2021行业现场网白皮书.pdf

行业现场网行业现场网 白皮书白皮书 （20212021）摘摘 要要 行业现场网技术作为工业、医疗、交通等场景现场网络与设备间的最后“一百米”，是未来设备低时延传输、高精度室内定位、高可靠本地通信系统的基础，是行业专网的重要组成部分，也是未来各行业现场业务信息化升级的核心。本白皮书介绍了中国移动对未来行业现场网的理解与认识，并根据市场、产业、技术需求等综合方面给出未来行业现场网技术演进及行业发展的整体建议。本白皮书的编写收到各行业专家、企业及研究机构的大力支持，特别感谢华为、中兴、紫光展锐、联发科技、翱捷科技、新华三、京信、徐州重型机械集团有限公司、首钢集团、南京钢铁股份有限公司、宝信软件、华菱湘潭钢铁有限公司、阳泉煤业（集团）有限责任公司等行业的专家们提出的真知灼见和宝贵修改意见。1 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 目目 录录 1行业现场网概述.1 1.1 行业现场网内涵及特征.2 1.2 行业现场网技术发展背景.2 1.3 行业现场网需求与价值定位.3 1.4 国内外行业现场网发展现状.4 1.4.1 新型无源通信.4 1.4.2 新型短距通信.5 1.4.3 确定性网络.6 1.4.4 高精度室内定位.6 1.4.5 毫米波通信.7 1.4.6 中低速通信.7 2行业现场网技术组成.8 2.1 融合运营商能力的行业现场网总体架构.8 2.2 新型无源通信.9 2.2.1 新型无源通信概念.9 2.2.2 新型无源通信方案整体框架及关键技术点.10 2.2.3 分布式 RFID 创新方案与运营商网络协同方式.10 2.2.4 新型无源通信方案未来的发展方向.11 2.3 新型短距通信技术.11 2.4 确定性网络.14 2.4.1 确定性网络概述.14 2.4.2 确定性网络关键技术.14 2.4.3 演进趋势.18 2.5 高精度室内定位.19 2.5.1 高精度定位的概念和整体技术框架、技术点.19 2.5.2 高精度定位和运营商 5G 的整合方式.21 2.5.3 高精度定位未来的发展方向.22 2.6 毫米波通信.23 2.6.1 5G 毫米波通信方案概述及关键技术点.23 2.6.2 5G 毫米波通信方案与运营商网络协同方式.24 2 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 2.6.3 5G 毫米波通信方案应用简述.25 2.6.4 5G 毫米波通信方案未来的发展方向.27 2.7 中低速通信.28 2.7.1 中低速物联网概述.28 2.7.2 AFH 技术.29 2.7.3 低功耗功率控制技术.29 2.7.4 时间同步技术.30 2.8 行业现场网数字孪生.31 2.8.1 行业现场网数字孪生的意义.31 2.8.2 行业现场网数字孪生技术构成.33 3行业现场网典型应用场景.34 3.1 工程机械制造.34 3.2 矿山行业.36 3.3 电力行业.37 3.4 钢铁行业.40 3.5 智慧楼宇.41 3.6 智慧港口.43 3.7 医疗养老.45 4行业现场网技术与产业发展展望.48 5缩略语.50 附录 1.参考文献.53 附录 2.联合编写单位及作者.54 2 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 1.1.行业现场网概述行业现场网概述 1.1 1.1 行业现场网内涵及特征行业现场网内涵及特征 根据 ISO 对行业现场网的定义，行业现场网是行业现场端侧设备网络接入技术的统称，它们连接行业现场末端的各类终端、机器、传感器和系统，满足行业现场对传感、数据、定位、控制、管理等多样业务需求。常见的行业现场网技术包括工业以太网（EtherNet/IP、ProfiNet、EtherCAT 等），现场总线（ProfiBus、CC-Link、CAN 等），Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术，窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）、SigFox 等低功耗广域网通信技术，以及时间敏感型网络（Time Sensitive Network，TSN）、毫米波、无源射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）、超宽带（Ultra-Wide Band,UWB）等通信技术。