工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5G LAN組網(wǎng)方案研究

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究行業(yè)應(yīng)用IndustryApplication工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究Researchon5GLANNetworkingSolutionforIndustrialLiuXia，ChenLibo，WangYunfu，JiangYuanshan，ChenDejin，ZhangGuangwei（ChinaInformationTechnologyDesigning&ConsultingInstituteCo.，Ltd.ChengduBranch，Chengdu610096，China）關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：隨著網(wǎng)絡(luò)側(cè)日趨成熟，5GLAN行業(yè)示范應(yīng)用層出不窮，這對(duì)商業(yè)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端也提出新的需求。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)規(guī)范要求，首先分析行業(yè)應(yīng)用對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)的具體要求，然后提出相應(yīng)的組網(wǎng)解決方案，方案的核心在于設(shè)計(jì)了5G終端系統(tǒng)內(nèi)L2/L3數(shù)據(jù)混合轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)保障。方案已經(jīng)在相關(guān)5G物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品中采用，該方案解決其生產(chǎn)區(qū)、運(yùn)維混合組網(wǎng)問題。最后，展望了未來的研究方向。Keywords：1概述工信部印發(fā)的《5G全連接工廠建設(shè)指南》中明確品、電子等制造業(yè)各行業(yè)以及采礦、港口、電力等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域，推動(dòng)萬家企業(yè)開展5G全連接工廠建設(shè)，建成1000個(gè)分類分級(jí)、特色鮮明的工廠，打造100個(gè)標(biāo)桿工廠，推動(dòng)5G融合應(yīng)用縱深發(fā)展。鼓勵(lì)企業(yè)綜合利用5G等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在確保安全可靠的前提下，推收稿日期：2023-11-17動(dòng)企業(yè)辦公、生產(chǎn)管理、監(jiān)控預(yù)警、工業(yè)控制和物聯(lián)等業(yè)OT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。IT網(wǎng)絡(luò)部署在工廠級(jí)別，主要支持業(yè)務(wù)及企業(yè)管理職能，關(guān)注數(shù)據(jù)處理速度、系統(tǒng)可靠性和安全性等參考模型。而OT網(wǎng)絡(luò)部署在車間和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別，主要支持自動(dòng)化控制和監(jiān)控，以確保生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行，因此對(duì)穩(wěn)定性、可靠性要求高；為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的低成本，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通常在OSI模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同程度的簡(jiǎn)化，典型對(duì)比如圖2所示。郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2024/0183行業(yè)應(yīng)用IndustryApplication工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究工廠級(jí)ERPPLMCRMMES辦公網(wǎng)ERPPLMCRMMES辦公網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)生產(chǎn)網(wǎng)車間級(jí)工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)/工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)操作員工作站工程師站工業(yè)網(wǎng)關(guān)PLClO設(shè)備從PLC傳感器PLC監(jiān)測(cè)掃描設(shè)備操作員工作站工程師站工業(yè)網(wǎng)關(guān)PLClO設(shè)備從PLC傳感器PLC監(jiān)測(cè)掃描設(shè)備SCADAOT網(wǎng)絡(luò)圖1工廠典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)OSI模型應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層典型工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)/工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)PROFINETHSEModbusTCPEthernet/IPWi-Fi應(yīng)用程序應(yīng)用程序工程接口TCP/UDP數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)物理層以太網(wǎng)物理層基于TCP的ModbusTCP數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)物理層用戶層FMS/FDSTCP/UDP數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)物理層應(yīng)用過程TCP/UDP數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)物理層應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層802.11物理層圖2IT網(wǎng)絡(luò)與典型工業(yè)有線/無線網(wǎng)絡(luò)的分層模型對(duì)比從圖2可知，IT網(wǎng)絡(luò)和典型OT網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)分層模型上存在顯著差異。