基于工业远程控制的5G专网设计方法

［施玉晨 莫俊彬 潘桂新 陈沁茗］

1 引言

工业制造的发展是国家综合实力的集中体现，传统工业场景的研究热点大多聚焦在计算机、安全等领域[1～4]。随着5G发展的不断推进，借助5G网络的大带宽、低时延、广连接等特性，工业[5]、智慧城市[6]、水利[7]、车联网[8]等领域陆续开始数字化转型的探索。工业领域的研究焦点聚集在应用探讨[9]、标准演进[10]、架构探索[11]等方向。文献[12]对无线传感器网络领域的技术成果进行了理论与实践的全面探索，文献[13,14]发挥无线技术数据采集方便的优势，探讨了5G无线代替有线的可行性，以及对承载网造成的影响。文献[15]首次尝试5G应用于单个工业设备进行作业。上述文献中，均没有讨论如何将5G与工业产线进行控制相结合，来提高企业生产效率。

以工业制造为例，传统产线大多采用有线的方式将操作台接入基础自动化网络，有线连接的形式一旦部署难以更改；固定的操作台，不同的工序协调，操作执行靠对讲进行协同。由于生产工艺的复杂，参数控制要求严格，导致现场工艺调整多变，每次工序调整的关键参数也不尽相同。而目前单一的远程操作工具沟通效率低下，操作工无法及时、全面掌握现场信息，影响生产效率。

针对工业领域特点，本文创新性提出适合工业远程控制的5G专网设计方法。通过本地部署5G核心网和承载专网，将公网与专网物理隔离，数据流本地处理，降低网络环回时延。同时，在融合平台的基础上，研发工业远程控制APP，将生产过程关键视频和数据信息通过数据大屏进行监控，实现工业生产的移动端远程操控。

2 5G专网概述

不同于公网服务于普通公众用户，5G专网是针对不同行业的数字化转型需求所设置的专属网络。5G专网通过提供终端、网络、边缘、平台4大基础能力以及安全、服务2大服务底座，满足不同行业差异化和定制化需求，面向各行业提供专属解决方案和产品，高效支撑行业数字化转型升级。5G专网基本架构如图1所示。

图1 5G专网架构图

终端智能化：5G专网以行业定制化5G模组为标准化硬件载体，嵌入式SDK内核；在中国联通雁飞模组的基础上，联合产业合作伙伴融合网络能力，研发场景化、智能化5G终端，满足重点行业客户需求。

网络定制化：基于联通5G 2B核心网集中一朵云，分布一张网的全程全网优势，提供基础网络产品、增强网络产品两类网络产品，实现一地创新、全网复制，一点调度、全网开通。

云边协同化：基于专享和共享两类MEC边缘云产品，提供边缘基础能力、增值能力和应用能力，实现“云网边”协同，为客户提供一站式“融合、开放、联动、弹性”服务。

运营集约化：以集约化5G专网运营平台为支撑，实现业务交付线上化、运营管理集约化、服务支撑专业化、终端管理智能化、专网能力丰富化，为客户提供一点运营、一点订购、一键开通、一站式服务。

安全体系化：构筑中国联通自主可控5G主动安全防护体系，由“被动”转向“主动”，向客户提供“终端-网络-运营-应用”端到端5G安全能力，实现全方位、全业务和全场景可信赖的保障服务。

服务一体化：中国联通依托“规建维优保”专业服务和5G专网管家提供的“可视、可用、可维、可管、可控”客户自服务能力，构建一体化交付运维支撑体系，保障专网业务高质量交付、运维。

3 5G远程控制专网方案

3.1 整体网络架构

工业互联网场景中，以视频监控（高危检修、安全行为监控）和数据采集（环保监测、设备在线监测）类为主的应用呈现带宽占用高、接入点位数多、数据机密不出园区等需求；但具体生产车间的工业控制应用呈现时延要求高的需求。针对厂区、车间的不同业务需求，本文提出园区内下沉核心网与车间级下沉MEC的网络架构进行实现。整体网络架构如图2所示。

图2 远程控制网络架构图

其中，厂区室外环境用5G NR进行覆盖，室内环境用5G Qcell进行覆盖，供可移动的手机、PAD进行接入。厂区内部署的边缘云平台，实现数据本地处理与存储，降低网络时延，可承载物联网、视频、PLC等多项5G应用。

产线的生产设备通过PLC控制器、网关、基站、核心网与PLC应用连接，还可以通过PAD端或移动终端APP实施控制操作与产线运转状态的实时查看与操作。具体数据链路如图中虚线所示：

移动端下发操作指令（绿色虚线）：移动设备通过APP的操作按钮，下发具体操作指令信息。该信息通过专用承载环传输至园区内的独立专网后，转至厂区内边缘云平台，由位于边缘云平台上的PLC应用进行信息处理。

