工业互联网5G传输专网设计方案的研究.pdf

信息与电脑网络与通信技术Information&Computer工业互联网5G传输专网设计方案的研究2023年第10 期李敏李果（普天信息工程设计服务有限公司，北京摘要：为了满足工业互联网网络多场景下的业务性能要求，文章基于系统分析和实地调查，研究业务传输的需求场景，充分分析和论证5G技术在该场景的应用和部署条件，提出5G传输专网的场景化设计方案、组网部署方案、技术要求，以期为工业互联传输专网的设计和技术实现提供工程设计方案参考。关键词：工业互联网；5G；时间敏感网络（TSN）；前传；回传；超可靠低延迟通信（URLLC）中图分类号：TN914Research on the Design Scheme of 5G Transmission Private Network of Industrial100088)文献标识码：A文章编号：10 0 3-9 7 6 7（2 0 2 3）10-2 0 6-0 3InternetLI Min,LI Guo(Potevio Information Engineering Design Service Co.,Ltd.,Beijing 100088,China)Abstract:In order to meet the business performance requirements under multiple scenarios of industrial internet,basedon system analysis and field investigation,this paper studies the demand scenario of business transmission,fully analyzesand demonstrates the application and deployment conditions of 5G technology in this scenario,and proposes the scenariodesign scheme,networking deployment scheme,and technical requirements of 5G transmission private network,with a view toproviding engineering design scheme reference for the design and technical implementation of industrial internet transmissionprivate network.Keywords:industrial internet;5G;Time-Sensitive Network(TSN);prequel;backhaul;Ultra Reliable Low LatencyCommunication(URLLC)0引言随着信息与通信技术（Information andCommunicationsTechnology，I C T）的发展，信息化对生产效益的促进作用日益凸显。工业互联网的快速发展，需要支持并确保多业务并发下的性能保障。因此，5G网络高可靠、低时延、大连接的特性和时间敏感网络（Time-SensitiveNetwork，T SN）的融合应用成为工业互联网业务的最佳选择。文章基于工业互联网园区网络业务传输场景和需求的分析，研究了5G传输专网技术在工业互联网的应用设计方案。1需求分析工业园区是工业互联网的典型应用场景，包括工业收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 8作者简介：李敏（19 7 5一），男，山西忻州人，硕士研究生。研究方向：网络规划、5G技术研究与应用。生产网、园区公共服务网、企业信息网络，均需利用5G网络实现无线连接 2 。工业园区5G网络承载的业务可分为厂房局域、园区局域、区外业务。其中：厂房局域业务一般在综合接人机房内的应用服务器或移动边缘计算（MobileEdge Computing，M EC）平台，主要为生产控制类实时业务；园区局域业务一般在园区汇聚机房或核心机房数据中心私有工业平台和MEC平台等，包括非实时业务、办公业务、视频监控以及能源管理等公共服务业务；区外业务一般在园区外的业务服务器。2工业互联网5G传输专网设计技术方案中心云无法满足大型制造企业对网络、平台、数据私有化的要求以及生产车间控制指令超低时延要求。因206信息与电脑2023年第10 期Information&Computer此，在组网架构设计上需要设计专属用户平面功能（UserPlaneFunction，U PF）/M EC，引人MEC边缘业务平台，以减少网络操作，缩短服务交付时延 3-1。根据工业互联网络传输需求分析，结合工业园区的网络接人层级和5G无线网、核心网部署原则，设计工业互联5G传输专网网络架构，结果如图1所示。工业园区的网络接入层级包括综合接人机房、汇聚机房、核心机房3级。其中：综合接入机房位于车间和办公楼宇内部或园区靠近终端位置，部署接人设备和面向严苟业务的实时处理平台；汇聚机房部署汇聚交换设备和面向特定区域业务的处理平台；核心机房为园区级数据交换中心，部署核心交换设备、出口设备、园区数据中心平台。另外，研究人员可根据实际情况进行合设。图1中，架构子类“1”解决车间内部终端和综合接人点的MEC之间的通信场景业务需求问题。该场景多为高可靠、高确定的生产控制类业务，前传为主要承载网络，传输的范围为车间或楼宇。架构子类“2”解决不同车间内终端之间的通信需求问题，如对确定性、同步性要求高的生产协同业务，传输范围为跨车间或楼宇，前传为主要承载网络。架构子类“3”解决工业园区内公共服务设施或车间内设备和园区综合接人机房之间的通信场景业务需求问题，该场景多为实时监控业务，室外宏站AAU网络与通信技术传输范围为园区内，前传为主要承载网络。架构子类“4”解决工业园区内个人终端或者物联网终端经由园区的核心机房5GC和园区的数据网络平台通信问题，该场景多为非实时数据业务，涉及前传和回传网络，传输范围为园区内。3技术实现方案本次重点研究5G承载网络在园区的部署组网中AAU到DU/CU的前传网络和DU/CU到核心网的回传网络的技术实现。3.15G前传网络3.1.1车间级承载车间楼宇室内射频模块AAU到车间楼宇综合接入点DU/CU的前传网络部署模式，建议采用综合接人点下挂，并采用电层汇聚类的技术方案，如有源光传送网（Optical Transport Network，O T N）和以太网。