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★中國聯通研究院韓政鑫，賈學琴，黃蓉，林晨，史可

1   概述

移動通信服務由消費互聯網邁入產業互聯網時代，5G網絡業務從面向公眾用戶為主向垂直行業拓展^［1］，隨著行業數字化浪潮的推動，結合云計算、AI、視覺、傳感等應用技術，垂直行業的多個環節將涌現出一系列新的業務場景，對網絡的需求向低時延、高可靠性、融合性、確定性升級，移動網絡與行業業務深度融合，帶來全新的發展機遇。

5G確定性網絡（5G Deterministic Networking，5GDN ）是指利用5G網絡資源打造可預期、可規劃、可驗證、有確定性能力的移動專網，提供差異化+確定性的業務體驗^［2］。相對于傳統“盡力而為”的公眾網絡，5G確定性網絡通過疊加使用一些網絡新技術來提升和保障網絡的質量，在復雜多業務接入和高效傳輸的情況下，提供端到端確定性的網絡服務，滿足一些行業應用對網絡的嚴苛要求。 確定性網絡中的“確定性”特性包括：時延確定性（時延上限）、抖動確定性（抖動上限）、丟包確定性（丟包上限）、帶寬確定性（帶寬上下限）、高可靠性（可靠性下限）、定位確定性（精度保障）、 安全隔離等。

2　確定性網絡產業動態

現有多個通信標準組織及聯盟機構已開展確定性網絡技術研究及應用推廣^[11]，包括：3GPP、IEEE、 IETF、ITU、中國通信標準化協會（CCSA）、工業互聯網聯盟（AII）、5G確定性網絡產業聯盟 （5GDNA）等，本節將簡要介紹一些組織研究情況。 

2.1　3GPP  

3GPP R16針對URLLC、工業互聯網、車聯網等行業能力進行拓展，多業務/信道并發時，明確數據搶占和排隊機制，保障URLLC業務；首次引入了5G+TSN融合架構，5G作為TSN的透明邏輯橋，通過終端側DS-TT及核心網側NW-TT支持TSN標準，實現確定性轉發^[3]。 

R17持續開展工業互聯網項目的研究，進一步完善支持IEEE TSN協議的5G網絡系統、授時機制、TSCAI參數等，以及借鑒TSN技術增強網絡內生確定性，確立5G系統的確定性機制并進行標準化。R18將面向更加廣域、更高性能確定性增強。

2.2　IETF 

IETF 2015年成立了確定性網絡（Deterministic  Networking，DetNet）工作組，專注于網絡層和上層之間的廣域網確定性技術，在二層橋接和三層路由上實現確定的傳輸路由，以實現在ip網絡上從盡力而為到準時準確快速，減少端到端的時延。工作組與負責第2層操作的IEEE802.1時間敏感網絡（TSN）合作^［4］，為第2層和第3層定義通用的體系架構，尚處于場景/需求/架構前期研究和標準制定階段。

2.3 CCSA

中國通信標準化協會站在通信行業角度，開展確定性網絡相關的標準化研究工作，目前研制的通信行業標準包括《超高精度時間同步接口要求》《工業互聯網時間敏感網絡集中網絡配置技術要求》等，并行推動數項研究課題包括《新一代無線網絡確定性技術研究》《工業互聯網確定性網絡端到端技術協同研究》等。

2.4 AII

工業互聯網產業聯盟聯合產業界，梳理行業網絡需求及應用場景，已發布《5G+TSN融合部署場景及技術發展白皮書》《車載TSN白皮書》，正在研制《TSN控制管理白皮書》《電力行業確定性網絡白皮書》，電力、鋼鐵等行業客戶也積極參與探討確定性網絡應用。

2.5 5GDNA

5G確定性網絡產業聯盟旨在匯聚產業界力量，共建5G確定性網絡產業生態，致力于推進5G確定性網絡產業發展。目前已發布《5G確定性網絡架構產業白皮書》《5G確定性網絡+工業互聯網融合》《5G確定性網絡@電力系列白皮書》等多項白皮書。

