面向行业的 5G 确定性网络

版权所有©2024GSMA 面向行业的5G确定性网络 5G网络如何提供支持关键工业流程所需的可靠和可预测的连接 2024年2月 GSMA是一个统一移动生态系统的全球组织，旨在发现、开发和提供积极商业环境和社会变革的创新。我们的愿景是释放连接的全部力量，让人们、行业和社会蓬勃发展。GSMA代表整个移动生态系统和相邻行业的移动运营商和组织，为其成员提供三大支柱 ：良好的连接，行业服务和解决方案以及外展。这种活动包括推进政策，应对当今最大的社会挑战，支持使移动工作的技术和互操作性，以及在MWC和M360系列活动中提供世界上最大的平台来召集移动生态系统。 数字产业 GSMADigitalIndustries是一个由网络运营商、工业组织和更广泛的生态系统组成的社区，共同致力于 推动移动技术在工业和制造业领域的应用。随着工业革命继续向数字化和互联智能发展，社区探索了从原材料提取到精炼、供应链 、零部件生产、组装和智能仓储的工业价值链的各个方面。 找到我们的更多信息以及如何参与： gsma.com/iot/digital-industries 中国电信 中国电信是国有大型通信骨干企业,注册资本2131亿元,资产规模8000多亿元,年收入规模5200多亿元,连续多年跻身《财富 》世界500强。 中国电信拥有技术领先的移动通信网络,为全球客户提供覆盖所有地区和服务的综合信息服务和客户服务通道体系,目前已成为全球最大的5GSARAN共享网络、NB-IoT网络、千兆光纤网络 。 欲了解更多信息，请访问中国电信网站www.chinatelecomglobal.com GSMA5GIN GSMA5GIN（5G创新与投资集团）是GSMA铸造项目，旨在帮助发展和利用迅速发展的5G初创社区。它由GSMA与12个共同创始成员共同创建：中国移动资本，中国电信投资 ，中国联通 资本、中国移动国投、中国宽带资本、晨山资本、华为、中兴通讯、东方证券资本、CSDN、深谷创投和德勤中国。 在5G发展的关键窗口阶段，集团将充分利用GSMA移动行业的全球资源；汇总移动行业领先投资组织和社区的主要领导意见。并发现AI、IoT、边缘计算、云计算、大数据、5G网络 、安全、芯片组、AR/VR/XR、Fitech和垂直应用等领域的优质初创企业，以匹配创新和投入，推动5G应用的商业化。 为了更好地满足初创社区的需求，GSMA建立了5GIN行业会员资格，会员可以从移动行业的领先投资组织和学术界获得见解;与其他高质量的 人工智能、物联网、边缘计算、云计算、大数据、5G网络、安全、芯片组、AR/VR/XR、Fintech和垂直应用领域的初创企业;并促进创新和投资，以推动 5G应用。 GSMA5GIN: https://www.gsma.com/大中华/5g-in-2/ Contents 1.Introduction4 2.5G融入垂直产业的挑战6 2.1 2.2 2.3 2.4 3.5G确定性网络的架构10 3.1 3.2 3.3 4.5G确定性网络关键技术16 4.1 4.2 4.3 5.5G确定性网络的探索与实践23 5.1 5.2 5.3 5.4 6.结论32 执行摘要 5G网络正开始实现各个行业的数字化转型，如制造业、物流业和其他行业。由于这些行业的许多用例对网络能力提出了很高的要求，电信运营商正在开发具有确定性能力的5G网络，用于延迟，可靠性，抖动，可用性和其他关键参数。这些网络旨在满足苛刻用例的要求，例如基于人工智能（AI）的视觉检查的高上行链路容量，操作监控的99.99％可用性以及用于控制自动制导车辆（AGV）的米级定位数据。 1/36 +92% reduction在生产能力损失 +90% 增加在缺陷检测率 65% reductionof 现场人员 结果 在 5G5G网络利用率 中国钢铁汽车制造，仓储物流和港口运营的试点已经证明了各种5G确定性技术协同工作以实现主要业务利益的潜力。