5G专网在工业领域应用的探索与实践.pdf

Telecom Power Technology 196 Aug.10,2023,Vol.40 No.15 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期通信网络技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.15.0635G 专网在工业领域应用的探索与实践陈维炜（中国电信股份有限公司海南分公司，海南 海口 570206）摘要：依托 5G 技术特性，5G 专网能为垂直行业提供多样化的应用场景方案支持。对于工业企业数字化转型，灵活、快速、成本较低的网络服务定制能力尤为重要。首先介绍 5G 专网的关键技术和组网架构，通过 5G 专网组网提供更高的安全隔离等级、更低时延传输、云计算以及网络融合等网络能力，解决企业网络隔离、数据传送与管理等问题。其次，以工业企业采用公网集成非公共网络（Non-Public Network，NPN）技术作为组网的实践项目案例，从网元性能和工程实施等角度进行详细阐述。最后，为工业企业通过5G专网进行控制管理升级和流程优化提出建议。关键词：5G 专网；非公共网络（NPN）；用户面功能（UPF）；多接入边缘计算（MEC）Exploration and Practice of 5G Private Network Application in the Industrial FieldCHEN Weiwei(China Telecom Corporation Hainan Branch,Haikou 570206,China)Abstract:Relying on the characteristics of 5G technology,5G private networks can provide diversified application scenario solutions for vertical industries.For Digital transformation of industrial enterprises,flexible,fast and low-cost network service customization capability is particularly important.The article first introduces the key technologies and networking architecture of 5G private network,and elaborates on the use of 5G private network networking to provide higher security isolation levels,lower latency transmission,cloud computing,and network integration network capabilities,solving problems such as enterprise network isolation,data transmission,and management.Secondly,a practical project case of industrial enterprises using Public Integrated Non Public Network(NPN)technology for networking is presented in detail from the perspectives of network element performance and engineering implementation.Finally,suggestions were made for industrial enterprises to upgrade control management and optimize processes through 5G technology.Keywords:5G private networks;Non-Public Network(NPN);User Plane Function(UPF);Multi-access Edge Computing(MEC)0 引 言随着“数字中国”战略持续推进，工业领域的转型升级需要新技术和新场景的应用，未来独立、灵活且自主的网络架构具有更高的安全等级要求、更大的带宽以及更低的时延，成为工业企业普遍追求的目标。5G 移动通信技术在专用网络的应用，为工业企业的信息化拓展和数字化转型提供了新选择。1 工业企业网络升级部署难点及生产转型痛点1.1 网络定制化与封闭性管理难实现由于工业企业厂区网络普遍采用电信运营企业大网覆盖，数据依托电信运营企业的公网网络进行流转，网络管理机制与公共网络同步，无法根据需求定制网络，难以满足定制化及封闭性的管理需求，数据流转安全性不足。1.2 网络升级部署受限工业企业严格按照生产作业空间的安全管理要求，不易实施传统的有线网络覆盖方式，且建成后若需要延伸覆盖，施工难度较大。