生产设备接收指令（蓝色虚线）：位于边缘云平台的PLC应用将接受到的通信指令转化为设备运动指令后，通过承载专环发送至园区内的独立专网。通过独立专网、承载专环、基站、5G路由器，将设备运动指令下发给PLC网关。PLC网关根据PLC点表信息的配置，发送相应指令到PLC控制器及生产设备进行相应的动作执行。

3.2 核心网

本文中，本地核心网采用MOCN（Multi-Operator Core Network）网络共享方案，5G基站同时接入运营商公网和企业内网。5G专网仅为工业用户提供5G数据业务，避免了和现网互通。工业用户和普通用户的SIM里采用了不同的PLMN网号，这样工业用户和普通用户接入5G基站时可以根据不同的PLMN网号接入到企业专用5GC核心网或运营商大网核心网。

业务流程如图3所示，普通用户采用PLMN1，通过5G基站继续接入联通大网4/5G核心网，正常使用数据、语音和短信业务。如图中黄色流程所示。工业用户采用PLMN2，通过5G基站接入到企业专有5GC核心网，和应用服务器互通，如图3中红色流程所示。

图3 业务分流图

本文的核心网选用支持SA组网的5G core版本，基于云化架构实现，包含AMF、SMF、UPF、PCF等网元，CSCF、SSS、SBC、MRFP遵循3GPP 5G协议标准的网元，支持SA/SBA/CUPS/切片/微服务/5G业务流程等能力。

采用虚拟化资源池架构，通过虚拟层对硬件资源池进行管理，通过 MANO（Management and Orchestration，管理与编排）进行统一的编排和管理，自动化部署5G核心网。资源池的管理域为MANO（NFVO+VNFM）编排管理系统和EMS网管系统，MANO负责资源池的资源管理和VNF编排，EMS负责告警、性能等信息上报。设置3个独立的网络平面（管理平面、业务平面、存储平面）与行业客户内网对接，3个平面物理隔离，分别使用独立的服务器物理网络端口。

3.3 传输网

为避免公网、专网互相影响，承载网采用口字组网，双上联的方式独立建设，避免受到其他区域的网络影响，符合专网独立可靠的安全要求。网络架构如图4所示。

① 现场用户共用一个5G基站接入，通过不同的PLMN号接入公网或专网，数据流转至对应网络进行处理。

② 当大网传输环发生故障时（如图4中①所示），专网业务不会受到影响；

③ 在专网传输环路都发生阻断的情况下（如图4中②所示），可快速切换到大网冷备份链路（如图4中③所示），实现故障业务快速恢复；图中虚线所示的备份链路在平时关闭，不予启动。

④ 在传输专网中断单边的情况（如图4中④所示），双环的设计方法可以将业务迅速切换到另一边（如图4中⑤所示），保证业务连续性。

图4 承载专环图

3.4 无线网

出于兼顾公网、专网用户的考虑，本文采用公专网用户共用无线基站的方式进行建设。不同的5G终端接入无线基站，然后NR通过接入环、汇聚环设备，和5GC核心网互通，核心网根据PLMN号进行分流，并根据终端的访问地址，送到不同的应用服务器。

与ToC不同，ToB领域中不同的生产业务部署在不同的厂房，有不同的工作环境与内部结构。在网络规划方面，ToB的无线规划要根据厂区实际情况，重点考虑建设步骤、设备选型、环境适应性等因素：

建设步骤：ToB行业建设过程中，无线网络建设大多随着业务开展分批次建设。首批可以厂区室外广覆盖及办公区域覆盖需求为主；次批针对重点厂房、产线，满足深度覆盖需求。

设备选型：在特殊大型、空旷的室内厂房（天车区域）中，传统的ToC室分设备由于高度问题无法有效覆盖，厂房区域可使用Qcell或者室内宏站进行5G覆盖。室外宏站为分布式基站采用基带单元（BBU）+有源天线单元（AAU）架构。

环境适应性：特殊的工业场景中，高温、高粉尘等恶劣环境，导致传统人网通信中的通信设备因高温导致掉电，或灰尘进入设备开口降低性能。可通过对AAU加装改进型的仿生翼翅，加大散热以提升设备高温耐热性能；同时，结合厂区情况，提前布置相关网线电源线，用防火泥封堵控制器开口，杜绝产线的灰尘进入。

4 远程控制平台

在5G专网的基础上，更多的ToB企业希望综合利用边缘计算、网络切片、5G专网等多种5G关键技术支撑生产，实现综合的5G行业综合解决方案，例如资源统一管理、远程操控等。本文提出专网自服务平台与可移动APP结合的方式，实现产线上的5G远程操控。

