李福昌等：工业5G跨域业务协同融合方案研究_5g与工业互联网的融合

摘 要

文章深入研究工业5G领域中的跨域业务协同融合方案，涵盖方案演进过程、TSN(时间敏感网络) over 5G方案、5G内生确定性方案以及XSO跨域协同融合方案。通过对这些方案的深入研究和比较，为工业领域中实现跨域业务协同融合提供了全面而有效的解决方案。这些方案不仅在网络性能上有所突破，同时考虑到了OEE效率和业务网络的复杂需求，为相关领域的学术研究和实际应用提供了有益的参考。

关键词 工业；5G；确定性

引言

工业互联网快速增长，各种设备或者终端的节点数量从2016年的2.88千万增至2022年的5.88千万，表明工业对互联网连接需求迅速上升。其中传统现场总线协议市场份额逐年下降，从58%递减至30%，反之，工业以太类协议市场份额逐年提升，CAGR增长率超过20%，2018年首次超越Fieldbus，2020年已占市场份额的64%以上，趋势反映了对更先进通信协议的需求增加。其中，工业以太类协议前五位是EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、Modbus TCP和PowerLink，其中Profinet增速显著。欧洲以EtherNet/IP和Profinet为主，北美以EtherNet/IP和EtherCAT为主，而亚洲市场缺乏主导标准。总体而言，工业以太在工业网络中的地位持续增强，5G进入工业自动化领域需与工业以太协同，以满足工业互联网迅速增长的需求[1]。

未来工业5G现场网络的发展趋势旨在更深度地融入工厂自动化产线，提供更多智能应用，实现更全面的覆盖，以满足核心需求。当前情况下，工业5G主要用于集中部署UPF以支持工厂/园区的5G连接，但由于控制与数据采集协议存在差异，这使得工业5G的应用主要局限在数据采集网络的外围，没有真正进入设备层，而设备层的连接方式占据了工厂整体连接的90%以上。因此工业5G尚未充分满足工业现场的核心需求，未来工业5G现场网络的发展将带来许多显著好处[2]。

1)一体化网络：未来的工业5G网络将实现车间内部的一体化网络，这意味着控制与数据采集整合到同一网络中，C2C(控制到控制器)、C2IO(控制到输入/输出)、NRT数据采集等所有连接都可以通过5G进行承载，简化了网络架构，降低了维护成本。

2)核心需求覆盖：工业5G现场网络的发展将更全面地满足核心需求，能够支持工厂现场的各种通信需求，无论是实时控制还是非实时数据采集。

3)增加灵活性降低成本：工业5G的引入将提供更大的灵活性，帮助工业企业更好地适应生产线的变化和不断变化的需求。这意味着生产线的重新配置和重新调整可以更加容易地实现，无需大规模的物理网络更改。

1 跨域业务协同融合网络需求分析

1.1 OEE效率网络需求

工业5G逐步进入PLC层级的东西向、南向核心生产环节的各应用场景后，大大使能了车间的柔性生产，降低成本，简化网络结构，减少故障时间和运维时间，提高设备开动率，提升产能，甚至可以进一步催生集中化/虚拟化PLC的未来产线形态趋势。

工业5G的应用旨在提高生产线的综合效率(OEE)[3]，这是衡量制造业生产力的关键指标。OEE综合考虑了可用性、性能和质量三个方面，分别对应着产线正常运行时间的占比、产能或生产节拍，以及产品的良品率和控制精度。在工业领域，OEE被视为制造业生产力的黄金标准，完美的OEE分数为100%，意味着只生产优质零件，尽可能快，没有停机时间。为了实现高效的生产线，需要针对每个方面采取相应的措施。首先，降低非计划停机时间是至关重要的，这可以通过优化设备维护和管理，以及实施预防性维护计划来实现。其次，提高生产节拍需要优化生产流程、加强设备协同，以及提高自动化程度。最后，保证产品质量需要加强质量控制、提高生产设备的精度和稳定性，并严格执行质量管理流程。

1)产线可用性对网络的需求

对于工业物联网(IIoT)的运动控制等场景，通信服务的可用性(CSA)是一个至关重要的指标。CSA表示在一定时间内通信服务可用的比例，尤其对于具有确定性业务的应用来说至关重要。举例来说，5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA)向3GPP提出了关于IIoT运动控制场景的URLLC性能评估，其中CSA是一个关键的系统性能指标。

