基于5G蜂窝技术的必威体育传输解决方案
解决方案   2019-11-01
主体单位:
联合单位:



基于5G蜂窝技术的必威体育传输解决方案

HUAWEI技术有限企业

网络改造技术篇/前沿技术/工厂内网改造


1 概述

1.1 背景

    制造业正在向数字化、柔性化等方向发展,促进生产效率和市场规模的不断提升。而设备的广泛连接,是实现数字化和柔性化的重要一环。

在传统模式下,制造商依靠有线技术来连接应用,但由于数据网络布线、设备移动性等限制,有线设备的连接数和场景具有局限性。

    近些年无线解决方案逐渐增多,Wi-Fi、蓝牙等近距通信无线技术已经在制造车间立足,随着连接需求的发展,这些无线解决方案在带宽、可靠性和安全性方面的限制,难以适应更高要求的必威体育传输需求。

    随着移动通信技术的发展,5G网络将从传统以人为中心的服务拓展至以物为中心的服务。根据不同的传输需求,5G 定义了三大场景:增强移动带宽(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和大规模机器类通信(mMTC),适用于能源、车联网、必威体育控制等物联网行业的不同应用场景。聚焦到必威体育领域,5G致力于为工厂内的从设备层到企业层的设备提供可靠、安全、可保障的通信机制。

1.2 实施目标

    本项目的目标是通过5G蜂窝技术承载必威体育应用的业务数据,提供工厂全连接的无线网络,用以满足多种必威体育设备的入网和通信需求。同时,通过5G蜂窝技术和OPC-UA相结合,提供工厂内由上至下的必威体育通信解决方案,支撑多种类型必威体育设备的互联互通。

通过5G蜂窝的解决方案,能够促进工厂的智能化和数字化改造,使得生产制造系统具有高度灵活性;工厂车间的网络架构可以快速调整优化,有效提升网络化协同制造与管理水平。

1.3 适用范围

    基于5G蜂窝技术的必威体育传输解决方案提供了必威体育领域的无线通信技术,针对eMBB,mMTC以及URLLC三类场景的解决方案,适用于制造业的以下场景中:

表 1 5G在制造业的应用场景示例


类别

应用场景

运动控制

例如:大型打印机,数控车床,包装设备

机器间控制

多台独立机器间协作

移动面板

装配机器人(或机床),移动式起重机

必威体育AR及监控

高清视频,全高清视频

大规模连接

各种传感器连接等,传输的数据量小、连接数多

移动机器人

精准运动控制,机器间控制,协作驾驶,远程视频控制,运行路径管理

  

    5G蜂窝技术除了适用于上述必威体育设备间的通信,通过和OPC-UA的结合还适用于工厂的设备层、控制层和企业层之间的通信,将设备层数据直接传输到企业层或者云端,企业的生产监控设备可以实时获得设备的运行状态,及早将故障设备剥离出生产系统,避免对生产造成的影响。

1.4 在betway体育亚洲版入口网络体系架构中的位置

    本解决方案适用于图中工厂内部和工厂外部的通信,即:智能机器与工厂控制系统、在制品与智能机器、在制品与工厂云平台、智能机器与智能机器、工厂控制系统与工厂云平台、工厂云平台与用户、工厂云平台与协作平台以及智能产品与工厂的通信。基于5G蜂窝通信技术提供的高可靠、低时延的数据传输保障,可以减少数据传输线路的部署、适用于多种环境以及必威体育设备移动的应用场景。


图1 betway体育亚洲版入口互联示意

2 需求分析

    5G蜂窝网络应用于多种必威体育场景,以及单一必威体育场景的不同设备之间的通信时,对5G蜂窝网络的传输提出了不同的需求。下表列出了比较典型的必威体育应用的传输需求:

表 2 典型必威体育应用的传输需求

类别

传输需求

运动控制

运动控制类对传输网络的要求较高:传输时延小于5ms,传输抖动为微秒级别;传输可靠性要求为99.9999%,数据包小于100字节。

机器间控制

传输时延小于10ms,数据包1K字节,传输抖动为微秒级别;传输可靠性要求通常小于99.9999%。

移动面板

传输时延小于10ms,数据包几百字节左右,传输抖动为毫秒级别;设备有小范围移动的需求。

必威体育AR及监控

由于是视频传输需求,业务数据包较大,传输速率需求达到Gbps级别,可靠性要求99.9%左右。

大规模连接

连接数多,包含各种传感器数据的传输,传输时延要求通常在50ms以上。需要注意的是,大规模连接中不同设备的传输需求差异较大,该类业务中基于安全应用的传输时延要求在10ms以内。

