中国联通汽车制造5G专网白皮书.pdf

中国联通研究院中国联通汽车制造军团2022 年 8 月第 1 章汽车制造业发展趋势.11.1汽车制造新趋势.11.25G 带来新机遇.2第 2 章汽车制造行业典型应用场景.32.1整车制造.32.1.1设备数据采集.32.1.2线边物流和智慧仓储.32.1.3安全穿戴管控.42.1.4机器人间协同控制.52.1.5设备远程维护.62.1.6远程设备操控.62.1.7工艺信息交互无线化.72.1.8生产工厂能耗监控.72.1.9机器视觉质检.82.1.1 0PLC 柔性生产制造.82.1.1 1设备预测维护.92.2产业配套.1 02.2.1车间厂间协同.1 02.2.2在线培训与模拟试驾.1 02.2.3全域物流监测.1 1第 3 章汽车制造行业 5G 切片方案.123.15G 网络切片.1 23.1.15G 网络切片概念和特征.1 23.1.25G 网络切片端到端架构.1 33.1.35G 网络切片价值.1 43.2汽车制造行业 5G 切片网络需求.1 63.3汽车制造行业 5G 切片总体设计思路.1 83.3.1汽车制造行业切片架构.1 83.3.25G URLLC 切片的设计和应用.1 93.3.3切片全生命周期管理.213.3.45G 切片网络安全规划.223.4汽车制造行业 5G 切片建设方案.243.4.15G 无线接入网建设方案.243.4.25G 承载网建设方案.253.4.35G 核心网建设方案.27第 4 章 5G 汽车制造典型案例.314.1 长安汽车.314.2 东风岚图新能源汽车.32第 5 章 5G 汽车制造行业愿景.34汽车制造行业是全国乃至全球为数不多的市场存量超过万亿级别的分类市场，而工业信息化生产是汽车制造业不断降低成本，提升生产效率比的关键举措。随着 5G 新技术的引入，将轻易实现基于 5G 的汽车智能制造，降低厂区的基础设施改造成本和网络升级投入成本。汽车制造行业正朝着网联化、智能化、体系标准化、生产自动化发展。在 5G 无线网络加码下，汽车制造行业实现剪辫子，让设备有柔性；其大带宽特性不仅把在本地处理的大量数据搬到边缘端，减少费用投入，而且提升带宽敏感类业务的作业效率。5G URLLC 的技术特性，通过其低时延超可靠通信方式改变工业自动化领域现状，URLLC 特性的落地能够助力工业企业生产环节的智能化升级，从而实现生产效率的提升和维护成本的控制。5 月 1 7 日，在世界电信和信息社会日中国联通成立汽车制造军团，以联通(重庆)5G 融合创新中心为载体，快速建成新型研发机构，军团首发的 5G 高可靠专网、基于 5G LAN 技术的“5G 专网 PLUS”、5G 工业边缘控制平台，均是 5G 赋能工业的里程碑事件，为“柔性制造”提供了新型网络范式和应用模式，实现了 5G 由辅助环节向核心制造环节的突破，服务企业发展，服务经济发展主战场。本白皮书将从汽车制造发展趋势、典型应用场景、5G 切片网络需求、5G 切片总体设计思路、汽车制造行业 5G 切片建设方案等方面进行探讨 5G 专网在汽车制造领域的发展和应用，为实现汽车制造领域的数字化转型提供技术引领与支持。（排名不分先后）中国联通集团工业互联网 BU陈丹 肖羽 赵兴龙中国联通研究院杨锦洲 张园 龙垄 王哲 杨贝斯 王新宇 苑东平 陈亚楠 闫丽娜 贠晓雪 刘辛炎 夏璠中国联通汽车制造军团周华 唐尚禹 霍明德 张艳 贺前程 程骁 朱申宝重庆长安汽车股份有限公司彭小刚 顔先洪 宁海荣 刘铸斌 陶诗波 王俊平华为技术有限公司刘杰才 黄清源 徐凯紫光展锐（上海）科技有限公司夏彦龙 朱勇旭 张伟强 费川-1-1.11.1 汽车制造新趋势汽车制造新趋势新一轮的科技革命以来，工业制造格局发生了巨大的变化，汽车制造行业也呈现出新的发展趋势和动向，随着科技的不断进步和消费者对产品需求的变化，汽车制造行业总体呈现以下新趋势：1、规模化生产向定制化生产转变：随着中国经济的快速发展，用户进一步提升了定制化产品的需求，促使制造业向着小众、定制化的方向转型。2、单一卖产品向产品服务化转变：随着人民生活水平的进一步提高，企业不再是单一卖产品的供应商，而是向着完善的服务供应商转变，工业领域也不可避免的从单一的产品提供向着一体化产品服务转变。3、专一分工向一体化生产转变：随着生产方式的进步，企业供应链呈现新的趋势，面对供应链的变化，制造业正在改变专一的分工，整合上下游的产业信息向着一体化生产发展。