例如，时分双工（TDD）频谱，5GLAN，网络和服务协作（NSC）以及帧复制和消除可靠性（FRER）的组合使5G确定性网络能够在99.999%的可靠性下提供586Mbps的上行链路带宽和4ms的延迟，以支持轧钢厂的关键流程。通过利用5G网络远程控制高架起重机和自动导引车（AGV），现场人员的数量可以减少65%。随着5G。 网络传输所需的4K视频，支持基于AI的钢材表面质量检测，缺陷检测率达到90%，产能损失减少92%，有助于实现温室气体排放目标，同时降低成本。 然而，目前，5G威慑网络与垂直行业的整合仍处于探索阶段。主要挑战包括需求的多样性，协议兼容性问题，5G技术和行业成熟度以及业务模型成熟度。此外，关键确定性技术的选择必须考虑可靠性，延迟和无线电资源权衡的三难问题。 本文提出了5G和工业部门的协议和机制的合并 实现通信技术（CT）与信息技术（IT）和运营技术（OT ）的集成。因此，5G确定性网络将进一步深化垂直行业的核心生产环节，以建立可以复制和推广到其他行业的成功模型，促进数字化转型进程。 Acknowledgements 该文档是由以下贡献的GSMA数字工业成员创建的 GSMA主导成员: 支持GSMA成员： 数字产业生态系统贡献者： 2/36 面向工业的5G确定网络INTRODUCTION 1.0Introduction 3/36 1.0 Introduction 在信息时代，工业企业正在探索数字化转型如何提高运营效率和质量，并建立新的商业模式。5G的商业化和部署加速了这一数字化转型：该技术已逐步用于资产管理、工业控制和产品测试等核心生产环节。然而，许多垂直行业的要求越来越高，传统网络不一定能满足。因此，移动行业发展了5G确定性。 确保网络延迟、可靠性、抖动和可用性的技术是可预测的。 5G确定性网络的组件技术正在标准化组织，学术机构和联盟中进行研究。在第三代合作伙伴计划（3GPP）标准机构中 ，对5G确定性网络的讨论从时间敏感网络（TSN）开始 5G，并逐渐引起社会的广泛关注。3GPPRel-16提出了 5G和TSN的融合，以提供典型工业控制场景所需的延迟、抖动和可靠性。3GPPRel-16～ Rel-18还增强了超可靠和低延迟通信（URLLC），工业物联网（IIoT），多址边缘计算（MEC）和网络切片的功能 。 国际电信联盟-电信标准化部门（ITU-T）还定义了一些测试模型来评估5G确定性网络的能力1. 各种国际联盟正在进行5G确定性网络研究。例如， 5G互联工业和自动化联盟(5GACIA)2正在开发5G确定性网络URLLC工业 自动化测试台。工业互联网联盟(AII)3发布了一系列5G确定性网络白皮书并建立了联合实验室。Stic5G联盟4正在开发一个统一的解决方案，以实现更高效和灵活的生产流程。 因此，5G确定性网络技术不断发展和创新，以提供更好的网络能力，并为各种垂直行业创造数字化生产模式。 本白皮书分析了将5G整合到垂直行业的挑战。然后描述了5G确定性网络的服务和网络架构，并简要介绍了5G确定性网络中的关键技术。本文还包括几个案例研究，展示了服务水平协议（SLA）分级的有效性和5G确定性网络的功能。最后，它概述了前景。 垂直行业5G确定性网络的发展。 4/36 1ITU-TG.1051：实际应用数据流量模式下的延迟测量和交互性评分 2https://5g-acia.org/. 3 4https://franco-german-5g-cosystem.eu/stic5g/. 面向工业的5G确定网络5G集成与垂直行业的挑战 挑战 5/36 2.0 5G融入垂直产业的挑战 尽管3GPP5G使用场景为垂直行业定义了URLLC和大规模机器类型通信（mMTC），但要成功将5G集成到垂直行业以提供确定性服务，还需要克服各种挑战。 