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基于5G+AIOT的小米应用示范 智慧工厂项目

作者:中国电信股份有限公司北京分公司


1 目标和概述

建设智能产线是3C行业提质增效的关键。智能生 产线通过工厂物联网,实现工厂全要素感知;通过“感 知-分析-执行控制-学习”的闭环,提升装备和工艺智 能;通过信息集成和流程集成,实现计划-执行-物流-质 量-设备-人力的综合管控;通过虚实融合的数字孪生工 厂,实现对物理工厂运营的优化和决策支持;从设备/ 工艺柔性、动态调度、工厂重构等几个层面,提升工厂 的适应性;通过大数据方法挖掘数据价值,提升工厂智 能化。


2 方案介绍

本项目中北京电信承担“3C行业智能制造5G-F5G 网络技术”的研究工作,该方案含两项任务:

2.1 任务一:基于MEC的5G固移融合高可靠网络 构建

2.1.1 6条产线高可靠5G定制网络建设方案

(1)超级上行技术 超级上行技术通过将上行数据分时在Sub-3G频谱 和C-Band频谱上发送,增加了5G用户的上行可用时 频资源。其原理为:在C-Band频谱的上行时隙,使用 C-Band频谱进行上行数据发送;在C-Band下行时隙, 使用空闲的Sub-3G频谱补充进行上行数据发送,实现 上行数据可以在全时隙发送。5G基站支持超级上行验 证,也支持上下行解耦的验证,现网超级上行性能测试验证中,可实现上行速率达到240Mbps。

 (2)300M载波聚合技术 受限于无线频谱资源紧缺等因素,运营商拥有的频 谱资源都是非连续的,每个单一频段难以满足5G对带宽 的需求。为了达到本项目超高清视频业务传输速率,通 过载波聚合技术(Carrier Aggregation,CA),将多 个连续或非连续的载波(Component Carrier,CC) 聚合成更大的带宽,以满足业务速率的要求。参与载波 聚合的每一个载波,叫做分量载波。这些载波在一起工 作,需要相互协同。主载波,就是承载信令,管理其他 载波的载波,也叫Pcell(Primary cell)。辅载波也叫 Scell(Secondary cell),用来扩展带宽增强速率,可 由主载波来决定何时增加和删除。如图1所示。

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 图1 非独立组网架构下的MCG和SCG

(3)无线资源块(Resource Block,RB)切片 保障 物理资源块(Physical RB,PRB)预留,打造低 成本无线硬切片,如图2所示。

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 图2 PRB预留

• 按切片组设置PRB预留比例,阀值在1%~100% 之间;

 • 支持5种PRB资源调度模式,按独占、优先、正 常划分;

 • 无需投资建设独立的硬件,即可实现无线硬 切片;

 • PRB预留比例软件可调,可快速满足B端客户 需求。

(4)分布式Massive MIMO 为了降低相邻小区间的干扰,提升边缘用户速率, 分布式Massive MIMO将多个4T4R(4发4收)射频合 路组合并为一个逻辑小区,通过集中调度、多天线联 合收发,消除了原小区之间的干扰,实现用户的CellFree一致性体验。

分布式Massive MIMO小区的传输接收点 (Transmission Reception Point,TRP)交叠区 域,多个4T4R pRRU联合形成分布式多天线,提供更 好干扰信噪比(Signal to Interference plus Noise  Ratio,SINR),获得高阶调制、高RANK增益,提升 单用户性能。如图3所示。

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图3 分布式Massive MIMO

分布式Massive MIMO小区通过MU-MIMO技术 支持多用户空分复用、可以显著提升小区上下行容量和 频谱效率。每个区域内用户可以实现NTNR,小区容量 为各个区域之和。

(5)99.99%高可靠性5G

网络保障机制 网络可靠性要求单位时间内网络的可用性为 99.99%,可通过一系列5G传输网络的高可靠性保障机 制:

 · 终端和业务对端双链路(如图4所示)

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图4 终端和业务对端双链路

终端的网络层支持数据复制和冗余链路建立及传 输,网络对端网络层支持冗余消除。

终 端 用 特 殊 的 深 度 神 经 网 络 ( D e ep Ne u ra l  Networks,DNN)建立两个协议数据单元(Protocol  Data Unit,PDU)会话,初始两个会话UPF1和UPF2 都连接主基站;后续将UPF2的会话迁移到辅基站。

· 基站与核心网网关间双份数据复制和传输(如图 5所示)

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 图5 基站与核心网网关间数据复制传输

基站和网关都支持数据包的复制和删除,复制的数据包使用相同的序号;建立支持冗余的传输隧道,基站和网关在传输层异路径传输。

· 在核心网侧部署边缘UPF和核心UPF, 做主备导换

在DCGW上与边缘UPF的端口断连,UPF故障或UPF性能下降手动进行业务倒换。在边缘UPF断连后,核心UPF能够自动接管边缘区域内的所有用户业务。

· 构建全下沉边缘MEC,云边协同备份保障

为满足客户本地化部署、数据不出厂、高安全私密性等需求,打造软硬一体、集成交付的独享型一体化MEC(以下简称:一体化MEC) 解决方案, 即: 基于独立的边缘基础资源, 部署专用的MEC平台软件, 为客户提供自主管理的独立平台及门户;应用部署及数据 存储均可按需部署在客户本地,可实现快速、灵活的 边缘节点集成交付; 支持与集约MEC业务管理平台对 接,实现统一的纳管运维服务。如图6所示。

