［楊一帆 姚鍵 杜智烺 羅曉明］

1 引言

5G 智慧工廠是現(xiàn)代工業(yè)信息化發(fā)展的新階段，通過利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)5G、大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能等新一代信息通信技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)控制系統(tǒng)等工業(yè)技術(shù)融合[1]，提高生產(chǎn)的可控性與自動化程度，是我國實現(xiàn)工業(yè)4.0 的重要標志。2019 年11 月，工信部印發(fā)了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512 工程推進方案》，再次明確5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新發(fā)展，將有力支撐我國制造強國、網(wǎng)絡強國建設，并制定“512 工程推進方案”，全力推進“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展。[2]

2 5G 智慧工廠業(yè)務需求分析

2.1 行業(yè)客戶痛點分析

目前工廠智慧化改造存在以下兩個痛點：

（1）現(xiàn)有無線接入網(wǎng)多為wifi 或4G 網(wǎng)絡，無法滿足關鍵生產(chǎn)設備大帶寬、高可靠的網(wǎng)絡保障要求。

（2）現(xiàn)有生產(chǎn)和監(jiān)控網(wǎng)絡為有線剛性網(wǎng)絡，拓展性差、接入不靈活，無法滿足智慧工廠產(chǎn)線的快速更新替換和定制化柔性制造的需求。

基于以上痛點，生產(chǎn)企業(yè)需引入5G 專網(wǎng)，利用5G網(wǎng)絡的大帶寬、低延時、高可靠和高安全性等特點，滿足傳統(tǒng)工廠向5G 智慧工廠轉(zhuǎn)變的網(wǎng)絡需求。

2.2 行業(yè)客戶需求分析

結(jié)合工廠生產(chǎn)需求與現(xiàn)場調(diào)研，5G 智慧工廠目前主要業(yè)務場景有如下五大方面：

（1）大規(guī)模數(shù)據(jù)采集：實現(xiàn)工廠內(nèi)大量不同設備數(shù)據(jù)的實時解析與高速上傳，并在平臺上對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、可視化呈現(xiàn)。

（2）機器視覺質(zhì)檢：利用機器代替人眼來做出測量和判斷，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動化程度，提升產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。

（3）AGV 控制：AGV 小車通過視覺、雷達、無線等多種技術(shù)進行融合定位和障礙物判斷，實現(xiàn)AGV 遠程控制或任務自動執(zhí)行。

（4）AR 遠程協(xié)作：基于AR 技術(shù)的高清音視頻通訊，適用于工廠企業(yè)的遠程專家指導，技術(shù)人員遠程操作及培訓等。

（5）高清視頻監(jiān)控：利用視頻監(jiān)控終端采集高清視頻，實時回傳并在云端服務器進行模型訓練與目標識別，實現(xiàn)對人員、機械等的特征與行為識別。

以上五大類業(yè)務典型場景下對5G 網(wǎng)絡性能需求如表1 所示。

表1 智慧工廠五大業(yè)務典型場景5G 網(wǎng)絡性能需求

3 5G 工業(yè)專網(wǎng)方案

由于工業(yè)企業(yè)對數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡性能及穩(wěn)定性要求非常高，5G 專網(wǎng)多以專享及尊享兩種模式進行建設。

（1）5G 專享網(wǎng)絡

5G 網(wǎng)絡采用SA 組網(wǎng)，通過將用戶面設備UPF 部署在企業(yè)園區(qū)內(nèi)部，實現(xiàn)MEC 邊緣計算+UPF 下沉，為企業(yè)用戶提供邊緣計算、數(shù)據(jù)不出園、超低時延通信的專屬網(wǎng)絡服務。5G 工業(yè)專網(wǎng)專享方案網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 5G 工業(yè)專網(wǎng)專享方案網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

（2）5G 尊享網(wǎng)絡

5G 網(wǎng)絡采用SA 組網(wǎng)，通過對基站、頻率、網(wǎng)絡資源等專建專享，即專用基站、區(qū)域性專用頻譜，或核心網(wǎng)采用專用硬件資源物理隔離，并將UPF 網(wǎng)元下沉至園區(qū)，為對于數(shù)據(jù)及管理安全、網(wǎng)絡性能要求苛刻的企業(yè)提供高安全性、高隔離度的5G 專網(wǎng)服務。5G 工業(yè)專網(wǎng)尊享方案網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G 工業(yè)專網(wǎng)尊享方案網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

4 高業(yè)務場景無線網(wǎng)絡覆蓋方案

對于工業(yè)企業(yè)，高業(yè)務場景一般出現(xiàn)在生產(chǎn)車間。生產(chǎn)車間內(nèi)由于部署了大量的生產(chǎn)設備，其連接設備密度非常高，同時，應用的種類可涵蓋上文提到的五大應用。如何保證如此高密度的業(yè)務接入是無線網(wǎng)絡規(guī)劃設計的一大難題。本文以某電子廠生產(chǎn)車間無線網(wǎng)絡方案為案例，介紹工廠車間高業(yè)務場景下的無線網(wǎng)絡覆蓋方案編制方法。

4.1 業(yè)務需求分析

本案例為某大型電子廠生產(chǎn)車間，生產(chǎn)區(qū)域面積為11 500 m2，車間布局如圖3 所示。

圖3 某電子廠生產(chǎn)車間布局

本車間共涉及應用12 個，其業(yè)務指標需求以及連接并發(fā)數(shù)如表2 所示。

表2 某電子廠生產(chǎn)車間業(yè)務需求

從表2 可以看到，本車間主要為大連接及大帶寬類業(yè)務，其中AR 遠程支持等應用對上行帶寬要求極高（80 Mbit/s），PLC 生產(chǎn)控制對時延要求最高（50 ms），制定網(wǎng)絡方案需要重點保障。

