李 靜

（中國鐵塔股份有限公司 云南省分公司，云南 昆明 650228）

1 概 述

1.1 5G 專網

5G 專網指通過5G 網絡的組網、切片、邊緣計算等技術，為用戶提供具有專屬覆蓋、網絡定制、數據隔離、質量保障且能夠實現(xiàn)大帶寬、低時延、廣互聯(lián)以及高安全性數據傳輸的一種連接網絡，能夠在生產、辦公、管理等領域滿足用戶對通信服務的需要[1]。5G 專網提高了企業(yè)定制化網絡的自由度，可以根據用戶的工作環(huán)境、工作性質進行靈活配置，具有很強的隱私性和安全性。

用戶面功能（User Plane Function，UPF）是5G核心網中的用戶面網元，其作用是響應會話管理功能（Session Management Function，SMF）的請求，作為無線接入網（Radio Access Network，RAN）與數據網絡（Data Network，DN）之間的連接點，主要功能為分組路由的轉發(fā)、策略實施、流量報告、數據包檢查以及QoS Flow 映射等網絡用戶面的處理，完成用戶面門控、重定向、流量轉向等策略規(guī)則的實施[2]。許多企業(yè)和用戶都對網絡的安全性有很高的要求，而5G 專網可以為用戶提供全方位的端到端安全服務，“以達到降低信息、基礎架構和人員受到威脅概率的目的”。5G 專網能夠通過網絡隔離、數據保護、個人身份信息認證等方式對重要數據或資產進行保護，通過將UPF、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）等核心基礎設施建設在企業(yè)內部，確保數據不跨越園區(qū)劃定范圍、敏感信息保留在本地，從而使企業(yè)掌握控制、保留數據的主動權。

5G 專網可劃分為虛擬專用網絡、獨立專用網絡以及混合專用網絡3 種。其中，虛擬專用網絡以運營商已經建立的5G 網絡為基礎，構建出一個屬于企業(yè)自己的專用網絡，可以被用于提升辦公效率、提高工業(yè)控制力以及提高操作的效率，實現(xiàn)費用的控制。獨立專用網絡將超級上行、5G網絡切片等網絡技術應用到了極致，根據客戶的需要，對專用基站、專用頻率以及專用園區(qū)級UPF 等專用網絡設備進行靈活定制，為企業(yè)客戶提供一張具備隔離保護、端到端連接、高性能的專用接入網絡[3]。5G 混合專用網絡系統(tǒng)是基于5G 的數據分流方法，采用靈活定制控制網元，為企業(yè)客戶搭建了一個帶寬大、時延低的基礎連接網絡系統(tǒng)。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網

工業(yè)互聯(lián)網是一種新型的信息通信技術與工業(yè)經濟相結合的基礎設施、應用模式和產業(yè)生態(tài)，不僅能夠將人、機、物及系統(tǒng)有機地連接在一起，而且能夠穩(wěn)定地推進中國新型工業(yè)化的數字化轉型，同時能夠構建起一套完整產業(yè)鏈和價值鏈的新型制造服務系統(tǒng)[5]。工業(yè)網絡結構的基礎是網絡體系，而企業(yè)網絡中上層業(yè)務的發(fā)展主要取決于與基礎通信網絡的互聯(lián)互通。工業(yè)互聯(lián)網是將新一代信息化技術與傳統(tǒng)制造業(yè)深度結合的嶄新事物，是實現(xiàn)企業(yè)全產品制造過程中全要素、全價值鏈系統(tǒng)互聯(lián)的關鍵基石，也是以數字化、網絡化以及智能化為主要特征的新一輪行業(yè)轉型的重要基礎?？傮w來看，工業(yè)互聯(lián)網的網絡體系結構可以分為工業(yè)互聯(lián)網外網和工業(yè)互聯(lián)網內網。

工業(yè)互聯(lián)網的5G 邊緣計算網絡結構如圖1 所示，公司通過互聯(lián)網外網與云服務器、公司互聯(lián)網數據中心及公網相連，并可用來連接公司廠區(qū)、子公司、上下游業(yè)務合作單元、公司云平臺、智慧生產和企業(yè)服務等主體資源，為互聯(lián)網協(xié)同、遠程調度管理及企業(yè)服務、創(chuàng)新技術提供支撐。中小企業(yè)的內網主要是通過有線和無線兩類通信手段，將整個中小企業(yè)內部、廠房、生產線和機器設備等連接起來，主要載體是企業(yè)管理控制類、信息收集類以及數據交換類的服務。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網的5G 邊緣計算網絡結構