4、传统生产模式向智能化生产模式转变：随着物联网、人工智能、大数据、云计算、5G 等新技术的发展，工厂内开始布局新兴技术手段，帮助制造业从传统的生产方式向智能化生产转变。在以上四方面趋势驱动下，工业企业开始自发探索和打造智能工厂，改善关键制造环节，利用端到端数据流和网络互联，有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率和产品质量。汽车制造行业的传统通信方式在这一过程中有着明显的短板，例如工业自动化、产品检测、安防监控等场景中对网络通信都有着超低时延和高可靠性的要求，传统的工业有线方式和4G、WiFi 等无线通信只能做到尽力而为，不适合智能制造的需求，因此，汽车制造行业急需在网络上有新的突破。第第 1 1 章章 汽车制造业发展趋势汽车制造业发展趋势-2-1 1.2 2 5G5G 带来新机遇带来新机遇党中央、国务院高度重视 5G 发展，为落实 2021 年政府工作报告“加大 5G 网络和千兆光网建设力度，丰富应用场景”的要求，以及”十四五“规划中“构建基于 5G 的应用场景和产业生态”的目标，工业和信息化部联合中央网信办、国家发展和改革委等 9 部门印发 5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023 年），并持续举办“绽放杯”5G 应用大赛，推动产业界探索 5G 应用技术、商业模式，加速行业场景落地。伴随着我国工业制造 2025 和新基建的深度推进，汽车制造行业将愈发注重设计、生产和运维等全生命周期精细化管理；注重利用信息化技术，降低整体人力成本与资源消耗；5G 作为新型信息基础设施，和人工智能、云计算等技术聚合，将是产业数字化转向的数字底座，对经济的拉动存在“乘数效应”；根据未来工业网络呈现融合、开放、灵活三大特点，R1 7 标准实现四方面能力增强，一是工业互联网（Industrial IoT）增强，实现超级可靠和本地连接。R1 7 继续持续增强 URLLC 技术，支持时间敏感通信（TSC），大幅提升 R1 6 的空口同步精度；引入 5G RedCap 技术支持更多物联网的需求，实现 5GNR 普及到更低复杂度的物联网终端。二是无线空口能力增强，实现超级无线性能，包括 MIMO 持续增强，UE 节电增强，以及双连接/载波聚合(DC/CA)增强等。三是更多新垂直行业拓展，R1 7 通过支持 sidelink 技术支持Public Safety、支持 NTN/HAPS、支持 5G 广播多播技术、以及支持 5G 铁路场景。四是 5G部署智能化增强，实现 5G 快速高效的部署能力、以及对 SON/MDT 和 IAB 技术的增强。5G 是持续演进的技术，R1 7 完成之后，R1 8 相关工作正在积极向前推进，可进一步降低设备复杂性，从而更广泛地支持物联网；“5G+智能制造”给汽车制造行业带来新的增长机遇，真正实现 IT 与 OT 融合，推动汽车制造行业智能化的改造，实现了制造行业万物互联，赋能汽车制造行业转型升级。-3-第第 2 2 章章 汽车制造行业典型应用场景汽车制造行业典型应用场景2 2.1 1 整车制造整车制造2.1.1 设备数据采集汽车生产现场设备数据采集利用工业以太网、蓝牙等对设备运行参数、状态等数据进行采集；目前，工业以太网经常出现有线线缆老化、网络走线复杂带来的安全隐患以及维护操作困难等问题；而且，汽车制造行业设备复杂且个性化程度高，数据不具备一致性，大部分系统未上云，数据孤岛现象严重，不利于未来大数据建模、生产设备预测性维护、大规模的数据共享。采用 5G 技术应用设备数据采集场景，可以很好解决有线布线问题和海量设备接入问题，实现了海量数据实施传输、设备全生命周期管理和预测性维护，进一步实现重点设备在线健康监测和故障诊断。表2-1 网络性能需求场景通信需求设备数据采集功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线2.1.2 线边物流和智慧仓储汽车制造行业涉及物件和供货商类型多，其厂区智能物流场景主要包括线边物流和智能仓储。线边物流是指从生产线的上游工位到下游工位、从工位到缓冲仓、从集中仓库到线边仓，实现物料定时定点定量配送；但如何根据生产节拍进行线边物料的规划设计，物料包装器具优化，线边仓规划升级，无人化柔性搬运解决方案等等问题已经成为汽车制造企业线边物流升级中重要关注的方面。智能仓储通过物联网、云计算和机电一体化等技术降低仓储成本、提升仓第第 2 2 章章 汽车制造行业典型应用场景汽车制造行业典型应用场景-4-储管理能力。