工業(yè)設(shè)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(wǎng)的方式分別承載生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)。針對核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過OLT以后駐留在工廠內(nèi)，做到數(shù)據(jù)不出廠。針對需要連接Internet或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)，通過OLT經(jīng)過交換機和防火墻利用工廠外網(wǎng)進行連接，工廠外網(wǎng)采用CN2企業(yè)專線或者SD-WAN專線等根據(jù)實際情況來進一步選擇。

組網(wǎng)架構(gòu)如圖8所示。

圖8 基于工業(yè)PON的設(shè)備連接組網(wǎng)架構(gòu)圖

2.2 任務(wù)二：基于5G智能工廠的網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)研究

2.2.1 5G-F5G融合關(guān)鍵技術(shù)研究

基于F5G和5G的技術(shù)融合，由工業(yè)PON與5G構(gòu)建雙千兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)底座，滿足3C行業(yè)智能制造場景的多類型終端可靠、穩(wěn)定、便捷的接入需求。F5G可提供抗干擾的穩(wěn)定光纖聯(lián)接，與5G網(wǎng)絡(luò)形成互補，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)回傳，協(xié)同構(gòu)建全聯(lián)結(jié)力網(wǎng)絡(luò)。如圖9所示。

圖9 工業(yè)PON+5G融合部署架構(gòu)示意圖

融合部署架構(gòu)中，工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)時間同步方式（IEEE 1588），將網(wǎng)絡(luò)側(cè)時間通過PON網(wǎng)絡(luò)中OLT、CBU等設(shè)備同步到5G小基站。如圖10所示。

圖10 工業(yè)PON提供網(wǎng)絡(luò)同步功能示意圖

融合組網(wǎng)情況下，需要通過AGF功能，實現(xiàn)工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)中支持5G功能的ONU設(shè)備和用于工廠網(wǎng)絡(luò)的5G核心網(wǎng)進行協(xié)同。需要研究AGF邏輯網(wǎng)元的功能和接口等關(guān)鍵技術(shù)，確保工業(yè)PON網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)的融合協(xié)同。如圖11所示。

圖11 工業(yè)PON和5G系統(tǒng)系統(tǒng)的AGF邏輯功能位置示意圖

2.2.2 5G確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

TSN為以太網(wǎng)協(xié)議的MAC層提供一套通用的時間敏感機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能性。TSN由以下三部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成：

?時鐘同步：IEEE 802.1AS

?數(shù)據(jù)流調(diào)度策略（即整形器）：IEEE 802.1Qav

?網(wǎng)絡(luò)配置與資源管理：IEEE 802.1Qcc

根據(jù)場景的不同，可通過TSN的時間同步和異步兩種方式對工業(yè)流量進行調(diào)度，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運維效率和網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的最佳平衡。通過TSN輔助參數(shù)（包括周期性、流方向、流的到達時間），輔助無線資源預(yù)留，確保5G系統(tǒng)的時間同步+時鐘偏移消除。

2.2.3 5G可視化平臺

開發(fā)5G可視化平臺滿足：

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

（2）業(yè)務(wù)開通：能夠靈活應(yīng)對企業(yè)各類業(yè)務(wù)的產(chǎn)商品組合，實現(xiàn)一站式&快速敏捷開通；

（3）可視可管：面向不同行業(yè)的技術(shù)要求，為企業(yè)提供可視可管SLA保障能力；

（4）能力開放：開放網(wǎng)絡(luò)能力，使能業(yè)務(wù)運營和第三方應(yīng)用。

2.2.4 5G切片服務(wù)平臺

開發(fā)5G切片服務(wù)平臺滿足：

（1）5G ToB切片運營：建設(shè)5G ToB切片運營使能中心和5G行業(yè)商城及自服務(wù)門戶，實現(xiàn)5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)敏捷運營、靈活擴展、迭代創(chuàng)新；

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

（3）ToB業(yè)務(wù)可視可管：構(gòu)建租戶級業(yè)務(wù)管理能力，業(yè)務(wù)性能看得到，業(yè)務(wù)問題可定界。

2.2.5 5G網(wǎng)絡(luò)信息安全

5G安全既包括由終端和網(wǎng)絡(luò)組成的5G網(wǎng)絡(luò)本身通信安全，也包括5G網(wǎng)絡(luò)承載的上層應(yīng)用安全。移動通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計之初，就充分考慮了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，經(jīng)過全球通信行業(yè)幾十年的共同努力，移動通信網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)日臻完善。

5G繼承了4G網(wǎng)絡(luò)分層分域的安全架構(gòu)，分為傳送層、歸屬層/服務(wù)層和應(yīng)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(wǎng)絡(luò)域安全、用戶域安全、應(yīng)用域安全、服務(wù)域安全、安全可視化和配置安全六個域，與4G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)相比，增加了服務(wù)域安全。5G提供了比4G更強的安全能力，包括：

（1）服務(wù)域安全：針對5G全新服務(wù)化架構(gòu)帶來的安全風(fēng)險，5G采用完善的服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)、授權(quán)安全機制及安全協(xié)議來保障服務(wù)域安全。

（2）增強的用戶隱私保護：5G網(wǎng)絡(luò)使用加密方式傳送用戶身份標(biāo)識，以防范攻擊者利用空中接口明文傳送用戶身份標(biāo)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(shù)據(jù)加密保護的基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)進一步支持用戶面數(shù)據(jù)的完整性保護，以防范用戶面數(shù)據(jù)被篡改。

（4）增強的網(wǎng)間漫游安全：5G網(wǎng)絡(luò)提供了網(wǎng)絡(luò)運營商網(wǎng)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(wǎng)間的敏感數(shù)據(jù)。

（5）統(tǒng)一認(rèn)證框架：4G網(wǎng)絡(luò)不同接入技術(shù)采用不同的認(rèn)證方式和流程，難以保障異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換時認(rèn)證流程的連續(xù)性。5G采用統(tǒng)一認(rèn)證框架，能夠融合不同制式的多種接入認(rèn)證方式。

綜上，5G針對服務(wù)化架構(gòu)、隱私保護、認(rèn)證授權(quán)等安全方面的增強需求，提供了標(biāo)準(zhǔn)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(fā)展，自動化、信息化、智能化等技術(shù)滲透到制造業(yè)生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，從工業(yè)現(xiàn)場的傳感器、設(shè)備到制造生產(chǎn)過程中的各個信息系統(tǒng)（如制造執(zhí)行管理系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備運行維護系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)等），均會產(chǎn)生大量不同結(jié)構(gòu)類型的數(shù)據(jù)。支撐3C數(shù)字化智能制造模式，核心是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制約智能化發(fā)展進程；同時3C行業(yè)生產(chǎn)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(huán)等多數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)來源渠道具有多樣性，產(chǎn)生數(shù)據(jù)多源性；數(shù)據(jù)分布、類型、稀疏性等產(chǎn)生數(shù)據(jù)異構(gòu)性。當(dāng)前多源異構(gòu)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，給3C數(shù)字化智能制造模式帶來阻礙。

在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)背景下，構(gòu)建小米未來智能工廠，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型構(gòu)建亟待解決。因此研究3C行業(yè)的整體數(shù)據(jù)融合技術(shù)體系，是實現(xiàn)3C行業(yè)數(shù)字化的前提和保障，對構(gòu)建未來3C智能工廠，引領(lǐng)3C產(chǎn)業(yè)先進制造模式具有重要意義。同時針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)“盡力而為”的服務(wù)能力無法滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)要求，對移動網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(shù)來解決智能化工廠現(xiàn)存問題。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