郭亮 陳成 宋海洋 張聰 郗曉法 潘建雙

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司信息計(jì)量部，河北唐山 063210）

0.概述

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)除了覆蓋范圍有限，存在競(jìng)爭(zhēng)性和干擾性的問(wèn)題，Wi-Fi并不能支持海量連接和低功耗連接，在性能上5G技術(shù)具有大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工業(yè)無(wú)線的局限性。但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，受廠房封閉、遮擋等環(huán)境限制，削弱了5G網(wǎng)絡(luò)的穿透力和覆蓋面。5G核心網(wǎng)元異地集中部署，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、傳輸鏈路復(fù)雜，數(shù)據(jù)通訊時(shí)延、穩(wěn)定性不強(qiáng)，也增加了5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段5G工業(yè)應(yīng)用模組終端種類(lèi)不全、設(shè)備功能單一，5G網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)融合通訊的難度增大。

針對(duì)5G深度應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)行了5G部署模式、組網(wǎng)架構(gòu)、5G與有線網(wǎng)絡(luò)融合通信的實(shí)踐探索，構(gòu)建了組網(wǎng)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的工業(yè)5G應(yīng)用架構(gòu)體系。5G深度應(yīng)用的實(shí)際探索場(chǎng)景如表1所示。

表1 5G深度應(yīng)用的實(shí)際探索場(chǎng)景

1.5G無(wú)線覆蓋實(shí)踐探索

1.1 工業(yè)廠房封閉區(qū)域常規(guī)5G無(wú)線覆蓋[1]

在鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房封閉、遮擋，加之5G頻點(diǎn)高、波長(zhǎng)短、穿透力差、覆蓋性不強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)商仍采用常規(guī)密集安裝室內(nèi)微型基站PRRU設(shè)備進(jìn)行5G無(wú)線覆蓋。其部署模式穩(wěn)定性差，通信邏輯小區(qū)偶發(fā)時(shí)延高，室內(nèi)微型基站設(shè)備投資大、安裝部署復(fù)雜，應(yīng)用推廣性不強(qiáng)。以某鋼廠冷軋車(chē)間庫(kù)長(zhǎng)189m、寬78m的成品庫(kù)為例，庫(kù)內(nèi)部署40臺(tái)PRRU微型基站，但實(shí)際覆蓋區(qū)域內(nèi)3個(gè)邏輯小區(qū)端到端時(shí)延200ms以上，通訊數(shù)據(jù)上傳速率約20Mbps，邏輯小區(qū)存在強(qiáng)干擾（-85dBm）。

1.2 工業(yè)廠房封閉區(qū)域5G無(wú)線覆蓋探索實(shí)踐

針對(duì)工業(yè)廠房封閉區(qū)域常規(guī)5G無(wú)線覆蓋存在設(shè)備投資大、5G網(wǎng)絡(luò)性能可用性差等問(wèn)題，采用對(duì)5G基站改進(jìn)部署、覆蓋區(qū)域雙頻混合頻段組網(wǎng)、通訊終端頻段鎖頻，實(shí)現(xiàn)由40臺(tái)PRRU微型基站改進(jìn)為3臺(tái)AAU 5G基站無(wú)線覆蓋，由單頻2.6GHz無(wú)線覆蓋改進(jìn)為2.6GHz和4.9GHz混合頻段覆蓋，并針對(duì)不同5G終端采用不同無(wú)線5G頻段進(jìn)行鎖頻，廠房5G設(shè)備部署如圖1所示。通過(guò)實(shí)踐探索技術(shù)改進(jìn)對(duì)無(wú)線性能測(cè)試，小區(qū)干擾由-85分貝毫瓦左右降至正常值-105分貝毫瓦以下，無(wú)線覆蓋平均參考信號(hào)接收功率、干擾信噪比達(dá)到較好水平。

圖1 廠房5G設(shè)備部署圖

2.5G組網(wǎng)架構(gòu)探索[2]

2.1 工業(yè)園區(qū)常規(guī)5G組網(wǎng)架構(gòu)

