用5G制造5G,打造最佳工业互联专网

2021-10-27 作者:中兴通讯 杨德,符志宏,杜华军 阅读量:
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用5G制造5G,打造最佳工业互联专网

发布时间:2021-10-27  作者:中兴通讯 杨德,符志宏,杜华军  阅读量:

中兴通讯5G智能制造基地占地近100万米²,以5G网络技术赋能5G设备生产制造,通过5G+工业互联网基础网络技术落地,实现不同典型业务场景下的5G工业互联网创新应用。滨江智能制造基地是中兴通讯联合中国电信打造的“5G+智能制造”示范工厂,2020年工业产值达302亿元,2021年计划达到350亿元,2025年扩产至600亿元,依托滨江区位优势,旨在带动周边地区产业链协同发展,形成产业集群效应,带动长三角通信制造行业的快速发展和转型升级。

中兴通讯5G智能制造-南京滨江工厂实践项目,践行“用5G制造5G”的理念,打造5G全连接工厂,围绕智能工厂数字化产线、自动化测试及各类业务数据实时交换需求,建设面向工业应用的5G融合网络,旨在通过5G超高速低时延宽带接入、边缘计算、协议适配、多源异构数据融合等网络及终端接入技术,支撑智能工厂的数字化转型升级。

 

多样化场景对网络提出新挑战

 

中兴通讯滨江智能制造基地5G全连接工厂,聚焦于企业园区一体化管理和生产车间、立库的5G化改造,规划了16大类、40余项5G+工业融合创新应用,包括5G云化机器视觉类应用、PLC控制、5G云化AGV、XR远程单板维修操作指导、360度全景生产环境监控、产线数字孪生、无线看板、望闻问切机器人、园区数字孪生、5G非接触式红外测温、园区5G巡逻机器人、5G无人扫地车等。不同应用对网络的SLA需求差异极大(见表1)。

     表1   各种5G业务的SLA需求

面对工厂复杂的环境和应用需求,要打造最佳工业专网,需要解决一系列的挑战:

- 多业务并发场景的ToB网络建网标准如何制定?

- 工业控制PLC类业务低时延+高可靠性的要求苛刻,5G网络如何满足?

- 机器视觉检视类业务的上行大带宽要求,5G 网络如何满足?

- 多业务+ToB/ToC混合组网,如何确保高优先级业务的保障和安全隔离?

- 针对ToB业务如何进行感知保障?

 

ToB网络建模,满足业务SLA需求

 

滨江工厂需求场景多样,包括云化PLC类低时延+高可靠的业务应用、基于机器视觉类的大上行业务应用、基于视频+移动性的混合业务应用等,传统ToC建网方法已经无法满足业务部署的需求。我们基于ToB业务的SLA需求分析(时延、上下行速率、可靠性、业务并发等),通过高效指标建模,完成对ToB工业园区场景化建网标准的梳理;通过实测与仿真估算,基于现有5G网络存量场景,进行定制化规划改造,最终形成符合ToB业务网需求的标准化5G专享专网方案。

 

本地分流,ToB业务安全隔离

 

依托中国电信江苏分公司,中兴通讯完成对整个滨江5G工厂厂区的室外5G覆盖,同时实现行政楼、员工食堂、40万米2厂房的室内5G覆盖,并且在园区机房建设2套MEC(UPF+MEP),构建5G企业虚拟专网,实现企业5G应用数据不出园区,满足企业安全合规及对网络和终端状态的管控,又兼顾运营商全网运营。5G区域虚拟专网通过MEC和UPF下沉,业务直接部署于工厂园区的MEC边缘云,数据流本地闭环,数据本地处理,实现数据不出园区。

通过切片+5QI的合理规划,把业务划分为高优先级、普通优先级和大网业务,部署承载在不同等级的切片上,通过切片+5QI级参数和定标值的合理设定,有效满足了高优先级业务的时延和可靠性保障。

 

超级小区+MU-MIMO,移动性业务+容量保障

 

滨江工厂有多个车间,每个车间2万米²的空旷空间,是否可以直接采用分裂小区实现大容量?通过实践发现,如简单分裂小区,终端上行业务会对邻区产生上行同频干扰,底噪抬升10dB~30dB,导致各项业务无法正常使用。经过分析和大量测试性能优化,最终园区采用超级小区方案,合并小区,消减干扰。

- 超级小区采用基带小区合并,有效控制干扰和切换,在室分场景已经得到了广泛商用;

- 多个pRRU室内覆盖多点位规模分布天线阵列,有效提升覆盖;

- 采用超级小区+空分MU-MIMO,解决中高价值区域的容量要求,商用可达2~3倍容量提升,最大可实现4倍提升。

合并小区带来带宽容量的损失,通过异频双层组网方案兼顾容量需求。底层一个小区,为移动类业务提供无切换网络;上层针对固定点位容量较大、空间上距离较远的独立拆分小区,方案兼顾了大容量和移动性切换。

异频双层组网方案亮点:

小区容量实现扩容,带动部署更多应用;

不同业务实现相互隔离的弹性更大。

 

EdgeQoS,护航ToB业务

 

PLC类业务场景,线体/机械臂通过5G无线网络采集设备状态数据上传到边缘云,集中运算生成调度数据再下发机器人执行,同时还可以在远端实现线体离线升级,增强线体混合生产时调度控制的灵活性和兼容性。此业务对时延要求苛刻,需要10ms时延,通过在BBU上部署NodeEngine,提供业务流级/Packet级的QoS保障,实现工厂PLC类业务的低时延保障(见图1)。

     图1   NodeEngine低时延保障方案

NodeEngine方案对业务实现了精细化的EdgeQoS管控:

- 一方面通过对业务需求的智能识别,将本地业务的QoS需求通过边缘AI识别和分流,触发网络调整参数,匹配业务需求;

- 另一方面根据业务模型,动态调度需要的带宽、时延和可靠性资源,实现本地业务的差异化网络服务。

 

中兴通讯滨江智能制造基地通过5G技术的应用,支撑工厂精益化、自动化升级,向柔性化、智能化、少人化、无人化智能制造工厂演进。滨江工厂实现了单位产值所需人力较中兴通讯其他生产制造基地低25%,通过滨江5G全连接工厂实践,为宝钢湛江钢铁5G智慧钢厂、云南神火铝业5G边缘云智慧工厂等众多项目提供了宝贵的经验。

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