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5G技术

工业互联网呼唤新型 5G 2B 架构

日前,第五届未来网络发展大会在南京召开。在下午的高峰论坛上,中国工程院院士邬贺铨做了题为《从5G 2C到5G 2B》的主题演讲。他指出,将5G to C的架构直接搬到5G to B,不适应企业内网及与OT(操作技术)融合的需要。我们需要开发新型5G to B架构,支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

5G与工业互联网均存在误区

针对社会上对于5G赋能千行百业的议论,邬贺铨指出5G与工业互联网的发展均存在误区。目前工业互联网发展存在的误区主要体现在两个方面。

头重脚轻:回避垂直行业企业现场数据难采集问题而主攻企业大脑和平台,但企业大脑只是汇集底层统计数据和外部数据,对实时性要求不高,车间级直接对生产过程控制的企业小脑更为重要。

避重就轻:受限于现场级工控设备的协议开放性,不从机器联网做起,企业小脑也无数据可挖掘。

同样,5G在工业互联网的应用也存在两点误区。

重外轻内:企业的机器数据和传感器数据基本不出企业网,但现在过分关注建设跨企业的标识系统和高质量的企业外网。

以外替内:将5G to C的架构直接搬到5G to B,不适应企业内网及与OT融合的需要。5G全连接工厂并不现实。目前,5G主要应用在现场级且多为机器视觉类视频传送,尚未进入主流应用。

三种应用级别要求各不相同

邬贺铨从企业现场级、过程监控与生产管理级和网络与业务应用级展开了详细介绍。

企业现场级主要有两种模式:可编程逻辑控制器(PLC)和5G工业模组及基站。

PLC采用可编程存储器,通过轮询现场级各端口开关量、数字量和模拟量,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作命令,控制各类机器和生产过程。但由于各厂家标准不同导致标准碎片化,不同厂家的设备不能兼容。

5G工业模组可以连接移动终端。工业互联网5G基站的建设又分为三种:一是企业共享运营商建设的5G基站与核心网。核心网用户面功能(UPF)下沉到企业,5G工业模组登记在公网,数据不会离开企业去运营商处,不用担心数据安全问题。二是企业共享运营商建设的基站但自建核心网,5G工业模组登记注册和数据均在内网。三是企业申请专用频率自建基站和核心网,基站可集成UPF及5GC等功能,更安全可控及低时延。

总的来说,PLC模式采用的是主从架构,云主机,周期性分时轮询,是OT模式,缺点在于标准碎片化;5G工业模组是扁平化的,用的是传统标准以太网协议,适用非周期数据,采用统计复用机制,优点是实现了OT和IT的融合,缺点是不能保证时延,所以往往需要TSN来支撑。

企业现场级TSN基于时钟同步、数据调度、可靠性机制等技术,通过在标准以太网第2层的时隙引入优先等级标签,允许高优先级帧抢占低优先级帧的传输时间以保证低时延。TSN作为虚拟局域网可以实现TSN over 5G。在TSN之上可以承载各种现场级工控协议。支持周期性与非周期性数据同传,从而实现链路层上支持IT与OT融合。

在过程监控与生产管理级,SCADA起着关键作用。SCADA位于管理调度层,采集监控现场级数据,接受事件驱动,提供人机接口,实现告警处理、报表输出及可视化、动态模拟等。但本身和PLC协议开放性均不足,需针对性配置参数与应用程序才能实现PLC与SCADA通信。上位机的操作系统大都采用Windows,与底层不同,因此需与底层OT融合。

网络与业务应用级采用基于IPv6的网络层。IPv6可实现真实源地址溯源,并留有很大的编程空间,可开发更多的功能。首先是APN6(应用感知网),应用感知功能,传统的IPv4只支持选路,并不知道IP包承载的是什么业务,现在IPv6包可以定义业务服务质量,网络感知业务需求。其次是iFIT(随流检查),过去信道检测是个难题,往往只能事后离线检测,iFIT能够将OAM指令嵌入用户报文IPv6包,可实现丢包、时延等分段检测。最后,通过IPv6可以采用SRv6分段路由,在IPv6扩展头中指定流量转发路径,支持低时延、组播、快速倒换和并发冗余传输,实现高可靠性。SRv6有望成为端边云网统一的简化通信协议。

网络与业务应用级基于OPC-UA的应用层,OPC-UA是过程控制对象连接与嵌入协议,适用于多种硬件平台,也兼容多种软件平台,是一个翻译器。OPC-UA over TSN打通了从传感器到云,将IT和OT在语义层面互通。

高起点工业互联网呼唤新型5G to B架构

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