图 1-1 行业网络框架(ISO 23247)1.2 1.2 行业现场网技术发展背景行业现场网技术发展背景 随着 5G 技术全球商用以及智能制造、工业互联网的蓬勃发展，行业现场网迎来空前的 3 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 市场需求，也引发了行业现场网技术的创新发展。智能制造和工业互联网的发展，进一步倍增了行业现场网技术的迫切性。智能化生产，催生了设备信息采集、设备远程控制、设备健康管理、基于视觉的表面缺陷检测、工业机器人智能分拣、机器人及无人小车（Automated Guided Vehicle，AGV）应用、远程辅助等典型应用场景，对行业现场的传感、数据、定位、控制、管理等提出了较高需求；同时，不同行业的特殊应用场景，比如地下矿井、核电站、车间、炼化厂的网络覆盖及数据采集、抗电磁干扰，工厂内极限数量的设备连接等，也对行业现场网技术提出新课题，需要针对性的解决这些难题。众所周知，相对 4G 技术，对企业（To Business,2B）业务是 5G 技术的主要应用场景，5G 大带宽、低时延、大连接的特性，实现了工业数据快速传输和服务上云，使企业的现场生产管理、上下游供应链打通、企业间协同合作，以及企业与客户定制化需求与服务延伸成为可能，为企业的管理、生产、物流、销售、服务打开了巨大空间。这也相应要求企业行业现场必须打破以前“黑盒”和“盲哑”的状态，企业行业现场的设备、机器和系统能够更加透明和智能，需要提供更加丰富和强大的网络接入技术。在 2021 年 1 月，工信部印发的工业互联网创新发展行动计划(2021-2023 年)中明确的提出，加快工业设备网络化改造。支持工业企业对工业现场“哑设备”进行网络互联能力改造，支撑多元工业数据采集。提升异构工业网络互通能力，推动工业设备跨协议互通。这些任务和目标的完成，也都强力的推进行业现场网技术的研究和发展。1.3 1.3 行业现场网需求与价值定位行业现场网需求与价值定位 行业现场网技术的发展，需要考虑行业现场现有系统和设备的“利旧”性。在现有的行业现场，设备之间通过工业以太网、现场总线、WLAN、蓝牙等方式进行网络通信，传统的工业设备专用程度高、网络化改造成本大，企业对投入产出效益较为敏感，不可能完全舍弃现在系统和技术，现场网技术的演进必须基于现有技术进行逐步改良。从智能制造、工业互联网的典型业务应用来看目前行业现场对确定性数据传输、广泛的设备信息采集、高精度室内定位、高速率数据上传、极限数量设备连接等技术存在迫切需求，4 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 比如，工业生产远程控制要求时延在 1-10ms，远程作业中超高清机器视觉的数据上传带宽要求在 500Mbps 以上，机器人、AGV 导航或机器臂操控精度希望精确到厘米级，工厂内同时连接的 AGV 或传感器数量上万等，这些应用场景是企业或工业互联网解决方案中的重点需求和难点问题，也成为当前行业现场网技术首当其冲需要解决的问题。5G 作为蜂窝移动通信技术具有高速率、大带宽、广覆盖的典型特点，可以远距离、高速率的进行数据传输，实现数据上云和业务上云，实现产业链各环节智能协同，为智能生产的网络接入和传输提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。根据当前智能制造和工业互联网的技术现状和上述发展需求，可以将 5G 与行业现场网相结合，形成优势互补，针对行业现场对低时延、高可靠性、高精度定位、低功耗、抗干扰等功能的极致需求，用 5G 桥接各类行业现场的异构网络，打造集成了短距、无源、TSN、毫米波、定位等技术的一体化行业现场网，支持企业对行业现场的“哑设备”进行网络互联能力改造，支撑多元工业数据采集，促进多网并存，提升异构工业网络互通能力，降低网络无线化改造门槛，形成贴近行业现场生产的 5G+工业现场网整体解决方案，实现信息技术（Internet Technology，IT）网络与运营技术（Operation Technology,OT）网络融合，更好的满足智能制造新需求。1.4 1.4 国内外行业现场网发展现状国内外行业现场网发展现状 针对当前行业现场最迫切的低时延、高可靠性、高精度定位、低功耗、抗干扰等问题，新型无源通信、新型短距通信、确定性网络、高精度室内定位、毫米波通信、中低速通信等技术成为行业现场网技术的研究热点。1.4.1 1.4.1 新型无源通信新型无源通信 RFID 技术可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统和特定目标之间建立机械或光学接触，在仓储物流、资产盘点、智能巡检领域拥有广泛应用。