5G定制专网在离散制造业中的部署和应用
摘要：2019年5G商用以来，“5G+工业互联网”成为5G融合应用的主阵地，从重要性和意义的角度来看，“5G+工业互联网”将带来新基础设施、新技术蓝海、新应用空间、新产业生态，开辟工业数字化转型的新路径和新模式。5G的三大特性高速率、超低时延、超大连接高度契合工业对于无线网络的需求，推动实现“厂内厂外一张网”和“生产办公一张网”，将重构工业企业网络设施。同时工业需求促进5G超级上行、高精度定位、5G与TSN融合等5G技术创新，催生工业级5G终端、工业级CPE设备、工业PLC等5G融合新产品。当前5G数达115.9万个，已基本实现城市主干道、重点商圈、旅游景点、乡镇重点区域的广域覆盖。在重点企业、工厂、医院、写字楼等ToB客户中通过室分建设，补充5G覆盖盲点。随着5G基础建设的完善，5G网络将普遍应用于工业制造领域，助力工厂数字化转型和高质量发展。
关键词：5G定制专网；离散制造业
一、离散制造业场景化网络需求
（一）生产场景网络需求
流水线生产场景主要业务包括：AI边缘质量检测、设备剪辫子、AR/VR应用、5G自动测试/程序加载、PLC连接等。边缘AI检测在产线上的分布一般比较密集，局部区域内的上行容量需求较高，需要采用分布式MM小区组网来提升区域内的上行容量能力。
（二）物流场景网络需求
物流层主要业务包括AGV小车、对人/物的定位等业务，根据物流区域内需要AGV的数量，确认该区域或者仓库内的网络容量诉求，并根据覆盖水平，确定需要使用的设备数量。5G+AGV一般有三大场景：物流仓多AGV、大物品搬运，多AGV协同、5G+视觉，替换激光SLAM导航，当前比较成熟的应用为场景一，物流仓多AGV场景；物流仓并发AGV较多，典型场景下1600平方米的仓库，并发工作的AGV有100～200台，AGV对网络的时延要求相对较高，50ms～100ms，传输的数据量小，k字节；室内物流场景，对物的定位当前一般采用RFID、蓝牙、UWB等方案，当前5G定位能力还不够，不建议采用5G满足物流区域的定位诉求。
二、端到端5G定制网部署模式
（一）网络切片设计原则
5G定制网的应用有别于公众网应用，对网络切片的资源隔离、安全保障、业务质量保障等均有比较严格的要求，在承载的行业应用层面，涉及网络状态感知、控制保护、数据采集、现场AI辅助、智能机器人等多种类型，传输的数据包括状态量、控制指令、图片、视频等，相应地对网络的带宽、时延、抖动、误码率、可靠性等都有不同的要求。根据以上特性，可以按照以下原则对行业专网网络切片进行设计：
（二）核心网子切片选型
5G核心网采用SBA架构，支持虚拟化跨DC分布式部署，根据用户安全隔离要求不同，可以提供以下几种核心网切片类型：
1. 全共享切片
核心网控制面网元（包括AUSF、AMF,UDM、UDR、SMF、PCF）共享、NFV和切片选择相关的控制面网元NRF、NSSF共享，用户面网元UPF也共享，切片通过S-NSSAI区分，新建DNN。对于大部分对安全隔离要求不高的行业用户推荐采用这种类型切片。
2. 用户面独占切片
核心网的控制面网元（包括AUSF、AMF,UDM、UDR、SMF、PCF）共享，NFV和切片选择相关的控制面网元NRF、NSSF共享，用户面网元UPF新建，一般在靠近用户的运营商边缘机房或者用户本地机房中建设，部署两套UPF，互为容灾备份，一套UPF监测发生故障，可以立即切换到另一套UPF设备上，保证用户业务不中断。UPF设备与运营商承载网设备和用户内网设备联通。终端采集的数据通过物联网卡签约定制DNN策略，通过UPF传输到用户内网中，无须经过运营商的核心网机房，极大地降低了工业场景下数据传输时延，保证了数据安全可靠。对于希望数据隔离的大部分切片，或者对部署位置有严格要求（比如工厂、园区）且有本地应用部署需求（MEC）的切片用户，推荐采用这种类型的切片。
3. 全独占切片