但 4G、WIFI 网络的传输速率过慢及时延较高，传统仓储管理无法做到及时盘库和自动补货。线边物流采用内置 5G 模组或部署 5G 网关等设备可以实现厂区内自动导航车辆（AGV）的 5G 网络接入，部署智能物流调度系统，结合 5G+MEC+超宽带（UWB）室内高精定位技术，可以实现物流终端控制、商品入库存储、搬运、分拣等作业全流程自动化、智能化。智能仓储在汽车制造企业厂区内部署基于 5G 网络的扫码枪、工业相机或网络视频录像机（NVR）等信息采集终端，将拍摄的条码数据、高清图像或视频等信息实时上传至云平台。利用光学字符识别（OCR）等人工智能技术自动识别货物标识、外观、尺寸、品相等信息，实现全厂货物的实时盘点和管理。表2-2 网络性能需求场景通信需求线边物流和智慧仓储功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线2.1.3 安全穿戴管控无线安全可穿戴设备在应用于汽车制造生产企业的工作中，可以加强工作人员的工作效率，在工作的过程中，无线可穿戴设备不会影响工作人员的运动，不会对施工的过程造成干扰，在工作人员使用无线可穿戴设备时，双手可以正常地使用。汽车制造行业在工厂生产作业区域内进行安全穿戴管控，通常使用 WiFi 或蓝牙连接安全穿戴设备，利用其高清摄像头实时采集现场视频，但存在连接数量少、网速响应慢、传输距离短等限制，无法做到上千用户及百米远的距离连接。5G 技术应用到安全穿戴管控场景可以解决大量终端同时连接的问题，同时引用 5G-5-RedCap 可以解决终端设备节能和高速运转。表 2-3网络性能需求2.1.4 机器人间协同控制在汽车制造焊装生产等环节，存在多台机器人协同作业的情况，如协同涂胶、协同搬运、协同焊接等。机器人协同工作，主要通过 PLC 控制系统进行。由 PLC 统一协同并下发指令给各机械臂控制器，开展作业工作。为确保协同作业而不产生碰撞和操作失误，对协同通信网络延时和可靠性要求较高。由于现有技术发展限制，传统厂房的制造设备之间通信通常是以有线工业以太网连接，存在布线复杂，运营维护和线缆老化更换困难等问题，同时设备之间的移动性和协调性受到有线通信限制。利用 5G 授时定位、人工智能、网络虚拟化等技术，不仅解决布线维护问题，也提高网络响应速度，实现设备间实时协同作业和调度。表2-4网络性能需求场景通信需求机器人间协同控制功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线场景通信需求安全穿戴管控功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发高清照片传输1 00Mbps20Mbps20ms99.9%生产线-6-2.1.5 设备远程维护汽车制造企业远程运维指导服务通过在全虚拟场景中，叠加远端专家指导形成端云协同，使端侧获得实时操作指导，提升运维服务的效率和质量。现有汽车制造行业设备维护主要依靠人工维护，涉及到难度大的技术问题，通常采用电话或专家到现场指导维护，消耗大量时间和人工成本，同时也影响到企业的生产。企业利用 5G 网络接入能力、AR、VR、MR 等技术，实现异地专家跨地域就诊，不仅可以实时指导操作人员维护设备，而且可以通过 VR 直接远程操控机器人进行设备维护。表 2-5网络性能需求场景通信需求机器人远程维护功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发50Mbps1 0Mbps20ms99.9%生产线2.1.6 远程设备操控设备操控员通过网络远程获得生产现场高清视频画面及各类终端数据，并通过设备操控系统实现对现场工业设备的精准操控。但生产现场对网络要求比较高，任何画面延迟、卡顿等都会影响到产品质量。随着柔性制造的诉求不断增加，为实现产线自控柔性化场景和设备的实时远程操控，5GURLLC 深入到核心的生产自控业务，解决了远程操作实时性、稳定性、并发数、安全性等问题。表2-6网络性能需求场景通信需求远程设备操控功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线-7-2.1.7 工艺信息交互无线化在汽车制造涂装环节，MES 系统通过远程控制输送、电泳、打胶、烘房、喷房、精饰、质检等各子环节 PLC，实现输送设备与工艺间、设备与设备间连锁控制，保障设备安全可控，质量可控。控制参数信息主要有电泳工艺（电泳时间、电压、车身摆动角度等）、打胶工艺（涂胶量、涂胶类型等）、喷涂工艺（根据车型选择喷涂颜色、喷涂程序）等。