RFID 的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集成、中间件、应用软件等环节组成。目前 RFID 产业主要集中在 RFID 技术应用比较成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、5 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 ST、TI 等半导体厂商基本垄断了 RFID 芯片市场；IBM、HP、微软、SAP、Sybase、Sun等国际巨头占据了 RFID 中间件、系统集成研究的位置；Alien、Intermec、Symbol、Transcore、Matrics、Impinj 等公司则提供 RFID 标签、天线、读写器等产品及设备。RFID读写器设计与制造的发展趋势向多功能、多接口、多制式、并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。新型无源 RFID 技术，着力研究 RFID 激励和通信功能分离技术，解决复杂的干扰对消及通信距离近的难题，降低 RFID 读写器复杂度和成本，提升通信距离，实现无源 RFID 与 5G组网覆盖。1.4.2 1.4.2 新型短距通信新型短距通信 Wi-Fi、蓝牙是目前工厂内应用最为广泛的两种短距无线通信技术，其共同点是部署和维护成本低，但通信距离有限，稳定性、组网能力、安全性较差，功耗较大。在国际 Wi-Fi 联盟的推动下，Wi-Fi 技术每 4-5 年实现一次迭代升级，最新的 Wi-Fi 6标准于 2018 年推出市场。在 Wi-Fi 6 标准中，正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术、多用户-多输入多输出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)技术分别在频率空间和物理空间上提供多路并发技术支持，显著提升网络整体性能与速度，降低网络时延，优化用户体验。BSS 着色机制可降低同频道干扰，有效提升频谱资源利用效率。Wi-Fi 6 标准还通过引入目标唤醒时间(Target Wake Time，TWT)技术降低终端设备功耗，有利于 Wi-Fi 技术在物联网领域进一步应用推广。蓝牙技术版本由美国蓝牙技术联盟制定并发布，自 1999 年以来总共发布了 12 个版本，每一代蓝牙版本都会在传输速度、传输距离、稳定性、安全性等方面得到提升；2016 年推出的蓝牙 5.0，传输速度提升两倍达到 48Mbps，有效传输距离提升四倍达到 300M，支持室内定位导航，实现 Mesh 组网功能，目前已经发展到 5.2 版本。新型短距通信技术也在不断涌现，2020 年成立的“星闪联盟”正在主导制定 SparkLink短距通信技术，通过将网元分为 G 和 T 两种网络节点，T 节点是普通的末端网元，G 节点负责局部短距通信域中各 T 节点的通信调度和数据透传，从而实现微秒级低时延、抗突发干扰 6 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 等功能，并推动 SparkLink 技术和 5G 网络进行融合，构建公、专网一体化的网络架构。1.4.3 1.4.3 确定性网络确定性网络 通信的确定性在工业领域是一个广泛的需求，5G 技术和确定性网络技术融合成为业界研究热点。5G技术本身为了实现超可靠低时延（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）场景的低时延需求，3GPP 在 R15 阶段定义，以 5QI 为基础框架，配合支持灵活的帧结构、支持更小的调度周期 Mini-Slot、灵活的物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH)配 置 以 及 采 用 边 缘 计 算 技 术 将 用 户 面 功 能(User Plane Function,UPF)用户面功能下沉到用户侧；在 R16 阶段，3GPP 又进一步提出 uRLLC 低时延增强解决方案，采用上行免授权配置、HARQ 反馈增强、支持时间敏感网络 TSN 和 5G 网络对接。时间敏感网络（TSN）是一种基于 IEEE 802.1 的实时以太网标准，它可以确保信息在固定且可预测的时间内从一个点移动到另一点，其低抖动、低延时、确定性传输的特点，能满足对传输可靠性和时延有较高要求的应用场景。5G+TSN 能解决网络传输层的确定性统一通信问题，可通过 5G NR 无线替代或延长工厂内的有线网络，让工业生产更加柔性化。