2022基于5G蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案

5G概述背景化的重要一環(huán)。局限性。近些年無(wú)線解決方案逐漸增多，Wi-Fi、藍(lán)牙等近距通信無(wú)的工業(yè)傳輸需求。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)將從傳統(tǒng)以人為中心的服務(wù)拓展至以物為中心的服務(wù)。根據(jù)不同的傳輸需求，5G定義（eMB（uRLC）（mTC制。實(shí)施目標(biāo)5G5GOPC-UA5G可以快速調(diào)整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與管理水平。適用范圍5GeMBMCULLC表15G在制造業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景示例類(lèi)別應(yīng)用場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制例如：大型打印機(jī)，數(shù)控車(chē)床，包裝設(shè)備機(jī)器間控制多臺(tái)獨(dú)立機(jī)器間協(xié)作移動(dòng)面板（工業(yè)AR及監(jiān)控高清視頻，全高清視頻大規(guī)模連接各種傳感器連接等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、連接數(shù)多移動(dòng)機(jī)器人理5G蜂窩技術(shù)除了適用于上述工業(yè)設(shè)備間的通信，通過(guò)和OPC-UA的結(jié)合還適用于工廠的設(shè)備層、控制層和企業(yè)層之間的產(chǎn)系統(tǒng)，避免對(duì)生產(chǎn)造成的影響。5G需求分析

圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多種工業(yè)場(chǎng)景，以及單一工業(yè)場(chǎng)景的不5G下表列出了比較典型的工業(yè)應(yīng)用的傳輸需求：表2典型工業(yè)應(yīng)用的傳輸需求類(lèi)別傳輸需求運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求較高：傳輸時(shí)延小于5ms，傳輸抖動(dòng)為微秒級(jí)別；傳輸可靠性要求為99.9999%，數(shù)據(jù)包小于100字節(jié)。機(jī)器間控制10ms1K靠性要求通常小于99.9999%。移動(dòng)面板工業(yè)AR及監(jiān)控由于是視頻傳輸需求，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包較大，傳輸速率需求達(dá)到Gbps級(jí)別，可靠性要求99.9%左右。大規(guī)模連接50ms10ms移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人不同的應(yīng)用，傳輸時(shí)延在1ms~1s的范圍內(nèi)，多數(shù)應(yīng)在滿足上述工業(yè)傳輸需求的基礎(chǔ)上，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)5G解決方案方案介紹基于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)解決方案是以5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為工5GOPC-UA5GSCADA，PLC并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用和蜂窩模塊的互通。5G低時(shí)延響應(yīng)。圖2工業(yè)無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署基于5G蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案主要包含以下創(chuàng)新點(diǎn)：5G根據(jù)不同的工業(yè)傳輸需求，提供數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，并為不Qos5G確定性和可靠性，也能支持大量工業(yè)設(shè)備的連接場(chǎng)景?；贠PC-UAOPC-UA控制。融合的平臺(tái)，有效提高工廠的智能化水平。系統(tǒng)架構(gòu)5G3/5G端到端總體解決方案系統(tǒng)。圖3基于蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案總體架構(gòu)5G（絡(luò)設(shè)備）以及多個(gè)工業(yè)設(shè)備（工業(yè)蜂窩終端設(shè)備。終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線空口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互完成數(shù)據(jù)通信。其中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是由網(wǎng)關(guān)設(shè)備（核心網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站）構(gòu)成。

圖4工業(yè)無(wú)線蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)具有不同的功能，協(xié)同完成整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸?shù)闹С?。CellularTerminalCellularNetworkIndustrialNetworkRelayGTP-URelayGCellularTerminalCellularNetworkIndustrialNetworkRelayGTP-URelayGANLayersP1UPFPDUSessionAnchor)UuN3N6(NG-RANUEL1LL11LnetMACEtherMACL22LDP/IPU/IPUDTP-UrotocolyersANPPDULayerLayerPDUicationcationAppli圖5蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶面數(shù)據(jù)流作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要支持的功能如下：支持?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艑?duì)端；4G5G種或多種，包含核心網(wǎng)和接入網(wǎng)功能；支持對(duì)IP或MAC支持對(duì)工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和蜂窩終端設(shè)備的認(rèn)證、設(shè)備管理安全機(jī)制；支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置和組網(wǎng)；支持RJ-45，RS485支持“即插即用”的工作方式；支持版本升級(jí)失敗后回退到前一個(gè)可正常工作的版本。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備的主要功能如下：支持將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳遞到蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；支持對(duì)工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的認(rèn)證和安全功能；支持對(duì)終端設(shè)備的參數(shù)和軟件的配置；支持對(duì)工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的性能和狀態(tài)監(jiān)測(cè)；支持“即插即用”的工作方式。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和OPC-UAOPC-UA是目前較廣泛的工廠內(nèi)應(yīng)用使能技術(shù)，定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語(yǔ)法表達(dá)方法（信息模型，每種系統(tǒng)都可以將采用OPC-UA5GOPC-UA5G求。圖6OPC-UA和蜂窩的集成方案5GOPC-UA5G7獲取以及對(duì)應(yīng)不同需求的蜂窩承載示意圖。圖7基于OPC-UA的業(yè)務(wù)需求獲取機(jī)制5G1）5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供安全的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制（認(rèn)證蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)的兩類(lèi)可靠性保障機(jī)制。系統(tǒng)級(jí)可靠性保障：蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以提供備份鏈路和備份節(jié)點(diǎn)，保障整個(gè)蜂窩系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的正常工作。個(gè)數(shù)據(jù)傳輸鏈路，保障單個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在蜂窩內(nèi)部傳輸時(shí)的高可靠性。蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持終端設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪B續(xù)性，保障無(wú)數(shù)據(jù)包的丟失。根據(jù)終端設(shè)備移動(dòng)范圍的不同，分為終端設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)（AN）之間的切換和終端設(shè)備在核心網(wǎng)絡(luò)之間的切換。以移動(dòng)過(guò)程中跨越接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為例，切換過(guò)程的流程如下：終端設(shè)備向源接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無(wú)線測(cè)量報(bào)告，源接入網(wǎng)絡(luò)判斷終端設(shè)備的接收質(zhì)量以及移動(dòng)的位置；源接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確定終端設(shè)備需要變更接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，則向目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送終端設(shè)備信息，指示目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備該終端設(shè)備的資源；目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備配置數(shù)據(jù)傳輸所需的資源，并向源接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)切換準(zhǔn)備完成；源接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向終端設(shè)備發(fā)送切換到目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命令；終端設(shè)備接入目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。U-planepathU-planepathswitchSourceAN2\HO1\HOPreparationTargetANCommand3\HOConfirmDirectionofUECoreNetworkNode圖8無(wú)縫移動(dòng)性流程通過(guò)上述過(guò)程，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在不中斷終端設(shè)備的現(xiàn)有業(yè)務(wù)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，完成接入節(jié)點(diǎn)的切換。成功案例5G5G5G5GOPC-UA20195GPLCPLCPLC以及PLC圖95G蜂窩網(wǎng)絡(luò)承載工廠內(nèi)通信場(chǎng)景在該實(shí)驗(yàn)室，機(jī)床中內(nèi)置與外置的傳感器用來(lái)來(lái)采集信號(hào)，其中傳感器包括位置傳感器，溫度傳感