生产现场通过实现 5G 网络覆盖，按照汽车企业提供的质检标准、工艺操作合规标准等标准流程，实现工艺信息准确追溯，提高生产效率。表2-7网络性能需求场景通信需求工艺信息交互无线功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线2.1.8 生产工厂能耗监控汽车制造过程中，会使用大量高能耗设备，需要对工厂内水、电、气消耗进行实时监测，以实现对能耗的精细化管理。常见的监测的手段主要为对工厂内所有计量类的电表、水表、气表进行远程集抄。5G mMTC 重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用的问题。其大连接实现了大量能耗设备监控，低功耗实现了能耗设备的节能。表2-8网络性能需求场景通信需求生产工厂能耗监控功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发10Mbps5Mbps1 00ms99.9%生产线-8-2.1.9 机器视觉质检在汽车制造生产车间，产品的质量检测仍处于人工肉眼处理的阶段，面临着效率低下，且存在缺陷难回溯、缺陷检测率受人员状态影响等明显问题。利用 5G+工业相机，通过内嵌 5G 模组或部署 5G 网关等设备，实现工业相机或激光扫描仪的 5G 网络接入，实时拍摄产品质量的高清图像，并进行 AI 图像识别分析，实现产品缺陷实时检测和质量溯源。表2-9网络性能需求场景通信需求机器视觉质检功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围缺陷检测物高清照片传输50Mbps20Mbps20ms99.9%生产线2.1.10 PLC 柔性生产制造汽车制造生产现场中，PLC 到设备之间连接传统方式是通过有线的工业以太网+WiFi 实现网络需求，但由于 PLC 柔性生产制造涉及到移动性变化，有线的工业以太网存在布线难度大，成本高以及 WiFi 信号覆盖小等缺点，需要采用 5G 技术。数控机床和其他自动化工艺设备、物料自动储运设备通过内置 5G 模组或部署 5G 网关等设备接入 5G 网络，实现设备连接无线化，大幅减少网线布放成本、缩短生产线调整时间，实现了企业生产设备高度自动化、智能化，实现生产线设备自主组合和参数自动配置。表2-1 0网络性能需求场景通信需求柔性生产制造功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线-9-2.1.11 设备预测维护设备预测维护主要是对设备使用状态进行监控，对各零部件老化程度计算，及时更换零部件，防止生产意外的情况发生。汽车企业生产现场的工业设备、摄像头、传感器等接入 5G 网络，实时传输设备的运行状态至云平台，实现工业生产设备性能和状态的实时监控，构建设备历史监测数据库。基于大数据、人工智能等新技术，通过故障预测机理建立模型对监测数据进行分析，评估设备健康状态，预判设备运行趋势，智能制定设备维护保养计划，实现设备安全预测与生产辅助决策，有效降低设备维护成本，延长设备使用寿命，确保生产过程连续、安全、高效。表2-1 1 网络性能需求场景通信需求设备预测维护功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%生产线-10-2 2.2 2 产业配套产业配套2.2.1 车间厂间协同对于大型汽车制造行业，由于其产品结构复杂、技术含量高、工艺涉及广、制造难度大、生产周期长等特点，工厂一般会采取工艺专业化原则建立生产车间，以满足多品种复杂产品的制造。某些大型汽车工厂甚至有上十种专业化车间，如锻造、铸造、下料、机加、焊接、表面处理、热处理、复合材料、电装、装配、调试等等，生产协作关系复杂、计划协同难度大、生产信息传递慢、在制品滞留时间长且跟踪难度大等问题十分突出。采用 5G 跨区漫游组网，覆盖所有车间厂间区域，提高生产协同，从而提升生产效率。表 2-1 2 网络性能需求场景通信需求车间厂间协同功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%厂间2.2.2 在线培训与模拟试驾在线培训正在成为汽车制造行业员工再教育和学习的重要补充，以满足随时随地产生的学习需求，传统的培训一般是通过线下面对面的培训、线上远程视频培训等手段，无法做大随时随地进行真实的模拟场景培训，讲师与学员无法做到一对多的互动等缺点。