3  5G確定性網絡關鍵技術

本節介紹5G確定性網絡的一些關鍵技術，這些技術通常根據實際組網及業務需求，可進行選擇性使用或者組合使用，以增強5G網絡確定性能力，為工業企業提供高質量網絡服務。

3.1精準時間同步技術

端到端高精度時間同步是網絡節點協同調度和保障網絡確定性的基礎，基于5G網絡的精準時間同步，依靠無線基站發送的同步信號和時間信息，通過特定的接口協議發送給行業終端使用，可滿足行業終端1μs的時間同步需求，相比現有的GNSS授時技術和有線網絡授時技術，具有時鐘源穩定、無縫覆蓋，以及終端的授時模塊與通信模塊合一的優點。

3.2 URLLC技術

無線空口的時延受環境影響較大，是5G網絡傳輸過程中最容易出現抖動的部分，5G網絡可憑借Mini-Slot、上行免授權調度、DCI壓縮等URLLC關鍵技術，通過短時隙和通道優先搶占的機制，為無線空口提供更低的時延保障，在5G定義的超高可靠超低時延的業務場景下，網絡性能空口時延理論值可縮短到1ms^［3］。

3.3 5G+TSN時間敏感網絡

TSN作為工業4.0的演進方向，可滿足工業互聯網對確定性傳輸和協議統一的訴求，是面向未來工業互聯網、車聯網等高可靠性、低時延應用的關鍵網絡技術^［9］。5G與TSN網絡低時延、高可靠特性具有天然融合優勢，發揮5G靈活性和TSN極低延遲性^［12］，構建端到端確定性網絡，賦能工業互聯網。

3GPPR16定義了5G系統與TSN網絡融合橋接的基本架構，如圖1所示。對于TSN網絡，5G系統被視為一個TSN網橋設備進行透明傳輸，只有位于5G系統邊緣的TSN轉換器（TT）需要支持IEEE802.1AS協議規范。 

圖1 5G+TSN融合架構^［3］

3.4MEC邊緣計算

通過UPF下沉+MEC降低業務時延，MEC是一個邊緣云平臺，通過與5G網絡結合（UPF是結合點），提供一種新的網絡架構，將移動接入網與互聯網業務深度融合。利用本地分流減少網絡延時，節約帶寬資源，可在MEC上集成第三方應用將計算能力下沉到網絡邊緣，降低業務總體響應時長，滿足用戶業務體驗需求。MEC在網絡中的部署位置及時延如圖2所示。

圖2 MEC部署位置及時延

3.5 5GLAN

5G LAN基于5G移動性、遠距離接入、高性能和安全性等優勢，提供類似工業局域網的服務°3GPPR16定義了5G LAN技術，5G LAN能夠提供L3層VPN服務(IP轉發)，以及L2層LAN服務(Ethernet局域網二層轉發網絡)，支持單播/組播/廣播業務，支持VLAN隔離等關鍵能力^［5］。如圖3所示。 

圖3 5G LAN

工業5G終端通過UPF實現設備間直接通信，不必再經過外部數據網(PDN)中轉，大幅降低了組網復雜性及行業終端間通信時延，可作為當前局域網的增強或替代，解決行業私有網絡可靠性、性能問題。

3.6增強上行

由于公眾網絡下行流量需求遠大于上行流量，因此在網絡設計時通常讓下行占用更多資源，而工業互聯網業務以各類實時的數據采集、感知和視頻類信息回傳為主，對網絡上行容量有更高的要求。5G網絡可以通過雙連接（E-UTRA-NR Dual Connectivity，EN-DC）、載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、超級上行補充載波（Supplementary Uplink，SUL）、靈活時隙配比、5G毫米波等技術來提高網絡覆蓋能力^［6］，增強上行容量，提供可保障的大帶寬。