6/36 2.1多样化的垂直行业需求 垂直行业通常采用网络来驱动机械的运行。不同的行业在 工业园区管理用例,如信息监控和自动化传输,需要大的上行链路带宽和精确定位。 在复杂的端到端场景中，在大规模处理确定性并发服务方面也存在许多挑战。例如，物料管理流程需要范围之间的协作合作 的设备，如AGV、堆垛机、穿梭车、圆形穿梭车等。每个节点动作都需要在确定的时间内完成。因此，5G确定性网络需要提供灵活的并发URLLC服务，并具有多种能力。 2.2工业协议集成挑战 将5G确定性网络引入工厂将引发协议兼容性问题。如今，工业企业的网络主要采用工业控制协议，包括： ￿工业以太网，如过程现场网络(PROFINET)和以太网控制自动化技术(EtherCAT) ￿工业总线，如过程现场总线(PROFIBUS)和控制器局域网开放(CANopen)。 ISA-95架构包括设备、车间、工厂和企业层（如图1所示） ，可用于分析和处理工业应用的实时性和可靠性要求。5G可以与信息技术（IT）集成，以协助从制造执行系统（MES）到企业资源计划（ERP）的生产。在设备层面，可编程逻辑控制器 （PLC）和现场设备之间的通信需要5G确定性网络无缝集成到运营技术（OT）网络中。关键应用场景涉及现场网络的实时通信(RTC)。 和同步实时通信 (IRT)用于运动控制同步。 面向工业的5G确定网络5G集成与垂直行业的挑战 图1 企业资源规划 企业级 ERP 企业层需要决定生产什么 工厂级 MES 制造执行系统 管理层需要安排生产进度 车间级别 SCADA 监控和数据采集 控制层需要控制生产方法和工艺指令 PLC 可编程逻辑控制器 执行层需要控制设备操作 设备级别 频率 c转换器 编码器 工业设备 现场功能, 包括设备、传感器和控制器 传感器 IO 用于垂直行业的ISA-95架构 7/36 2.35G技术与产业成熟度 5G的业务能力开始与3GPPRel-15标准化，并在Rel-16和Rel-17中逐步增强。 Rel-15和Rel-16中引入的URLLC功能现在可以开发相应的商业功能。 目前，全球5G部署主要集中在支持增强型移动宽带 (eMBB)场景上。 端至5G的产业链仍有短板，主要受到网络基础设施和终端芯片的制约。 5G在关键生产过程中的逐步部署凸显了5G试验能力与工业要求之间的差距，如表1所示。 表1:5G试验能力与工业需求之间的差距。 TYPE 5G 理论能力5 5G试验能力 * 工业要求7 延迟 1ms 4ms6 0.5ms至500ms 可靠性 99.9999% 99.999%6 99.9%至 99.999999% 通信服务可靠性 / 1天以上 1天至10年 抖动 / 4ms 8ms至50s 上行链路数据速率 10Gbps 1.3Gbps 几Gbps 下行链路数据速率 20Gbps 2.6Gbps 几Gbps 定位 几个分米 几米 0.2m至10m之间 *此表显示了2023年底在中国多家移动运营商使用频率范围1的100MHz带宽进行的5G试验中表现出的峰值能力。有关其中一些试验的更多信息在这里请注意，其中一些功能正在商业化。 2.4不清楚的协作业务模型 而消费类5G服务以清晰的商业模式为支撑，移动运营商对垂直行业用户的服务尚未充分差异化，因此运营商迫切需要建立垂直行业的网络分类和分级能力。 在这个过程中，需要将OT需求精确地转化为网络 通信技术(CT)的能力标准，以创建一个强大的SLA框架。与消费市场不同，这种战略转变将使多元化的市场战略得以实施 。 8/36 5R-REC-M.2083-0-201509，“2020年及以后IMT未来发展的框架和总体目标” 6中国电信、华为、宝山钢铁股份有限公司、北京邮电大学：5G确定性专网助力宝山钢铁板块引领绿色钢铁智能生产-移动世界直播 7GSMA私有5G工业网络：https://www.gsma.com/iot/resources/pri