結(jié)合設備分布情況，本車間6 大片區(qū)業(yè)務需求如表3所示。

表3 某電子廠生產(chǎn)車間業(yè)務需求

4.2 覆蓋分析

（1）空口鏈路預算傳播模型

本案例室內(nèi)覆蓋采用基于衰減因子的半經(jīng)驗模型進行鏈路分析。該模型公式如下

（2）鏈路預算

根據(jù)需求分析，需要保證“AR參觀”上行邊緣80 Mbit/s，下行邊緣80 Mbit/s 的需求。由于上行需求巨大，所以僅需進行上行的鏈路預算即可。考慮到生產(chǎn)車間為室內(nèi)場景，無線網(wǎng)采用分布式皮飛站進行建設。鏈路預算結(jié)果如表4 所示。

表4 某電子廠生產(chǎn)車間無線鏈路預算結(jié)果

從以上鏈路預算結(jié)果可以看到，當采用4T4R pRRU進行覆蓋時，2.6 GHz pRRU 的覆蓋距為18 m、4.9 GHz pRRU 的覆蓋距離為14.1 m。

4.3 容量分析

結(jié)合試驗網(wǎng)測試結(jié)果，取定分布式皮飛站（4TR）單pRRU 能提供的吞吐量如表5 所示。

表5 5G 單小區(qū)業(yè)務吸收能力取定

考慮到現(xiàn)網(wǎng)4G 時隙配置與生產(chǎn)區(qū)內(nèi)上行需求巨大等因素，生產(chǎn)車間采用2.6G 160 MHz+4.9G 100 MHz 組網(wǎng)，計算室內(nèi)覆蓋小區(qū)需求如表6 所示。

表6 生產(chǎn)車間容量規(guī)劃

從表6 可以看到，由于生產(chǎn)區(qū)的上行需求極大，如需滿足容量需求，單pRRU 覆蓋范圍將非常小，而在采用全向天線的情況下，pRRU 的覆蓋能力將達20 m 以上，過密的pRRU 將會帶來嚴重的干擾。需進行干擾控制。

4.4 干擾控制

為了控制干擾，提升網(wǎng)絡質(zhì)量，本案例采用干擾控制手段如下：

（1）采用“pRRU+定向天線”的方式，使用高精度的室內(nèi)定向天線控制信號覆蓋范圍，避免信號過覆蓋。某型號室內(nèi)定向天線與全向天線覆蓋測試對比如表7 所示。

表7 某型號室內(nèi)定向天線與全向天線覆蓋測試對比

從表7 可以看到，采用定向65 度的室內(nèi)覆蓋天線在覆蓋水平相當?shù)那闆r下獲得更好的信號覆蓋質(zhì)量，干擾控制更好。

（2）由于在小區(qū)的邊緣位置，上行干擾較為嚴重。可以通過基于5QI 的用戶接入頻點分層機制進行干擾控制，設置在小區(qū)邊緣的UE 接入下沉到2.6G 網(wǎng)絡或隔離度較高的BWP 區(qū)間，從而減少相鄰用戶的上行干擾，達到干擾控制的目的。具體如圖4 所示。

圖4 上行干擾優(yōu)化方案

4.5 無線網(wǎng)絡建設方案

考慮到電子廠對業(yè)務保障及數(shù)據(jù)保密性要求苛刻，5G 專網(wǎng)采用尊享模式建設，在工廠車間建設5G 無線專網(wǎng)。經(jīng)現(xiàn)場查勘，生產(chǎn)車間天花板水平每相隔12 m 可建設1面天線，天線離地面距離為3.8 m，經(jīng)評估，車間覆蓋區(qū)內(nèi)共可建設91 副定向天線?？紤]到車間內(nèi)容量需求較大，且未來有產(chǎn)線改造等需求，本次建設采用8 通道室內(nèi)定向覆蓋天線建設，單面天線饋入2.6 GHz 和4.9 GHz 4T4R pRRU，天線建設方案如圖5 所示。

圖5 生產(chǎn)車間天線建設方案

根據(jù)建設方案容量評估如表8 所示。

從以上分析可以看到，本方案能滿足該電子廠生產(chǎn)車間的業(yè)務需求。

5 總結(jié)與展望

本文分析了5G 智慧工廠的業(yè)務需求，并結(jié)合5G 工業(yè)專網(wǎng)的建設要求，以一個典型案例介紹了5G 智慧工廠

表8 生產(chǎn)車間建設方案容量評估

高業(yè)務場景下的無線網(wǎng)絡建設方案，其規(guī)劃設計思路及建設方案可為5G 智慧工廠無線網(wǎng)絡建設提供參考。

5G 技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的融合目前仍處于探索階段，5G技術(shù)與設備仍不能完全滿足工業(yè)控制的低時延、高可靠需求。然而，5G 與TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網(wǎng)絡）網(wǎng)絡架構(gòu)融合已被寫入3GPP R16 標準，通過基于5G 傳輸?shù)腡SN 網(wǎng)絡可為工廠提供靈活的確定性網(wǎng)絡傳輸[3][4]，結(jié)合MEC（Mobile Edge Computing 移動邊緣計算）平臺的部署，具有高度自動化、智能化、安全可靠的5G 智慧工廠將會在不久的將來得以實現(xiàn)。