AAU侧和综合接人点成对放置波分设备或者时间敏感分组交换设备。3.1.2园区级承载室外小站AAU和宏站射频模块到园区综合接人机房DU/CU池的前传网络部署模式，建议采用有源波分技术方案，根据园区基站规模构建波分环网。在云无线接人网（Cloud-Radio Access Network，C-RAN）模式下，5G前传网络可采用光纤直驱、波分综合接入机房UPF核心机房5GCDNN3回传回传室外小基站AAU室内AAU2室内AAUDU/CU池前传DU/CU前传N3DU/CU前传11111云31台回传1UPFN6MEC车间、楼宇综合接入点1111111图1工业互联网园区5G传输专网组网架构示意图207信息与电脑网络与通信技术Information&Computer传输、电层汇聚3类技术进行传输承载。根据技术本身和业务特点，建议在园区公共网络场景应用光纤直连和波分类技术，而工厂级局域网或园区公共网络场景宜采用有源OTN电层汇聚技术方案。TSN电层汇聚方式则适用于工厂车间内、车间之间，还适用工厂内部的局域网内部的前传组网。3.25G回传网络工业互联网园区网络中的5G回传网络有车间级和园区级两种部署方式。其中，车间级回传网承载车间楼宇综合接人点DU/CU到园区综合接入机房的回传，园区级回传网则承载园区综合接入机房DU/CU池到园区核心机房的回传。工业互联网园区网络的5G回传网络宜和园区公共网络统一规划，采用接入、汇聚、核心3层逻辑结构部署。接入层网络设备应成环部署，并和综合接入点DU/CU共址，接人环带宽应不小于2 5Gb/s。接人环接人部署于综合接人机房的汇聚节点。汇聚节点成环接人部署于核心机房的园区核心节点，汇聚环带宽要求不小于10 0 Gbit/s。3.35G前传网络功能和性能要求5G前传网络支持IQ数据、控制和管理（C&M）数据、时间同步数据3种信息类型的传输；前传网络应支持第三代合作伙伴计划（3rd GenerationPartnershipProject，3GPP）定义的Option7方式切分的增强型通用公共无线电接（enhanced Common Public Radio Interface，e C PR I)接口；前传网络应按照3GPPT R 38.8 0 1标准和TR38.816标准进行带宽估算，具体和DU/CU与AAU物理层分割位置相关 5-。在车间级前传网络中，AAU侧传输设备单端口带宽应不低于10 Gb/s，综合接入点传输设备下联接口带宽应不低于10 Gb/s，上联接口单端口不低于2 5Gb/s，且宜以trunk或双归的方式接入UPF。在园区级的前传网络中，AAU侧传输设备单端口带宽应不低于2 5Gb/s，综合接入机房侧传输设备下联接口带宽不低于2 5Gb/s，上联接口单端口应不低于100Gb/s，且宜以trunk或双归的方式接人UPF。超可靠低延迟通信（UltraReliableLowLatencyCommunication，U R LLC）业务用户面时延对承载网的具体要求可参照3GPPT R 38.9 13标准中的规定 7 。5G前传网络的时间同步应遵照3GPPT S36.10 4标准。3.45G回传网络功能与性能要求5G业务转发应采用分层组网和统一转发平面，需支持网际互连协议（InternetProtocol，I P）寻址和转发功能。2082023年第10 期第一，可采用软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SD N）架构的网元管理和集中控制合一方式，通过统一的北向接口实现多层协同控制，需具备一定的自动配置、业务、网络的基本性能监控分析等协同管控能力。第二，5G回传网络应具备通过网络资源进行管道隔离和不同切片差异化质量保证的切片服务能力。第三，回传网络单节点处理时延应不大于30 s；车间级回传网络传输距离应控制在5km以内，光纤传输时延小于30 s，承载转发节点宜不超过3跳，整体时延不大于12 0 s；园区级回传网络的传输距离应控制在10km以内，光纤传输时延小于50 s，承载网转发节点宜不超过5跳，整体时延不大于2 0 0 S。4结语工业互联网是信息技术和工业系统全方位深度融合的产业应用。文章研究了工业互联网园区内5G网络传输承载网部署技术方案的要求，以期为工业互联网5G网络建设、与工业互联网的融合应用提供策略指导。参考文献1吴艳，张婷，贾燕燕.5G技术在工业互联网中的应用与探讨 J.电视技术,2 0 2 2,46(9):16 9-17 1.2工业互联网产业联盟.工业互联网园区指南(2.0版本)EB/OL.(2023-01-09)2023-02-28.http:/ai-alliance.org/index/c320/n3642.html.3黄劲安，蒋绍杰,林东云.5G+工业互联网发展探讨 .广东通信技术,2 0 2 1,41(5):19-2 4.4莫俊彬，潘桂新，成静静.面向工业互联网的电信运营商5G专网解决方案 J.数据通信，2 0 2 0(6):2 5-2 9.5j3GPP.Study on new radio access technology:radioaccess architecture and interfaces:TR 38.801S.Sophia Antipolis Cedex:3GPP Organizational PartnersPublications Offices,2017.6J3GPP.Study on Central Unit(CU)-Distributed Unit(DU)lower layer split for NR:TR 38.816S.Sophia AntipolisCedex:3GPP Organizational PartnersPublicationsOffices,2017.73GPP.Study on scenarios and requirements for nextgeneration access technologies:TR 38.913S.SophiaAntipolis Cedex:3GPPOrganizational PartnersPublications Offices,2018.83GPP.Base Station(BS)radio transmission andreception:TS 36.104S.Sophia Antipolis Cedex:3GPPOrganizational Partners Publications Offices,2023.