5G 网络将改善在线培训/远程培训的学习环境。一方面，基于 5G+人工智能技术对在线培训进行实时分析，帮助培训老师专家实时获取培训员工的学习效果反馈，进行个性化的学习辅导，大幅改善培训的互动性体验。另一方面，5G 可以改善企业各厂区或分公司之间培训资源分布不均的情况，支持音视频流、VR/AR 等需要大带宽，可以将不同地点的课堂连接起来，-11-为一对一、一对多、多对多远程课堂的师生带来无延迟的沟通，促进优质教育资源的共享和共建。表2-1 3 网络性能需求场景通信需求在线培训模拟试驾功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%办公域2.2.3 全域物流监测汽车制造过程中，对于原材料、零部件等运输产品进行全流程监控，目前各个运输系统还是相对孤立的。利用 5G 技术，通过汽车工业运输设备上的智能监控终端，实时采集全域运输途中的运输装备、货物、人员等的图像和视频数据，并通过 5G+边缘云进行实时定位和轨迹回放，对货物、人员进行实时监测，实现工业运输的全过程监控，能够避免疲劳驾驶、危险驾驶等行为，有效保障运输过程中装备、货物和人身安全。表2-1 4 网络性能需求场景通信需求全域物流检测功能上行带宽下行带宽传输时延可靠性覆盖范围控制指令下发20Mbps20Mbps20ms99.9%厂区-12-3 3.1 1 5G5G 网络切片网络切片5G 网络切片是面向垂直行业的基础业务形式，其在统一物理设施上实现多种网络服务并提供多级隔离和安全，可降低建网成本，满足行业多种场景按需、敏捷建立网络的需求。3.1.1 5G 网络切片概念和特征5G 端到端网络切片在 3GPP TS 23.501 中已有定义，通过将物理网络切分为多个逻辑网络，实现一网多用，使运营商能够在一个物理网络上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，来满足不同行业用户对网络能力的不同需求，5G 网络切片具备以下特征：灵活性：可以根据业务需求对网络功能进行定制裁剪和灵活组网。面对不同行业多样化需求，5G 网络可以提供按需编排、实施部署、动态保障的能力，为每个应用提供不同的网络能力。差异化 SLA 保障：SLA 称为服务水平保证，5G 网络切片主要包含网络带宽、时延、可靠性、吞吐率，定位精度、隔离度、可视、可管、可运维等。可根据不同业务 SLA 参数，组合设计和部署不同网络切片，满足行业需求，提供 SLA 保障。业务安全隔离：不同业务切片间相互隔离，互不影响，网络安全性得到保障。支持多层次的切片管理技术，满足不同隔离要求下的切片需要。自管自运维：在切片即服务模式下，提供网络的可视化能力，对于工业企业等有需求企业，提供一定程度的自管理自运维能力，实现租户的“自助服务”。第第3 3 章章 汽车制造行汽车制造行业业5 5G G切片方案切片方案-13-3.1.2 5G 网络切片端到端架构5G 端到端网络切片按照网络资源灵活分配及网络能力按需组合，基于一个 5G 网络虚拟出多个具备不同特征的逻辑子网。每个端到端切片均可由无线网、传输网、核心网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。图3-1 5G端到端切片无线网切片：是端到端网络切片的关键组成部分，需要根据端到端切片编排管理系统下发的不同业务的不同 SLA 需求，进行灵活的子切片定制。无线网基于统一的空口框架，采用灵活的帧结构设计。针对不同的切片需求，可以采用不同的资源配置或调度方式来实现。无线侧的切片能力更多的体现在不同的参数配置和调度上，参数配置包括无线资源配置、策略配置、协议栈功能配置等。承载网切片：有软隔离技术和硬隔离技术两种。软隔离是基于统计服用的第 2 层或更高层-14-技术，例如基于 SR/IP/MPLS 的隧道技术和基于 VPN/VLPN 的虚拟化技术。硬隔离是基于物理刚性管道的切片技术或光层切片技术，例如 FlexE、OTN 和波分复用（WDM）技术。核心网切片：采用云原生和微服务等虚拟化技术，进行各种类型切片的构建和部署，如eMBB、URLLC、mMTC 等。同时，需要支持切片的签约和选择，对不同的切片进行隔离，限制非授权的 UE 访问切片。支持切片能力开放，促进行业的发展。网络切片管理系统5G 网络端到端切片业务的实现，需要协同无线网、核心网和承载网子切片实现 5G 业务端到端切片业务的管理和编排。