孫 超，蘇 郁，楊雨沱，張小松，梁 煒

(1.電子科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全研究院，四川 成都 611700；2.中移(成都)信息通信科技有限公司，四川 成都 610200;3.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)研究室，遼寧 沈陽(yáng) 110169)

0 引言

在信息與通信技術(shù)(Information and Communications Technology，ICT)的推動(dòng)下，智能制造已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)和戰(zhàn)略焦點(diǎn)。其中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是工廠智能化的重要支撐技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間與系統(tǒng)間互聯(lián)互通的前提，接入技術(shù)則是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)部分。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，IIoT)是工業(yè)3.0向工業(yè)4.0演進(jìn)的重要標(biāo)志。工業(yè) 4.0的一個(gè)趨勢(shì)是將原有的有線設(shè)施更換為無(wú)線設(shè)備[1-2],接入技術(shù)的無(wú)線化，可以提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、靈活性和移動(dòng)性，也方便未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)、節(jié)約成本[3]，是當(dāng)前接入技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。無(wú)線接入具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可支持智能工廠的泛在感知，支持工廠全流程、全生命周期管控；其次，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以其靈活方便等特性成為實(shí)現(xiàn)工廠柔性重組的必然選擇，對(duì)推進(jìn)制造業(yè)由傳統(tǒng)大批量生產(chǎn)模式向工業(yè) 4.0 時(shí)代的個(gè)性化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，具有重要意義；此外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決了工廠有線網(wǎng)絡(luò)所面臨布線與維護(hù)成本高、移動(dòng)性與靈活性差等難題，在提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面將發(fā)揮重要作用。

2020年4月，國(guó)家發(fā)改委提出新基建主要包括三類：① 信息基礎(chǔ)設(shè)施，如5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等；② 融合基礎(chǔ)設(shè)施，即新技術(shù)和傳統(tǒng)基建的融合，比如智能交通系統(tǒng)、智慧能源系統(tǒng)等；③ 創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，即用于支持科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施，比如大科學(xué)裝置、科教基礎(chǔ)設(shè)施等[4]。5G與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等數(shù)字經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域深度融合，連接人、機(jī)、物，將形成新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心能力，推動(dòng)制造走向智能。

5G技術(shù)是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)之后的延伸，通信帶寬能達(dá)到Gbit/s量級(jí)，空口時(shí)延最低為1 ms。基于其卓越的通信性能，除商用移動(dòng)通信應(yīng)用外，5G技術(shù)在交通、工業(yè)等領(lǐng)域仍具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國(guó)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中著重對(duì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用提出需求，包括加快創(chuàng)新研發(fā)5G等新技術(shù)在典型行業(yè)如質(zhì)量檢測(cè)、過(guò)程控制、工藝優(yōu)化、計(jì)劃調(diào)度、設(shè)備運(yùn)維、管理決策等工業(yè)領(lǐng)域的適用性技術(shù)；推進(jìn)新型創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)泛在感知、數(shù)據(jù)貫通、集成互聯(lián)；覆蓋加工、檢測(cè)、物流等環(huán)節(jié)，推動(dòng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化連接。但是，現(xiàn)階段無(wú)線環(huán)境無(wú)法提供有限傳輸那樣可靠且高速的傳輸，因此，如何為工業(yè)場(chǎng)景提供高可靠、低時(shí)延的傳輸環(huán)境是5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[5]。

1 適合工業(yè)場(chǎng)景無(wú)線技術(shù)分析

中國(guó)是傳統(tǒng)的“工業(yè)大國(guó)”，據(jù)中國(guó)工業(yè)和信息化部2022年2月23日發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長(zhǎng)的若干政策》，2020年疫情暴發(fā)以來(lái)，中國(guó)工業(yè)扛起“穩(wěn)增長(zhǎng)”重任，2020年和2021年對(duì)GDP增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率一直保持在36.5%以上，較2019年大幅提升9.6個(gè)點(diǎn)，成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定恢復(fù)的重要支撐。但是疫情的爆發(fā)也使得工業(yè)企業(yè)面臨原材料供應(yīng)、勞動(dòng)力不足等諸多挑戰(zhàn)，并且在疫情的倒逼下，催生了虛擬團(tuán)隊(duì)、無(wú)接觸經(jīng)濟(jì)等新型業(yè)態(tài)，加速了傳統(tǒng)工業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

工業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型需要工廠實(shí)現(xiàn)智能化改造，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化生產(chǎn)等作業(yè)目標(biāo)。如工業(yè)機(jī)器人的部署，利用人工智能等技術(shù)代替人工操作，可以提升工業(yè)生產(chǎn)效率；通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)的部署打通企業(yè)內(nèi)部之間、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的工作協(xié)同，實(shí)現(xiàn)資源的智能化調(diào)度，降低企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本。其中工業(yè)機(jī)器人的部署、機(jī)器的遠(yuǎn)程控制都必須依托于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