3.7網絡切片

通過網絡切片實現業務隔離保障，端到端網絡切片包括接入網、承載網、核心網切片，不同切片間資源安全隔離，可根據業務場景的隔離需求和成本要求，選擇不同的切片隔離技術。如接入網可使用專用頻率隔離、RB資源預留以及QoS動態調度的方式實現網絡切片；承載網可使用FlexE接口隔離和MTN交叉隔離等硬隔離方案，基于VPN+QoS調度隔離的方式；核心網可使用硬件資源物理隔離、虛擬資源池隔離、網元功能不同程度的共享/獨占的方式。

3.8高可靠技術

5G網絡可通過鏈路冗余，多傳輸鏈路備份，防止網絡故障、丟包等異常導致的業務中斷，提升端到端的用戶面數據傳輸的可靠性，網絡冗余包括：基于雙PDU會話的終端和業務對端雙鏈路冗余，基于單PDU會話的回傳網雙鏈路冗余，基于單終端雙UE冗余。

4  5G確定性網絡在工業互聯網中的應用需求

工業領域存在多樣化的與生產相關的業務應用，一些業務場景對網絡要求嚴苛，根據對網絡的需求，5G確定性網絡業務場景可大致分為四類：基于高清視頻智能化應用、低時延控制類應用、設備能源管理類、融合通信類應用。

4.1基于高清視頻智能化應用

在工業園區/工廠部署高清攝像頭，將采集到高清視頻/圖像實時回傳到云端服務器，結合后臺人工智能技術及智能檢測系統，實現工業領域基于高清視頻/圖像的業務應用場景。

該類業務應用的特點為高清視頻/圖像分辨率高，傳輸速率高，要滿足無損、無卡頓、實時穩定回傳及查看，需要通信網絡具備可保障的上下行大帶寬、低丟包率、高可靠特性^［15］。典型業務應用如智能監控、機器視覺質檢、AR輔助作業等。

4.2低時延控制類應用

工業自動化生產過程中^［7］，通過PLC、變頻器、伺服電機、工控機等工業控制設備，對機器臂、AGV小車、機床、行車等現場設備進行周期性自動化控制、遠程控制，以及多個機器人之間的協同作業，降低人力成本提高作業效率，需要對控制指令進行上傳下達，實現工業領域低時延控制類應用。

該類業務應用的特點包括控制類信號為小數據包、可靠性及時延要求嚴苛，端側設備以PLC為主，多為各自動化設備廠家工業以太網私有協議，需要通信網絡具備高可靠性、低時延低抖動、QoS保障特性^［8］。典型的業務應用如產線自動裝配、AGV自動化搬運、吊車遠程控制、鋼鐵焦化四大車遠程協同控制、機械臂協同裝配等。

4.3設備能源管理類應用

工業場景中存在大量的傳感器及物聯網終端，通過傳感器采集工業設備、生產環境、能源儀表數據，按時上傳至設備/能源平臺進行監管，實現基于海量連接的工業設備、能源管理類應用場景。

該類業務應用的特點為設備連接量大、傳輸數據量小、功耗低、周期性采集為主，部分例如差動保護類時延及抖動要求高，需要通信網絡具備大容量、高可用性、低時延低抖動特性。典型的業務應用如智能抄表、智能檢測、配網智能保護。

4.4融合通信類應用

工業企業為實現各種業務的應用，園區建設了多種制式的通信網絡，存在互通性差、維護升級難等問題，可通過一張高性能網絡綜合承載各類業務，提升網絡能力，實現融合通信，節省網絡投資及后期運維成本。

該類業務應用的特點為多業務在一張網絡的統一承載，存在多種終端接入方式，不同業務之間有隔離要求，對網絡性能有差異化需求。需要通信網絡具備高可靠性、業務隔離、多業務綜合承載、按需提供差異化網絡服務特性。典型業務場景如生產網絡、人員通信網絡、辦公網絡的統一承載。

5  5G確定性網絡與工業生產網絡的融合

5G無線網絡具備靈活部署、深度覆蓋、持續演進的優勢，強大的承載能力以及增強的網絡確定性能力保障，為工業行業提供一種熱門的網絡可選方案迴。

一方面，5G確定性網絡作為工業生產網絡的補充，初期在豐富數據采集手段和行業應用場景，降低成本，提高可靠性方面提供網絡支持，隨著人工智能、AR/VR、傳感等技術的發展，通過5G確定性網絡增強工業信息交互，基于工業大數據進行生產的科學決策能力，逐步實現全連接智慧化工廠。

