5G LAN標準制定背景和應用定位

　　隨著5G技術(shù)的更新迭代，5G LAN將逐漸成為助力垂直行業(yè)應用蓬勃發(fā)展的重要技術(shù)之一。5G作為“新基建”之首，肩負著驅(qū)動國民經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級、促進實體經(jīng)濟與數(shù)字經(jīng)濟深度融合、滿足各行各業(yè)高質(zhì)量通信服務需求的重任。

　　在全球第四次工業(yè)革命面臨重大突破的關(guān)口，5G LAN的價值在于對產(chǎn)業(yè)園區(qū)和工廠的自動化改造。在工業(yè)互聯(lián)中5G LAN一舉打破工業(yè)IT與OT(Operation Technology)融合發(fā)展的壁壘。園區(qū)網(wǎng)絡無需新增AR無線路由器等隧道設(shè)備，且5G LAN支持廣播和多播服務。

　　R16和R17深度聚焦并重點提升垂直行業(yè)服務能力

　　全球統(tǒng)一的5G標準，是5G規(guī)模商用的核心。2018年6月14日5G R15標準(SA)凍結(jié)，2020年7月3日R16標準凍結(jié)，R17標準更進一步對接垂直行業(yè)，R18標準也將持續(xù)為5G提供技術(shù)演進的動能。5G LAN已逐步成為工廠降本增效的重要推力。正因為5G能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)場景中各種生產(chǎn)要素的無線無縫大連接，所以5G更能夠賦能行業(yè)場景的數(shù)字化升級，服務于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代。

　　5G LAN能滿足垂直行業(yè)哪些需求

　　隨著5G技術(shù)逐步與交通物流、工業(yè)制造、能源電力、教育、醫(yī)療等垂直行業(yè)深度融合，5G使能千行百業(yè)成為業(yè)界共識。全行業(yè)攜手推進5G to B規(guī)模商用與發(fā)展，探索端到端的5G行業(yè)應用解決方案和服務流程已成行業(yè)主流認識。與個人移動應用不同，垂直行業(yè)應用對網(wǎng)絡的需求千差萬別，有的應用場景要求低延時、高可靠，有的應用場景要求大帶寬，有的應用場景要求專網(wǎng)級的隔離措施以保證安全。面對不同的應用場景，無法用同一個解決方案(或網(wǎng)絡產(chǎn)品)滿足業(yè)務需求，必須針對每一個應用場景，開發(fā)一種特定的網(wǎng)絡服務，這項工作是5G時代運營商面臨的新挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)通信方式中，終端之間是通過路由器，依靠互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)通信的;5G LAN則是通過MAC地址直接選址，通過L2方式進行通信的。5G LAN利用5G大網(wǎng)將不同場景的終端進行“分組”或“建群”，構(gòu)建特定的或虛擬的LAN網(wǎng)絡，將區(qū)域內(nèi)的終端連接在一起，變成“群組”。這既方便了相互之間的數(shù)據(jù)傳輸，也降低了外網(wǎng)出口數(shù)量。

　　5G LAN相比企業(yè)

　　5G LAN因工業(yè)需求而生

　　在滿足工業(yè)控制需求方面，特別是時延方面，Wi-Fi有固有的缺陷，5G LAN能更好地滿足工業(yè)機器人、AGV(Automated Guided Vehicle)等自動化場景的需求。5G LAN可以提供VN(Virtual Network)分組，不僅滿足隔離通信需求，還實現(xiàn)了不同LAN網(wǎng)絡的QoS(Quality of Service)差異化，即針對帶寬、時延等不同的要求，方便地為工業(yè)自動化控制、辦公自動化、運維網(wǎng)絡等場景提供差異化的服務能力。在安全性方面，5G LAN更有優(yōu)勢，企業(yè)可以設(shè)置靈活的授權(quán)、認證機制，對不同分組進行區(qū)別化管理。Wi-Fi網(wǎng)絡抗干擾性、移動性和邊緣能力差。目前，運營商正在以5G為核心，全面構(gòu)建5G、云計算、人工智能融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施。5G進一步提升可靠性，降低時延，能更好地支持業(yè)務和會話連續(xù)性。

