5G新技术在工业制造的应用场景分析及探索实践

辛 冰

（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623）

0 引言

5G作为新一代移动通信技术，凭借高带宽、低时延、广联接特性，正好契合了制造企业对网络的应用需求。“5G+工业互联网”是5G和行业融合应用的关键方向，通过5G技术实现对工业制造中人、机、物、法、环等生产要素等的全面联接，加速工业制造行业数字化、网络化、智能化转型升级进程，打造基于5G的全连接智能工厂。

从标准进展来看，3GPP R16标准对于R15 eMBB进一步增强，尤其针对垂直行业进行功能增强，包括eLCS、5G LAN、uRLLC、TSN、NPN等[1]，其中eLCS和5G LAN作为使能5G和工业制造等行业应用深入融合，打造智能制造工厂的关键技术，受到了广泛关注及应用探索[2][3]。

（1）eLCS（enhanced Location Service)。研究基于 5G 服务化架构的定位能力开放、用户定位感知及隐私保护，为垂直行业客户提供商业定位服务；

（2）5G LAN（5G Local Area Network）。在移动网络中引入终端群组管理的概念，支持群组内终端直接通信。

1 工业制造场景中5G专网需求以及应用挑战分析

1.1 多张烟囱式网络，建设成本高，管理维护复杂，需要5G具备一网多用能力

（1）在传统模式下，企业新建一个制造园区通常要建设多张物理网络，如生产线的有线局域网络、Wi-Fi网络，办公的Wi-Fi网络，一些办公设备打印机、打卡机等有线连接网络等，基本是烟囱式建网，建设成本高，管理维护复杂。

（2）传统工业设备大量使用二层以太网协议，当前5G网络不支持二层通信，需在端侧和端侧、端侧和服务侧部署AR路由器实现层二到层三转换，并需要运营商通过配置打通隧道，才能实现设备点对点二层通信，难以满足设备规模连接。

1.2 室内定位技术具有广阔的应用前景，但是当前各种定位技术均存在局限

（1）超宽带（UWB）技术。目前最为成熟的室内定位技术，其特点包括数据带宽大、定位精度高（亚米级，0.1～0.5m）、安全抗干扰等，但其建设成本较高，难以实现大范围室内覆盖。

（2）Wi-Fi定位技术。用户使用智能终端开启Wi-Fi即可成为数据源，因便于扩展、可自动更新数据、成本低最先实现规模化。但精度只有2米左右，无法应用于更加精准场景。

（3）蓝牙定位技术。一类为成熟的iBeacon方案，定位精度在2～3米；另一类为新兴的AoA方案，可以达到亚米级。蓝牙技术易于普及，且功耗和成本较低，但传输距离有限，定位精度与部署的蓝牙信标数量相关。

（4）RFID技术。即射频识别技术，数据传输速率较高、安全性好，且不受非视线通信问题困扰。但需要在定位区域部署大量的RFID设备，且需要定位人员手持RFID标签，其不具有通信能力，抗干扰能力较差，在室内定位领域没有大规模商业推广。

2 eLCS（5G室内定位）技术进展及工业制造应用场景分析

5G定位遵从3GPP标准协议，3GPP R16开始引入定位能力，并持续增强，提升定位精度及性能，满足更多行业应用。5G室内定位采用UTDOA定位、指纹定位和场强三角定位算法结合，综合解算得到用户位置。

2.1 统一的标准

5G定位采用3GPP全球统一定位标准，统一标准是规模经济的基础。3GPP的R16 5G定位标准首次定义面向商业场景并细化到室内室外，并逐步引入垂直行业场景，是5G赋能千行百业的关键能力。

2.2 部署成本低

通信网和定位网可以合二为一，提高网络利用率，分摊部分成本，低成本是其最大优势。终端侧基于5G的无线定位技术通过基站就能定位移动设备，现有的移动设备无须改装就能够通过网络进行定位；对于基站侧，基于5G的无线定位技术可以直接使用已经部署的5G基站设备，减少部署和运维成本。

2.3 定位能力强

定位精度从R16开始可以达到米级，未来将逐步走向亚米级，使能更多行业场景；定位速度从R16可以达到1秒的定位传输时延，未来的目标是0.1秒甚至更快的定位时延；连接密度可依托5G大连接的基础能力，保障5G定位终端的高密接入需求。