常規(guī)5G組網(wǎng)架構(gòu)采用工業(yè)專(zhuān)網(wǎng)的形式進(jìn)行5G覆蓋，5G核心采用數(shù)據(jù)信令面、用戶(hù)面運(yùn)營(yíng)商異地集中部署，5G無(wú)線終端通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)商城域環(huán)網(wǎng)連接到運(yùn)營(yíng)商5G核心，組網(wǎng)架構(gòu)涉及光纖鏈路跨市、跨省鏈路復(fù)雜、光纖傳輸距離長(zhǎng)。組網(wǎng)架構(gòu)復(fù)雜度高，在實(shí)際應(yīng)用中5G終端收發(fā)數(shù)據(jù)至應(yīng)用服務(wù)平均傳輸時(shí)延24ms，最大33ms，時(shí)延大，傳輸過(guò)程中易丟數(shù)據(jù)包、穩(wěn)定性不強(qiáng)，組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 工業(yè)園區(qū)常規(guī)5G組網(wǎng)架構(gòu)探索實(shí)踐

在5G工業(yè)專(zhuān)網(wǎng)組網(wǎng)下，對(duì)于常規(guī)組網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定性差、架構(gòu)復(fù)雜的情況，探索構(gòu)建5G組網(wǎng)架構(gòu)，在園區(qū)部署2套UPF（用戶(hù)面網(wǎng)元）設(shè)備，分別通過(guò)不同的鏈路聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商不同地區(qū)的5G核心，2套UPF設(shè)備互為備份，采用多鏈路通過(guò)物理防火墻與廠區(qū)內(nèi)的應(yīng)用資源池聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)UE（終端）通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)應(yīng)用，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平均時(shí)延9.76ms和較高的數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定性。組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙UPF系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

在5G實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，因5G核心SMF、UDM、AMF等網(wǎng)元運(yùn)營(yíng)商仍異地集中部署，運(yùn)營(yíng)商雖對(duì)5G核心系統(tǒng)進(jìn)行異地?zé)醾洹@區(qū)5G系統(tǒng)受外部運(yùn)營(yíng)商通訊系統(tǒng)影響仍存在較大中斷風(fēng)險(xiǎn)，如某鋼鐵廠在圖4組網(wǎng)架構(gòu)下發(fā)生2次因運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)故障造成園區(qū)5G系統(tǒng)全中斷事件。針對(duì)應(yīng)用故障風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證探索對(duì)核心網(wǎng)架構(gòu)重構(gòu)，部署2套輕量化5G核心系統(tǒng)，將關(guān)鍵功能網(wǎng)元本地化部署，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、設(shè)備配置、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單化，系統(tǒng)網(wǎng)元運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)行冗余化，達(dá)到了簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的5G工業(yè)組網(wǎng)要求，如圖4所示。

圖4 鋼鐵園區(qū)5G組網(wǎng)架構(gòu)圖

3.5G無(wú)線與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合探索

現(xiàn)階段5G工業(yè)終端生態(tài)不完善，5G無(wú)線與有線融合通訊穩(wěn)定性差、難度大。CPE終端是目前5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，CPE終端經(jīng)常出現(xiàn) “假死”、中斷、掉線等故障問(wèn)題，穩(wěn)定性較差。CPE設(shè)備調(diào)試、組網(wǎng)復(fù)雜，需采用代碼程序本地化調(diào)試，要求維護(hù)人員技術(shù)水平較高。

對(duì)于此種情況實(shí)踐探索現(xiàn)階段5G無(wú)線有線融合的形式，聯(lián)合有關(guān)設(shè)備廠商開(kāi)發(fā)應(yīng)用新型5G智能網(wǎng)關(guān)終端，將原有的5G終端基于TCP/IP應(yīng)用接口轉(zhuǎn)換融合改進(jìn)為網(wǎng)絡(luò)二層、三層隧道技術(shù)融合，使用具有功能集成化、設(shè)備調(diào)試頁(yè)面化的智能網(wǎng)關(guān)平臺(tái)。5G無(wú)線與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合如圖5所示。

圖5 5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)融合示意圖

4.總結(jié)與展望

鋼鐵行業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)5G通訊網(wǎng)絡(luò)性能、穩(wěn)定性要求高，本文通過(guò)實(shí)踐探索，對(duì)常規(guī)5G無(wú)線覆蓋、5G核心組網(wǎng)模式、5G無(wú)線與有線網(wǎng)絡(luò)融合形式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和效果驗(yàn)證，構(gòu)建了簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的工業(yè)5G系統(tǒng)通訊架構(gòu)體系。但現(xiàn)階段工業(yè)企業(yè)應(yīng)用5G投資大、輕量化核心組網(wǎng)落地難度大的情況依然存在，還需要工業(yè)企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠商共同推動(dòng)，優(yōu)化5G應(yīng)用商業(yè)模式、完善工業(yè)通訊組網(wǎng)架構(gòu)、加快設(shè)備終端研發(fā)等探索，共同推進(jìn)鋼鐵行業(yè)5G深度應(yīng)用。