★中國聯(lián)通研究院韓政鑫，賈學琴，黃蓉，林晨，史可

1   概述

移動通信服務由消費互聯(lián)網(wǎng)邁入產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，5G網(wǎng)絡業(yè)務從面向公眾用戶為主向垂直行業(yè)拓展^［1］，隨著行業(yè)數(shù)字化浪潮的推動，結(jié)合云計算、AI、視覺、傳感等應用技術(shù)，垂直行業(yè)的多個環(huán)節(jié)將涌現(xiàn)出一系列新的業(yè)務場景，對網(wǎng)絡的需求向低時延、高可靠性、融合性、確定性升級，移動網(wǎng)絡與行業(yè)業(yè)務深度融合，帶來全新的發(fā)展機遇。

5G確定性網(wǎng)絡（5G Deterministic Networking，5GDN ）是指利用5G網(wǎng)絡資源打造可預期、可規(guī)劃、可驗證、有確定性能力的移動專網(wǎng)，提供差異化+確定性的業(yè)務體驗^［2］。相對于傳統(tǒng)“盡力而為”的公眾網(wǎng)絡，5G確定性網(wǎng)絡通過疊加使用一些網(wǎng)絡新技術(shù)來提升和保障網(wǎng)絡的質(zhì)量，在復雜多業(yè)務接入和高效傳輸?shù)那闆r下，提供端到端確定性的網(wǎng)絡服務，滿足一些行業(yè)應用對網(wǎng)絡的嚴苛要求。 確定性網(wǎng)絡中的“確定性”特性包括：時延確定性（時延上限）、抖動確定性（抖動上限）、丟包確定性（丟包上限）、帶寬確定性（帶寬上下限）、高可靠性（可靠性下限）、定位確定性（精度保障）、 安全隔離等。

2　確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)動態(tài)

現(xiàn)有多個通信標準組織及聯(lián)盟機構(gòu)已開展確定性網(wǎng)絡技術(shù)研究及應用推廣^[11]，包括：3GPP、IEEE、 IETF、ITU、中國通信標準化協(xié)會（CCSA）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（AII）、5G確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 （5GDNA）等，本節(jié)將簡要介紹一些組織研究情況。 

2.1　3GPP  

3GPP R16針對URLLC、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)能力進行拓展，多業(yè)務/信道并發(fā)時，明確數(shù)據(jù)搶占和排隊機制，保障URLLC業(yè)務；首次引入了5G+TSN融合架構(gòu)，5G作為TSN的透明邏輯橋，通過終端側(cè)DS-TT及核心網(wǎng)側(cè)NW-TT支持TSN標準，實現(xiàn)確定性轉(zhuǎn)發(fā)^[3]。 

R17持續(xù)開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目的研究，進一步完善支持IEEE TSN協(xié)議的5G網(wǎng)絡系統(tǒng)、授時機制、TSCAI參數(shù)等，以及借鑒TSN技術(shù)增強網(wǎng)絡內(nèi)生確定性，確立5G系統(tǒng)的確定性機制并進行標準化。R18將面向更加廣域、更高性能確定性增強。

2.2　IETF 

IETF 2015年成立了確定性網(wǎng)絡（Deterministic  Networking，DetNet）工作組，專注于網(wǎng)絡層和上層之間的廣域網(wǎng)確定性技術(shù)，在二層橋接和三層路由上實現(xiàn)確定的傳輸路由，以實現(xiàn)在ip網(wǎng)絡上從盡力而為到準時準確快速，減少端到端的時延。工作組與負責第2層操作的IEEE802.1時間敏感網(wǎng)絡（TSN）合作^［4］，為第2層和第3層定義通用的體系架構(gòu)，尚處于場景/需求/架構(gòu)前期研究和標準制定階段。

2.3 CCSA

中國通信標準化協(xié)會站在通信行業(yè)角度，開展確定性網(wǎng)絡相關(guān)的標準化研究工作，目前研制的通信行業(yè)標準包括《超高精度時間同步接口要求》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡集中網(wǎng)絡配置技術(shù)要求》等，并行推動數(shù)項研究課題包括《新一代無線網(wǎng)絡確定性技術(shù)研究》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)確定性網(wǎng)絡端到端技術(shù)協(xié)同研究》等。