通信服务的可用性指的是传输业务的准则能够被满足。对于运动控制业务，传输业务的准则被满足指的是在特定的时间内控制命令能够成功接收。由于控制命令具有生存时间，只要在控制命令的生存时间内，丢掉的控制命令(传错或者超时)并不会对系统控制产生影响，即容忍在生存时间内发生错包。因此，CSA指标描述了服务的可用能力，允许系统在生存时间内一定程度上出现丢包，只要不超过生存时间，系统就可以正常运转，见公式(1)。

(1)与可靠性对比，可靠性需求旨在保证服务(消息或者命令)的完整性，而可用性需求则着重于保证服务(消息或者命令)的连续性。不同的应用类型对于可靠性和可用性的需求不同，有的应用类型要求保证服务的完整性，而有的业务则更注重保证服务的可用性。可用性允许一定程度的非连续丢包，这在一定程度上放松了系统的可靠性需求，使系统可以支持更多的用户，对于支持此类业务的系统设计具有一定的指导意义。

在实际工业应用中，为了确保产线的可用性，必须尽量减少非计划停机时间。例如，在汽车制造领域，工业协议(如Profinet协议)的周期性对发通信方式被广泛应用，PLC和IO设备之间通过周期性对发报文进行通信，并通过总线看门狗来监测链路是否正常。任何链路故障都可能导致产线全线宕机停产，因此对于产线的可用性要求非常严格。因此，对于工业应用来说，网络的可用性和可靠性至关重要，必须采取相应措施以确保通信服务的稳定性和连续性，从而保障生产线的正常运行。

2)生产节拍对网络的需求

在工业环境和应用中，使用无线通信近年来备受关注。通过用无线替代有线，可以降低成本和运营支出，同时支持以往无法实现的新用例，被视为第四次工业革命的关键技术推动者。通常，在工业场景中，不同层次的自动化呈现出不同的通信需求，见图1。底层通常涉及物理传感器和执行器与可编程逻辑控制器(PLC)之间的通信，上面是监控控制与数据采集(SCADA)层，作为与工厂高级管理系统的接口，包括制造执行系统(MES)和企业资源计划(ERP)等。从通信角度来看，随着金字塔层次的提升，所需的延迟通常会增加；从传感器和执行器层面的实时通信到较高层次的延迟容忍通信。目前，大多数工业控制系统采用基于现场总线或以太网技术的有线方案，其中以太网是当前市场上的主流解决方案。作为一种灵活性更强的技术，以太网可以在多个系统和平台之间进行互操作，从而实现自动化金字塔各层次的轻松集成。因此，工业无线解决方案需考虑与以太网互操作，以确保在现有环境中的部署兼容性。制造业中的一个工厂通常由多条生产线组成，每条生产线由多个工作岛组成，每个工作岛由多个机器人、阀岛、I/O模块和其他工艺设备组成。生产节拍是指成品连续下线的时间间隔，其直接影响工厂的产能[4]。生产节拍通常取决于生产耗时最长的瓶颈工岛，其中网络时延是影响生产节拍的因素之一。因此，对网络KPI指标中的平均时延有着严格的要求，例如平均RTT时延不超过x毫秒。

图1 自动化金字塔及其各级别的典型通信延迟要求

3)控制精度对网络的需求

现代工业环境中的运动控制系统通常使用闭环控制，并由驱动器、控制器和传感器组成，如图2。这些系统对网络的时延和抖动有着严格的要求。例如，在点到点直线轨迹控制中，对于运动停止位置的精度有明确的要求，如RTT≤x毫秒@n个9；同时，停止位置的精度误差范围也需要受到限制，要求接收包间隔抖动≤y毫秒@n个9。因此，网络的时延和抖动必须受到精细管理，以确保运动控制系统的性能。

图2 运动控制系统示意图

1.2 业务的网络需求

工业互联网的应用需求直接影响着生产线的可用性和效率。产线上的各种设备，如工艺AGV、EMS、机器人协同、工具切换等，对网络的高性能提出了明确而挑战性的要求[5]。通过深入分析生产节拍、控制精度等因素，业务提出了对网络的严格性能指标，如表1所示。