如果僅通過簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)IT-OT網(wǎng)絡(luò)的融合，可能會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不通或異常。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工業(yè)OT網(wǎng)絡(luò)的5G升級(jí)改造，需要考慮OT網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)習(xí)慣，如要求支持5G的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端具備二層通信能力和同一業(yè)務(wù)的不同子系統(tǒng)的隔離能力等［1］。在5GLAN使用前，常規(guī)的做法是通過引入AR類企業(yè)路由器，利用L2GRE、VxLAN等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)OT網(wǎng)絡(luò)的5G轉(zhuǎn)發(fā)。然而，該種機(jī)制的組隨著5G技術(shù)的高速發(fā)展，5GLAN這一適用于垂直行業(yè)的新型局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過MAC地址直接選址，二層數(shù)據(jù)直接通過5G進(jìn)行通信。通過5G大網(wǎng)，5GLAN實(shí)現(xiàn)了組管理、流量轉(zhuǎn)發(fā)、廣播多播復(fù)制建虛擬的或特定的LAN網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸［3-8］。在R16到R18的演進(jìn)過程中，5GLAN的功能及性能不斷得到增強(qiáng)和完善，為垂直行業(yè)的IT-OT融合提供了新的方向，成為推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的新工具。5GLAN的出現(xiàn)對(duì)5G大網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)終端、場(chǎng)景應(yīng)用都提出新的要求。在5G大網(wǎng)日趨成熟的前提下，智慧樓宇、工業(yè)制造、電力、集裝箱碼頭等場(chǎng)景的應(yīng)用證明了垂直行業(yè)應(yīng)用的可行性［8-15］。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端如何進(jìn)行組網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)整體解決方案的商用探索較少。本文將從物聯(lián)網(wǎng)終端的商用應(yīng)用角度出發(fā)，分析研究工842024/01/DTPT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究行業(yè)應(yīng)用IndustryApplication業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端的5GLAN組網(wǎng)解決方案。2行業(yè)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)需求主要是為了利用5G的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造及智能等5G特性來實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。a）利用5G切片實(shí)現(xiàn)不同安全級(jí)別生產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)的物理或邏輯隔離。層組網(wǎng)要求，即使這些業(yè)務(wù)可能分屬不同的“組”，也能得到有效的支持。c）確保不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)及可靠性。在滿足垂直業(yè)務(wù)需求的前提下，行業(yè)客戶對(duì)5G物聯(lián)網(wǎng)終端使用量大，其潛在的運(yùn)維要求是保障5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端運(yùn)維通道的高可用性，以提升運(yùn)維效率?；谝陨戏治?，初步識(shí)別出支持5GLAN的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端組網(wǎng)需求如下。a）支持不同的業(yè)務(wù)根據(jù)需求使用不同的5G切c）確保業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和可靠性，同時(shí)保證運(yùn)維通道的可用性。35GLAN工業(yè)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)終端組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)3.1總體解決方案針對(duì)行業(yè)應(yīng)用對(duì)支持5GLAN物聯(lián)網(wǎng)終端組網(wǎng)的需求，本文提供了如圖3所示的終端組網(wǎng)解決方案。根據(jù)該方案，5G物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)需滿足如下要求。