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摘要:5G专网是驱动5G+行业应用发展的重要载体,工业园区的5G专网建设是重中之重,驱动工业数字化转型的重要推动力。本文介绍了5G专网的建设现状及面临的挑战,基于分析专网建设需求,对面向工业园区的5G专网提出了一体化的解决方案,能够更好的指导工业园区场景下5G专网的建设。
关键词:5G专网;工业园区;解决方案
当前,5G网络的建设已进入商用加速期,5G成为推动行业数字化转型的重要载体。据毕马威公司预测,5G技术在垂直行业的市场潜在价值超过4万亿。国家高度重视5G在工业方面的垂直应用,过去几年,国内已涌现出大量5G工业专网的优秀案例。但对于5G工业专网的一体化解决方案还较少,本文将结合对5G网络建设的思考,浅析面向工业园区的5G专网一体化解决方案。
一、5G专网发展现状及面临挑战
2021年开始全球许多行业和企业都建立了自己的私有5G网络。Grand View Research预计全球专用5G网络市场规模在 2020年至2027年期间的复合年增长率(CAGR)为37.8%,
到2027年将达到71亿美元。2020年国内三大运营商都发布了自己的5G专网白皮书。目前我国建成的混合专网和虚拟专网已达数千个。
5G专网建设虽已取得初步成效,但在业务推广过程中,还面临各种各样的困难和挑战,包括:
(1)业务场景对5G的刚需不足,大部分场景5G价值体现较弱。
按照HMS的统计数据,尽管近几年均保持高速增长,2020年工业网络中无线网络的占比仅7%,而其中4%为工业WiFi。目前5G在行业的应用也主要集中在基于视频/图像的应用,如机器视觉、无人巡检/维护、视频监控等,深入生产业务的业务拓展刚起步。
(2)产品能力不足,基于公网的架构和产品在面向行业时匹配度不高。
当前阶段的专网体系架构和产品均以公网标准和集采产品为主,而行业由于其部署环境、成本要求等,如矿山井下特有的部署场景,工业高可靠高安全要求等,需要如小型化核心网、本安型设备、云网业一体化产品等,而建设专门针对用户的小型化核心网成本非常高。
(3)项目差异性大,产品标准化不足,使得项目周期较长。在拓展行业时存在两方面为题。一方面是行业项目需求差异性较大,尽管中国电信提出了能力体系——产品体系的组合,但针对具体项目,仍难以快速构建解决方案并快速开通。
(4)缺少行业标准,即使技术上可行,商用部署仍存在障碍。由于现有业务系统规划建设的惯性,部分5G应用尽管证明了技术上的可行性,但由于缺少对应的行业规划、建设、部署、维护、安全标准,也缺少升级支持5G的装备,使得行业部署的积极性不足。
(5)产业链和商业模式不成熟,行业客户付费意愿不强。场景价值低、5G能力和产品匹配度不高、产业链不完备,导致现阶段能部署的5G应用数量较少,使得整体拥有成本较高,行业客户试点、测试的多,付费的较少。
二、工业园区5G专网典型场景需求分析
工业园区一般实现厂房全景现场、生产线全程可视、远程专家诊断三大工业园区典型应用场景。
1)厂房全景现场
通过5G和智能感知设施,依托三维信息模型,对厂房内网络、楼宇、交通、安防等基础设施进行收集、处理和分析,构建与物理园区虚实映射、融合共生的数字孪生园区,对园区的人、车、企业、资产 设施进行全连接,实现数据全融合、状态全可视、业务全可管、事件全可控,将全方位重塑园区的安全、体验、成本和效率。
厂房全景现场对5G定制网性能需求如下:
表1 厂房全景现场对5G定制网性能需求
场景 | 对5G定制网性能需求 | |||||
厂房全景现场 | 功能 | 上行速率 | 下行速率 | 时延 | 可靠性 | 覆盖范围 |
AR/VR图像采集传输 | ≥100Mbps/每终端 | ≥20Mbps/每终端 | 20ms~50ms | 99.99% | 厂房 | |
高清视频监控 | ≥50Mbps/每路 | ≥5Mbps/每路 | 20ms~50ms | 99.99% | 厂房 | |
物联采集 | ≥10Mbps/每终端 | ≥5Mbps/每终端 | 20ms~50ms | 99.99% | 厂房 |