目前，工业企业无线环境较多采用 Wi-Fi 无线覆盖，受限于 Wi-Fi 的技术机制，在连接设备数量、跨厂房、跨楼层的设备连接、时延控制以及定制化管理能力方面均有较多不足。1.3 海量生产数据的采集与分析能力有限生产数据作为企业的重要生产要素，采集和留存难度较大，进而影响数据的分析和利用，因此需要提高效率并改进工艺，实现生产、数字化、柔性生产等方面的升级转型，创造更高的价值。1.4 数字化升级成本投入高目前，数字化转型对工业企业的重要性不言而喻，然而转型所需投入的成本成为企业管理者需要考量的主要因素。因此，需要考虑如何以科学合理的建设模式和运营模式平衡网络改造或数字化升级投入与产出价值之间的关系，使得企业效益最大化。数字化转型是工业企业普遍面临的战略问题。随着 5G 标准协议的完善，5G 关键技术特性在垂直行业的应用价值凸显。以 5G 专网为技术底座，融合大数据、边缘计算、人工智能等技术，能够为工业企业的数字化升级 提供支持1。收稿日期：2023-07-05作者简介：陈维炜（1985），男，海南海口人，本科，工程师，主要从事光网络规划维护优化管理工作。2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期 197 Telecom Power TechnologyAug.10,2023,Vol.40 No.15 陈维炜：5G 专网在工业领域应用的 探索与实践2 5G 专网的原理与实现第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定义了 5G 专网架构，即非公共网络（Non-Public Network，NPN），并详细说明了安全、网络隔离、数据流程等问题，凭借 5G 技术支持海量大连接、大带宽低时延、增强宽带等特性，提供技术控制手段。基于 5G 技术的 NPN 通过独立组网的非公共网络（Stand-alone Non-Public Network，SNPN）和公网集成非公共网络（Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN）2 种部署方式，为垂直行业用户提供与传统公众网络区隔的 5G 网络，实现在一张专网上通过自编排和自定义满足各种个性化需求的能力。2.1 SNPN 技术解决方案SNPN技术是基于5G独立建设的专网，其中NPN和公用陆地移动网络（Public Lands Mobile Network，PLMN）部署在不同的网络。SNPN 不依赖网络运营商公共网络提供的功能。NPN 和 PLMN 可以部署在不同的网络基础设施中。SNPN 部署方案的独立性主要体现在以下 4 个方面：一是使用独立无线频段组网；二是独立部署核心网；三是 SNPN 业务不能与PLMN 进行连续性互操作；四是具备唯一网络标识符（Network Identity Document，NID），完全独立于公共网络标识（Public Land Mobile Network，Identity Document，PLMN ID）。2.2 PNI-NPN 技术解决方案PNI-NPN 采用 5G 标准网络架构，部署在 PLMN，需要网络运营商提供部分网络管理功能，并通过 5G公网给应用对象提供专网定制功能。基础网络配置和维护由基础通信运营企业维护管理，通过分权分域，实现各级管理权限和生产权限的隔离，即将 PNI-NPN 专网网络分为 2 位维护管理者，基础通信运营商负责维护核心侧网元，而需求企业具体管理应用侧。对于需求企业，该架构的优势在于专网结构比 SNPN简单，建设成本较低，同时部分维护职责由运营商负责，工业企业可专注于生产2,3。2.3 5G 专网部署方式特性分析5G 专网的部署方式取决于企业业务需求。通常企业从建设成本、服务质量（Quality of Service，QoS）定制、网络隔离、数据安全以及业务连续性等方面进行综合考量。SNPN 部署方式是独立于公网之外搭建的专用私有网络，在性能管理、业务编排、安全管理等方面完全自主独立，需要较大的前期投资，主要包括搭建网络基础和提供存储计算能力等。PNI-NPN 部署方式的核心网和承载网可以与公网共享，保持了与公网的业务连接，降低了建设成本，同时服务质量定制能力、性能、管理的独立性相应降低。2种部署方案的特性分析如表 1 所示。综合考量组网成本和维护管理成本，采用 PNI-NPN部署方案组建专用网络是现阶段工业企业的首选。3 工业企业 5G 专网应用项目3.1 某石化企业 5G 专网项目3.1.1 业务需求油库现场工作环境复杂，厂区危险性较高。企业根据厂区的现场环境，规划打造智慧储油园区管理系统，主要包括以下 3 方面需求。第一，数据安全性。油库作为战略储备库，数据安全至关重要。企业管理层要求保证数据在内网流转，不出园区。第二，智能精准识别与监控。厂方提出视频监控结构化解析能力，对一线操作人员在操作现场出现的危险作业或不规范操作进行预警。第三，生产大数据的汇聚及应用。3.1.2 企业痛点一方面，对油库安全监管要求高，现场施工布线条件受限；另一方面，企业对管理系统有升级需求，数据安全是前提。