表1 PLC应用网络需求

2 工业5G跨域业务协同融合方案

2.1 方案演进过程

工业5G跨域业务协同融合的演进过程，也是5G网络和工业协议之间的理解逐步加深、传输效能逐步提升的过程，工业5G跨域业务协同融合的演进过程如图3所示[6]。

图3 工业协议over 5G演进过程示意图

在5G网络部署初期，E2E 5G LAN功能尚不具备，因此，5G网络需要新增隧道/网关设备、通过隧道封装的方式，将二层工业协议的Ethernet报文封装为IP报文后，再在5G网络传输；该方案虽不要求5G网络支持5GLAN，但因为诸多限制，隧道封装的方式并不是工业5G跨域业务协同融合的目标方式，5G网络目标是E2E支持5G LAN功能，即5G网络采用Ethernet类型会话，支持二层工业协议在5G中传输，5G网络E2E类似二层交换机形态[7]；该方案不需要新增隧道/网管设备部署，E2E成本小、传输效率高。随着工业5G跨域业务协同融合部署的深入，会出现工控设备报文发送和5G网络之间的匹配效率问题，5G网络能够承载工控设备的节点数量和部署规模受到严峻挑战，需要向5G与工业互联网跨域协同演进；另一方面，对于具有同步需求的业务场景，需要向5GTSN融合演进。

2.2 TSN over 5G方案

在R16版本中，5G与工业协议的融合采用了TSN over 5G的方式。在这种融合方式下，5G网络充当一个"bridge"，受到外部的TSN控制。这种方法主要包括两种情况。

1)现有主流工业协议Over TSN：这种方式是将现有的主流工业协议通过TSN技术传输到5G网络中。TSN可提供精确的时钟同步和带宽分配，以确保协议数据包能够按时传输，从而实现低时延和高可靠性的确定性通信，该方式允许现有工业设备直接与5G网络交互，通过TSN技术提供时序保障。

2)OPC UA FLC Over TSN：OPC UA是一种用于工业自动化的通信协议，而FLC (Field Le vel Communication，现场级通信）是其扩展。5G网络通过TSN支持OPC UA FLC，这允许工业设备之间的高性能通信，同时保持数据的可靠性和一致性，使其成为5G与工业设备之间的通信方式[8]。

目前，工业网络的TSN化(时钟同步网络化)已经成为全球工业自动化领域的趋势。3GPP R16引入了TSN over 5G的概念，将5G作为一个桥梁，使其与外部TSN网络融合，以提供确定性通信。虽然TSN化在工业网络中备受欢迎，但在工厂现场的规模普及仍需较长时间。业界合作伙伴反馈，到2026年，TSN网络在PLC南向(现场级)的规模仍然可能相对有限。在欧洲等地，OEM设备供应商保持产品强势，开放式协议的部署动力相对不足，这是当前的主要情况。

TSN over 5G提供了确定性技术增益，但它并不能根本解决5G内部的确定性挑战。TSN技术通过对数据源进行调度，可以减少多个流的“额外时延”。但需要注意的是，TSN在5G网络上传输，最终的确定性时延和并发度仍受5G自身能力的限制。此外，TSN中的门控调度机制虽然显著降低了抖动，但会以增加时延为代价，这对于5G的低时延业务可能带来一定影响。因此，R17和R18版本的演进方向旨在进一步提高5G网络的内部确定性性能，使其更适合工业自动化等领域的需求，减少对外部TSN的依赖。