核心网的所有控制面网元（包括AUSF、AMF,UDM、UDR、SMF、PCF）、用户面网元UPF均新建，如果运营商统一管理的话，NFV和切片选择相关的控制面网元NRF、NSSF需要共享。这种类型切片对于建设成本、组网复杂度、管理运维都带来压力，大多数情况下不推荐，仅到行业用户确实有非常强的安全需求（如典型专网应用），且愿意支付相应成本时才能采用这种类型切片。
（三）传输网子切片选型
传输网基于SDN的架构，可提供各种类型的承载切片，根据用户安全隔离要求和需要的带宽不同，可灵活选择。
1. VPN共享软切片
在一个VPN通道中，多个切片复用传输资源，相互间没有隔离，以流控实现业务间的转发控制，实现QoS保障。
2. VPN隔离软切片
采用VPN技术，将切片业务在承载网络中与其他业务隔离，实现QoS保障。
3. 独享Sub1G硬切片
用户侧基于TSN或其他类型包，网络侧支持Sub1G SPN Channel，提供带宽最小粒度10MB，可以保障每个小颗粒切片的确定性时延。
4. 独享FlexE硬切片
基于FlexE硬管道，提供最小粒度1Gb的切片，实现与其他业务管道的硬隔离，FlexE硬切片的带宽可以基于vLink进行链路级共享。
三、5G定制网安全技术方案
离散制造业定制网的安全需求主要包括：终端接入安全、数据安全（数据不出园、数据加密）、边缘UPF/MEC安全、应用安全防攻击等。
（一）5G终端接入安全
针对非5G终端接入5GCPE，主要是可以通过在5G CPE上进行相关配置支持如下安全方案：白名单认证；启用Wi-Fi鉴权加密；启动CPE防火墙。
（二）UPF建设安全
1. 物理安全
UPF具备防拆、防盗、防恶意断电等物理安全保护机制，同时具备以下物理安全增强功能，降低安全风险。
(1）具备物理链路状态监控的功能，能及时监控到链路的异常，防止链路被恶意挪用，并关闭不使用的网络接口；当设备断电/重启、链路网口断开时，可能触发告警。（2）能管控本地加载系统路径，不允许从外挂的存储设备启动系统，并对升级补丁和程序的来源和完整性进行检测。（3）使用可信计算保证物理服务器的可信，确保只有经过验证的代码才可加载、执行。常诚
2. 接口和访问控制安全
(1）支持对UPF管理面、控制面的访问进行双向认证与鉴权，避免与非授权设备进行通信。（2）能禁止直接从UPF设备的业务平面接口访问管理平面和控制平面。（3）能够防范各类畸形报文攻击。（4）具备对IP、协议、端口的流量过滤能力。（5）具备上下行流量防地址欺骗检查能力。（6)UPF作为GTP-U隧道的接收方时，能确保TEID（隧道端点标识）的唯一性。
四、结语
根据本文分析可知，离散制造业中的业务场景大多数对于上带宽、时延、可靠性、安全性要
求较高，端到端的5G定制网可以对不同业务进行逻辑和物理上的隔离，实现不用业务对于网络的不同需求。如5G+高清视频监控对于上行容量要求较高，对于时延无较大要求可以在无线侧采用上行增强技术、5QI软切片保障侧的业务流量；5G+AI视觉检测对于上行容量和时延要求都比较高，可以采用无线侧上行增强技术、5QI/RB保障硬切片，传输侧FlexE硬切片，核心网侧UPF下沉+MEC边缘计算等技术，保障业务的高可靠低时延；对于涉及企业机密数据的传输，对安全要求非常高则可以采用独立、FlexE硬切片、独立5GC等技术保障客户完全不出园区。5G定制提供按需高定制化网络能力，促进5G网络与离散制造业的深度融合，助力企业客户实现5G智能化转型。
参考文献
[1] 杜加懂.5G与工业互联网融合应用的思考[J].信息通信技术与政策,2019,45(11):45-47.
[2] 常诚.双超级上行提升5G上行速率[J].电子元器件与信息技术,2020,4(10):37-39.
[3] 张晗宜.浅谈TSN(时间敏感网络)的应用趋势[J].自动化博览,2020(05):23.
[4] 李真真,曾连荪.基于UWB的室内定位关键技术研究[J].信息技术,2011(11):96-98.
[5] 肖子玉.5G核心网标准进展综述[J].电信工程技术与标准化,2017,30(01):32-37.
[6] 张晶,李芳.5G端到端网络切片技术与应用[J].移动通信,2021,45(03):40-43.