　　5G LAN覆蓋能力遠超Wi-Fi

　　5G LAN的覆蓋能力比Wi-Fi更強大，且網(wǎng)絡建設(shè)更方便快捷，可以通過宏基站加分布系統(tǒng)、熱點微站，實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)無縫覆蓋。5G網(wǎng)絡是專業(yè)運營商組建的大網(wǎng)，提供通信級保障，小區(qū)間切換能力比Wi-Fi更強，可以給用戶帶來更好的網(wǎng)絡體驗和生產(chǎn)保障。

　　5G LAN 部署簡單，網(wǎng)絡維護成本低于Wi-Fi

　　在5G LAN引入之前，工廠基本依賴“有線+Wi-Fi”的組合模式實現(xiàn)終端設(shè)備間可靠通信。工廠環(huán)境復雜，企業(yè)需要自己購置設(shè)備和布線，自己規(guī)劃路由并派專人維護，部署成本高，設(shè)備也需要根據(jù)需求不斷進行升級，從而產(chǎn)生大量沉沒成本。

　　5G LAN則由運營商負責建設(shè)和維護，企業(yè)不需要自建網(wǎng)絡。5G LAN的即插即用能力，可以完美地融合企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡。

　　5G LAN可進一步解決業(yè)務連續(xù)性問題

　　5G LAN引入之前，5G to B核心網(wǎng)控制面采用大區(qū)制組資源池的方式進行組網(wǎng)，園區(qū)采用CPE(Customer Premise Equipment)+AR(Access Router)路由器的方式接入垂直行業(yè)企業(yè)局域網(wǎng)。業(yè)務連續(xù)性存在以下問題。

　　• 跨大區(qū)核心網(wǎng)倒換，業(yè)務恢復時間較長：跨大區(qū)容災倒換場景用戶需要到備用大區(qū)重新注冊，集中注冊可能引發(fā)信令風暴、消息流控，用戶恢復時間超過30分鐘。

　　• 核心網(wǎng)割接升級，難以協(xié)調(diào)同步企業(yè)時間窗：核心網(wǎng)升級將影響該網(wǎng)元下所有企業(yè)的生產(chǎn)，需提前與每個企業(yè)溝通統(tǒng)一的操作時間;每個企業(yè)都需要做好人員安排、排產(chǎn)等后備工作。0:00—4:00的通信行業(yè)默認操作時間窗不適用于垂直行業(yè)。

　　• 垂直行業(yè)企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡組網(wǎng)復雜：目前園區(qū)網(wǎng)絡僅支持L3互通，不支持L2以太協(xié)議棧;需部署AR路由器實現(xiàn)L3與L2的轉(zhuǎn)換，這將造成園區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、時延增加，且有額外成本。CPE掉線后需重新配置，故障定位困難。

　　• 業(yè)務質(zhì)量保障手段缺失：基于網(wǎng)元的網(wǎng)絡質(zhì)量保障不再適用業(yè)務多樣化的垂直行業(yè)，網(wǎng)絡KPI無法準確反映業(yè)務體驗情況。垂直行業(yè)用戶要求提供SLA承諾，企業(yè)自建網(wǎng)絡設(shè)備處于運營商運維“盲區(qū)”，造成故障發(fā)現(xiàn)不及時，目前快速定界能力不足，無法支撐故障在短時間內(nèi)排除。

　　5G LAN則能進一步解決垂直行業(yè)組網(wǎng)目前存在的業(yè)務連續(xù)性問題，能夠為用戶提供L3 VPN(Virtual Private Network)服務以及L2 LAN服務。利用5G網(wǎng)絡構(gòu)建5G LAN，為工業(yè)控制等領(lǐng)域提供以太局域網(wǎng)，降低本地交換通信時延，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的接入，無需AR路由器完成L3與L2之間的轉(zhuǎn)換，可大幅降低組網(wǎng)和部署的復雜性。相比于CPE+AR路由器的接入和傳輸方式，5G LAN具有部署簡單、成本低、時延低、故障點少、維護管理方便的優(yōu)點。管理者可以修改用戶數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對特定終端進行業(yè)務簽約和分組。