2.4 AII

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界，梳理行業(yè)網(wǎng)絡需求及應用場景，已發(fā)布《5G+TSN融合部署場景及技術(shù)發(fā)展白皮書》《車載TSN白皮書》，正在研制《TSN控制管理白皮書》《電力行業(yè)確定性網(wǎng)絡白皮書》，電力、鋼鐵等行業(yè)客戶也積極參與探討確定性網(wǎng)絡應用。

2.5 5GDNA

5G確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟旨在匯聚產(chǎn)業(yè)界力量，共建5G確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)生態(tài)，致力于推進5G確定性網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前已發(fā)布《5G確定性網(wǎng)絡架構(gòu)產(chǎn)業(yè)白皮書》《5G確定性網(wǎng)絡+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合》《5G確定性網(wǎng)絡@電力系列白皮書》等多項白皮書。

3  5G確定性網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)介紹5G確定性網(wǎng)絡的一些關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)通常根據(jù)實際組網(wǎng)及業(yè)務需求，可進行選擇性使用或者組合使用，以增強5G網(wǎng)絡確定性能力，為工業(yè)企業(yè)提供高質(zhì)量網(wǎng)絡服務。

3.1精準時間同步技術(shù)

端到端高精度時間同步是網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)同調(diào)度和保障網(wǎng)絡確定性的基礎(chǔ)，基于5G網(wǎng)絡的精準時間同步，依靠無線基站發(fā)送的同步信號和時間信息，通過特定的接口協(xié)議發(fā)送給行業(yè)終端使用，可滿足行業(yè)終端1μs的時間同步需求，相比現(xiàn)有的GNSS授時技術(shù)和有線網(wǎng)絡授時技術(shù)，具有時鐘源穩(wěn)定、無縫覆蓋，以及終端的授時模塊與通信模塊合一的優(yōu)點。

3.2 URLLC技術(shù)

無線空口的時延受環(huán)境影響較大，是5G網(wǎng)絡傳輸過程中最容易出現(xiàn)抖動的部分，5G網(wǎng)絡可憑借Mini-Slot、上行免授權(quán)調(diào)度、DCI壓縮等URLLC關(guān)鍵技術(shù)，通過短時隙和通道優(yōu)先搶占的機制，為無線空口提供更低的時延保障，在5G定義的超高可靠超低時延的業(yè)務場景下，網(wǎng)絡性能空口時延理論值可縮短到1ms^［3］。

3.3 5G+TSN時間敏感網(wǎng)絡

TSN作為工業(yè)4.0的演進方向，可滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對確定性傳輸和協(xié)議統(tǒng)一的訴求，是面向未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等高可靠性、低時延應用的關(guān)鍵網(wǎng)絡技術(shù)^［9］。5G與TSN網(wǎng)絡低時延、高可靠特性具有天然融合優(yōu)勢，發(fā)揮5G靈活性和TSN極低延遲性^［12］，構(gòu)建端到端確定性網(wǎng)絡，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

3GPPR16定義了5G系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡融合橋接的基本架構(gòu)，如圖1所示。對于TSN網(wǎng)絡，5G系統(tǒng)被視為一個TSN網(wǎng)橋設(shè)備進行透明傳輸，只有位于5G系統(tǒng)邊緣的TSN轉(zhuǎn)換器（TT）需要支持IEEE802.1AS協(xié)議規(guī)范。 

圖1 5G+TSN融合架構(gòu)^［3］

3.4MEC邊緣計算

通過UPF下沉+MEC降低業(yè)務時延，MEC是一個邊緣云平臺，通過與5G網(wǎng)絡結(jié)合（UPF是結(jié)合點），提供一種新的網(wǎng)絡架構(gòu)，將移動接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務深度融合。利用本地分流減少網(wǎng)絡延時，節(jié)約帶寬資源，可在MEC上集成第三方應用將計算能力下沉到網(wǎng)絡邊緣，降低業(yè)務總體響應時長，滿足用戶業(yè)務體驗需求。MEC在網(wǎng)絡中的部署位置及時延如圖2所示。