工業(yè)互聯(lián)網內網可通過運用5G 等新型網絡技術手段，配合IPv6+、無源光網絡系統(tǒng)等更先進的應用技術，對整個工業(yè)網絡進行全區(qū)域的無線覆蓋。其中，信息技術（Information Technology，IT）網絡分層架構主要劃分為現(xiàn)場級、控制級、車間級以及工廠級，囊括了研發(fā)類工業(yè)軟件、信息管理類工業(yè)軟件。運營技術（Operation Technology，OT）網絡所覆蓋的主體有人、產品、機器、工業(yè)控制系統(tǒng)等，主要用于現(xiàn)場的控制器、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、傳感器、伺服器以及監(jiān)控器等各類移動終端設備。在OT 網絡中，有線傳輸部分是利用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網來完成，而無線傳輸部分是利用5G 技術來實現(xiàn)。

內外網之間的數據傳輸采用“專線連接”或“網絡連接”2 種形式，根據企業(yè)的規(guī)模與業(yè)務需求選定不同的傳輸方式。通常來說，網絡連接是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)生產服務化的標準基礎，而專線連接則可在保證服務質量的前提下高效實現(xiàn)信息的網絡傳輸。

1.3 雙域互通

通信系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網的重要技術手段，其特點是低延遲、高傳輸速率、可擴展性以及高穩(wěn)定性。為使5G 技術能最大限度地適應現(xiàn)代工業(yè)生產的客觀需求，將5G 技術應用于工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展是必然的選擇。5G 專用網作為一種面向行業(yè)的網絡部署方式，能夠有效地滿足企業(yè)對高傳輸速率、高可靠性以及高穩(wěn)定性的要求，特別是在當前以政府和企業(yè)為主體的5G 工業(yè)應用市場，5G 專網的部署已經成為各垂直產業(yè)提升生產效率、加速數字化轉型的重要途徑[4]。

在“5G 專網+工業(yè)互聯(lián)網”的典型應用場景中，各種終端設備利用無線通信技術、有線通信技術或是工業(yè)以太網技術完成對設備的控制，并進行數據元素的采集、傳輸。在特定的應用環(huán)境下，通信網絡必須具備低時延、高速率、易擴展以及強穩(wěn)定等特性，才能適應各種不同的傳輸要求。

2 5G 專網與工業(yè)互聯(lián)網的具體應用

2.1 5G 專網的具體應用

5G 網絡覆蓋范圍主要包括能源、公共事業(yè)、制造業(yè)及交通運輸業(yè)。日本的5G 專網較5G 公用網絡更早被踐行，他們將各行業(yè)自建的5G 專網命名為“Local 5G”，有別于運營商的5G 專網，允許在特定區(qū)域中使用自己的專用網絡。目前，日本的5G 的頻譜的分布主要包括3.7 GHz 波段、4.5 GHz 波段以及28 GHz 波段[5]。至于為什么要給各行業(yè)使用“Local 5G”專網頻譜的權利，則是為了讓每個垂直行業(yè)都能按照自己的需求來配置5G 專用網絡。

國內，750 kV 蘭州東變電所已經正式開通了我國第一個自主建設的5G 電力無線專用網絡。該公司通過采用非授權頻段以及5.8 GHz NR-U 免授權頻段技術，實現(xiàn)自建5G 電力無線專網。這是國內首個核心網、承載網、基站完全自建的獨享網絡，也是首次使用5.8GHz免授權頻段建設的5G 專網，是國內可見的首個

具有獨立意義的企業(yè)自建專網[6]。它的2 個站點對大約0.8 m2的變電站區(qū)域進行了覆蓋。在這片范圍內，可以實現(xiàn)巡檢機器人、移動巡查、影像監(jiān)測等移動服務以及大帶寬服務應用。通過這種方法，過去各類業(yè)務終端接入方式繁雜、業(yè)務拓展應用和接入運行管理難度大的問題均能夠得以解決。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網的具體應用

