2022面向數字孿生的5G現場網體系架構

面向數字孿生的5G+現場網體系架構白皮書（2022年）55（221目 錄目錄 3字生未行展的向 4數孿生念與歷程 4數孿生層架關鍵技術 4數孿生展趨勢 6業(yè)場的念鍵技術 75G+場網系架與關鍵術 75G+場網型應場景 8向字生的5G+場網系構 9面數字生的5G+現場網層架構 95G+場網六個展趨勢六個術維度 103.2.1“”-感知 3.2.2“”-通信 123.2.3“”-計算 123.2.4“”-數據 123.2.5“”-智能 133.2.6“”-應用 135G+場網五個接技術 135G+新無通信 145G+新短通信 155G+確性絡 175G+高度內位 205G與低網絡 21向字生的5G+場網業(yè)型用 23工機械造 23智礦山 23智鋼鐵 24智樓宇 25智醫(yī)療 265.略語 27參考獻 28聯(lián)合寫位作者 28數字孿生是未來行業(yè)發(fā)展的方向數字孿生概念與發(fā)展歷程策的優(yōu)化閉環(huán)。數字孿生的概念始于航天領域，經歷了“技術探索、概念提出、應用萌芽、19692003Grieves2010年開始，數字孿生技術在各行業(yè)呈現應用價值，大型工數字孿生三層架構與關鍵技術勢預測和綜合優(yōu)化等功能。根據ISO發(fā)布的數字孿生領域首個體系架構標準《ISO/DIS23247：DigitalTwinframeworkformanufacturing圖1-1 ISO數字孿生體系架構為了構建數字化鏡像并實現上述目標，需要感知、建模、仿真等基礎支撐技術通過平臺化的架構進行融合，搭建從物理世界到孿生空間的信息交互閉環(huán)。（一）感知技術標識，并確保設備可信可控。（二）建模技術模型構建技術實現了物理空間中的實體向虛擬空間孿生體的映射，并通過在（三）仿真技術立相對應的虛擬模型，并模擬物理實體在真實環(huán)境下的行為。數字孿生發(fā)展趨勢數字孿生是物聯(lián)網發(fā)展的新階段，數字孿生的應用普及將推進以“萬物互聯(lián)為目標的傳統(tǒng)物聯(lián)網正在向“萬物智聯(lián)”業(yè)務需求和精準泛在的感知數據對以行業(yè)現場網在內的通信網絡提出了更高要求。ICT字孿生技術體將一邊探索和嘗試、一邊優(yōu)化和完善。行業(yè)現場網的概念與關鍵技術2013年ISO.23247ProximityNetwork（直譯為鄰近網絡）5G+AICDE5G+5G+行業(yè)現場網是以網關為中心，南向通過無源物聯(lián)、短距、確定性傳輸等5G數據傳輸到平臺，可服務于行業(yè)生產現場，滿足各類業(yè)務差異化需求。5G算力感知等能力，提升網絡的智能化能力。圖2-15G+行業(yè)現場網體系架構5G+資產盤點：得益于低成本、零功耗的特性，傳統(tǒng)收發(fā)一體的無源物聯(lián)系統(tǒng)廣5G痛點。移動設備互通信：機器換人可有效提升行業(yè)生產效率，降低人工成本，許多AGVQoS級通信時延，從而使行業(yè)現場移動設備間的高效協(xié)同成為可能。無線確定性傳輸：鋼廠鐵水罐中裝載高溫鐵水，需周期性、確定性上報鐵水5G+調度等實現生產管理數據的確定性傳輸、故障數據優(yōu)先傳輸，保障生產安全?；谥械退偻ㄐ诺臄祿杉弘娏祿杉ú杉瘜崟r電能數據、工況數端實時監(jiān)測用戶負載的電壓、電流、功率等電能質量動態(tài)信息。面向數字孿生的5G+現場網體系架構Cube3655G+3”表示66扁平化、無線化、IP化、智能化、可控化、精細化6“感、通、算、數、智、用55G+新型無源通信、5G+新型短距通信、5G+確定性傳輸、5G+高精度定位、5G線化、IP化、智能化、可控化、精準化的發(fā)展方向。圖3-1面向數字孿生的現場網體系架構（Cube365）5G+現場網三層架構術提供面向行業(yè)剛需的“感、通、算、數、智、用”六個技術維度。中間為能力層，可通過邊緣計算、協(xié)議適配、AI等技術為下層的物理實體仿真分析、智能處理、孿生模型構建與融合等。業(yè)務全生命周期管理服務，是與用戶的直接界面和接口。5G+隨著產業(yè)數字化轉型不斷推進，行業(yè)客戶的定制化生產需求逐漸顯現，網絡和平臺正朝著扁平化、無線化、IP化、智能化、可控化、精準化方向演進。一是網絡架構更加扁平化?，F場網絡結構復雜，有多種工業(yè)總線協(xié)議、工業(yè)Zigbee、UWB二是網絡連接更加無線化。2020年全球工業(yè)網絡市場份額中，有線占比94%，6%5G+接向無線化發(fā)展。三是網絡傳輸更加IP化。