［楊一帆 姚鍵 杜智烺 羅曉明］

1 引言

5G 智慧工廠是現(xiàn)代工業(yè)信息化發(fā)展的新階段，通過利用工業(yè)互聯(lián)網技術，實現(xiàn)5G、大數據、云計算以及人工智能等新一代信息通信技術和工業(yè)網絡、工業(yè)控制系統(tǒng)等工業(yè)技術融合[1]，提高生產的可控性與自動化程度，是我國實現(xiàn)工業(yè)4.0 的重要標志。2019 年11 月，工信部印發(fā)了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網”512 工程推進方案》，再次明確5G 與工業(yè)互聯(lián)網的融合創(chuàng)新發(fā)展，將有力支撐我國制造強國、網絡強國建設，并制定“512 工程推進方案”，全力推進“5G+工業(yè)互聯(lián)網”的發(fā)展。[2]

2 5G 智慧工廠業(yè)務需求分析

2.1 行業(yè)客戶痛點分析

目前工廠智慧化改造存在以下兩個痛點：

（1）現(xiàn)有無線接入網多為wifi 或4G 網絡，無法滿足關鍵生產設備大帶寬、高可靠的網絡保障要求。

（2）現(xiàn)有生產和監(jiān)控網絡為有線剛性網絡，拓展性差、接入不靈活，無法滿足智慧工廠產線的快速更新替換和定制化柔性制造的需求。

基于以上痛點，生產企業(yè)需引入5G 專網，利用5G網絡的大帶寬、低延時、高可靠和高安全性等特點，滿足傳統(tǒng)工廠向5G 智慧工廠轉變的網絡需求。

2.2 行業(yè)客戶需求分析

結合工廠生產需求與現(xiàn)場調研，5G 智慧工廠目前主要業(yè)務場景有如下五大方面：

（1）大規(guī)模數據采集：實現(xiàn)工廠內大量不同設備數據的實時解析與高速上傳，并在平臺上對數據進行統(tǒng)計分析、可視化呈現(xiàn)。

（2）機器視覺質檢：利用機器代替人眼來做出測量和判斷，提高生產效率和生產自動化程度，提升產品質量和成品率。

（3）AGV 控制：AGV 小車通過視覺、雷達、無線等多種技術進行融合定位和障礙物判斷，實現(xiàn)AGV 遠程控制或任務自動執(zhí)行。

（4）AR 遠程協(xié)作：基于AR 技術的高清音視頻通訊，適用于工廠企業(yè)的遠程專家指導，技術人員遠程操作及培訓等。

（5）高清視頻監(jiān)控：利用視頻監(jiān)控終端采集高清視頻，實時回傳并在云端服務器進行模型訓練與目標識別，實現(xiàn)對人員、機械等的特征與行為識別。

以上五大類業(yè)務典型場景下對5G 網絡性能需求如表1 所示。

表1 智慧工廠五大業(yè)務典型場景5G 網絡性能需求

3 5G 工業(yè)專網方案

由于工業(yè)企業(yè)對數據安全、網絡性能及穩(wěn)定性要求非常高，5G 專網多以專享及尊享兩種模式進行建設。

（1）5G 專享網絡

5G 網絡采用SA 組網，通過將用戶面設備UPF 部署在企業(yè)園區(qū)內部，實現(xiàn)MEC 邊緣計算+UPF 下沉，為企業(yè)用戶提供邊緣計算、數據不出園、超低時延通信的專屬網絡服務。5G 工業(yè)專網專享方案網絡結構如圖1 所示。

圖1 5G 工業(yè)專網專享方案網絡結構圖

（2）5G 尊享網絡

5G 網絡采用SA 組網，通過對基站、頻率、網絡資源等專建專享，即專用基站、區(qū)域性專用頻譜，或核心網采用專用硬件資源物理隔離，并將UPF 網元下沉至園區(qū)，為對于數據及管理安全、網絡性能要求苛刻的企業(yè)提供高安全性、高隔離度的5G 專網服務。5G 工業(yè)專網尊享方案網絡結構如圖2 所示。

圖2 5G 工業(yè)專網尊享方案網絡結構圖

4 高業(yè)務場景無線網絡覆蓋方案

對于工業(yè)企業(yè)，高業(yè)務場景一般出現(xiàn)在生產車間。生產車間內由于部署了大量的生產設備，其連接設備密度非常高，同時，應用的種類可涵蓋上文提到的五大應用。如何保證如此高密度的業(yè)務接入是無線網絡規(guī)劃設計的一大難題。本文以某電子廠生產車間無線網絡方案為案例，介紹工廠車間高業(yè)務場景下的無線網絡覆蓋方案編制方法。