工業(yè)互聯(lián)網是現(xiàn)代化工業(yè)的核心技術支撐，它利用互聯(lián)網技術實現(xiàn)了原料生產、供應、銷售以及運輸等各個方面的無縫銜接，還可以通過實現(xiàn)生產線中各設備的高效連接，迅速提高工業(yè)生產的效率和效能。工業(yè)產品的設計、研發(fā)、生產、運輸、供應、銷售乃至售后服務形成一體化的全新格局，可以有效推動工業(yè)生產的跨越式發(fā)展。然而，面對工業(yè)生產鏈的日趨復雜化與工業(yè)信息的海量化，傳統(tǒng)4G 技術已不能適應現(xiàn)代化工業(yè)運營的需求，5G 在工業(yè)互聯(lián)網中的應用已成為必然。目前，我國大部分的工業(yè)互聯(lián)網外網都是以電信、政府部門為主，而在“5G 專網+工業(yè)互聯(lián)網”的典型應用中，工業(yè)互聯(lián)網內網的構建顯得尤為重要。企業(yè)和工廠應在工業(yè)互聯(lián)網的上層發(fā)展和創(chuàng)新應用過程中，按照企業(yè)自身的布局地域化、網絡需求多樣化、業(yè)務應用場景化等要求構建與其業(yè)務相匹配的企業(yè)內部網絡通信體系，這是其要想在更高層面上對工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)發(fā)展和創(chuàng)新應用的關鍵一步。

3 雙域互聯(lián)互通的展望

當前，隨著工業(yè)生產過程的復雜化、工業(yè)信息的海量化，傳統(tǒng)4G 技術已不能適應現(xiàn)代工業(yè)運營的要求，5G 技術在工業(yè)互聯(lián)網模式下的應用已是必然趨勢。5G 技術的應用不但可以極大地提高系統(tǒng)的操作水平和數據的傳輸效率，實現(xiàn)對管理系統(tǒng)的智能化控制，而且可以實現(xiàn)對該地區(qū)視頻監(jiān)控、音頻監(jiān)控等設備的互聯(lián)互通，利用工業(yè)傳感設備、無人機等實現(xiàn)對數據的實時采集，并在智慧云中實現(xiàn)數據的互聯(lián)共享，進而促進工業(yè)互聯(lián)網的轉型升級。5G 專網與工業(yè)物聯(lián)網融合的標準應用如圖2 所示。

圖2 5G 專網與工業(yè)物聯(lián)網融合的標準應用

機器視覺技術也是5G技術深入發(fā)展的重要表現(xiàn)，被廣泛應用于工業(yè)互聯(lián)網領域。通過機器視覺技術的應用，工作人員可以對生產設備進行遠程操作，甚至是虛擬設計，使得人與設備、產品之間的交互不再需要直接接觸，這就極大地減少了時間和空間對于生產、創(chuàng)造活動的限制與制約，從而顯著提高了產品質量和生產效率。5G 與超高清視頻技術的融合是當前5G與工業(yè)互聯(lián)網相結合的一種比較成熟的技術場景，其能夠實現(xiàn)極高清晰度和分辨率的數據傳輸，使遠程監(jiān)管、測量等與實地操作之間的差距得到極大程度地縮小，有效提升產品裝配的質量和工藝水平。

4 結 論

不論是5G 專網還是工業(yè)互聯(lián)網，都不能只滿足于“一廠一地”的小范圍融合，而是需要在省級層面乃至國家層面做好頂層的規(guī)劃與設計，加強傳統(tǒng)工業(yè)與現(xiàn)代通信產業(yè)之間的聯(lián)動發(fā)展，將5G 專網與工業(yè)互聯(lián)網的融合上升到國家戰(zhàn)略的高度，為2 個產業(yè)的融合提供最優(yōu)質的外部環(huán)境。與此同時，要以積極、謹慎的態(tài)度推動5G 專網與工業(yè)互聯(lián)網融合應用的監(jiān)管，持續(xù)構建并完善相關行業(yè)制度和融合規(guī)范，對融合應用過程中可能出現(xiàn)的技術風險和安全風險進行有效防控，從而為二者的融合應用創(chuàng)造一個更加健康的環(huán)境，有效推動現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)工業(yè)產業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，為我國工業(yè)生產和信息化發(fā)展提供強有力的支撐。