圖2 MEC部署位置及時延

3.5 5GLAN

5G LAN基于5G移動性、遠距離接入、高性能和安全性等優(yōu)勢，提供類似工業(yè)局域網(wǎng)的服務°3GPPR16定義了5G LAN技術(shù)，5G LAN能夠提供L3層VPN服務(IP轉(zhuǎn)發(fā))，以及L2層LAN服務(Ethernet局域網(wǎng)二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡)，支持單播/組播/廣播業(yè)務，支持VLAN隔離等關(guān)鍵能力^［5］。如圖3所示。 

圖3 5G LAN

工業(yè)5G終端通過UPF實現(xiàn)設(shè)備間直接通信，不必再經(jīng)過外部數(shù)據(jù)網(wǎng)(PDN)中轉(zhuǎn)，大幅降低了組網(wǎng)復雜性及行業(yè)終端間通信時延，可作為當前局域網(wǎng)的增強或替代，解決行業(yè)私有網(wǎng)絡可靠性、性能問題。

3.6增強上行

由于公眾網(wǎng)絡下行流量需求遠大于上行流量，因此在網(wǎng)絡設(shè)計時通常讓下行占用更多資源，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務以各類實時的數(shù)據(jù)采集、感知和視頻類信息回傳為主，對網(wǎng)絡上行容量有更高的要求。5G網(wǎng)絡可以通過雙連接（E-UTRA-NR Dual Connectivity，EN-DC）、載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、超級上行補充載波（Supplementary Uplink，SUL）、靈活時隙配比、5G毫米波等技術(shù)來提高網(wǎng)絡覆蓋能力^［6］，增強上行容量，提供可保障的大帶寬。

3.7網(wǎng)絡切片

通過網(wǎng)絡切片實現(xiàn)業(yè)務隔離保障，端到端網(wǎng)絡切片包括接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)切片，不同切片間資源安全隔離，可根據(jù)業(yè)務場景的隔離需求和成本要求，選擇不同的切片隔離技術(shù)。如接入網(wǎng)可使用專用頻率隔離、RB資源預留以及QoS動態(tài)調(diào)度的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡切片；承載網(wǎng)可使用FlexE接口隔離和MTN交叉隔離等硬隔離方案，基于VPN+QoS調(diào)度隔離的方式；核心網(wǎng)可使用硬件資源物理隔離、虛擬資源池隔離、網(wǎng)元功能不同程度的共享/獨占的方式。

3.8高可靠技術(shù)

5G網(wǎng)絡可通過鏈路冗余，多傳輸鏈路備份，防止網(wǎng)絡故障、丟包等異常導致的業(yè)務中斷，提升端到端的用戶面數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕W(wǎng)絡冗余包括：基于雙PDU會話的終端和業(yè)務對端雙鏈路冗余，基于單PDU會話的回傳網(wǎng)雙鏈路冗余，基于單終端雙UE冗余。

4  5G確定性網(wǎng)絡在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用需求

工業(yè)領(lǐng)域存在多樣化的與生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務應用，一些業(yè)務場景對網(wǎng)絡要求嚴苛，根據(jù)對網(wǎng)絡的需求，5G確定性網(wǎng)絡業(yè)務場景可大致分為四類：基于高清視頻智能化應用、低時延控制類應用、設(shè)備能源管理類、融合通信類應用。

4.1基于高清視頻智能化應用

在工業(yè)園區(qū)/工廠部署高清攝像頭，將采集到高清視頻/圖像實時回傳到云端服務器，結(jié)合后臺人工智能技術(shù)及智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域基于高清視頻/圖像的業(yè)務應用場景。

該類業(yè)務應用的特點為高清視頻/圖像分辨率高，傳輸速率高，要滿足無損、無卡頓、實時穩(wěn)定回傳及查看，需要通信網(wǎng)絡具備可保障的上下行大帶寬、低丟包率、高可靠特性^［15］。典型業(yè)務應用如智能監(jiān)控、機器視覺質(zhì)檢、AR輔助作業(yè)等。