4.1 業(yè)務需求分析

本案例為某大型電子廠生產車間，生產區(qū)域面積為11 500 m2，車間布局如圖3 所示。

圖3 某電子廠生產車間布局

本車間共涉及應用12 個，其業(yè)務指標需求以及連接并發(fā)數如表2 所示。

表2 某電子廠生產車間業(yè)務需求

從表2 可以看到，本車間主要為大連接及大帶寬類業(yè)務，其中AR 遠程支持等應用對上行帶寬要求極高（80 Mbit/s），PLC 生產控制對時延要求最高（50 ms），制定網絡方案需要重點保障。

結合設備分布情況，本車間6 大片區(qū)業(yè)務需求如表3所示。

表3 某電子廠生產車間業(yè)務需求

4.2 覆蓋分析

（1）空口鏈路預算傳播模型

本案例室內覆蓋采用基于衰減因子的半經驗模型進行鏈路分析。該模型公式如下

（2）鏈路預算

根據需求分析，需要保證“AR參觀”上行邊緣80 Mbit/s，下行邊緣80 Mbit/s 的需求。由于上行需求巨大，所以僅需進行上行的鏈路預算即可。考慮到生產車間為室內場景，無線網采用分布式皮飛站進行建設。鏈路預算結果如表4 所示。

表4 某電子廠生產車間無線鏈路預算結果

從以上鏈路預算結果可以看到，當采用4T4R pRRU進行覆蓋時，2.6 GHz pRRU 的覆蓋距為18 m、4.9 GHz pRRU 的覆蓋距離為14.1 m。

4.3 容量分析

結合試驗網測試結果，取定分布式皮飛站（4TR）單pRRU 能提供的吞吐量如表5 所示。

表5 5G 單小區(qū)業(yè)務吸收能力取定

考慮到現(xiàn)網4G 時隙配置與生產區(qū)內上行需求巨大等因素，生產車間采用2.6G 160 MHz+4.9G 100 MHz 組網，計算室內覆蓋小區(qū)需求如表6 所示。

表6 生產車間容量規(guī)劃

從表6 可以看到，由于生產區(qū)的上行需求極大，如需滿足容量需求，單pRRU 覆蓋范圍將非常小，而在采用全向天線的情況下，pRRU 的覆蓋能力將達20 m 以上，過密的pRRU 將會帶來嚴重的干擾。需進行干擾控制。

4.4 干擾控制

為了控制干擾，提升網絡質量，本案例采用干擾控制手段如下：

（1）采用“pRRU+定向天線”的方式，使用高精度的室內定向天線控制信號覆蓋范圍，避免信號過覆蓋。某型號室內定向天線與全向天線覆蓋測試對比如表7 所示。

表7 某型號室內定向天線與全向天線覆蓋測試對比

從表7 可以看到，采用定向65 度的室內覆蓋天線在覆蓋水平相當的情況下獲得更好的信號覆蓋質量，干擾控制更好。

（2）由于在小區(qū)的邊緣位置，上行干擾較為嚴重?？梢酝ㄟ^基于5QI 的用戶接入頻點分層機制進行干擾控制，設置在小區(qū)邊緣的UE 接入下沉到2.6G 網絡或隔離度較高的BWP 區(qū)間，從而減少相鄰用戶的上行干擾，達到干擾控制的目的。具體如圖4 所示。

圖4 上行干擾優(yōu)化方案

4.5 無線網絡建設方案

考慮到電子廠對業(yè)務保障及數據保密性要求苛刻，5G 專網采用尊享模式建設，在工廠車間建設5G 無線專網。經現(xiàn)場查勘，生產車間天花板水平每相隔12 m 可建設1面天線，天線離地面距離為3.8 m，經評估，車間覆蓋區(qū)內共可建設91 副定向天線?？紤]到車間內容量需求較大，且未來有產線改造等需求，本次建設采用8 通道室內定向覆蓋天線建設，單面天線饋入2.6 GHz 和4.9 GHz 4T4R pRRU，天線建設方案如圖5 所示。

圖5 生產車間天線建設方案

根據建設方案容量評估如表8 所示。

從以上分析可以看到，本方案能滿足該電子廠生產車間的業(yè)務需求。

5 總結與展望

本文分析了5G 智慧工廠的業(yè)務需求，并結合5G 工業(yè)專網的建設要求，以一個典型案例介紹了5G 智慧工廠

表8 生產車間建設方案容量評估

高業(yè)務場景下的無線網絡建設方案，其規(guī)劃設計思路及建設方案可為5G 智慧工廠無線網絡建設提供參考。

5G 技術與工業(yè)生產的融合目前仍處于探索階段，5G技術與設備仍不能完全滿足工業(yè)控制的低時延、高可靠需求。然而，5G 與TSN（Time-Sensitive Networking，時間敏感網絡）網絡架構融合已被寫入3GPP R16 標準，通過基于5G 傳輸的TSN 網絡可為工廠提供靈活的確定性網絡傳輸[3][4]，結合MEC（Mobile Edge Computing 移動邊緣計算）平臺的部署，具有高度自動化、智能化、安全可靠的5G 智慧工廠將會在不久的將來得以實現(xiàn)。