移动机器人

根据移动机器人不同的应用,传输时延在1ms~1s的范围内,多数应用的传输可靠性要求为99.9999%,对传输网络具有移动性的需求,移动过程中业务不要中断。

     在满足上述必威体育传输需求的基础上,5G蜂窝网络应用于必威体育场景,可以不受限于存量设备预留的数据端口限制,满足存量设备智能升级需求。通过5G蜂窝网络将各种必威体育设备数据上传到监控端,不受网络布线的限制,可以实时确定设备的健康状况,及早将故障设备剥离出生产系统,实现对必威体育设备的预测性维护。

3 解决方案

3.1 方案先容

    基于5G蜂窝网络的必威体育解决方案是以5G蜂窝网络作为必威体育应用的传输承载网络,完成不同必威体育设备之间通信的解决方案。同时,基于5G蜂窝网络和OPC-UA的结合,提供由工厂底层到高层之间的不同层之间的通信以及同一层设备之间的通信,实现工厂内设备的全连接。

    基于5G蜂窝网络的必威体育解决方案包含蜂窝网络设备以及必威体育终端设备。其中,蜂窝网络设备还包含蜂窝网络的基站设备和核心网设备。必威体育终端设备可以为SCADA,PLC以及各种必威体育输入输出设备。

    必威体育数据通过蜂窝网络传输时,必威体育设备需要集成蜂窝模组,并实现必威体育应用和蜂窝模块的互通。

    基于5G蜂窝网络的必威体育解决方案中还包含边缘计算模块,基于该模块可以实现网络和应用的融合,获取应用的多样数据传输需求,同时应用的边缘部署实现了对必威体育数据的快速分析和超低时延响应。


图2 必威体育无线蜂窝网络部署


    基于5G蜂窝技术的必威体育传输解决方案主要包含以下创新点:

    ? 基于5G蜂窝技术的数据传输机制

    根据不同的必威体育传输需求,提供数据包的传输路径,并为不同的业务提供对应的Qos保障。5G蜂窝网络既能保障传输的高确定性和可靠性,也能支撑大量必威体育设备的连接场景。

    ? 基于OPC-UA的传输网络互连和传输控制机制

    主要包括基于OPC-UA和蜂窝网络的映射,完成蜂窝网络对必威体育数据传输的支撑,以及支撑蜂窝网络和其他必威体育通信网络的互连,支撑不同必威体育场景下传输资源的配置和对必威体育数据传输的控制。

    进一步地,支撑必威体育应用在边缘测的部署,作为网络和应用融合的平台,有效提高工厂的智能化水平。


3.2 系统架构

    基于5G蜂窝网络的必威体育解决方案的总体架构如图3所示。主要由:必威体育平台/应用、基于5G蜂窝技术的传输网络和必威体育终端设备组成,构成了数据采集、业务数据分析、必威体育设备控制的端到端总体解决方案系统。


图3 基于蜂窝技术的必威体育传输解决方案总体架构

3.3 网络拓扑设计

    5G蜂窝网络支撑星型拓扑结构,包含一个中心(必威体育蜂窝网络设备)以及多个必威体育设备(必威体育蜂窝终端设备)。终端设备通过无线空口与网络设备交互完成数据通信。

其中,蜂窝网络设备是由网关设备(核心网络)、必威体育蜂窝网络设备(接入网络设备,基站)构成。

图4 必威体育无线蜂窝拓扑结构


3.4 功能设计

    5G蜂窝网络中核心网络和接入网络具有不同的功能,协同完成整个蜂窝网络对传输的支撑。

    蜂窝网络接收到业务数据包之后,数据包在蜂窝网络内部的传输流程如下图5所示。从网络侧来看,业务数据包首先经过核心网络内部节点的有线传输,然后数据包通过空中接口发送到终端设备。


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图 5 蜂窝网络的用户面数据流


作为传输网络,5G蜂窝网络主要支撑的功能如下:

? 支撑数据协同和汇聚,将汇聚的数据传输到通信对端;

? 支撑以4G移动通信、5G移动通信等通信接入方式中的一种或多种,包含核心网和接入网功能;

? 支撑对IP或MAC格式的必威体育数据传输;

? 支撑对必威体育蜂窝网络设备和蜂窝终端设备的认证、设备管理安全机制;

? 支撑对网络的配置和组网;

? 支撑RJ-45,RS485等物理接口;

? 支撑“即插即用”的工作方式;

? 支撑版本升级失败后回退到前一个可正常工作的版本。

? 在蜂窝网络中,终端设备的主要功能如下:

? 支撑将数据通过无线方式传递到蜂窝网络设备;

