都晨辉：5G内生确定赋能数智工厂《面向新型工业化的5G内生确定技术白皮书》解读

5G内生确定赋能数智工厂 ——《面向新型工业化的5G内生确定技术白皮书》解读 中国移动研究院都晨辉2023.11 2021年以来，国家工业互联网政策密集发布，总体呈体系化、持续增强的特点，工业互联网已成为推进新型工业化的新型基础设施 新型工业化政策频出，已成为国家重大战略 2021.1 《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023）》围绕新基建、融合应用、技术创新等方面形成11大项44项具体行动方案 2022.8 《5G全连接工厂建设指南》 明确通过基础设施建设、厂区现场升级等4大项14小项建设内容推动5G融合应用纵深发展 2023.6 《工业互联网专项工作组2023工作计划》 深化“5G+工业互联网”发展，打造5G工厂 2022.1 《“十四五”数字经济发展规划》明确到2025年，数字经济核心产业增加值占国内生产总值比重达到10% 2022.10 党的二十大报告 推进新型工业化，加快建设制造强国、网络强国、数字中国 2023.9 推进新型工业化重要指示 建设制造强国需要同发展数字经济、产业信息化等有机结合 中国移动发展路径 •发展路径：从辅助生产到融入生产再到改变生产 •具体举措：推进5G等新一代信息通信技术的创新发展， 为行业数智化转型构建数字基础设施底座 国家重大战略 •二十大报告制定主要目标：到二〇三五年，基本实现新型工业化 •习近平书记重要指示：以中国式现代化全面推进强国 建设、民族复兴伟业，实现新型工业化是关键任务 工信部具体政策 •相关政策：《“5G+工业互联网”512工程推进方案》、《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023 年）》、《工业互联网专项工作组2023年工作计划》 2 深耕典型场景，行业规模复制呈“燎原之势” 第六届绽放杯全国总决赛中获一等奖10个（工业6个），共有157个（工业67个）项目获奖，获奖项目总数及一等奖数量均为业界第一 智慧产业园区 落地30+家覆盖17省 智慧冶金 18家A+钢铁企业已合作14家 智慧港口 全国前十 集装箱港口全落地 智慧工厂 落地3000+家中小企>80% 智慧电力 2大电网深度合作签约项目500+ 智慧矿山 落地400+座覆盖26省 5G下矿井、进工厂、入海港,与行业深度融合实现多个“行业领跑” 井下919米5G网络@安徽 接入电力5G终端7000+@山东 覆盖6省40厂区5G专网@福建、江苏等 38台5G无人集卡@广东 5G+AR助推复产复工@湖南 极寒（零下50℃）无人驾驶@内蒙 5G扫除地震仪线缆束缚@南京 丰顺电声产业集群平台@广东 全国最大电声产业集群 全球首个 5G智慧油气勘探 全国首个极寒无人矿卡 全国首个5G跨国装配 全国最大 5G自动驾驶港口 全国首套省域5G电网 全国最深5G矿井 全国最大跨省5G专网 中国移动5G+工业互联网取得显著成效 在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展 5G对数智工厂的全面赋能，需要实现对工业网络“两层三级”架构的全连接全服务 数智工厂对5G确定性的需求场景 IT网络 SCM ERP PLM 办公网 园区级 CRM 网络防火墙 MES 生产网 工业防火墙 车间级 OT网络 HMI（人机界面接口） 工业以太网/无线网络 SCADA（数 据采集与监视控制） 产线级 PLC（可编程控制器） 现场总线/工业以太网/无线网络 DCS/FSC（过 程控制系统/ 分散控制系统） 机器1 机器2 机器3 园区级 园区监控 AGV搬运 车间级 无线数采 无人天车 柔性产线 智能分拣 广泛的网络覆盖便捷的组网连接连续的性能保障 安全可靠组网低时延通信保障不间断网络运行 产业务隔离保障 级 线有界抖动通信 