1.1 工業(yè)場(chǎng)景下5G技術(shù)應(yīng)用面臨的問(wèn)題

5G網(wǎng)絡(luò)雖然能夠覆蓋工業(yè)場(chǎng)景中的無(wú)線通信需求，但中國(guó)工程院院士、未來(lái)移動(dòng)通信論壇理事長(zhǎng)鄔賀銓多次在技術(shù)論壇上表示，目前5G的應(yīng)用依舊并沒(méi)有針對(duì)ToB的應(yīng)用做重點(diǎn)研究，而是將ToC的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備直接搬到了車間場(chǎng)景，所以在低時(shí)延、可靠性和維護(hù)性方面依然面臨著一系列困境。需要朝以下方向繼續(xù)演進(jìn)：

① 工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景需求多樣。5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)更側(cè)重于大帶寬、高并發(fā)的數(shù)據(jù)通信，而一些工廠自動(dòng)化類應(yīng)用大量存在開(kāi)關(guān)量等控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅尸F(xiàn)出小數(shù)據(jù)、低時(shí)延、高可靠等特點(diǎn)[6]。5G網(wǎng)絡(luò)空口時(shí)延最低可達(dá)約1 ms，但這是無(wú)線端的時(shí)延，并不是車間控制層面要求的端到端的低時(shí)延。

5G網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸時(shí)延受基站中轉(zhuǎn)、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)等制約，只能達(dá)到平均幾十毫秒級(jí)，難以滿足工廠自動(dòng)化中控制數(shù)據(jù)的通信時(shí)延要求。

② 5G網(wǎng)絡(luò)本身既有終端又有基站，還有核心網(wǎng)，鄔賀銓院士指出：“絕不能把現(xiàn)有公眾網(wǎng)的這套方案直接搬到企業(yè)里面，未來(lái)放在車間的基站應(yīng)該是輕型基站，因?yàn)椴恍枰敲炊嗟哪芰Α薄Ｔ诠S車間中存在大量的傳感器、執(zhí)行器等應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，5G CPE終端設(shè)備通常體積較大，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不便于大范圍使用[7]。

③ 工業(yè)車間控制要求高可靠性，但是在車間里面，可能終端到基站的距離不太遠(yuǎn)，信道是多個(gè)同時(shí)性，達(dá)不到互補(bǔ)和差異。在工業(yè)車間內(nèi)，如果單基站損壞，如何繼續(xù)保證高可靠而且能夠免維護(hù)或快速維護(hù)，這是工業(yè)車間和現(xiàn)有公眾網(wǎng)要求不同的地方。

④ 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)5G技術(shù)應(yīng)用發(fā)展成本較高。目前普遍的應(yīng)用方式包括運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)公用、運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)專用、專網(wǎng)專用部署等三種方式[8]。其中，5G專網(wǎng)專用的建設(shè)方式可能存在成本較高問(wèn)題，且在實(shí)際使用中，一些特殊要求領(lǐng)域，如果采用非專網(wǎng)方式建設(shè)，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)引發(fā)商業(yè)秘密信息和其他敏感信息的保護(hù)等問(wèn)題。

⑤ 目前5G標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)量化程度上并不十分準(zhǔn)確，在R16、R17之后，還需要繼續(xù)演進(jìn)，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景的產(chǎn)品形態(tài)還會(huì)發(fā)生變化。5G專網(wǎng)使用的頻段、建設(shè)方案、標(biāo)準(zhǔn)等還需要有關(guān)部門(mén)進(jìn)一步明確規(guī)范。

綜上，基于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域特殊場(chǎng)景、5G專網(wǎng)政策、使用成本以及數(shù)據(jù)安全等因素，現(xiàn)今的5G網(wǎng)絡(luò)并非適用于工業(yè)應(yīng)用的所有場(chǎng)景。工廠車間內(nèi)部大量傳感器、控制器以及移動(dòng)設(shè)備間的互聯(lián)更適合結(jié)合應(yīng)用無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)[9]，無(wú)線局域網(wǎng)的低成本、易部署及其通信私密性等特點(diǎn)能夠彌補(bǔ)5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的弊端，但現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線局域網(wǎng)又存在頻譜易受干擾及覆蓋、容量受限等問(wèn)題，所以需要考慮一種現(xiàn)場(chǎng)級(jí)高安全無(wú)線局域網(wǎng)與5G專網(wǎng)融合的互補(bǔ)方案。