　　5G賦能工業(yè)控制是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的原動力，也推動了5G網(wǎng)絡要從“盡力而為”模式轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁?ldquo;安全穩(wěn)定的行業(yè)連接”模式，必須保證在設(shè)備單點故障以及網(wǎng)絡改造升級中仍能提供穩(wěn)定的工業(yè)連接和業(yè)務“零中斷”;在極端情況下，出現(xiàn)故障后要達到快速定界、定位和恢復時間最短。在5G LAN技術(shù)引入之前，大部分業(yè)務流量在運營商網(wǎng)絡需要經(jīng)過接入、轉(zhuǎn)發(fā)、路由等多層設(shè)備，對時延敏感業(yè)務無法保證連接質(zhì)量。5G LAN技術(shù)則利用了5G在網(wǎng)絡廣覆蓋、超大帶寬超高速率、低延時高可靠、高移動性、超大連接、低成本部署等6方面的優(yōu)勢，減少線纜的部署，靈活、快速組建通信環(huán)境，可靈活限制終端用戶的接入并進行移動管理，保證業(yè)務的連續(xù)性。同時，5G LAN還可以實現(xiàn)與企業(yè)現(xiàn)存網(wǎng)絡進行融合，實現(xiàn)相互訪問。

　　5G LAN的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

　　5G LAN關(guān)鍵技術(shù)包括組管理技術(shù)、動態(tài)多播技術(shù)等，同時還利用了時延優(yōu)化技術(shù)、網(wǎng)絡覆蓋和移動性管理技術(shù)等，為企業(yè)提供IP類型或以太網(wǎng)類型的通信服務。企業(yè)終端之間的通信可以發(fā)生在相同UPF或UPF之間以及UE和DN之間。在企業(yè)網(wǎng)絡組建階段，5G LAN可保證5G網(wǎng)絡與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)間解耦，5G LAN也可在支持企業(yè)原有組網(wǎng)不變的情況下，降低成本并減小改造難度。

　　5G LAN的組管理技術(shù)

　　5G LAN的組管理技術(shù)是指首先要進行VN組劃分，將有互訪功能的用戶組劃分到相同的邏輯域，即把特定的終端根據(jù)企業(yè)需求劃分為相同或不同的VN組，同一組內(nèi)的成員可以進行組內(nèi)通信，不同組成員間進行邏輯隔離。在配置方式方面，可委托運營商通過網(wǎng)管直接進行VN組配置;在能力開放或者接口開放的前提下也可以由使用企業(yè)進行自我配置，靈活地進行VN組動態(tài)簽約管理。VN組包含3個信息：5G VN組標識、5G VN組成員信息、5G VN數(shù)據(jù)。

　　5G LAN流量轉(zhuǎn)發(fā)方式

　　5G LAN定義了組內(nèi)3種轉(zhuǎn)發(fā)方式：Local Switch轉(zhuǎn)發(fā)、基于N19接口轉(zhuǎn)發(fā)和基于N6接口轉(zhuǎn)發(fā)，分別適用于同廠區(qū)內(nèi)UE(共用同一錨點UPF)間轉(zhuǎn)發(fā)、跨廠區(qū)UE(跨錨點UPF)間轉(zhuǎn)發(fā)、UE與DN(Data Network)側(cè)設(shè)備間轉(zhuǎn)發(fā)等場景，如圖1所示。

　　圖1  5G LAN流量3種轉(zhuǎn)發(fā)方式

　　5G LAN廣播、組播復制技術(shù)

　　廣播消息在二層以太網(wǎng)通信中十分常見，最初的終端MAC地址學習等都依靠廣播消息。5G LAN的定義也支持廣播、組播通信。5G LAN技術(shù)可以使5G網(wǎng)絡支持層二的單播、多播通信和廣播域隔離，滿足工業(yè)場景組網(wǎng)所需的易用性和業(yè)務隔離特性。