ETH運(yùn)堆切片路由承載網(wǎng)&核心網(wǎng)5G終端管理系統(tǒng)端到端切片5GLON端到管理系統(tǒng)端管理系統(tǒng)生產(chǎn)1區(qū)切片ETH企業(yè)管理區(qū)企業(yè)交換機(jī)ETH生產(chǎn)2ETH運(yùn)堆切片路由承載網(wǎng)&核心網(wǎng)5G終端管理系統(tǒng)端到端切片5GLON端到管理系統(tǒng)端管理系統(tǒng)生產(chǎn)1區(qū)切片ETH企業(yè)管理區(qū)企業(yè)交換機(jī)ETH生產(chǎn)2區(qū)切片ETH管理區(qū)切片橋2維護(hù)應(yīng)用橋2維護(hù)應(yīng)用橋4路由圖3支持5GLAN工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端組網(wǎng)解決方案管理系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)的邏輯隔離或物理隔離。從圖3可知，當(dāng)觸發(fā)終端5G撥號(hào)后，將在系統(tǒng)內(nèi)不同的WAN口將關(guān)聯(lián)不同的業(yè)務(wù)，5G終端內(nèi)的L2/L3數(shù)據(jù)混合轉(zhuǎn)發(fā)并保障轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)是該方案的關(guān)鍵。3.2L2/L3數(shù)據(jù)混合轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)方案根據(jù)垂直行業(yè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景分析，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)如下。架構(gòu)的前提下，大部分?jǐn)?shù)據(jù)適用于L2轉(zhuǎn)發(fā)。個(gè)別行業(yè)（如電力）的生產(chǎn)涉及多個(gè)分區(qū)，需要將不同生產(chǎn)區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到不同的L2網(wǎng)絡(luò)（即5GVN組）。對(duì)于這類c）運(yùn)維數(shù)據(jù)：同樣與工廠IT相關(guān)，主要用于解決5G物聯(lián)網(wǎng)終端的運(yùn)維問題。通常，設(shè)備廠家提供的運(yùn)維接口均采用TCP/IP協(xié)議。對(duì)于這類數(shù)據(jù)，也適合使基于上述數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的“L2/L3混合轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)方案”。在5G物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)中，支持靈活配置多個(gè)“橋”接口。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要通過5GLAN通道傳輸時(shí)，將連接下游工廠設(shè)備的郵電設(shè)計(jì)技術(shù)/2024/0185行業(yè)應(yīng)用IndustryApplication工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究5GWAN1ETHLAN1運(yùn)堆設(shè)備5GWAN2ETHLAN2生產(chǎn)區(qū)1設(shè)備5GWAN3ETHLAN3生產(chǎn)區(qū)5GWAN1ETHLAN1運(yùn)堆設(shè)備5GWAN2ETHLAN2生產(chǎn)區(qū)1設(shè)備5GWAN3ETHLAN3生產(chǎn)區(qū)2設(shè)備5GWAN4ETHLAN4管理區(qū)設(shè)備MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)上送用戶態(tài)處理5G物聯(lián)網(wǎng)終端MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)MAC層數(shù)據(jù)上送用戶態(tài)處理維護(hù)應(yīng)用橋1橋2橋3橋橋45G網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)5G網(wǎng)絡(luò)5G終端管理系統(tǒng)VN1VN2圖4L2/L3混合轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)方案LAN接口與PDP類型為“5GLAN”的對(duì)應(yīng)5GWAN接口掛接到同一個(gè)網(wǎng)橋上，即可實(shí)現(xiàn)E2E的二層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要走常規(guī)的IP傳輸時(shí)，將連接下游置路由，以決定數(shù)據(jù)報(bào)文的下一跳5GWAN接口。通過對(duì)LAN側(cè)網(wǎng)橋子設(shè)備的靈活配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)L2/L3數(shù)據(jù)的混合轉(zhuǎn)發(fā)。3.3L2/L3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)保障關(guān)鍵技術(shù)方案在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，5G終端主要用于設(shè)備監(jiān)終端的上行業(yè)務(wù)帶寬要求更高。然而，5G網(wǎng)絡(luò)常規(guī)的上下行時(shí)隙配比是非對(duì)稱的，5G終端的下行帶寬大于上行帶寬。這就要求工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端在上行帶寬受限的前提下，按照業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行業(yè)務(wù)保障。常規(guī)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端采用Linux系統(tǒng)，根據(jù)Linux內(nèi)核的運(yùn)行原理（見圖5數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)卡后，優(yōu)先經(jīng)過二層交換處理，而后由Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的接口。如果要保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，關(guān)鍵理能力。