1.2 工業(yè)場(chǎng)景下無(wú)線技術(shù)對(duì)比

目前，工業(yè)場(chǎng)景中主流的高速無(wú)線局域網(wǎng)方案包括WiFi、WAPI以及WIA-FA技術(shù)。其中，WiFi與WAPI技術(shù)均基于IEEE802.11通信協(xié)議，WAPI是在IEEE802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了安全鑒別協(xié)議，WIA-FA(Wireless Network for Industrial Automation-Factory Automation)技術(shù)為中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭研制的面向工廠自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[10]。表1為幾種無(wú)線通信技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比[11-12]。

表1 無(wú)線技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

由表1可以得出，WIA-FA技術(shù)高實(shí)時(shí)、高可靠的特性更適合應(yīng)用在工廠場(chǎng)景自動(dòng)化通信中。此外，其自主可控協(xié)議、短距離的電磁控制以及國(guó)產(chǎn)加密算法集成等功能更適合應(yīng)用于特殊行業(yè)。5G技術(shù)高帶寬、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶匦愿m合于室外遠(yuǎn)程傳輸，例如生產(chǎn)企業(yè)各個(gè)車間、工作站之間的大數(shù)據(jù)交互，或辦公手機(jī)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程訪問(wèn)等。

綜上，5G技術(shù)與WIA-FA技術(shù)分別是廣域網(wǎng)與工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)跑者，二者在工業(yè)場(chǎng)景下的應(yīng)用均有各自優(yōu)勢(shì)。本文面向工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景融合5G與WIA-FA各自技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探索形成整體工業(yè)無(wú)線解決方案的可行性。

2 WIA-FA與5G融合關(guān)鍵技術(shù)分析

本文根據(jù)WIA-FA網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)與典型5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)融合方案。針對(duì)工廠應(yīng)用場(chǎng)景具有車間內(nèi)固定封閉區(qū)域無(wú)線接入和廠區(qū)室外無(wú)線接入兩種不同使用環(huán)境的需求情況，可設(shè)計(jì)不同無(wú)線接入方案，滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2.1 僅在工業(yè)車間內(nèi)使用的設(shè)備融合接入方案設(shè)計(jì)

僅在工業(yè)車間內(nèi)部使用的設(shè)備可只配備WIA-FA無(wú)線模塊，WIA-FA在車間內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)中心及若干現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，中心由一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備及一或多個(gè)接入設(shè)備組成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在多個(gè)接入設(shè)備覆蓋區(qū)域間漫游通信。

融合網(wǎng)絡(luò)方案下的車間WIA-FA網(wǎng)關(guān)設(shè)備需要集成5G CPE的部分功能，既能夠?qū)崿F(xiàn)與5G網(wǎng)絡(luò)的高速通信又能夠按照典型WIA-FA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與接入設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)WIA-FA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)互通與網(wǎng)絡(luò)管理。集成5G功能的WIA-FA網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)方案如圖2所示，截取5G數(shù)據(jù)鏈路層中的數(shù)據(jù)報(bào)文，并通過(guò)MAC地址、IP地址以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，只將與車間現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)去掉5G MAC層數(shù)據(jù)包頭，并根據(jù)地址信息添加基于WIA-FA協(xié)議的數(shù)據(jù)包頭，最后通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)傳輸至WIA-FA接入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)5G數(shù)據(jù)與WIA-FA數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

圖2 WIA-FA網(wǎng)關(guān)設(shè)備集成5G技術(shù)

融合后的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程為：帶有WIA-FA無(wú)線模塊工業(yè)設(shè)備通過(guò)WIA-FA接入設(shè)備AD(Access Device)后，將數(shù)據(jù)匯聚到WIA-FA融合5G無(wú)線網(wǎng)關(guān)，通過(guò)5G基站接入5G核心網(wǎng)，核心網(wǎng)UPF網(wǎng)元與園區(qū)應(yīng)用服務(wù)器對(duì)接，最終數(shù)據(jù)流通過(guò)WIA-FA、5G網(wǎng)絡(luò)匯入應(yīng)用服務(wù)器，其連接示意圖如圖3所示。

圖3 工業(yè)車間內(nèi) WIA-FA與5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 車間內(nèi)和廠區(qū)室外使用的設(shè)備融合接入方案設(shè)計(jì)