在 R17 阶段开始，3GPP 已经开始定义在外部无 TSN 网络的情况下，5G 系统可独立部署，实现确定性通信。这将进一步增强在行业现场网独立部署 5G 的灵活性和适用性。5G 将会持续完善的确定性通信网络在独立部署场景的能力。OPC 基金会推出的新一代 OPC 统一架构（OPC Unified Architecture，OPC UA）标准统一了工业协议层的互操作接口，能解决泛在工业协议业务层在语义层互联互通的问题，进一步提升设备间的互操作性，5与 TSN、OPC UA 结合，就可以打通从通信到应用的互通，已经成为产业研究热点。1.4.4 1.4.4 高精度室内定位高精度室内定位 高精度室内定位技术在员工管理、物资监管、远程监控、机器导航上有广泛的应用需求，7 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 目前应用较多的是基于蓝牙和 UWB 的定位技术。蓝牙定位一般采用三角定位法，只要有三个 Beacon 信标设备，就能计算出位置，精度可以达到米级。UWB 定位利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置，UWB 的定位精度可达到 0.1m-0.5m。1.4.51.4.5 毫米波通信毫米波通信 毫米波通信具备频率高、波长短、可靠性高、方向性好等特点，主要应用场景集中在 5G网络中的小基站间替代光纤回传，热点地区数据传输覆盖，设备之间的高清视频大容量数据传输等。毫米波通信系统设计关键技术主要为大规模天线和波束赋形技术、波束管理技术、传播特性和穿透损耗机理等。毫米波波段的波长远小于传统 6GHz 以下频段，相应天线的尺寸也较小，更适合在移动设备上配备毫米波的天线阵列，为基于毫米波通信提供了广阔的应用前景。1.4.61.4.6 中低速通信中低速通信 中低速物联网泛指下行传输速率在 10Mbps 以内，上行传输速率在 5Mbps 以内的物联网连接。目前已广泛应用的既包括工作在授权频谱的 NB-IoT、Cat.1、基于 LTE 演进的物联网技术(LTE enhanced MTO,eMTC)等，也包括工作在非授权频谱的 BLE、ZigBee、LoRa和 Sigfox 等。运营商主导的工作在授权频段的移动物联网从 2G 时代开始就已经萌芽。随之，一系列针对传输速率、覆盖、容量等进行了专门优化的低功耗广域网（LPWA，Low Power Wide Area）通信技术应运而生，如工作在授权频段的 NB-IoT、eMTC 等，它们具有低功耗、大连接、低成本等特性，能大幅缩减网络布建成本，带动智慧城市、资产追踪、共享经济等领域的物联网应用的快速落地。另一方面，工作在非授权频谱的 BLE、ZigBee、LoRa 和Sigfox、Z-Wave 等已经在不同的行业领域广泛应用。然而，这些通信技术在覆盖能力、安全保障等方面普遍存在缺陷。未来有机会与 5G 等蜂窝网络在可靠性、低功耗、数据同步等方面加强协同，进一步提高远距离传输的可靠性。8 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 2 2行业现场网技术组成行业现场网技术组成 2.12.1 融合运营商能力的行业现场网总体架构融合运营商能力的行业现场网总体架构 5G 广泛赋能传统行业的同时，也对网络的能力下沉、时延、定位、可靠性等提出了更高的要求，5G 需与连接行业业务和应用触手的行业现场网结合，从而在各个行业场景中发挥更大的作用和价值。行业现场网包括行业现场接入网和行业现场核心网两大部分。行业现场接入网可桥接异构的行业现场网络，如无源通信、短距通信、蓝牙、TSN 等，行业现场核心网主要指部署在行业现场边缘侧的 UPF，进行数据分流，处理 5G 上传的现场作业数据，实现对整体现场网的管理。行业现场接入网有五大核心技术，包括 5G+确定性网络技术、5G+新型短距通信、5G+新型无源通信、5G+毫米波、5G+UWB/蓝牙高精定位。其中 5G+5G+新型无源通信新型无源通信采取激励和通信分离的系统架构，标签激励采用射频通信，控制指令下发和信息回传均采用 5G，提升了RFID 组网性能，实现资产管理等场景下信息的高可靠、高效读取；5G+G+新型短距通信新型短距通信基于全新的无线空口设计，在实现点对点通信的同时，可满足超低时延、高可靠、精同步、高并发、高效率和高安全等需求；5G+5G+确定性网确定性网络络兼具确定性网络和 5G 的优势，在满足通信高可靠与确定性要求的同时，解决了现场布线问题；5G+UWB/5G+UWB/蓝牙高精定位蓝牙高精定位可在保障大带宽、低时延、广连接网络能力的同时，解决传统利用信号载波强度定位的精度低，对环境适应性差等问题，满足垂直行业设备协同工作、远程控制、移动设备轨迹跟踪等场景中高精度定位的需求；5G+5G+毫米波毫米波可在保障区域覆盖的同时实现重点区域的定点覆盖，提升上行传输能力、增加可靠性、安全性。