另一方面伴隨5G確定性網絡滲透以及確定性技術的應用，5G網絡與生產網絡集成，5G確定性網絡與有線網絡融合、互為補充，深入工業核心業務應用，一定程度替代多種制式的網絡，形成統一的承載網絡，簡化工業企業組網拓撲，降低運維成本，為數據互通、統一管理提供強有力支撐。

5G確定性網絡與生產網絡融合部署方案主要包括以下兩種：

（1）部署獨立的5G網絡提供工業以太網服務

傳感器、執行器、控制器直接通過5G網絡用戶側端設備（如CPE.5G網關、5GUE）連接至5G網絡進行數據交換^[13]可以通過集成多個5G基站來滿足工業現場網絡的無線覆蓋要求，如圖4所示。這種方式改造代價高，與現有網絡互操作性非常有限且應用場景局限，適用于一些布線覆蓋困難的工業場景以及工業5G智能終端的通信。

圖4 獨立部署5G網絡

（2）5G網絡透傳與工業以太網絡集成

5G網絡將被有線網絡視為以太網橋和鏈路^［14］氣利用5G網絡靈活部署的優勢替換部分鏈路工業以太網絡，實現與有線網絡的互為補充以及無縫互操作性，是現階段使用較多且普遍被接受的方式，這種方法的挑戰是確保控制層和用戶平面層之間的交互，典型的例如3GPPR16中定義的5G+TSN橋接方案。此外，一個5G網絡可以服務多個工業以太網網絡，例如通過VLAN,這些網絡在邏輯上是隔離的，因此在QoS和隱私方面是隔離的。如圖5所示。 

圖5 5G網絡與工業以太網集成

此外,5G確定性網絡與現有工業通信網絡融合時，用戶平面功能（UPF）的部署實現至關重要^［14］,因為UPF是錨點，是用戶數據進入和退出5G網絡到數據網絡的邏輯和物理實體。

UPF可以部署在運營商公共網絡域，與3GPP中定義的PNI-NPN一致，優點是改造成本相對較低便于運維，但是會引入一些時延、可用性價值問題，防火墻配置復雜度會有所增加，適用于遠程運維、資產監控、數據采集等對時延、可靠性要求不嚴苛的場景。

UPF也可以下沉部署在工業企業，與3GPP中定義的SNPN的一致，如部署在公司的IT域或者OT生產域，成本高、運維困難，需要5G網絡域與工業企業的IT/OT設施緊密耦合，優點是時延和可靠性更優，工業企業擁有更多的可控性，適用于對時延和可靠性要求嚴苛的閉環控制、強安全類等應用。

6  結束語

隨著5G新業務場景的拓展，以及試點應用的規模化商用，5G業務類型和業務量激增，需要5G網絡提供多業務共存下端到端網絡質量保障，在工業互聯網重點關注的網絡確定性上，將不斷通過新技術的研究探索，增強網絡自身的確定性，分階段逐步滿足工業行業應用要求，助力5G工業互聯網業務的成熟和規模化商用。

作者簡介：

韓政鑫（1994-）,女，河南人，工程師，碩士，現就職于中國聯通研究院，主要從事移動網絡、5G+工業互聯網和行業專網相關研究工作。

賈雪琴（1979-），女，湖南人，高級工程師，博士，現就職于中國聯通研究院，主要從事工業互聯網標識、區塊鏈研究和標準化工作。

黃蓉（1986-），女，四川人，高級工程師，博士，現就職于中國聯通研究院，主要從事無線通信和邊緣計算相關技術研究及標準化工作。

林晨（1981-），男，浙江人，高級工程師，博士，現就職于中國聯通研究院，從事工業互聯網標識、區塊鏈研究。

史可（1992-），女，北京人，工程師，碩士，現就職于中國聯通研究院，主要從事區塊鏈、確定性身份研究工作。

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摘自《自動化博覽》2022年第三期