网络切片管理系统根据业务级别，把不同业务需求分解为无线网、核心网和承载网等各个子网的网络需求，实现端到端切片业务生命周期和整体设计的统一管理。3.1.3 5G 网络切片价值5G网络切片作为5G行业虚拟专网的一种通信技术为行业客户提供定制化的网络及服务，具备以下优势：成本优势：网络建设方面，5G 网络切片可根据自身需求采用“以租代建”等网络建设模式，实现网络建设低成本化；网络运维方面，行业客户可同运营商协作，获得网络运营的自主权，实现多样化、简单化、自主化的 5G 网络使用和运维模式；资源使用方面，网络切片在一张物理网络上虚拟出多张切片满足不同业务需求，实现网络建设的低成本化。安全优势：5G 网络切片为不同业务提供差异化的安全服务，根据业务需求针对切片定制其安全保护机制，实现客户化的安全分级服务。针对网络中不同类型的终端设备，提供统一认证框架支持多种接入方式和接入凭证。-15-网络性能优势：5G 网络切片由运营商主导建设，负责行业的规划、建设、维护和优化等工作，可有效减少 5G 网络自干扰导致的业务性能下降问题。同时运营商在网络性能优化等方面由丰富的经验，可以保证业务稳定，传输可靠。-16-3 3.2 2 汽车制造行业汽车制造行业 5G5G 切片网络需求切片网络需求汽车制造工厂信息化网络，根据汽车业务发展特点，从通信的视角出发，将汽车制造业对5G 专网的诉求收敛为 3 大需求：工业控制（低时延）、高清视频监控（大带宽）、信息采集（大连接），具体包括以下几点：满足差异化业务需求：汽车制造工厂，占地面积广，区域内存在办公、业务管理、生产制造等各类典型场景，其对网络需求也不尽相同。办公网络以手机、PAD 等通信需求为主，主要体现为 eMBB 业务；园区管理主要为各类监控摄像头、闸机、安防机器人、广告屏等设备通信需求为主，主要体现为大带宽业务；生产制造场景既有视频监控、AR 等高吞吐量类型业务，也有 AGV 自动驾驶、机器臂协同作业等低时延和高可靠业务，同时存在环境/能耗监控、诊断等海量连接业务，通信需求复杂。以上不同场景业务特点不同，对网络诉求不同，5G 行业专网应能满足不同业务需求。满足分域隔离数据保障：汽车制造行业有信息域（IT）和生产控制域（OT），生产控制域业务主要在园区内进行，涉及企业核心业务较多，因此数据安全在举足轻重的地位，如核心业务数据必须不能出园区等，对网络提出了强隔离以及本地化部署的物理需求，以及访问、鉴权、认证等高等级的安全保障需求。信息域业务包括园区内信息传递和园区外信息交互，相对于生产业务，其安全级别相对较低。5G 网络需要满足 IT 和 OT 的安全隔离需求，将两种不同业务独立安全传输，考虑工厂内存在办公网络、园区网络等多张网络，各网络间应有良好的业务和安全隔离保障机制。满足融合通信需求：汽车制造工厂内现有的共存网络类型包括 4G、窄带物联网(NB-IoT)、Wi-Fi、现场总线、以太网等多种网络，为了更合理的规划使用网络并有效利用各种网络的优势，5G 网络需要充分考虑与现有网络的融合，构建与现有系统（如：制造企业生产过程执行管理系统(MES)、数据采集与监视控制系统(SCADA)、企业资源计划(ERP)等）互-17-联互通并深度融合的异构网络架构。满足自运维需求：为实时掌握网络质量，并根据生产需求进行灵活调整，企业需要 5G 专网简单而必要的自运营和自运维能力，满足网络资源灵活配置、自主网络运营、业务变更调整等需求。主要包括三方面：一是可管理能力：5G 汽车制造行业专网需要开放必要的网络监控和管理接口，实现用户的自配置和自管理，如巡检、诊断、维护、升级等；二是可扩展能力：5G 汽车制造行业专网需要开发必要接口，支持用户的自调整，用户可以根据自身需求的改变，在一定条件下动态调整网络，如用户新增、删除、业务变更、网络扩容等；三是交叉运维能力：当用户缺乏 5G 通信设备维护能力时，支持运营商与行业用户共同运维。-18-3 3.3 3 汽车制造行业汽车制造行业 5G5G 切片总体设计思路切片总体设计思路3.3.1 汽车制造行业切片架构网络切片具有定制化、差异化服务的能力，可以在云基础设施上按照不同的业务场景和业务模型，利用虚拟化技术，进行网络功能的裁剪定制、网络资源的管理编排，形成独立的虚拟网络，为不同的行业应用场景提供相互隔离的网络环境。根据汽车制造行业不同应用场景的安全等级和业务保障要求，可以构建不同的网络切片连接。基于汽车制造的应用场景和 5G 网络切片的架构功能，针对不同的业务场景要求，分别建立企业信息网切片、公共服务网切片和工业生产网切片。不同切片分别满足对应场景的技术指标要求。