針對(duì)交換部分，目前常用的交換芯片（如裕泰微電子YT9215SC）支持芯片級(jí)IEEE802.1QVLAN功能，通過基于端口、網(wǎng)絡(luò)三元組、MAC等的策略匹配，可以對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類。對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端，為了保障LAN側(cè)上行運(yùn)維通道的持續(xù)可用，可為其配置最高優(yōu)先級(jí)。其他業(yè)務(wù)可根據(jù)實(shí)際情況靈活配置，從應(yīng)用程序用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)CPU處理RxTxCPU處理RxTxTCPTCP/IP協(xié)議棧數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)驅(qū)動(dòng)交換硬件處理圖5Linux內(nèi)核運(yùn)行原理而解決交換級(jí)優(yōu)先級(jí)保障問題。整Linux系統(tǒng)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，以保證其正常響應(yīng)。對(duì)于其他需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)（如生廠區(qū)和管理區(qū)數(shù)據(jù)可以利用Linux的TC工具對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行QoS處理，基于MAC、IP等信息對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類及標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)CPU級(jí)優(yōu)先級(jí)保障。4示范應(yīng)用案例本文所提出的方案已經(jīng)被應(yīng)用于相關(guān)5G物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品中，該產(chǎn)品已在某油田客戶的5G升級(jí)改造項(xiàng)目中應(yīng)用，解決了其生產(chǎn)區(qū)和運(yùn)維混合組網(wǎng)問題?？蛻粼圏c(diǎn)應(yīng)用的5GLAN組網(wǎng)如圖6所示。在該862024/01/DTPT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)方案研究行業(yè)應(yīng)用IndustryApplication企業(yè)信息化中心生產(chǎn)區(qū)VN15G物聯(lián)網(wǎng)終端基站（5GLAN）UPF（5GLAN）企業(yè)交換機(jī)運(yùn)維圖6某客戶5GLAN應(yīng)用組網(wǎng)場(chǎng)景下，客戶的生產(chǎn)區(qū)存量PLC設(shè)備本身支持IP通信，改造前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與企業(yè)信息中心互通。通過加裝“5G物聯(lián)網(wǎng)終端”，利用其5GLAN組網(wǎng)能力，在不改變客戶現(xiàn)場(chǎng)二層組網(wǎng)架構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)了5G升級(jí)改造。5G物聯(lián)網(wǎng)終端在客戶場(chǎng)景由運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)管理，在保障5GLAN通信的前提下，運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)可以正常處理終端的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作。總體而言，該客戶應(yīng)用實(shí)例證明了本方案可有效解決客戶現(xiàn)場(chǎng)5GLAN的復(fù)雜組網(wǎng)問題，降低行業(yè)客戶5G升級(jí)改造的技術(shù)難度。5結(jié)束語在R16到R18的演進(jìn)過程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)5GLAN功能日趨成熟，行業(yè)示范應(yīng)用層出不窮，這對(duì)商業(yè)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G終端也帶來了新的需求。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)的習(xí)慣，本文重點(diǎn)分析了行業(yè)應(yīng)用對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端5GLAN組網(wǎng)的需求，并提出相應(yīng)的組網(wǎng)解決方案，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了5G終端系統(tǒng)內(nèi)L2/L3數(shù)據(jù)混合轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)保障的關(guān)鍵技術(shù)方案。通過在某油田客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了本文提出方案行之有效。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)的復(fù)雜性，后續(xù)還需進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)應(yīng)用及組網(wǎng)的研究，以持續(xù)推動(dòng)5G在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的推廣及應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：［2］陳婉珺，穆佳.5GLAN應(yīng)用場(chǎng)景與關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.郵電設(shè)計(jì)技［3］刁敬源，曾子蕓，刁兆坤，等.5GLAN技術(shù)分析及工業(yè)互聯(lián)未來發(fā)［5］陳豐，劉子建，郭春旭.面向5G專網(wǎng)的輕量化核心網(wǎng)技術(shù)研究［6］李沛然，周達(dá)