行业现场核心网利用部署在行业现场边缘侧的 UPF 网元对本地数据进行分流和本地处理，满足行业客户数据不出场、超低时延等需求，实现数据传输、处理和结果反馈整个过程终结于本地。基于核心网 UPF 的业务感知能力可以进一步加强 UPF 本身甚至现场接入网的业务调度效率。此外，3GPP 在 R16 中定义了 5G-LAN 组网功能，通过核心网即可支持行业现场网的层二组网而无需额外的网关路由设备。9 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 行业用户除了对现场网一网收编、数据不出场等需求，对复杂的网络系统运维也提出了更高需求。目前，行业现场场景复杂，普遍存在网络异构、定制化现象，传统网管和代维团队无法满足行业网络的运维和管理需求。行业现场网技术中的基于数字孪生的网络服务通过信息建模、智能运维、数字孪生现场网服务平台可以实现网络可视、可管、可控，降低驻场运维成本，提升行业现场网服务效率。图 2-1 行业现场网技术架构 2.2 2.2 新型无源通信新型无源通信 2.2.1 2.2.1 新型无源通信概念新型无源通信概念 大多工厂都有物料资产定期盘点需求，而当前的管理手段还非常原始，有少数企业尝试用 RFID 来做盘点，比如在出入库环节自动盘点，但实际使用读取性能较差、不能规模推广应用。新型无源通信创新方案的基本思路是打破传统 RFID 对标签的激励和通信一体化架构，采取激励和通信分离的系统架构，提升 RFID 组网性能，实现工业场景下高可靠读取。这个方案有 2 个特点：标签侧是直接使用商用 RFID 标签，可以实现产业上快速切入商用落实；网络侧运用蜂窝 5G 的上下行解耦、多天线等创新思想，提升传统 RFID 组网性能。10 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 2.2.2 2.2.2 新型无源通信方案整体框架及关键技术点新型无源通信方案整体框架及关键技术点 传统 RFID 读写器是收发一体架构，需要进行干扰对消，因此距离近，成本高。分布式RFID 将标签的激活和通信分离，避免复杂的干扰对消，可以降低 Helper 成本，同时提升Receiver 的读取性能。图 2-2 增强型 RFID 框架图 分离架构创新方案已在汽车工厂和物流仓库完成系统性测试验证，突破行业应用中读的全、读的快、定位准等关键业务需求。基于 Receiver 多天线、及多 Helper 协同等关键技术，可以实现出入库 99.99%的读取成功率。在出入库多道口场景，一个 Receiver 可以携带多个Helper，通过标签被 Helper 激活的时间先后关系，可以做到出入库方向 99%的判断准确率。并且由于 Receiver 可以对多个 Helper 协同管理调度，在实际商用部署中，无需在出入库道口安装屏蔽门，也可有效解决多道口之间的标签信息串读问题。2.2.3 2.2.3 分布式分布式 RFIRFID D 创新方案与运营商网络协创新方案与运营商网络协同方式同方式 新型无源通信方案可以很好的与室内蜂窝小基站结合。分离后，Receiver 的接收灵敏度可以到-105dBm，在工厂室内场景实际测试距离 20-30 米，和蜂窝小基站覆盖相当。Receiver 在硬件上与远端射频单元(Pico Remote Radio Unit,pRRU)集成，作为其中一个原子能力，供 pRRU 站点和传输资源，降低企业网路部署成本，一张网实现人的连接和物的连接。11 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 2.2.42.2.4 新型无源通信方案未来的发展方向新型无源通信方案未来的发展方向 新型无源通信未来发展方向将从室内走向室外，使室外杆站甚至宏站拥有无源物联能力，成为 5G 海量机器类通信(Massive Machine Type of Communication，mMTC)下一跳。技术上，关键是突破远距离无源通信，如距离能做到 100 米以上，支持温湿度传感，就可以使能室外广域很多行业应用。远距离无源通信的实现则需要设计新型无源标签，相比 NB-IOT，新型无源标签最大的特征是免电池，成本也较 NB 终端降低 1 个数量级。新设计空口波形和协议，将无源空口成为5G 网络 NR 空口的一个部分，在时频资源调度上做切片，拿出部分子载波做无源物联业务。