实现分域的切片管理，并整合为端到端的切片管理，保证业务要求。同时部署切片管理系统，对切片进行自主运维。工业生产网切片又分为工业控制类切片（5G URLLC 切片，下同）、高清视频监控类切片和海量设备连接类切片。总体架构如下图：图3-2 汽车制造5G网络切片架构-19-工业控制类切片：主要对应于对时延有比较严苛的工业控制场景，如运动控制（机器人协同控制）、移动机器人（焊装车间工序间的物料传输、冲压车间钣金件输送）等，特点是需严格的 QoS 保障，保证低传输时延要求。从安全可信度来看，租户对资源的隔离度要求高，要求切片完全隔离，数据完整持续稳定。高清视频监控类切片：主要对应于图像检测、监控、扫描等大带宽应用，如焊装过程中的视频监控应用、汽车工业设计阶段的无线手持式 3D 扫描仪应用等，特点是不需要特别的QoS 保障，但需要尽可能大的带宽来实现极致的流量吞吐，并能够尽可能降低时延。海量设备连接类切片：主要对应于对时延不敏感的设备监控的大连接应用，如设备状态监控（焊装群控站数据回传，在线环境监测、能耗监控等），此类场景传输速率不高，但是终端接入数量比较庞大，信息上报频次比较高。特点是需要较高的数据处理能力及较低的阻塞率。从安全可信度角度来看，租户对资源有隔离需求，去其他切片资源保持隔离，数据完整持续稳定即可满足需求。3.3.2 5G URLLC 切片的设计和应用汽车制造行业不管是远程控制、工业自动化，还是移动机器人、远程控制都对工业控制类业务的时延、抖动、可靠性都有很高的要求。利用 5G URLLC 技术特性，实现工业互联网无线业务要求的低时延、大带宽，为制造行业智能化的推进不断提供强有力的技术能力支撑。在发起 URLLC 业务，终端设备对该业务与相应切片建立映射关系，并完成 PDU 携带切片 ID的建立，无线网和核心网侧会根据切片管理系统生成切片配置实例，启用相应的网络配置，从而保障该 URLLC 切片的需求。在切片的粒度之下，不同的业务再分为不同的 QoS 标识（即5QI 值）。若是 URLLC 业务，终端设备为了保障该类业务的性能，会通过映射数据流到时延和可靠性保障较高的 5QI 值上。-20-URLLC 技术可以与 TSN 配合，完成对工业确定性类型业务的保障。在网络部署上，园区需部署支持 R1 6 版本甚至以上的 URLLC 特性的基站和 CPE 的终端设备，CPE 终端需同时支持 5G-TSN 协议转换功能（DS-TT）。制造业现场的 TSN 端设备（如传感器、I/O 等）通过 TSN 网关连接到 CPE 进而接入 5G 网络中。此外，园区选择将核心网 UPF（用户面网元）下沉部署到本地，进一步降低用户面时延，UPF 需同时支持协议转换功能（NW-TT）并连接到外部的 TSN 系统。其它控制面核心网网元复用公网设备（一般部署在大区），如下图所示。为了进一步与 TSN 系统业务相匹配，5G 核心网层面需增加 TSN AF 功能，用于配置 TSN 业务的 QoS 信息（如数据流类型、时延、发送周期等），并将信息发送到 PCF。在 TSN 业务保障层面，PCF 将获得的 TSN QoS 信息，并根据制定的原则映射成 5G 系统内的 QoS 参数，形成一一对应关系。图3-5 园区5G部署及应用URLLC 作为 5G 赋能行业的关键应用场景，其实现超低时延和超高可靠性的技术集，并-21-经过 R1 5、R1 6 两个标准版本的演进，已经基本具备大规模使用条件。在汽车制造行业，尤其是生产控制类的应用，对于可靠性的要求又非常高，因此 5G URLLC 将使 5G 成为真正的工业制造 5G 网络，让工业自动化真正走向网络化、柔性化和智能化的变革，使工业制造真正实现产业升级。3.3.3 切片全生命周期管理为满足汽车制造行业业务需求，根据业务特点及业务 SLA 要求，网络切片管理需提供以下几点服务：图3-3 5G切片全生命周期管理切片网络规划设计：根据汽车制造行业业务应用场景进行切片顶层设计，输出每个应用对应的切片 ID、DNN、5QI 及 UPF 的对应关系，每一个应用的终端和主站，终端和终端之间的路由规划设计。切片部署与开通：通过切片编排系统向无线、传输、核心网下发切片配置，在各个应用的-22-接入点，用测试终端验证切片网络端到端连通性，保障业务可用。切片网络运维保障：通过切片运维管理平台，实现网络级、切片级、终端级业务体验可视、可管与故障定界。切片网络调优：针对当前业务体验不佳的业务和终端，针对性进行切片优化调整。