在工業(yè)場(chǎng)景車間內(nèi)部與廠區(qū)室外具有同時(shí)使用需求的設(shè)備，可在設(shè)備上配備WIA-FA和5G兩種通信模塊，通過(guò)這兩種模塊，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在車間內(nèi)部需要實(shí)現(xiàn)端對(duì)端低時(shí)延、高可靠性控制時(shí)，采用WIA-FA協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信控制，在車間室外廠區(qū)內(nèi)開(kāi)闊地帶通過(guò)5G基站直接進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性，確保業(yè)務(wù)無(wú)中斷。其技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 車間內(nèi)部和廠區(qū)融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

融合后的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程為：終端同時(shí)具備WIA-FA與5G模塊，在WIA-FA覆蓋區(qū)域時(shí)，接入WIA-FA網(wǎng)絡(luò)，WIA-FA網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)也可接入5G網(wǎng)絡(luò)。在5G覆蓋區(qū)域時(shí)，通過(guò)5G基站接入5G網(wǎng)絡(luò)。其連接示意圖如圖5所示。

圖5 車間和廠區(qū)內(nèi)WIA-FA與5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

多樣化的產(chǎn)品形態(tài)和靈活的接入方式，在廠區(qū)內(nèi)等開(kāi)闊地帶可充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)距離、高帶寬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在車間內(nèi)部采用低時(shí)延、高可靠、部署靈活、易維護(hù)的WIA-FA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備間的高性能控制和數(shù)據(jù)互通。

2.3 設(shè)備數(shù)據(jù)安全機(jī)制分析

WIA-FA網(wǎng)絡(luò)的安全方案可根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求，采取獨(dú)立的高安全方案，如符合商用密碼要求的硬件加密認(rèn)證體系等?？山ㄔO(shè)獨(dú)立的安全管理中心，由數(shù)字證書(shū)系統(tǒng)與集成服務(wù)器密碼機(jī)的密鑰管理系統(tǒng)組成，其中數(shù)字證書(shū)系統(tǒng)負(fù)責(zé)各種車間內(nèi)設(shè)備數(shù)字證書(shū)簽發(fā)、更新以及注銷全生命周期管理，密鑰管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)各種設(shè)備對(duì)稱密鑰的全生命周期管理，包括密鑰生成、密鑰更新、密鑰存儲(chǔ)、備份與追溯、刪除與銷毀等功能。WIA-FA網(wǎng)關(guān)設(shè)備、接入設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均集成基于國(guó)密算法的密碼模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證等功能。車間內(nèi)部獨(dú)立加密安全方案如圖6所示。

圖6 WIA-FA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立安全加密方案

5G網(wǎng)絡(luò)有其標(biāo)準(zhǔn)的安全架構(gòu)，在3GPP 5G安全標(biāo)準(zhǔn)《5G系統(tǒng)安全架構(gòu)和流程》中規(guī)定：在安全分層方面，分為傳送層、歸屬層/服務(wù)層和應(yīng)用層，各層間相互隔離；在安全分域方面，5G安全框架分為接入域安全、網(wǎng)絡(luò)域安全、用戶域安全、應(yīng)用域安全、服務(wù)域安全、安全可視化和配置安全六個(gè)域[13]。所有的安全保密方式全部要依托于整體網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的能力。在5G原生安全的基礎(chǔ)上，還可以采取控制面和用戶面的雙安全增強(qiáng)進(jìn)一步提升安全能力，如采用5G輕量化核心網(wǎng)進(jìn)行物理隔離、控制面用戶接入認(rèn)證的國(guó)密算法替換、用戶面數(shù)據(jù)的IP層加密安全增強(qiáng)等[14]，這些5G專網(wǎng)的安全增強(qiáng)措施，可以使得用戶的5G專網(wǎng)更加安全可靠。

采用WIA-FA與5G網(wǎng)絡(luò)融合方案能夠大幅減少SIM卡在車間現(xiàn)場(chǎng)的部署，減少中心基站的負(fù)載，同時(shí)為保證企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)控制在企業(yè)內(nèi)部，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換由WIA-FA網(wǎng)關(guān)完成。此外，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的安全增強(qiáng)措施，使融合方案更加安全可靠。

2.4 兩種網(wǎng)絡(luò)接入切換和QoS保證技術(shù)分析

WIA-FA與5G融合網(wǎng)絡(luò)中，還需要解決工業(yè)設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)中的QoS保證和工業(yè)終端在5G網(wǎng)絡(luò)和WIA-FA網(wǎng)絡(luò)之間的切換等關(guān)鍵問(wèn)題。