傳統(tǒng)工業(yè)網絡多為點對點的層二通信，暫時無法實現數據溯源，靈活路由以及精細化業(yè)務網絡管理，而工業(yè)生產對網絡的可擴展性、IP改造需求已越來越迫切。IPv6IP址。IPv6SLA保障。四是行業(yè)應用更加智能化?，F階段智能分析能力主要依賴云平臺，部分工業(yè)五是現場網絡更加可控化。傳統(tǒng)網管系統(tǒng)尚未延伸至現場網絡，無法實時感六是設備控制更加精準化。隨著5G和確定性網絡技術發(fā)展，網絡時延和抖動大大縮短，使設備分布式部署，控制集中化管理成為可能。在遠程設備操作、設備協(xié)同作業(yè)等場景中，通過5G網絡采集傳輸現場數據，基于軟件實現工業(yè)控制功能，實現設備遠程精準控制。IP5G+現場網技術體系業(yè)的多樣化需求。3.2.1“感”-感知業(yè)務分析以及向上的確定性傳輸提供數據支撐。3.2.2“通”-通信流能力。3.2.3“算”-計算AI服務大多基于深度神經網/3.2.4“數”-數據5G和現場網的網絡監(jiān)測和網絡運維自治能力。3.2.5“智”-智能不利于數據安全和隱私等問題。針對工業(yè)現場大數據、低時延、高隱私的需求，AI模型智能部署功能，根據原始模型、資源需求，快速實現模型部署和AI3.2.6“用”-應用PLC采用PLCSCADAPLC5G+5G+5G+距通信、5G+確定性傳輸、5G+高精定位、5G與中低速通信等在現場中廣泛使用的五個連接技術。5G+新型無源通信（125-134KHz（13.56MHz（900MHz（2.4GHz1-10激勵通信激勵通信圖3-2傳統(tǒng)的無源物聯(lián)框架圖3-3增強型無源物聯(lián)框架圖和研發(fā)成本。5G技術應用到室外場景。5G+新型短距通信短距無線通信泛指在較小的區(qū)域內（通常小于100米）提供點對點的無線通信，是典型的行業(yè)現場網網絡，主要用于設備間的小范圍互連，具有部署簡單、成本低等優(yōu)勢。圖3-4現有短距通信技術Wi-FiZigbee20209跨層透傳機制，基于業(yè)務特性使能半持續(xù)調度，實現單向用戶面?zhèn)鬏敃r延小于20usPolarRS5G5G5G（管理節(jié)點作為一個路由/T（通信節(jié)點5GT據格式、數據集，可部署在邊緣UPF、歸屬用戶服務器(HomeSubscriberServer,HSS)5GGT圖3-55G與短距通信技術的網絡融合框架圖5G+星閃融合通信技5GQoS未來，5G5G5G+確定性網絡現場網確定性網絡是指能保證業(yè)務的確定性帶寬、時延、抖動、丟包率指標的網絡。這里的確定性是指指標可預期，比如確定性時延10ms，時延的抖動在±10μs。PROFIBUSCANCC-LinkEtherNet/IPPROFINETEtherCATPowerLink技術的出現，為工業(yè)領域提供了新的通信5G確定性網絡所采用的確定性技術并非是伴隨5G+工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展而誕生的2002AVB領域的高實時、低時延、確定性數據傳輸需求。為滿足無線接入網絡支持應用TSN3GPPR165GTSNTSN5GTSN5GTSN圖3-63GPP定義的TSN邏輯網橋系統(tǒng)架構圖為了實現5GTSN邏輯網橋和TSN網絡的對接，5G系統(tǒng)擴展了如下3個功能模塊：1）DS-TTTSN（Device-sideTSNtranslatorTSN系統(tǒng)。2）NW-TTTSN（Network-sideTSNtranslatorTSN系統(tǒng)。3）TSNAFTSN（ApplicationFunctionTSNCNC5G+TSN一定程度上解決了工業(yè)互聯(lián)網數智化轉型發(fā)展所提出的無線替代有線、數據互聯(lián)互通、確定性數據傳輸等需求，具有一定發(fā)展前景。出了有線局域網確定性技術時間明晰網絡（TimeAwareNetwork，TAN）TANTANTANPDU，信的調度能力和控制能力。5GTANTAN領域和場景，具體的融合方案目前正在測試驗證階段。5GTSN/TAN會推出的NC-Link和OPC基金會推出的新一代OPC標準OPCUA（UnifiedArchitecture，統(tǒng)一架構5GTSN/TANNC-Link/OPCUA著技術之間融合適配方案的日益成熟，將有望逐漸成為工業(yè)現場通信的最佳實踐。5G+高精度室內定位采用載波接收信號強度做指紋庫定位實現相對簡單，可將Wi-FiRSSI1/31/4法提升精度，但其缺陷是精度低，維護困難，對環(huán)境改變的適應性差。