梁健生 金寧 魏垚 王慶揚
(中國電信股份有限公司研究院,廣州 510630)
0 引言
2023年6月,國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)完成了《IMT 面向2030及未來發(fā)展的框架和總體目標建議書》[1](簡稱《建議書》),提出了6G 的典型應用場景及能力指標體系。
針對5G 網(wǎng)絡(luò)能力、支持場景、物聯(lián)網(wǎng)應用等方面存在的不足,《建議書》提出6G 的6 個典型應用場景,包括3 個5G 原有應用場景[2]的能力增強應用場景和3 個新增應用場景:5G 增強型移動寬帶(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)場景增強至6G 沉浸式通信場景;5G 超高可靠低時延通信(Ultra Reliable and Low Latency Communications,URLLC)場景增強至6G 極高可靠低時延場景;5G 海量物聯(lián)網(wǎng)通信場景增強至6G超大規(guī)模連接場景;人工智能(Artificial Intelligence,AI)與通信融合;感知與通信融合;泛在連接[1]。同時,《建議書》給出了6G 能力指標體系,包括9 個5G增強能力指標以及6 個新增能力指標:峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、區(qū)域流量密度、連接密度、移動性、時延、可靠性、安全/隱私/彈性、覆蓋、感知相關(guān)、AI相關(guān)、可持續(xù)性、互操作、定位[1]。
隨著《建議書》的制定完成,ITU 相關(guān)工作從“6G總體概念”階段逐步進入到“技術(shù)研究和評估準備”階段。預計2024 年開始對《建議書》中的關(guān)鍵能力指標取值進一步細化,進行IMT-2030 技術(shù)性能要求的討論,明確6G 在不同應用場景以及不同環(huán)境下的系統(tǒng)性能水平。
《建議書》發(fā)布之際,與5G-A 相關(guān)的第一個標準Release 18 已進入制定工作的尾聲,全國5G 公網(wǎng)已基本完成規(guī)模部署,在《5G 應用“揚帆” 行動計劃(2021—2023 年)》的引導下,5G 專網(wǎng)逐步從外圍輔助生產(chǎn)融入行業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)。在此背景下,本文對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的需求進行分析,提出關(guān)于6G系統(tǒng)設(shè)計的初步思路,并為6G 研發(fā)工作提出策略建議。
1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的通信需求分析
近年來,隨著“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的融合發(fā)展加速,5G 已逐步從企業(yè)生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié)的規(guī)�；渴鹣蚝诵沫h(huán)節(jié)深層次拓展,輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括視頻監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務,而核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要以工業(yè)控制類業(yè)務為主。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的融合發(fā)展面臨不少挑戰(zhàn),特別是5G 確定性網(wǎng)絡(luò)指標如時延、抖動和可靠性等難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高性能要求。針對上述問題,本章首先介紹工業(yè)控制中常見的兩種工作模式,接著分析不同工作模式對通信的需求,進一步討論5G協(xié)議與工業(yè)協(xié)議的適配性問題。
工業(yè)控制是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。工業(yè)協(xié)議常見的兩種總線機制為“等停響應”[3]模式和“周期性對發(fā)”[4]模式(見圖1)。“等停響應”模式的工作機制是在發(fā)送端發(fā)送消息后將停下來等待接收接收端的響應信息,并設(shè)置“看門狗時間”(Watchdog Time,WDT)作為等待超時門限,如等待時間超過WDT 則產(chǎn)生宕機動作;“周期性對發(fā)”模式的工作機制是發(fā)送端周期(Cycle Time,CT)性往接收端發(fā)送信息,如果接收端存在相鄰兩個接收包間隔時間超過了“看門狗時間”,就會產(chǎn)生宕機動作。在兩種工作模式中,“等停響應”模式對網(wǎng)絡(luò)時延和可靠性有要求,“周期性對發(fā)”模式對網(wǎng)絡(luò)的抖動有要求。
1.1 “等停響應”工業(yè)控制類業(yè)務對通信時延要求高
典型工廠網(wǎng)絡(luò)以ISA-95[5]架構(gòu)為基礎(chǔ)(見圖2),包括五個層次:企業(yè)層(Enterprise Resource Planning,ERP)、管理層(Manufacturing Execution System,MES)、控制 層(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)、執(zhí) 行 層(Programmable Logic Controller,PLC)和現(xiàn)場層。前三層可歸為輔助生產(chǎn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Internet Technology,IT),后兩層可歸為直接生產(chǎn)運營技術(shù)網(wǎng)絡(luò)(Operational Technology,OT)。