4.1 专网自服务平台

专网自服务平台基于功能模块化、组件化设计理念构建，各业务模块与独立应用方式进行集成，整体架构采用分布式微服务的方式，根据单一化原则，每个微服务分别负责各自模块的功能。简化开发、部署、运维流程。应用在系统网关中统一注册，暴露数据接口。

整个系统采用松耦合、分层、插件化架构搭建，采用B/S和基于容器的微服务结构，不受限于特定硬件和软件环境，单个模块可实现快速迁移与升级，不会对整个系统产生影响，可以选用不同的计算机语言进行不同模块开发。该平台可根据客户需求，与行业应用、行业终端、安全服务集成融合，实现定制化能力编排与功能实现。面向网络运维、行业客户、营销人员实现全流程可视化及多数据关联分析、智能化运营，部分平台页面如图5所示。

图5 专网平台图

4.1.1 网络运维

平台呈现IT资源数及使用情况、网络资源数、虚拟机、服务器及UPF运行情况、业务规模、业务质量等信息，并实施监控。以资源统计为例，支持资源数量统计及业务质量监控。包括核心网网元、基站、小区数量统计和最大QOS次数、会话建立成功次数、上下行流量、带宽利用率等关键指标。

4.1.2 行业客户

针对ToB客户对产品自运维监控等个性化需求，包括业务监控、号卡管理、通信计划变更、终端管理等，该平台可支持资源图例显示、监控图表、告警概览、定制化运营大屏。

4.1.3 营销人员

向营销人员提供以产品类型为维度的订购产品一览图，集中显示已购产品信息、订单信息、账单信息等功能。已购产品信息可支持产品服务详情、产品服务告警详情、产品服务资源详情；订单信息可支持订单流程、订单状态、产品服务时限、产品咨询、故障投诉等；账单信息可支持按账期/按产品显示消费账单。

4.2 可移动终端APP

通过开发终端操作界面，与融合平台对接后，能够实现生产线上的设备远程操控。操作工可以在厂区内可以通过可移动终端APP（手机、PAD等）进行移动作业，实现炉门、辊道等设备的远程巡检和操作控制，实现工业生产的“可移动”操作室。已实现的功能有：按控制系统界面点击按键，可实现操控入料辊道传动（正快、正慢、停止、反慢、反快）、入料炉门（打开、停止、关闭）、出料炉门（打开、停止、关闭）。示例如图6所示。

图6 手机APP远程操控示意图

考虑到不同产线的业务隔离和数据安全，通过锁定接入小区，实现移动端设备与产线区域绑定，实现特定设备只能在固定产线区域范围内实现。以某工业厂区某产线为例，原来产线需室内操作室7人，现场操作工10余人；采用本文方案后，远程操作室仅需3人，现场操作工仅需5人，降低人员50%以上，显著优化企业人员配置，提高工作效率。

5 工业场景下的其他考虑因素

5.1 多变的传播环境

在钢厂为代表的工业环境中，厂房多为钢框架结构，内部堆放大量钢产品。金属组件大且密集，容易形成大量反射衰减小的钢表面环境，从而产生丰富的多径环境，导致网络底噪抬升高于常规情况。

同时，厂房内部存在大量天车、AGV小车、货车等移动工具，协助装卸钢板。尤其是天车，架设高度与室内天线相差无几。这些设备频繁、不定时地移动对信号造成遮挡，带来的反射、绕射行为，严重影响网络覆盖质量。

5.2 2B业务特性

传统ToC的网络使用者为人，其使用习惯、业务类型固定且有迹可循。从2G到3G、4G的网络运营中，积累了大量的用户行为、用户数据可用来指导5G网络规划、站址选择、优化策略、网络升级等操作。而ToB网络中的使用者为物联网设备，不同行业的业务模型区别较大，尚不存在统一的网络规范、标准可供参考。

工业企业的存量设备尚未联网时，产线现场的情况多通过物联网终端获取。终端将设备的状态信息（ID、归属、状态、告警等）进行上报。随着5G网络的发展以及高清摄像头的应用，以视频监控为代表的大上行业务带来上行流量的大幅度增加，对小区容量是极大的挑战。需要在建网初期，结合产线业务发展、后续5G设备接入数量等因素，提前进行容量预估。

6 结束语

针对工业互联网企业数字化转型“远程维护、提质增效”等需求，本文提出本地建设的5G核心网、承载专环网络架构，在降低数据环回时延的同时确保了数据安全性；同时，发挥5G专网平台优势，开发手机APP实现工业远程操控。该网络架构与平台方案已在工业企业中应用，大大增强了作业区生产的便利性和灵活性。这是5G首次应用于远程操控的实践，必将为5G与工业的深度融合提供参考。