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图6 一体化MEC解决方案


本项目拟在客户园区机房全下沉部署一体化MEC 与边缘UPF供客户独享,MEC支持固移融合,即支持 5G+F5G等多种网络接入,满足企业统一通信需求。此 外还支持云边协同,支持云边之间通过高品质专线连 接,实现边缘云与天翼云协同双备份。

最终从无线、承载、核心网、云边侧实现端到端网 络可靠性在99.99%。

2.1.2  F5G网络建设方案

F5G是固定网络发展到第五代即千兆光网,中国电 信落实国家发展千兆行业应用和发展工业互联网的战略 布局,将PON技术引入工厂内网,面向工业客户提供 满足工业可靠性、低成本、广连接需求的光网底座,称 之为“工业PON”。工业PON网络帮助工业企业构建 云网融合的光网架构,满足海量连接、低时延、大带宽 等工业连接需求,解决工业数据互联互通,并融合边缘 计算、AI、大数据等技术,实现工业数据实时采集分 析,为智慧化生产管理提供决策依据,已经在工业场景 下广泛应用。

方案概述:针对3C行业生产,有SMT线、整机装 配线、整机测试线、整机包装线等多工序和人、机、 料、法、环等多数据源,F5G网络提供具备抗干扰能 力、高可靠性、确定性时延能力的低成本接入能力,用 于承载区域内固定设备接入。

方案特点:

· 高可靠(99.99%)、低时延(10~20ms)的光纤传输。

· 支持与工厂生产系统和边缘计算设备的融合。

· 支持对接入工业PON网络设备的认证和数据传输 过程中采用加密算法等物理安全防护能力。

· 根据现场的需求,具备灵活的可扩展能力。

2.1.3  基于工业PON的产线数采

方案描述: 工业PON网络来承载表面组装技术 (Surface Mount Technology, SMT) 产线数采需 求, 同样采用通过Web服务器采集近实时数据的方案实 施。

方案架构: 采用工业PON网络通信技术,通过 生产线部署光网络单元(Optical Network Unit, ONU)设备与边缘数据采集终端连接,实现SMT产线 设备高可靠、低时延数采。

本方案采用设备现场部署边缘数据采集终端,并通 过网线直连ONU设备,再向上连接到工厂机房部署的 光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)设备, 实现按需规划数据本地分流和出工厂到外网及工业平 台。

边缘数采终端具备有边缘计算功能,可以设定对 应的算法模型来针对采集数据进行数据解析、转换、过 滤、汇聚等一系列数据处理动作,实现在网络中设备边 缘侧数据的预处理,从而减轻服务器端的压力,达到快 速处理响应的目的。

组网架构如图7所示。

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图7 基于工业PON的产线数采组网架构图 2.1.4  基于工业PON的设备连接

方案描述: 工业PON网络来承载固定设备接入, 工业PON网关提供RS232/485、以太口、光口、POTS 口等主流接口满足多类型固定设备联网。

方案架构: 基于工业PON网络用于承载该场景下 固定设备接入,如工业设备、办公电脑、办公电话、 智能摄像头等,通过切片采用虚拟专网的方式分别承 载生产网、办公网、安防网。针对核心生产数据通过 OLT以后驻留在工厂内,做到数据不出厂。针对需要连 接Internet或者工业互联网平台的数据,通过OLT经过 交换机和防火墙利用工厂外网进行连接,工厂外网采用 CN2企业专线或者SD-WAN专线等根据实际情况来进一 步选择。

组网架构如图8所示。

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图8 基于工业PON的设备连接组网架构图

2.2  任务二:基于5G智能工厂的网络前沿技术 研究

2.2.1  5G-F5G融合关键技术研究

基于F5G和5G的技术融合,由工业PON与5G构建 双千兆工业网络底座,满足3C行业智能制造场景的多 类型终端可靠、稳定、便捷的接入需求。F5G可提供抗 干扰的稳定光纤联接,与5G网络形成互补,实现5G网 络回传,协同构建全联结力网络。如图9所示。

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图9 工业PON+5G融合部署架构示意图


融合部署架构中,工业PON网络需要5G小基站提供时间同步功能,从而满足小基站高精度时间要求。利用网络时间同步方式(IEEE 1588),将网络侧时间通过PON网络中OLT、CBU等设备同步到5G小基站。如图10所示。

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图10 工业PON提供网络同步功能示意图

融合组网情况下,需要通过AGF功能,实现工业PON网络中支持5G功能的ONU设备和用于工厂网络的5G核心网进行协同。需要研究AGF逻辑网元的功能和接口等关键技术,确保工业PON网络和5G网络的融合协同。如图11所示。

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图11 工业PON和5G系统系统的AGF逻辑功能位置示意图