4.2低時延控制類應用

工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中^［7］，通過PLC、變頻器、伺服電機、工控機等工業(yè)控制設(shè)備，對機器臂、AGV小車、機床、行車等現(xiàn)場設(shè)備進行周期性自動化控制、遠程控制，以及多個機器人之間的協(xié)同作業(yè)，降低人力成本提高作業(yè)效率，需要對控制指令進行上傳下達，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域低時延控制類應用。

該類業(yè)務應用的特點包括控制類信號為小數(shù)據(jù)包、可靠性及時延要求嚴苛，端側(cè)設(shè)備以PLC為主，多為各自動化設(shè)備廠家工業(yè)以太網(wǎng)私有協(xié)議，需要通信網(wǎng)絡具備高可靠性、低時延低抖動、QoS保障特性^［8］。典型的業(yè)務應用如產(chǎn)線自動裝配、AGV自動化搬運、吊車遠程控制、鋼鐵焦化四大車遠程協(xié)同控制、機械臂協(xié)同裝配等。

4.3設(shè)備能源管理類應用

工業(yè)場景中存在大量的傳感器及物聯(lián)網(wǎng)終端，通過傳感器采集工業(yè)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境、能源儀表數(shù)據(jù)，按時上傳至設(shè)備/能源平臺進行監(jiān)管，實現(xiàn)基于海量連接的工業(yè)設(shè)備、能源管理類應用場景。

該類業(yè)務應用的特點為設(shè)備連接量大、傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗低、周期性采集為主，部分例如差動保護類時延及抖動要求高，需要通信網(wǎng)絡具備大容量、高可用性、低時延低抖動特性。典型的業(yè)務應用如智能抄表、智能檢測、配網(wǎng)智能保護。

4.4融合通信類應用

工業(yè)企業(yè)為實現(xiàn)各種業(yè)務的應用，園區(qū)建設(shè)了多種制式的通信網(wǎng)絡，存在互通性差、維護升級難等問題，可通過一張高性能網(wǎng)絡綜合承載各類業(yè)務，提升網(wǎng)絡能力，實現(xiàn)融合通信，節(jié)省網(wǎng)絡投資及后期運維成本。

該類業(yè)務應用的特點為多業(yè)務在一張網(wǎng)絡的統(tǒng)一承載，存在多種終端接入方式，不同業(yè)務之間有隔離要求，對網(wǎng)絡性能有差異化需求。需要通信網(wǎng)絡具備高可靠性、業(yè)務隔離、多業(yè)務綜合承載、按需提供差異化網(wǎng)絡服務特性。典型業(yè)務場景如生產(chǎn)網(wǎng)絡、人員通信網(wǎng)絡、辦公網(wǎng)絡的統(tǒng)一承載。

5  5G確定性網(wǎng)絡與工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡的融合

5G無線網(wǎng)絡具備靈活部署、深度覆蓋、持續(xù)演進的優(yōu)勢，強大的承載能力以及增強的網(wǎng)絡確定性能力保障，為工業(yè)行業(yè)提供一種熱門的網(wǎng)絡可選方案迴。

一方面，5G確定性網(wǎng)絡作為工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡的補充，初期在豐富數(shù)據(jù)采集手段和行業(yè)應用場景，降低成本，提高可靠性方面提供網(wǎng)絡支持，隨著人工智能、AR/VR、傳感等技術(shù)的發(fā)展，通過5G確定性網(wǎng)絡增強工業(yè)信息交互，基于工業(yè)大數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)的科學決策能力，逐步實現(xiàn)全連接智慧化工廠。

另一方面伴隨5G確定性網(wǎng)絡滲透以及確定性技術(shù)的應用，5G網(wǎng)絡與生產(chǎn)網(wǎng)絡集成，5G確定性網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡融合、互為補充，深入工業(yè)核心業(yè)務應用，一定程度替代多種制式的網(wǎng)絡，形成統(tǒng)一的承載網(wǎng)絡，簡化工業(yè)企業(yè)組網(wǎng)拓撲，降低運維成本，為數(shù)據(jù)互通、統(tǒng)一管理提供強有力支撐。