数据精准转发 5G确定内生的三大核心理念及技术体系 中国移动推动确定性能力从外挂式叠加向内生式供给演进，通过5G架构与确定性能力的深度耦合，实现内生确定性服务的一体化供给 1 核心理念 2 3 确定性能极致服务：补齐时延、抖动短板；发挥带宽、覆盖优势；锻造低功耗、高安全新能力 确定可靠全局保障：通过多维度、多层级的可靠性和安全措施，保障通信及工业数据安全 5G内生确定性技术体系 确定性组网技术确定性通信技术确定性保障技术 确定能力内生供给：对外部改造需求小，内生提供组网融通、极致通信、运营保障等能力 确定确定确定 覆盖隔离路由 基 无 短 线 距 覆 无 盖 线 定 通 制 信 UP 站 5GF本 分 LA地 流 N分 流 高精度时间同步 签 宽 性带 确定 R灵 源 约 GBB资活 增 钟 R预时 留强源 超低时延及有界抖动 D DP 硬 度 SN e 重 双 I 件 策 精 d 复 发 关 加 略 准 C 传 选 闭 速 优 门 a 输 收 化 控 p 低 S帧 预码 结 调率 构 度MC S 指令准确收发 耗 低功 调TR 业务系统 级惯级容 性运灾保 行障 负 令 UP信 荷 F惯风 分 性暴 担 运抑 行制 端到问题 端安精准 护 全防定位 定 定 UP 位 界 F热备 I/O UE 5GLAN1 PLC I/O UE 5GC UPF I/O UE PLC I/O UE 5GLAN2 核心技术 确定组网技术：构筑坚实5G基础设施 通过确定组网技术打造无线全覆盖的“地基”，砌筑业务保障隔离的“墙”，打通精确路由的“窗” 确定覆盖确定隔离精确路由 PCF/PCRF AMF/M ME SMF/PGW-C 公网UPF 核心技术 公网业务园区业务园区业务 核心技术 基站分流 Internet 专网UPF分流 企业内网 •5G无线覆盖：利用无线配置调整、pRRU冗余覆盖、RHUB交叉等方式，保障覆盖的确定性 •星闪端距覆盖：先进帧结构、Polar/RS信道编解码技术，实现死角盲区覆盖 实施目标 •无线全覆盖：实现全区域的大尺度连续覆盖，死角区域细粒度补盲增强 •5GLAN组网：实现多VN组间的业务隔离，VN组内实现成员之间的单播、组播、广播通信；实现5GLAN容灾以及精简组管理机制 实施目标 •业务隔离：实现VN组内设备间的直接互访，VN组间业务安全隔离 •可靠运维：减少网络切片、DNN等资源占用，提升网络可靠性与管理便捷性 •UPF本地分流：UPF下沉实现流量的本地卸载，将用户面的数据就近转发至边缘云或企业内网 •基站分流：是UPF本地分流的有利补充，主要适用于部分UPF下沉困难的中小型园区 实施目标 •精确路由：实现终端零改造的情况下，实现跨园区的路由与漫游，生产数据不出园区，提供边缘计算服务。 确定性通信技术：匹配严苛的性能要求 面向工业不同层级的业务场景，提供确定带宽、高精度时间同步、超低时延及有界抖动、低功耗等多样化技术手段，实现分档分级的确定性服务供给 保障技术：GBR保障保障技术：RB资源预留 保障技术：GBR+RB资源预留应用场景：对大量GBR用户中 卫星授时传输网授时SIB9授时 GPS/BDS PTP时间服务器（主） PTP时间服务器（备） 应用场景：满足单用户保障带宽需求 应用场景：特定群组用户对隔离度、带宽等性能要求较高 的特定用户有隔离、带宽保障需求 1 UE21 BC/TC 3 SPN传输网 UPF 等级一等级二等级三 BC/TC BC/TC 分档分级的确定带宽保障能力灵活时钟源选择与授时 工业UE UPF PLC 超高速：（100Mbps+） 高速率：（10Mbps-100Mbps） 现阶段 5GNR 未来演进 5GNR 5GRedCap 4 中速率：（100kbps-10Mbps） GCat4及以上 4GCat1Cat1bis 5G RedCap 低速率：（10-100kbps）5GNB-IoT 更低速率：（0-10kbps）5GNB-IoT5G无源物联网 