工業(yè)設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)中的QoS保障，可分為基于用戶的識(shí)別和基于IP地址識(shí)別，其中為了保障采用WIA-FA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入5G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)設(shè)備的高優(yōu)先級(jí)低時(shí)延，可根據(jù)用戶ID識(shí)別，在PCF側(cè)為該用戶的所有用戶配置高優(yōu)先級(jí)5QI，進(jìn)一步，如果對(duì)該終端下業(yè)務(wù)進(jìn)行細(xì)分的話，還可以根據(jù)目的IP地址進(jìn)行識(shí)別，匹配高優(yōu)先級(jí)的5QI[[15]。另外，基站的空口資源也可以做到用戶級(jí)別的RB資源預(yù)留。這些都能夠保證采用WIA-FA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入5G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)里的高優(yōu)先級(jí)，達(dá)到WIA-FA設(shè)備低時(shí)延傳輸?shù)哪康摹?/p>

當(dāng)一個(gè)終端同時(shí)包含WIA-FA與5G雙模塊，可以依賴于終端的雙連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。終端根據(jù)測(cè)得的兩種網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合管理系統(tǒng)對(duì)于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)鏈路的狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)WIA-FA網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)之間的快速切換。

3 前景展望

作為兩種無(wú)線通信技術(shù)，WIA-FA與5G有各自的功能和優(yōu)勢(shì)，從部署成本、應(yīng)用場(chǎng)景要求和后續(xù)維護(hù)優(yōu)勢(shì)等方面來(lái)看，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都需要WIA-FA與5G進(jìn)行深度融合。從工業(yè)場(chǎng)景要求來(lái)看，WIA-FA可以很好地滿足無(wú)抖動(dòng)的低時(shí)延、快速部署、高安全、高可靠的工業(yè)關(guān)鍵場(chǎng)景的控制要求[16]，同時(shí)在部署成本、日常運(yùn)行能耗和維護(hù)管理成本及應(yīng)急響應(yīng)抗風(fēng)險(xiǎn)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

但隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于廠區(qū)內(nèi)室外無(wú)線覆蓋的拓展、用戶數(shù)的大量新增、跨區(qū)域無(wú)線通信的聯(lián)合協(xié)同等需求到來(lái)，就需要通過(guò)與5G的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文提出的工業(yè)場(chǎng)景下無(wú)線通信的WIA-FA與5G融合解決方案充分汲取了兩種網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如：

① 融合部署方式保證了車間內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)端到端應(yīng)用控制的高實(shí)時(shí)性、高可靠性以及高安全性，又能夠在廣域范圍內(nèi)利用5G網(wǎng)絡(luò)高帶寬、大容量以及遠(yuǎn)距離的優(yōu)勢(shì)打通廠區(qū)間的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)同作業(yè)。

② WIA-FA無(wú)線局域網(wǎng)在車間內(nèi)部具有低成本、易部署的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可根據(jù)車間設(shè)備的增加靈活地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)充。由于網(wǎng)絡(luò)的日常管理和維護(hù)均可以在車間層面解決，不需要依靠核心網(wǎng)設(shè)備，所以后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)難度和應(yīng)急響應(yīng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力也大大增加。在車間內(nèi)采用WIA-FA無(wú)線局域網(wǎng)可極大緩解5G網(wǎng)絡(luò)在固定區(qū)域內(nèi)專網(wǎng)的部署成本高和維護(hù)難度大的問(wèn)題。

③ 通過(guò)數(shù)據(jù)控制，可將車間內(nèi)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)控制在WIA-FA無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)部傳輸，并針對(duì)數(shù)據(jù)敏感程度采用不同的安全加密防護(hù)措施，更好地保護(hù)企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)安全。

WIA-FA與5G網(wǎng)絡(luò)融合部署方案是目前工業(yè)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)設(shè)備-系統(tǒng)-人互聯(lián)互通的最優(yōu)方案，結(jié)合此方案中基于國(guó)密算法的高安全機(jī)制，是航空、航天、船舶、武器裝備制造等重點(diǎn)行業(yè)智能化升級(jí)改造的基礎(chǔ)。因此，對(duì)于高安全、低時(shí)延、高保密、大并發(fā)的工業(yè)場(chǎng)景，WIA-FA與5G的融合組網(wǎng)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)場(chǎng)景下應(yīng)用的痛點(diǎn)以及WIA-FA網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了一種WIA-FA網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)融合的解決方案，結(jié)合兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)互通關(guān)鍵技術(shù)以及安全機(jī)制，可有效地對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在室內(nèi)場(chǎng)景應(yīng)用進(jìn)行補(bǔ)充，降低了5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資部署成本和維護(hù)難度，并提供了更高的室內(nèi)覆蓋密度、更低的無(wú)線傳輸時(shí)延保障和更高的可靠性，形成了能夠?qū)嶋H落地并切實(shí)解決企業(yè)智能化升級(jí)難題的無(wú)線互聯(lián)解決方案。