5G確定性網(wǎng)絡與生產(chǎn)網(wǎng)絡融合部署方案主要包括以下兩種：

（1）部署獨立的5G網(wǎng)絡提供工業(yè)以太網(wǎng)服務

傳感器、執(zhí)行器、控制器直接通過5G網(wǎng)絡用戶側(cè)端設(shè)備（如CPE.5G網(wǎng)關(guān)、5GUE）連接至5G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換^[13]可以通過集成多個5G基站來滿足工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡的無線覆蓋要求，如圖4所示。這種方式改造代價高，與現(xiàn)有網(wǎng)絡互操作性非常有限且應用場景局限，適用于一些布線覆蓋困難的工業(yè)場景以及工業(yè)5G智能終端的通信。

圖4 獨立部署5G網(wǎng)絡

（2）5G網(wǎng)絡透傳與工業(yè)以太網(wǎng)絡集成

5G網(wǎng)絡將被有線網(wǎng)絡視為以太網(wǎng)橋和鏈路^［14］氣利用5G網(wǎng)絡靈活部署的優(yōu)勢替換部分鏈路工業(yè)以太網(wǎng)絡，實現(xiàn)與有線網(wǎng)絡的互為補充以及無縫互操作性，是現(xiàn)階段使用較多且普遍被接受的方式，這種方法的挑戰(zhàn)是確?？刂茖雍陀脩羝矫鎸又g的交互，典型的例如3GPPR16中定義的5G+TSN橋接方案。此外，一個5G網(wǎng)絡可以服務多個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡，例如通過VLAN,這些網(wǎng)絡在邏輯上是隔離的，因此在QoS和隱私方面是隔離的。如圖5所示。 

圖5 5G網(wǎng)絡與工業(yè)以太網(wǎng)集成

此外,5G確定性網(wǎng)絡與現(xiàn)有工業(yè)通信網(wǎng)絡融合時，用戶平面功能（UPF）的部署實現(xiàn)至關(guān)重要^［14］,因為UPF是錨點，是用戶數(shù)據(jù)進入和退出5G網(wǎng)絡到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的邏輯和物理實體。

UPF可以部署在運營商公共網(wǎng)絡域，與3GPP中定義的PNI-NPN一致，優(yōu)點是改造成本相對較低便于運維，但是會引入一些時延、可用性價值問題，防火墻配置復雜度會有所增加，適用于遠程運維、資產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等對時延、可靠性要求不嚴苛的場景。

UPF也可以下沉部署在工業(yè)企業(yè)，與3GPP中定義的SNPN的一致，如部署在公司的IT域或者OT生產(chǎn)域，成本高、運維困難，需要5G網(wǎng)絡域與工業(yè)企業(yè)的IT/OT設(shè)施緊密耦合，優(yōu)點是時延和可靠性更優(yōu)，工業(yè)企業(yè)擁有更多的可控性，適用于對時延和可靠性要求嚴苛的閉環(huán)控制、強安全類等應用。

6  結(jié)束語

隨著5G新業(yè)務場景的拓展，以及試點應用的規(guī)?；逃?，5G業(yè)務類型和業(yè)務量激增，需要5G網(wǎng)絡提供多業(yè)務共存下端到端網(wǎng)絡質(zhì)量保障，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點關(guān)注的網(wǎng)絡確定性上，將不斷通過新技術(shù)的研究探索，增強網(wǎng)絡自身的確定性，分階段逐步滿足工業(yè)行業(yè)應用要求，助力5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的成熟和規(guī)?；逃?。

作者簡介：

韓政鑫（1994-）,女，河南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事移動網(wǎng)絡、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)專網(wǎng)相關(guān)研究工作。

賈雪琴（1979-），女，湖南人，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識、區(qū)塊鏈研究和標準化工作。

黃蓉（1986-），女，四川人，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事無線通信和邊緣計算相關(guān)技術(shù)研究及標準化工作。

林晨（1981-），男，浙江人，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識、區(qū)塊鏈研究。

史可（1992-），女，北京人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事區(qū)塊鏈、確定性身份研究工作。

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摘自《自動化博覽》2022年第三期