　　5G LAN典型應用場景

　　5G切片和DNN專線是當前可以支撐行業(yè)應用的5G to B主要網(wǎng)絡技術(shù)。其中5G切片主要是面向5G終端到UPF段3GPP域內(nèi)網(wǎng)絡，提供安全隔離、差異化SLA保障等能力，滿足不同行業(yè)的需求。而DNN專線則主要面向N6接口(UPF到企業(yè)接入路由器)，提供專用的VPN、隧道、專線等服務，滿足不同行業(yè)應用的差異化訴求。這兩種技術(shù)均是端到端的解決方案，而5G LAN是利用5G網(wǎng)絡構(gòu)建LAN，為工業(yè)控制等領(lǐng)域提供以太局域網(wǎng)，降低本地交換通信時延，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的接入，幫助用戶加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級。為了更好地部署5G LAN，除了網(wǎng)絡側(cè)升級外，還需要5G模塊的支持。

　　目前5G LAN主要包含3個典型的應用場景。

　　工廠自動控制場景：5G LAN工作于L2方式，終端間L2互通;UPF類似交換機執(zhí)行層二本地交換，同時與現(xiàn)存網(wǎng)絡互通，無需AR路由器完成L3與L2之間的轉(zhuǎn)換，大幅降低組網(wǎng)和部署的復雜性，如圖2所示。

　　具體到5G LAN企業(yè)應用，浙江某企業(yè)作為全國5G LAN工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)商用試點，已實現(xiàn)下掛設(shè)備即插即用、動態(tài)產(chǎn)線調(diào)整等。該企業(yè)將5G LAN技術(shù)應用于工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)，不僅解決了產(chǎn)線設(shè)備“剪辮子”問題，且無需增加額外配置，部署效率高。5G LAN在賦能柔性生產(chǎn)方面展現(xiàn)了強大能力，使工廠產(chǎn)線調(diào)整效率提升了70%，MES組網(wǎng)交付效率翻了一倍，年均可節(jié)約隧道配置維護工作約750人天。在青島，某企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計雙端無線方案完成拖鏈控制系統(tǒng)的5G化改造，即在主控柜中內(nèi)置5G LAN網(wǎng)關(guān)模組，在夾具I/O旁掛5G LAN網(wǎng)關(guān)模組，保證整個5G網(wǎng)絡穩(wěn)定工作在16ms@99.99%可靠性的指標狀態(tài)，成功解決了工廠“拖鏈易損導致產(chǎn)線頻繁停機檢修”的痛點問題。

　　替代傳統(tǒng)“有線+Wi-Fi”場景：園區(qū)的5G移動局域網(wǎng)以5G無線網(wǎng)絡替代有線，為終端提供就近接入方式。本場景主要應用于園區(qū)網(wǎng)絡、校園網(wǎng)絡等。

　　組建企業(yè)專網(wǎng)場景：通過N19接口，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)多網(wǎng)關(guān)和跨園區(qū)多網(wǎng)關(guān)之間UE互通，實現(xiàn)企業(yè)分支機構(gòu)動態(tài)、極簡接入。5G LAN可以作為企業(yè)傳統(tǒng)專線網(wǎng)絡的補充，連接異地分支機構(gòu)，方便內(nèi)部園區(qū)網(wǎng)絡的建設(shè)。

　　該方案支持企業(yè)私網(wǎng)同大網(wǎng)APN隔離、企業(yè)用戶IP自主管理、移動用戶隨時隨地接入、企業(yè)分支機構(gòu)動態(tài)、極簡接入。

　　總結(jié)與展望

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡為了適應數(shù)據(jù)業(yè)務實時性的要求，往往采用二層互聯(lián)，避免TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)處理給業(yè)務造成時延影響�？紤]到工業(yè)設(shè)備二層互通的需求，相比于移動互聯(lián)網(wǎng)采用的常規(guī)5G網(wǎng)絡，5G LAN顯然是一個更好的選擇。5G LAN支持工廠局域環(huán)境中的設(shè)備通過5G網(wǎng)絡連接，進行點對點通信;同時支持廣域設(shè)備連接以及業(yè)務隔離。5G LAN技術(shù)能夠滿足高可靠、低時延、抗干擾和高安全性的工業(yè)場景要求，通過網(wǎng)絡化、智能化推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。5G LAN的出現(xiàn)，讓垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型有了新方向，讓柔性化生產(chǎn)邁向新臺階，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的重要工具。未來，5G LAN在工業(yè)互聯(lián)領(lǐng)域的商用爆發(fā)不可避免，預計2024年將迎來大發(fā)展，這對我國工業(yè)領(lǐng)域全面走向數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化具有重要的意義。