室内基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）、传输等处理资源与其他业务共享，也无需新增核心网网元，通过软升级实现标签的认证、安全等功能。图 2-3 新设计无源标签与 NB-IOT 功耗与成本比较 这类室外无源物联的典型应用场景包括电力、农业等诸多领域。电力需要实时监控设备运行状态，诊断故障与健康监测，在接头等位置温度监测，防火灾故障，在电网运行环境，无源物联更安全。精准农业的关键是，需要对生长环境的信息感知互联，也只有无源免电池才能做到可抛弃，满足环保要求。2.3 2.3 新型短距通信技术新型短距通信技术 短距无线通信泛指在较小的区域内（通常小于 100 米）提供点对点的无线通信，是典型的行业现场网网络，主要用于设备间的小范围互连，具有部署简单、成本低等优势。随着智能泛在连接的快速发展，智能汽车、智能制造等场景对大带宽、抗干扰、高可靠通信已经提出了极致性能需求，然而现有的传统短距通信技术多采用非授权频段，并受限于基于竞争的 12 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 资源分配机制，频段干扰严重且无法保障信道资源的高稳定性，难以实现微秒级低时延、抗突发干扰等特性。在此背景下，“星闪联盟”在 2020 年 9 月份发起成立，致力于推动具有自主知识产权的新一代短距通信技术创新和产业生态的全球化。图 2-4 现有短距通信技术无法满足新场景下低时延、高可靠等要求 星闪联盟主导制定的短距通信技术（下称 SparkLink 技术）基于全新的无线空口设计，预期可以更好地支持超低时延、高可靠、精同步、高并发、高效率和高安全等，满足智能制造、智能汽车、智能家居、智能终端等场景下确定性服务质量保障业务的需求。具体来说，SparkLink 利用创新的帧结构设计，引入极简协议栈和跨层透传机制，基于业务特性使能半持续调度，实现单向用户面传输时延小于 20us，是目前业界唯一能达到 100us 以下传输时延的无线技术。同时，引入先进的信道编解码技术 Polar 和 RS，针对随机干扰和突发干扰进行优化，结合物理层快速反馈重传机制和灵活的干扰侦听避让机制，实现复杂电磁环境下的高可靠传输。SparkLink 技术还引入基于管理节点的时分双工，通过同步序列和资源映射优化，实现中低信噪比下仍小于 1us 的同步精度，有效支持高同步要求的业务需求。此外，还基于 OFDMA 接入方式，引入非竞争接入机制和更精细化的资源映射和指示方式，实现对于多路并发业务的高效支持。此外，SparkLink 还引入对于多天线、多载波和高阶调制方式的支持，进一步提高单位带宽的利用效率，同时基于精同步能力和优化的信道划分方案，使得密集部署场景下信道利用率显著提升。中国移动正在推动新短距技术和 5G 网络的协议融合方案。在 SparkLink 技术和 5G 网络融合部署方案中，G 节点（管理节点）作为一个路由/桥接节点将 T 节点（通信节点）与5G 网络链接起来，5G 核心网透过协议适配层可感知所有 T 节点的设备状态，包括网络状态、13 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 业务信息、流量使用等，此外 T 节点不需要做蜂窝网络的入网鉴权。数据格式方面，系统通过层二中继的方式，在数据链路层以上做适配层，定义数据面和控制面协议的数据格式、数据集，可部署在边缘 UPF、归属用户服务器(Home Subscriber Server,HSS)等位置，实现现场级的数据上云，并实现 5G 网络对 SparkLink 短距通信域中 G 节点和 T 节点的可达，可管理、可配置。图 2-5 5G 与短距通信技术的网络融合框架图 5G 与短距通信技术的网络融合，将助推公、专网一体化的网络架构的构建，实现异构网络的紧密融合和更高效便捷的网络运维。SparkLink 和 5G 网络的融合不仅能扫除 5G 覆盖盲区，推动短距通信和广域通信的融合，还能进一步带动“端边网云”等网络基础设施的互联互通、数据传输和智能业务的承载，促进增强移动通信技术与垂直行业的深度融合，助力CHBN 各领域的创新发展。作为端到端通信的末端神经，新一代短距通信技术将是未来柔性网络的重要体现，是空天地一体化的关键组成部分。发展短距通信技术，将会对蜂窝网络的动态服务能力进行弥补和扩展，满足垂直行业在生产运营中对通信连接灵活、动态、快速部署的需求。为满足未来柔性网络的架构需求，建议在下一代物联网通信体系中统筹考虑短距通信技术，提前布局标准和专利，更好地满足未来 CHBN 多场景通信需求。