2)生产线全程可视
工业相机和各类数采设备,通过5G网络将生产线上各类生产数据实时传送至管理端,通过在管理端对生产线建模并加载生产数据,实现生产线全程可视。生产线全程可视,极大的提高了管理效率,同时可依托相关生产模型为管理人员提供生产决策,提高生产效率。
生产线全程可视对5G定制网性能需求如下:
表2 生产线全程可视对5G定制网性能需求
场景 | 对5G定制网性能需求 | ||||||
生产线全程可视 | 功能 | 上行速率 | 下行速率 | 时延 | 可靠性 | 覆盖范围 | |
机器视觉 | ≥50Mbps/每终端 | ≥20Mbps/每终端 | ≤20ms | 99.99% | 生产车间 | ||
数采 | ≥20Mbps/每路 | ≥10Mbps/每路 | ≤20ms | 99.99% | 生产车间 | ||
高清视频监控 | ≥50Mbps/每路 | ≥5Mbps/每路 | 20ms~50ms | 99.99% | 生产车间 | ||
3)远程专家诊断
通过在园区建立5G通信网络,利用AR技术实现远程专家诊断。园区操作人员佩戴AR眼镜,通过5G网络将现场环境及故障情况实时反馈至异地专家,异地专家通过视频画面,对现场人员进行指导,最大化复用专家的能力。远程专家诊断既节省了维护成本,也实现了专家的技能复制,解决了技术专家紧缺的难题。
远程专家诊断对5G定制网性能需求如下:
表3 远程专家诊断对5G定制网性能需求
场景 | 对5G定制网性能需求 | |||||
远程专家诊断 | 功能 | 上行速率 | 下行速率 | 时延 | 可靠性 | 覆盖范围 |
AR图像采集传输 | ≥50Mbps/每终端 | ≥10Mbps/每终端 | ≤20ms | 99.99% | 运维现场 |
三、总体建设方案
根据不同的场景,选择采用不同的定制网模式,如新建园区室分覆盖,通过下沉轻量级UPF及MEC,为客户提供5G定制化服务,满足客户需求。
图1 园区5G定制网总体方案图
3.1 无线网部署方案
以某工业园区为例,该工业园区面积9平方公里,其中厂房4栋,每栋占地面积1万平方米,办公楼2栋,每栋9层楼,每层2000平方米。根据调研,客户计划实现厂房全景现场、生产线全程可视、远程专家诊断三大工业园区典型应用场景。因此,需实现厂房和办公楼5G室内覆盖。
综合考虑竞争、效率、成本、收益、资源利用率、运维、管控等多维度因素,建议采用以下方式实现5G无线网络覆盖。 工业厂房,需要实现厂房全景现场,生产线全程可视,需要安装较多的高清摄像头等视频采集设备,容量需求较大。而厂房一般都比较空旷,隔断就好,因此建议采用5G微基站进行覆盖,每栋厂房设置2个微基站,两端各一个,4栋厂房共计需要8台5G微基站设备,可满足厂房全景现场、生产线全程可视等应用需求。
3.2 承载网部署方案
本期考虑建设2台STN-A设备。园区A设备就近双路由接入电信机楼中的STN-B设备,通过STN网络实现园区UPF与5GC互通。光缆建设需求分两部分:一是BBU至微站、HUB的前传光缆,二是STN网络设备间的回传光缆。
图2 STN设备组网方案
3.3 UPF部署方案
结合客户对本企业数据管控的要求(生产数据不出园区),且远程专家诊断中远程控制对时延要求高,因此本项目采用“比邻模式”进行5G定制网建设,基于下沉园区级UPF,通过N6接口访问园区网络。
图3 定制网整体网络架构
3.4 MEC部署方案
边缘MEC建设采用模式三中的ECX进行部署,即:IaaS层、PaaS层均由云公司提供。根据下沉边缘位置、承载容量规模综合考虑,本次采用小型MEC节点进行建设,即云GW、Spine、leaf合设在一起。
四、结束语
工业园区5G专网场景繁多,需求各异。需要以客户业务场景为驱动,以5G网络为基础,打造云网边安一体化的5G专网。在实践中,面向不同的工业应用场景,还考虑边缘MEC及安全平台的建设,还需要开展大量的试点应用和实践探索。
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