终端DS-TTNW-TT 消抖调度队列 ⑫TSN精准门控（DL） ⑥预调度 ⑦CG ⑨DS帧结构 ⑩slot重复 ①DPI开关 ②调度策略优化 ④硬件加速 ⑤核绑定RT-PATCR ⑧Mini-slot ⑪低码率MCS ③TSN精准门控（UL） 时延抖动有界控制低成本、低功耗通信 确定性保障技术：实现全生命周期服务 采用系统化思维，全面提升5G通信系统的可靠性及安全性，满足工业生产7*24业务不间断需求 SMF UDM L2会话 IO 设备 IO 设备 双发选收 UE1 UE2 DN gNodeB UE3 UE4 DN 选收 双发 UPF 双发选收 UPF 双发选收 L2隧道 运营商大区核心网 N2 Ⅹ N4 Ⅹ 生产设备 UPF+ N2、N4断链后的业务流保持 园区服务器 UDM SMF AMF PCF NRF 链路探测、双路保障 负荷分担系统byPass 链路层 单臂BFD检测跨层联动 网络协同层 信令风暴抑制计划性热迁移 容灾保障 虚拟化层 灰度升级 双活容灾 网元设备层 功能模块层 UPF热备份 障 BBU双核保 RRU冗余覆盖 指令级准确收发业务级惯性运行系统级容灾保障 •设备级安全防护 •设备级完整性保护 •全生命周期产品安 全管控 •入侵防范措施 •身份鉴别控制 •协议完整性保证 •设备分域保护•身份鉴别 •设备防火墙保护•访问控制 •接口安全保护 •加密保护 •传输安全保障 •信息系统安全审计 数据安全能力 应用安全能力 网络安全能力 控制安全能力 设备安全能力 端到端安全防护问题精准定位 宁德时代：5G内生确定赋能AGV跨车间移动 浙江爱柯迪：5G内生确定赋能智慧厂区便捷数采 数智工厂应用实践—园区级应用案例 企业痛点 •同时接入超千台5GAGV设备，完成电芯自动上线、模组自动转运、等自动运输场景，AGV小车通信业务要求为200ms@80% •厂区内AGV小车存在偶发掉线问题，掉线后0.5~1分钟自恢复，掉线期间AGV停止运送货物，极大影响厂区整体生产效率 解决方案 •基站RRU异常触发MCS掉坑影响，诱发流间不平衡，导致丢包 •RRU升级解决流间不平衡触发条件 •通过配置基站单流数据发送方案，规避流间不平衡导致的丢包问题 实施效果 •通过应用5G内生确定性的精准定位和确定高可靠技术，空口指标正常，AGV小车掉线次数降至0，有效解决MCS掉坑和调用不平衡两流引起的掉线问题 企业痛点 •生产线机加设备每年共需调整约1500台次，涉及超500条隧道数据配置 •MES适配方案复杂，方案部署难度大，改造开发工作量大 •运营商网络和企业网络耦合，产线变更调整周期长 解决方案 •通过内生确定隔离的精简5G-LAN组网技术，减少运营商和企业间强耦合带来的数据配置复杂问题 •通过应用5G确定性技术，使5G高速无线局域网构建MES终端和服务器间互联网络 实施效果 •MES终端及服务器互通，简化组网，实现企业网络与运营商网络解耦 •工厂产线调整即插即用，免额外配置及终端IP自管理，共计节约400个热点以及30公里网线 青岛海尔：5G内生确定赋能洗衣机拖链控制系统 辽宁鞍钢：5G内生确定助力冶金热轧厂天车无人化控制 数智工厂应用实践—车间级应用案例 站 站 拖链电缆 阀 阀阀阀 岛岛岛岛 从P从LC从从PLC从从PLC从P从LC 站站 主控柜 主PLC 拖链 从PLC 企业痛点 •洗衣机内桶制作产线上拖链持续拖拽弯折，易导致线缆故障引发通信中断，定位困难 •故障发生后串接的主从PLC均停止工作，导致整个产线停机，严重影响生产进程 •单厂房有400~600个拖链控制系统，运维成本高 解决方案 •引入确定隔离的5G-LAN技术和指令级准确收发的双发选收技术，提供确定性通信保障，实现5G和工业系统可靠灵活对接 实施效果 •产线稳定高效运行，5G网络达到16ms@99.99%的性能指标，满足产线的时延和可靠性要求，顺利通过7*24小时连续稳定测试验收 •缩短工厂每月20小时的停机维护时间，提高整体生产效率