14 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 2.4 2.4 确定性网络确定性网络 2.4.1 2.4.1 确定性网络概确定性网络概述述 现场网确定性网络是指能保证业务的确定性带宽、时延、抖动、丢包率指标的网络。这里的确定性是指指标可预期，比如确定性时延 10ms，时延的抖动在10s。对确定性网络的需求在工业通信领域广泛存在。传统工业现场网络中的现场总线技术如ProfiBus、CAN、CC-Link、Lonworks，或者工业以太网技术如 EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、PowerLink 等都在一定程度上解决了该问题。但因通信协议标准多而杂，导致彼此之间通信兼容性不佳，技术实现封闭，可复用性较差，制约了工业网络互联互通的发展，并导致工业网络部署成本长期居高不下。此外，有线的连接方式，也存在场景应用有限等问题。支持超低时延、高可靠通信的 5G 技术的出现，为工业领域提供了新的通信选择。如果现场网络能兼具有线确定性网络和 5G 的优势，满足通信高可靠与确定性要求的同时，解决现场布线问题，那么长期困扰工业现场网络的问题将迎刃而解。如何将 5G 技术和确定性网络技术融合成为业界研究热点，5G+TSN 实现端到端的确定性是当前的一个重要技术方向。2.4.2 2.4.2 确定性网络关键技术确定性网络关键技术 3GPP R16 定义的 TSN Bridge 架构利用 5G 高精度时钟授时技术，通过核心网解决 5G和 TSN 网络衔接问题。同时，5G 空口 URLLC 系列技术、承载网络的优化技术等逐步增强空口以及承载网的时延确定性，也是未来 5G+TSN 组网的重要组成部分。下面章节分别具体介绍现场网确定性网络关键技术。2.4.2.12.4.2.1 确定性确定性 5G+TSN5G+TSN 网桥技术网桥技术 为满足无线接入网络支持应用 TSN 技术的确定性工业网络互联的需求，3GPP R16 已经考虑并定义了 5G 系统作为 TSN 逻辑网桥的架构，完成与 TSN 网络的组网与互联。利用 5G 15 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 延展现场网络既有的 TSN 网络的覆盖。5G TSN 逻辑网桥架构如下图所示：图 2-6 3GPP 定义的 TSN 逻辑网桥系统架构图 为了实现 5G TSN 逻辑网桥和 TSN 网络的对接，5G 系统扩展了如下 3 个功能模块：1 1）DSDS-TTTT 终端侧 TSN 转换器（Device-side TSN translator），用于连接终端侧的 TSN 系统。2 2）NWNW-TTTT 网络侧 TSN 转换器（Network-side TSN translator），用于连接网络侧的 TSN 系统。3 3）TSN AFTSN AF TSN 的应用功能（Application Function），用于连接 TSN 网络的 CNC 控制器。此外，为了实现 5G TSN 逻辑网桥的功能，5G 系统需要支持如下关键技术：第一，5G 系统需要为 TSN 业务提供其所需的超高精度时间同步能力。整个 E2E 5G 系统可以视为 IEEE 802.1AS“时间感知系统”，UE/DS-TT 和 UPF/NW-TT 需要支持 IEEE 802.1AS 操作，实现与 DN 网络的 TSN GM 间的 TSN 时间同步。此外，5G gNB 和 UPF间也需要提供基于 5G 系统时钟的高精度时间同步。第二，5G 网络需要为 TSN 工业互联网应用提供确定性低时延流调度能力，包括：无线资源的优化调度技术，UE/DS-TT 和 UPF/NW-TT 基于 IEEE 802.1Qbv 标准定义的流调度能力等。第三，5G 系统需要与 TSN 网络间协同交互，实现 5G 系统作为 TSN 逻辑网桥的配置和 16 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 管理等功能，包括：UE/DS-TT 和 UPF/NW-TT 需要支持 LLDP 协议进行链路发现，5G 系统通过 TSN AF 向 CNC 上报 5G 网络的状态信息、及接收 CNC 对 5G 系统的路径编排与预留等。同时，5G 作为一种的确定性网络，也可以直接作为现场网的接入技术。为了进一步提升确定性，增加应用范围，3GPP 的 R17 版本正在定义无需外部的 TSN 网络，5G 可以独自提供确定性网络传输功能。预计在后续的 R18 中，3GPP 将进一步增强独立的确定性网络功能。