3.1.3 解决方案首先，使用 PNI-NPN 共享无线网和控制面方式组建专用网络，部署专用多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）+用户平面功能（User Plane Function，UPF）下沉，实现数据不出园区，保证数据的低时延和传输的安全性。同时，部署专用设备形成数据的内部闭环管控机制。数据不出园区的数据路由如表 2 所示。其次，通过在园区内部署5G增强现实（Augmented Reality，AR）摄像头，借助 5G 专用网络传输园区红外热成像数据、视频监控画面、液位以及温度传感数据等一系列园区数据，实现数据上行增强。同时，采表 1 2 种部署方案的特性分析部署方案建设内容服务质量定制能力与公网网络隔离与公网业务的连续性建设成本SNPN自建核心网、承载网、无线网、数据存储以及计算能力，无线频谱租赁定制度高，服务等级保障程度高可在逻辑层面或物理层面完全隔离无业务连续性较高，需独立建设，硬件投入高PNI-NPN自建私有数据存储，其余能力可共享或租用通信运营商定制度低，有一定的服务保障能力部分隔离可以保障业务连续性较低，共享程度高 2023 年 8 月 10 日第 40 卷第 15 期Aug.10,2023,Vol.40 No.15Telecom Power Technology 198 用无线部署方式，解决园区有线部署走线施工难的问题。最后，通过部署 5G 工业网关，转发智能巡检、热成像、周界报警以及人脸识别等智能终端的数据，并实时将其上传至智能业务分析平台。3.1.4 项目主要成效通过部署专用 UPF 和 MEC 设备下沉的方式，提高了企业数据流转安全性，满足用户业务数据不出园区的需求。通过 5G 回传方式，减少了全园区 185 个摄像头有线网络部署和复杂生产区域的高难度施工成本，降低了工程实施成本约 30%，提高了数字管理能力和数据安全水平。3.2 某发电企业 5G 专网项目3.2.1 业务需求第一，安全要求。人工盘煤等传统作业方式对员工身体健康有一定危害，需要将传统人工作业方式改为远程控制方式，提高员工身体健康的安全系数。第二，提升生产数据管理安全。第三，固定式网络接入不能满足厂区终端接入需求，新增监控摄像头和新增视频点位需要开挖路面敷设线缆，成本高且施工难度大，需要考虑采用无线方式。3.2.2 企业痛点一方面，传统人工盘煤作业方式需要向自动化方向演进；另一方面，厂区视频监控系统不能满足需求。3.2.3 解决方案首先，使用 PNI-NPN 共享无线网和控制面方式组建专用网络，部署专用 MEC 和 UPF 下沉，厂区边缘 UPF 和 MEC 通过新增入侵预防系统（Intrusion Prevention System，IPS）对接运营商的承载网设备和5G 核心网（5G Core，5GC），满足企业对数据安全的业务需求，实现核心数据不出厂区。其次，部署专用智能操控系统，完成 5G 网络承载斗轮机远程操控和盘煤仪数据上传等工作，实现斗轮机、盘煤仪、监控设备以及定位装置等设备的远程操作，减少人工盘煤作业。最后，通过 5G 网络承载卸船机远程操控、视频监控数据、视频监控以及人员定位等业务应用。3.2.4 项目主要成效一是通过部署专用UPF和MEC设备下沉的方式，满足了企业提高数据流转安全性的需求。二是应用平台+传感系统，远程实现巡检、卸船、盘煤等操作，减少了一线操作员的健康隐患，且远程集约操控提升了操作的安全性和作业效率。三是使用 5G 灵活部署5G 摄像头，不受物理走线限制4,5。4 结 论不同的工业企业在数字化升级方面有不同的痛点和需求，企业需要选择科学合理的建设模式和运营模式，以较低成本进行数字化升级。企业可根据特定需求，考虑在 NPN 设计、部署以及运维方面的投入，选择合适的部署方案。5G 专网提供了更高的安全隔离等级、更大的数据吞吐能力以及更安全的数据传输方式，下沉算力提供了低时延传输，云计算与网络便捷融合，均为工业企业的数字化升级提供了更多可能。目前，企业信息化需求既包括网络接入、系统安全、数据存储以及现场监管等普适性、通用性需求，又有不同生产环境下（温湿度差异巨大、能见度低、作业安全要求等）的个性化需求。在数字中国和工业信息化持续推进的大背景下，结合企业实际提供切实有效的解决方案，快速、高效地解决企业痛点难点，对网络运营企业是全新的课题，也是新的产业机遇。参考文献：1 彭雄根，彭 艳，李 新，等.5G 专网架构及建设策略思考 J.邮电设计技术，2022（6）：35-39.2 沈 军，刘国荣，何 明.5G 专网安全需求分析及策略探讨 J.移动通信，2021，45（3）：35-39.3 朱亚东.5G 应用于工业互联网的必要性研究 J.科学技术创新，2020（9）：74-75.4 杜 鹏，郑兴明，陆 威.5G 专网技术在智能电网中的应用 J.移动通信，2021，45（1）：16-20.5 李立平，李振东，方琰崴.5G 专网技术解决方案和建设策略J.移动通信，2020，44（3）：8-13.表 2 数据不出园区的数据路由访问类型数据路由访问企业内网终端基站园区专网 UPF 企业内网同时访问企业内网和公网终端基站园区专网 UPFPLCLUUF 企业内网公网互联网访问公网终端基站公网 UPF 互联网