2.4 适用性广

5G定位不仅能够应用在室外场景，也可以使用在室内场景，做到室内室外定位连续，通信和定位一体化。

2.5 抗干扰能力强

采用运营商授权频谱，不会被其他无线系统干扰。

2.6 共享5G产业生态

5G的产业生态是全球性的最大规模的通信产业，5G定位可以完全复用并借助5G产业的快速发展，加速5G定位产业的落地。

3 5G LAN技术进展及工业制造应用场景分析

5G LAN为3GPP R16新引入功能，基于5G终端连接能力和5G基本网络服务，提供私有移动LAN服务，允许指定的终端组基于Ethernet或IP进行P2P通信，满足工业制造、电力、车联网、企业办公等行业业务需求。5G LAN 技术首次在移动网络中引入终端组管理的概念，支持组内终端直接通信。该技术共有以下三个特征。

3.1 动态群组管理

UDM 维护一个组内终端的所有签约信息；行业客户可通过能力开放接口，将一个终端从群组内动态地加入或删除。

3.2 终端静态地址

5G 网络根据 UDM 配置，在创建 5G LAN 会话时为 5G 行业终端分配指定静态 IP 地址；行业客户可通过能力开放接口配置群组内静态 IP 地址段。

3.3 用户面直接通信

一个组内终端相互发送的数据，可经过 UPF 进行直接转发，多个 UPF之间可构建直连隧道，保障直接通信；UPF 具备直接转发功能，缩短数据转发路径。

4 测试方案及测试情况

4.1 eLCS（5G室内定位）测试方案及测试情况

结合当前5G室内定位精度，本次选择的测试场景为生产设备的定位（精度要求：3米@90%），将设备位置信息映射到工厂数字孪生系统，提供设备可视化监控。

本次测试方案基于5G网络提供定位服务，MEC部署eLCS服务，通过APIGW开放定位能力，实现边缘eLCS定位服务，定位引擎通过调用定位服务器API获取定位信息，如图1所示。

图1 eLCS（5G室内定位）测试方案

eLCS定位方案需要无线侧、核心网、5G终端、定位引擎配套。

（1）无线。支持标准3GPP UTDOA定位协议流程以及UTDOA定位解算核心算法和可执行库。

（2）核心网。基于3GPP定义LCS架构及流程实现5G网络定位，eLCS服务通过在APIGW上注册对外开放5G网络位置定位API。

（3）5G终端。集成5G模组的终端设备，如中微普业T511。

（4）定位引擎（APP）：提供引擎管理、地图管理、标签管理、围栏及告警管理、日志管理、实时定位、历史轨迹、系统设置等基本功能，通过调用eLCS服务器提供的API获取定位信息，并和工厂M2M系统对接测试结果并进行评估：在测试小区选择10个LOS点位进行测试，定位精度满足工厂对3m@90%的测试要求。可以应用在生产设备定位跟踪、园区物流等场景，后续随着精度的进一步提升，可以应用到物料和人员定位等场景，实现电子围栏，物料可视化跟踪等。

4.2 5G LAN测试方案及测试情况

5G LAN提供原生二层组网能力，结合工厂的应用场景和诉求，确定测试范围：①设备和设备之间二层互访，通信方式为广播、单播；②设备和企业内网的控制服务器之间可实现二层通信（通过N6接口VxLAN隧道）；③5G LAN组管理，组间隔离；测试方案如图2所示。

图2 5G LAN测试组网方案

5G LAN组内全互连实现二层通信，需要核心网、无线、5G CPE、企业网络等配套。

（1）无线。基站配置使能以太会话。

（2）核心网。控制面签约以太会话和签约5GLAN组；用户面提供5G LAN单播/广播功能，配置和企业内网VxLAN隧道。

（3）5G LAN CPE。配置5G LAN DNN和以太会话。

（4）企业内网。企业入口交换机配置和核心网用户面间VXLAN隧道；企业内网提供DHCP Server，给终端设备分配IP地址。

（5）测试结果及评估。测试场景包括5G LAN CPE以太网会话建立及释放、5G LAN CPE下挂终端动态获取IP地址、5G LAN CPE下挂终端与企业服务器二层互通、5G LAN不同CPE下挂终端间二层互通、5G LAN CPE下挂终端与APP间时延、5G LAN 不同CPE下挂终端间的时延等基本用例。测试结果符合预期，5G LAN可以满足工厂局域交换场景设备二层互通、组管理及组隔离、设备和服务器二层互通等需求。

5 应用展望

通过本次项目需求分析、技术论证和实际应用测试可知，基于5G网络提供室内定位服务，一网多用，为工厂提供组网简化、低成本方案。5G LAN技术可利用5G网络代替当前工业领域的局域网，解决在当前的工业网络中线缆移动性限制，光纤铺设成本高的问题，显著降低5G进入工业领域的组网复杂性，完全兼容原有产线应用，必将加快5G进入生产现场网进程。■