这对于进一步简化行业现场网的网络架构提供了强力的支撑。2.4.2.12.4.2.1 确定性确定性 5G5G 空口空口 URLLCURLLC 技术技术 凭借灵活的帧结构、Mini-Slot、上行免授权调度和 PDCP duplication 等关键技术保障，5G 定义的超高可靠超低时延的业务场景下，网络性能空口时延与可靠性大幅改进。5G 为了实现低时延高可靠，对空口帧结构进行优化改进，采用参数可灵活配置统一帧结构技术（Unified Frame Structure,UFS），一方面通过减少 TTI 长度、降低 CP 长度、增加子载波间隔、改进调度流程、降低调度时延应对低时延高可靠业务，另一方面又可以针对不同频段、场景和信道环境，选择不同的参数进行配置，如带宽、子载波间隔、循环前缀、传输时间间隔和上下行配比，满足时延方面的需求或者带宽方面的需求。图 2-7 统一帧结构 时隙结构上使用 Mini-Slot 时隙架构，其上下行不一致，下行可以在（2,4,7）个 OFDM符号上任意配置，上行可以在 1-13 个符号中任意配置，这样以更少的符号数为调度单元，尽可能短的时间内保证物理层的迅速响应，实现更小调度粒度，减少调度符号数目，实现快速传输，从而降低时延，增加可靠性。同时上下帧调度使用快速接入免授权调度，避免采用调度申请请求和调度许可，快速接入信道，降低时延。17 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 图 2-8 Mimi-Slot 时隙结构 上行免授权调度，提供了一种基于非动态授权的传输方式，通过激活上行配置的周期性授权，并基于此授权配置可进行多次上行传输。上行免授权调度对于时延敏感业务以及控制信息开销方面均有所帮助。在 NR 协议中，进行了 2 种上行免授权传输配置类型的定义，称之为 Type-1 与 Type-2。Type-1 的方式通过 RRC 信令配置周期、频域资源、时域偏置、调制编码等参数。而终端设备，接收到 RRC 信令后，随即根据时域偏置进行授权配置的激活。而 Type-2 的方式同样通过 RRC 信令进行周期的配置，而通过 PDCCH 激活指示的传输参数与授权配置。PDCP duplication，即将 PDCP packet 复制到不同载波的 RLC 实体，通过不同的空口发送相同的数据，在不增加时延的基础上，进一步提高可靠性。3GPP R15 标准已支持 PDCP Duplication 功能，但仅支持 2 个副本。R16 标准提案中建议支持 4 个副本。在对时延要求较高的场景下，可以提高传输可靠性。2.4.2.3 2.4.2.3 确定性业务统一承载技术确定性业务统一承载技术 承载针对行业现场网 TSN 类业务承载互联的需求，支持 TSN+确定性网络承载方案，即UNI 侧接入 TSN 类确定性现场网业务流量，将承载网虚拟成 TSN 虚拟网桥提供确定性精准连接。承载网可以在 Detnet 网络架构和模型中采用不同的连接技术提供精准网络连接（如图所示），从应用角度精准网络连接等同于虚拟的“光纤”连接，转发时延和抖动是确定性的。18 中国移动通信有限公司研究院行业现场网白皮书 图 2-9 承载确定性网络架构与模型示意图 精准网络连接支持从网络 L1-L3 提供不同特性的连接技术，包括以太网 L1 层硬隔离TDM 的 ITU-T MTN 技术，L2 层以太网软隔离的 PWE3 仿真技术，L3 层 IP Qos 保障技术等。不同的连接技术可以提供不同的隔离特性，转发时延和抖动特性以及可靠性等。用户可以根据业务的差异化需求选择合适的连接技术，其选择过程可以通过智能化管控自动完成。精准网络连接同时支持精准质量指标检测功能，具备实时检测连接的丢包、时延和抖动等关键指标，保障连接质量并简化运维。承载网络切片技术是支持现场网络综合承载的基础能力，基于统一的承载网络基础设施，针对行业现场网络的差异化承载需求进行网络切片，为行业应用提供合适的网络资源保障，进而为行业应用要求的确定性承载提供有保障的虚拟专网服务。2.4.3 2.4.3 演进趋势演进趋势 5G 与 TSN 解决了网络传输层的确定性统一通信问题，OPC 基金会推出的新一代 OPC标准 OPC UA（Unified Architecture，统一架构），则统一了工业协议层的互操作接口，使信息在任何时间，任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用；OPC UA 这种功能独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统，解决泛在工业协议业务层互联互通问题