? 支撑对必威体育蜂窝终端设备的认证和安全功能;

? 支撑对终端设备的参数和App的配置;

? 支撑对必威体育蜂窝终端设备的性能和状态监测;

? 支撑“即插即用”的工作方式。

3.5 蜂窝网络和OPC-UA的集成

    OPC-UA是目前较广泛的工厂内应用使能技术,定义了一套通用的数据描述和语法表达方法(信息模型),每种系统都可以将采用OPC-UA的信息模型,从而可以被其他系统所获取和集成。

    在本解决方案中,通过5G和OPC-UA的结合获取业务传输需求以及完成传输协议的映射,支撑5G对不同必威体育场景业务数据的传输,保障不同必威体育业务的传输性能,满足多种场景的业务需求。

图6 OPC-UA和蜂窝的集成方案


    基于5G蜂窝和OPC-UA的结合,5G传输网络实时的获取待传输必威体育业务的传输需求,并提供对应的传输资源,更好的保障不同类别业务的传输性能。其中,图7给出了必威体育业务传输需求获取以及对应不同需求的蜂窝承载示意图。

图7 基于OPC-UA的业务需求获取机制


3.6 5G蜂窝网络的安全及可靠性

1)5G蜂窝网络提供安全的数据传输机制

蜂窝网络提供多层次的切片安全保障,为不同类别的必威体育业务提供差异化的隔离服务。同时,蜂窝网络支撑数据加密,完整性保护,抗重放,鉴权(认证)等功能,通过对空口数据进行加密和解密,确保数据不被窃听、篡改,保障数据传输的安全性。

2)蜂窝网络的传输可靠性

蜂窝网络支撑系统级和链路级的两类可靠性保障机制。

? 系统级可靠性保障:蜂窝网络可以提供备份链路和备份节点,保障整个蜂窝系统作为数据传输节点的正常工作。

? 链路级可靠性保障:数据传输过程中,网络设备提供多个数据传输链路,保障单个业务数据包在蜂窝内部传输时的高可靠性。

3.7 无缝移动性支撑

    蜂窝网络支撑终端设备移动过程中业务数据包传输的连续性,保障无数据包的丢失。

根据终端设备移动范围的不同,分为终端设备在接入网络(AN)之间的切换和终端设备在核心网络之间的切换。

    以移动过程中跨越接入网络节点为例,切换过程的流程如下:

1) 终端设备向源接入网络发送无线测量报告,源接入网络判断终端设备的接收质量以及移动的位置;

2) 源接入网络节点确定终端设备需要变更接入网络节点,则向目标接入网络节点发送终端设备信息,指示目标接入网络节点准备该终端设备的资源;

3) 目标接入网络节点为终端设备配置数据传输所需的资源,并向源接入网络节点确认切换准备完成;

4) 源接入网络节点向终端设备发送切换到目标接入网络节点的命令;终端设备接入目标接入网络节点。


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图 8 无缝移动性流程

    通过上述过程,5G蜂窝网络在不中断终端设备的现有业务的前提下,完成接入网络节点的切换,保障了必威体育有移动性需求的应用的数传性能。目前,5G蜂窝网络还正在进一步的提升切换时数据传输的性能,保障终端设备在高速运动的情况下仍然能够保障数据传输的连续性,完成接入节点的切换。

4 成功案例

    目前5G尚未商用,为了验证5G对必威体育业务的承载性能,目前正在和上海某大学的必威体育实验室进行基于5G蜂窝实验网络承载必威体育场景以及5G和OPC-UA结合的验证工作。预计2019年中验证完成,后续在相关工厂进行推广使用。

    本项目中选定了流水线、机器人和机床共同组成的必威体育制造场景,验证5G蜂窝支撑工厂设备和PLC之间、PLC和PLC之间以及PLC和监控系统之间的通信。

图9 5G蜂窝网络承载工厂内通信场景

    在该实验室,机床中内置与外置的传感器用来来采集信号,其中传感器包括位置传感器,温度传感器,振动传感器等等。现在必威体育设备常用的通信方式为Ethernet通信,为了验证蜂窝技术对现有设备传输保障,本方案进一步的考虑了将不同类型的Ethernet数据包封装为无线蜂窝数据包,通过蜂窝网络进行传输的方案,也便于后续支撑存量设备的升级改造。

    通过本项目,验证5G蜂窝网络对不同必威体育场景的支撑情况,同时验证5G蜂窝网络和OPC-UA的结合,实现不同层级的蜂窝设备之间的互联互通,推进工厂尤其是具有大量存量设备的工厂可以通过蜂窝技术,快速的完成数字化和智能化升级。


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