3.3.4 5G 切片网络安全规划图3-4 安全能力规划终端接入安全：5G 网络可以通过定义多重接入认证方式，从网络认证、切片认证到数据网认证，根据不同的业务灵活配置认证策略，满足不同终端的接入认证安全需求。也可根据终端接入位置信息，高精度控制设置接入策略。用户数据安全：用户数据安全包括数据传输安全和用户标识安全等。对于敏感业务数据，5G 网络可以保障用户面空口数据传输安全，激活用户面数据的机密性保护、完整性保护。-23-针对用户标识在网络上明文传输，定义数据加密方式，加密后只能通过 5G 核心网中的私钥解密，有效杜绝在网络传输中暴露用户标识。网络隔离安全：包括无线接入网隔离、承载网隔离和核心网隔离。无线接入网隔离主要是面向无线频谱资源和基站处理资源，利用无线技术或切片技术实现，主要实现方式为独立基站、频谱独享、PRB（物理资源块）独享等。面向工业控制类应用可采用独立基站的形式实现 RAN 隔离。承载网隔离主要实现方式有 FlexE 隔离和 VLAN隔离。核心网隔离主要包括 4 种：一是 CPF 和 UPF 独享，主要面向安全需求高的场景；二是 CPF 部分独享、UPF 独享，主要面向工业控制等有较高网络安全隔离需求的场景；三是 CPF 全部共享、UPF 独享，主要面向工厂有一定数据安全隔离，且对 UPF 部署位置有严格要求的场景；四是 CPF 和 UPF 全部共享，切片虚拟资源隔离，主要面向有一定数据安全隔离，对 UPF 部署位置无要求的场景。边缘计算安全：包括用户数据不出园区、APP 安全防护等，可将 5G 用户面网元 UPF 部署在工业园区，通过工业终端签约约束，实现用户面数据不出园。APP 安全防护包括 APP网络安全隔离、APP 访问控制和应用清单安全隔离等。对于共享物理链路的不同 APP，在网络层进行逻辑区隔，实现 MEP 与 APP、APP 与 APP 的安全隔离，并部署防火墙进行防护。-24-3 3.4 4 汽车制造行业汽车制造行业 5G5G 切片建设方案切片建设方案3.4.1 5G 无线接入网建设方案针对汽车制造行业多样化场景的极端差异化性能需求，5G 无线接入网采用多种接入技术（RedCap/eMTC 等）、多种部署场景（区域覆盖、线覆盖、点覆盖）、多种站点类型（宏基站、小微基站、室分站）的扁平化、多连接、泛接入网络，是建设一张根据业务应用灵活部署的融合网络。（1）无线覆盖方案汽车制造园区 5G 网络信号覆盖方案按照室外区域和室内区域两方面进行建设。室外区域建设主要实现广域打底覆盖，尽量采用低频段。针对室外大容量高速路场景，可使用大带宽和大规模天线技术，此外，在宏站弱覆盖以及热点区域可以采用微站和杆站进行补忙补热。室外区域建设主要面向生产车间及办公区域等。考虑到室内对设备体积要求较高，因此不宜用大规模天线部署。在容量要求高的热点覆盖区域，可以采用高频超密集组网。对于工业控制类场景，对时延和可靠性有较高需求，且需要连续移动作业，如远程控制等。这种场景下可以使用融合高低配的双频网络，使终端可以在高频站和低频站中错峰切换，双频协同保证稳定的上行高速率，以有效解决单频网络下基站切换期间速率下降的问题，保障良好的业务感知。（2）切片建设方案在无线接入网切片设计上，切片间采用基于逻辑小区的隔离方式。不同切片使用不同的载波小区，每个切片仅使用本小区的空口资源，切片间严格区分，以确保各自的无线资源。这样可以根据业务需求对小区进行定制化配置或进行专门的空口侧优化。具体为：对于工业控制类切片，由于要求提供毫秒级的端到端时延和接近 99.999%的业务可靠性保-25-证，可以采用加大的子载波间隔和引入短传输时隙，实现低时延通信要求。通过使用低谱效的 MCS（Modulation and Coding Scheme,调制和编码方案）和分集、冗余技术等实现高可靠性。对于高清视频监控类切片，采用较小的子载波间隔和为小区配置更宽的载波带宽，实现更高速的数据传输和满足更高的容量需求。上行容量要求较高时，可以采用灵活的帧结构，增强上行能力，承载更高的回传数据。此外，还可以采用超级上行方案，通过 TDD 和 FDD协同、高低频互补、时域和频域的聚合，提升上行带宽和增强上行覆盖。对于海量设备连接类切片，重点关注终端节电（包括连接态和空闲态）、通过重复传输方式进行覆盖增强，以及增强的随机接入和合适的拥塞控制等方案的应用。针对企业信息网切片和公共服务网切片之间共用同一个小区的 RB（Resource Block,资源块）资源，按 QoS 优先级进行业务保障。同时根据各切片的资源需求，为特定切片预留分配一定量的 RB 资源。针对这两个网络切片，需要差异化配置切片上下