針對定位需求，業(yè)界主要有三種技術方向：UWBGHz需求，但由于方案私有化程度較高，終端擴展受限，因此其成本較高。二是藍牙角度定位，其基于天線陣列的角度定位(AoA/AoD)，是基于收發(fā)信(ULAUCA均勻方陣)上不同天線鏈路上的相位差得到信號的來波角度，再根據部署高UWBUWB5G5G等室內場景下的各種定位業(yè)務需求。5GRTTAOA/AODTDOA精度都有較高要求。5GRTT、AOA/AOD、TDOAGNSS角度的測量。5G（距離、角度相對速度變化率，具有一定的應用場景。否能夠得到快速應用，還需要進一步進行技術驗證。LPHA（LowHighAccuracyPositioning5GRRC_INACTIVEUTDOAAOANLOS亞米級定位精度；同時，通過快速轉到淺睡眠/深睡眠狀態(tài)降低底電流、結合網絡側優(yōu)化等方式達到降低功耗目的。5G與中低速網絡10Mbps5Mbps物聯(lián)網連接。NB-IoTCat.1LoRaSigfox，NB-IoTLoRa是使用非授權頻譜的廣域低功耗技術代表，與NB-IoT、LTECat.1等采用授權頻段的技術相比，其可靠性及可信度相對較弱，特別在身份憑證安全、認證機制、密鑰管理方面存在差距；Zigbee、BLE等受限于覆蓋有限，還難以滿足那些需要遠距離傳輸、通信數據量少、且需電池供電長久的物聯(lián)網應用。5G+現場網行業(yè)典型應用工程機械制造簽上行信噪比低，導致讀寫器無法解調標簽信號。使用新型無源物聯(lián)技術可以打破傳統(tǒng)無源物聯(lián)技術通信距離過近的問題。通過新型無源物聯(lián)設備可周期性讀取并刷新模具當前位置、合模次數、成形周期、使用物料和產品等信息，完全取代人工掃碼。SaaS增大投資邊際效益和提高資產使用率，減少無謂的設備投資和閑置浪費。智慧礦山圖4-2礦山現場網架構圍連接的無人遠程操控設備技術代替現場人工操作，助力礦企安全高效生產。Wi-Fi5G井下通信類時則需要大的帶寬、較高的上下行速率。智慧鋼鐵工藝技術與5G、大數據、云計算等技術的深度融合和創(chuàng)新應用，實現鐵區(qū)生產5G5-105G米級定位的需求。服務等級需得到高保障，且時延需達到微秒級。5G+新型短距可支持超低時延、智慧樓宇也成為未來發(fā)展的必然趨勢。提升信息傳輸效率。用戶多次刷卡，極大的提高停車管理效率。除停車管理外，5G+現場網也能為智慧樓宇的資產管理、人員管理、樓宇節(jié)智能化運營管控能力。智慧醫(yī)療5G+及的場景，推動智慧醫(yī)療服務。在醫(yī)療監(jiān)護方面，當有緊急病患時，醫(yī)生和護士必須先尋找該病人過往病員就可以隨時隨地掌握每一位病人的準確信息，提高救治效率?？s略語5G第5代通信技術(TheFifth-Generation)AGV無人導航小車（AutomatedGuidedVehicle）AoA到達角度定位（AngleofArrival）BBU室內基帶處理單元（BuildingBasebandUnite）CNC數控車床(ComputerizedNumericalControl)DT數字孿生（DigitalTwin）DTU分布式終端（DistributionTerminalUnit）eMTC基于LTE演進的物聯(lián)網技術(LTEenhancedMTO)GIS地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem)GPS全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)HSS歸屬用戶服務器(HomeSubscriberServer)IT信息技術（InternetTechnology）LoRa遠距離無線電（LongRangeRadio）mMTC海量機器類通信(MassiveMachineTypeofCommunication)NB-IoT窄帶物聯(lián)網（NarrowBandInternetofThings)OPCUAOPC統(tǒng)一架構（OPCUnifiedArchitecture）OT操作技術(OperationTechnology)PLC可邏輯編程控制器（ProgrammableLogicController）pRRU遠端射頻單元(PicoRemoteRadioUnit)QoS服務質量(QualityofService)RFID無源射頻識別（RadioFrequencyIdentification）RSSI接收的信號強度指示（ReceivedSignalStrengthI