2.2.2  5G确定性网络技术研究

TSN为以太网协议的MAC层提供一套通用的时间敏感机制,在确保以太网数据通讯的时间确定性的同时,为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。TSN由以下三部分技术标准构成:

•  时钟同步:IEEE 802.1AS

•  数 据 流 调 度 策 略 (即 整 形 器) : I E E E802.1Qav

•  网络配置与资源管理:IEEE 802.1Qcc

根据场景的不同,可通过TSN的时间同步和异步两种方式对工业流量进行调度,实现网络运维效率和网络传输质量的最佳平衡。通过TSN辅助参数(包括周期性、流方向、流的到达时间),辅助无线资源预留,确保5G系统的时间同步+时钟偏移消除。

2.2.3  5G可视化平台

开发5G可视化平台满足:

(1)统一平台:切片、专线和园区等多场景的运 营管理可持续沉淀资产、可灵活扩展场景;

(2)业务开通:能够灵活应对企业各类业务的产 商品组合,实现一站式&快速敏捷开通;

(3)可视可管:面向不同行业的技术要求,为企 业提供可视可管SLA保障能力;

(4)能力开放:开放网络能力,使能业务运营和 第三方应用。

2.2.4  5G切片服务平台

开发5G切片服务平台满足:

(1)5G ToB切片运营:建设5G ToB切片运营使 能中心和5G行业商城及自服务门户,实现5G专网业务 敏捷运营、灵活扩展、迭代创新;

(2)5G ToB切片编排与开放:灵活编排切片能 力,满足不同业务场景的技术要求;

(3) ToB业务可视可管: 构建租户级业务管理能 力,业务性能看得到,业务问题可定界。

2.2.5  5G网络信息安全

5G安全既包括由终端和网络组成的5G网络本身通 信安全,也包括5G网络承载的上层应用安全。移动通 信网络标准在设计之初,就充分考虑了网络的可靠性和 安全性,经过全球通信行业几十年的共同努力,移动通 信网络安全架构日臻完善。

5G继承了4G网络分层分域的安全架构,分为传送 层、归属层/服务层和应用层,各层间相互隔离;在安全 分域方面,5G安全框架分为接入域安全、网络域安全、 用户域安全、应用域安全、服务域安全、安全可视化和 配置安全六个域,与4G网络安全架构相比,增加了服务 域安全。5G提供了比4G更强的安全能力,包括:

(1)服务域安全:针对5G全新服务化架构带来的 安全风险,5G采用完善的服务注册、发现、授权安全 机制及安全协议来保障服务域安全。

(2)增强的用户隐私保护:5G网络使用加密方式 传送用户身份标识,以防范攻击者利用空中接口明文传 送用户身份标识来非法追踪用户的位置和信息。

(3)增强的完整性保护:在4G空中接口用户面数

据加密保护的基础上,5G网络进一步支持用户面数据的完整性保护,以防范用户面数据被篡改。

(4)增强的网间漫游安全:5G网络提供了网络运 营商网间信令的端到端保护,防范以中间人攻击方式获 取运营商网间的敏感数据。

(5)统一认证框架:4G网络不同接入技术采用不 同的认证方式和流程,难以保障异构网络切换时认证流 程的连续性。5G采用统一认证框架,能够融合不同制 式的多种接入认证方式。

综上,5G针对服务化架构、隐私保护、认证授权 等安全方面的增强需求,提供了标准化的解决方案和更 强的安全保障机制。


3    代表性及推广价值

随着智能制造的发展,自动化、信息化、智能化等 技术渗透到制造业生产过程的各个环节,从工业现场的 传感器、设备到制造生产过程中的各个信息系统(如制 造执行管理系统、生产监控系统、设备运行维护系统、 产品质量检测系统、能耗管理系统等),均会产生大量 不同结构类型的数据。支撑3C数字化智能制造模式, 核心是数据,数据的互联互通以及数据标准,制约智 能化发展进程; 同时3C行业生产有SMT线、整机装配 线、整机测试线、整机包装线等多工序和人、机、料、 法、环等多数据源,数据来源渠道具有多样性,产生 数据多源性;数据分布、类型、稀疏性等产生数据异构 性。当前多源异构的生产数据,给3C数字化智能制造 模式带来阻碍。

在多源异构数据背景下,构建小米未来智能工厂, 如何实现数据融合,形成统一数据模型构建亟待解决。 因此研究3C行业的整体数据融合技术体系,是实现3C 行业数字化的前提和保障,对构建未来3C智能工厂, 引领3C产业先进制造模式具有重要意义。同时针对传 统网络“尽力而为”的服务能力无法满足工业互联网高 质量稳定网络要求,对移动网络具有多维度、差异化能 力需求,如时延确定、连接确定等可靠性要求,并且在 需要提供抗干扰能力、高可靠性、确定性时延能力的 特定场景,以及区域性、固定性等小米工厂特定的场景 中,5G存在一定的局限性,急需引入新技术来解决智 能化工厂现存问题。


来源 | 《自动化博览》2022年第二期暨《边缘计算2022专辑》



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