2.3 5G内生确定性方案

R17/R18旨在推进5G内生确定性，支持在不依赖TSN网络部署的情况下实现5G网络内生确定性，其框架如图4所示。5G内生确定性主要增强的功能如下。

图4 5G内生确定性

1)新增网元TSCTSF管理5G系统内TSN相关模块功能，并通过与外部AF适配，扩展TSCAI辅助RAN调度，实现跨域协同。

2)进一步扩展时间同步能力，通过灵活配置同步主控，增强时间同步的灵活性。

3)支持UE-UE的确定性通信，适配工业非TSN网络，为外部提供时钟源。

4)支持时间同步能力开放增强、支持TSN的回传网络互通等功能。

5G内生确定性模式基于时间同步和5GC(5G CoreNetwork，5G核心网)的感知应用模式，可以根据应用的要求，如发包周期和数据量等，跨越5G内部的不同网络进行编排。在5G内生确定性模式中，5G内部进行QoS映射到5G连接、用户面资源预留和发送时间调度等操作。网络能够更好地匹配数据发送和网络内部能力，降低了无序数据对网络的冲击。这可以提升URLLC空口容量，降低了由于数据重传引起的时延[9]。这一模式的重要性在于，它充分利用了TSN技术，提升了5G网络的确定性，同时也使5G能够独立于TSN网络单独部署。这意味着5G可以满足工业应用的确定性需求，而不受外部TSN网络的制约。

2.4 跨域协同融合方案

跨域协同融合方案基于5G新增的确定性内生网元-TSCTSF网元，支持在不依赖TSN网络部署的情况下实现5G网络内生的确定性，支持现有的Profinet等工业协议传输，这种方式不需要修改工业协议本身，而是在PN(工业以太网协议)的应用层中添加一个UDP(UserDatagram Protocol，用户数据报协议)服务。跨域协同融合方案在profinet协议机上新增触发点，从Profinet现有的协议接口，根据跨域协同融合方案接口指示，获取profinet参数或者调整profinet发包时刻，交互示意如图5所示。

图5 跨域协同融合方案(XSO)和profinet交互示意图

跨域协同主要实现流程如下。

1)5G网络获取工控应用的业务需求，进行统一的业务编排：无线网络综合考虑空口能力限制和工业协议业务需求，进行跨域业务编排，确定各个工控设备报文发送的时间点。

2)5G网络将业务编排结果发送给工控设备：5G网络按照统一的双向协同感知调度接口，向各个工控设备发送XSO业务编排结果，按照实现方案分类，业务编排结果可能包括发送时间起点或者发送起点调整量。

①发送时间起点：基于双方约定的时间机制，提供周期发包的具体时间起点；

②发送起点调整量：指示周期报文后续的发送调整量(向前或向后调整)。

3)工控设备按照业务编排结果调整报文发送：严格按照发送时间起点发包，或者按照发送起点调整量调整周期报文发送。

3 总结

预计在未来5~10年，现有工业协议仍将是主流，这一观点得到了产业界和学术界的广泛认同。因为工厂自动化领域通常具有长周期的设备更新和投资规划，因此现有协议在工业环境中已经深入根植，工业网络中的协议如Profinet、Ethernet/IP、Modbus等将继续扮演重要角色。为了与工业网络融合并实现与主流工业协议的兼容性，关键策略是强化5G网络与现有工业协议的兼容性和融合性。本文通过充分考虑5G与现有工业协议的融合和感知协同，未来可以实现更紧密的工业网络和5G的结合，为工业自动化提供更强大的支持。未来的路径演进需要充分考虑工业自动化领域的现实需求和主流工业协议的持续使用。5G网络需要通过与这些协议的兼容和融合来实现更广泛的应用，为工业网络提供更高效的通信和数据交换，以支持生产的自动化和智能化[10]。

参考文献

[1] 李中原.基于PROFINET协议的通信网关的设计[D].天津:天津工业大学,2019

[2] 黄鑫,董庆森."5G+工业互联网"驶入规模化赛道[N].经济日报,2023-11-29(006)

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[4] 张俊,尚云平.汽车安全气囊气体发生器生产线设备综合效率(OEE)改善[J].工业技术创新,2023,10(5):68-77

[5] 苗守野,李静,李福昌.5G uRLLC能力需求及应用研究[J].邮电设计技术,2022,(8):1-5

[6] 中国联通.中国联通5G+汽车智造技术白皮书 V3.0[EB/OL].(2023-06-01)[2024-01-10]. https://book.yunzhan365.com/grhe/rgjh/mobile/index.html

[7] 李静,李福昌,张涛.5G LAN的应用需求与拓展研究[J].通信世界,2023,(6):46-49

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[10] Ahmed Slalmi, Hasna Chaibi, Abdellah Chehri, et al.Enabling Massive IoT Services in the Future Horizontal 6G Network: From Use Cases to a Flexible System Architecture[J]. IEEE Internet of Things Magazine,2023,6(4):62-67