在ISA-95 架構(gòu)中,ERP/MES 層與SCADA 層、SCADA 層與PLC 層、PLC 與邏輯順序控制單元之間通信時延要求較低,5G 網(wǎng)絡(luò)可滿足需求;但PLC 與設(shè)備層的“單元功能控制”“運動閉環(huán)控制”模塊使用“等停響應”工業(yè)協(xié)議進行通信,對時延要求極高,當前5G網(wǎng)絡(luò)無法滿足通信時延要求。
1.2 “周期性對發(fā)”工業(yè)控制類業(yè)務對抖動要求高
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的抖動是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生的時間延遲變化、數(shù)據(jù)包丟失或重傳引起的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定現(xiàn)象。傳統(tǒng)的時延抖動是屬于同一流的連續(xù)兩個接收數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)延遲之間的差值的絕對值,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線標準(Process Field Net,Profinet)協(xié)議通常使用相鄰接收包間隔時間的變化作為其抖動指標:Ri=ty-tx,同時配置“看門狗時間”(如WDT=3CT)作為相鄰接收包間隔超時門限,當接收包間隔時間超過“看門狗時間”(Ri≥WDT)時會引發(fā)宕機。
“周期性對發(fā)”類工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送周期為CT,理想狀態(tài)下接收機數(shù)據(jù)包接收間隔時間Ri也應該為CT。但由于數(shù)據(jù)包發(fā)送時間與5G 系統(tǒng)之間沒有一個完全同步機制,且空口無線信道具有不確定性和易受干擾、多徑傳輸?shù)忍匦?導致每一次數(shù)據(jù)包傳輸都可能出現(xiàn)時延的不確定性、丟包、亂序等,進而引起接收包的時間間隔出現(xiàn)波動變化。實際接收包的時間間隔與發(fā)送周期CT差值的絕對值稱之為接收包間隔抖動(見圖3)。當Ri大于WDT時,系統(tǒng)宕機。據(jù)筆者統(tǒng)計,為了避免系統(tǒng)頻繁宕機,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)會制定針對通信網(wǎng)絡(luò)包間隔抖動的要求,通常將接收包間隔抖動控制在0.5CT范圍內(nèi)。
在第三代合作伙伴計劃R15 標準(The 3rd Generation Partnership Project Release 15,3GPP R15)中提到的三大應用場景中,主要對峰值速率、用戶體驗速率、時延、可靠性、連接密度、能量效益、頻譜效率、流量密度等業(yè)務指標進行要求,并未制定時延抖動相關(guān)指標要求。為適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求,3GPP R16 引入設(shè)備端時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time-Sensitive Networking,TSN)轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器兩個網(wǎng)元,將5G 作為TSN的網(wǎng)橋,以“5G+TSN”方式降低系統(tǒng)的時延抖動。
根據(jù)筆者對“5G+TSN”原型樣機的實驗室測試,“5G+TSN”可實現(xiàn)時延抖動小于10 ns,有效降低了網(wǎng)絡(luò)時延抖動,但“5G+TSN”方案目前尚未形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,也鮮見在垂直行業(yè)的實際應用,距離商用尚遠。
1.3 5G 協(xié)議對工業(yè)協(xié)議的適配能力不足
5G 網(wǎng)絡(luò)無法滿足部分工業(yè)協(xié)議的確定性要求,適配能力不足。在Profinet 工業(yè)協(xié)議的“周期性對發(fā)”模式中,某些控制信令是通過連續(xù)周期性發(fā)送以控制機器操作動作。將CT周期設(shè)置為較小值可以精確控制機器動作,但對通信時延抖動要求更高,導致5G 網(wǎng)絡(luò)無法適配工業(yè)生產(chǎn)需求;將CT周期設(shè)置為較大值可以容忍更高的通信時延抖動,讓工業(yè)生產(chǎn)適配5G 網(wǎng)絡(luò)能力,但是對生產(chǎn)效率會產(chǎn)生一定影響。
本文以某工廠焊接環(huán)節(jié)為例,設(shè)置CT=2 ms,WDT=3CT為基線,比較不同的CT設(shè)置對生產(chǎn)效率的影響(見表1)。目前,根據(jù)筆者測試,5G 網(wǎng)絡(luò)難以滿足將CT配置為2 ms、4 ms、8 ms 時對通信時延抖動的要求,將CT周期從2 ms 擴展到16 ms 以適配5G能力,焊接平均時延增加約0.55 s,生產(chǎn)效率降低0.73%。
然而,工業(yè)生產(chǎn)線上下游工序往往是環(huán)環(huán)相扣的,一道工序未完成就無法啟動下一道工序,進而影響后續(xù)工序,最終會降低整個車間的生產(chǎn)效率。生產(chǎn)線上多道工序同時進行容易引起5G 網(wǎng)絡(luò)擁塞,導致網(wǎng)絡(luò)性能惡化。因此,5G 與工業(yè)流程需要相互適配,5G 識別業(yè)務特征,通過業(yè)務編排、精準門控提高服務效率;業(yè)務識別5G 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行發(fā)包調(diào)整,通過全局優(yōu)化實現(xiàn)生產(chǎn)線整體生產(chǎn)效率的提升。
2 IMT-2030 性能指標影響分析與應對策略
目前,5G 商用網(wǎng)絡(luò)以面向個人業(yè)務為主,5G 三大應用場景發(fā)展不一致,垂直行業(yè)應用多領(lǐng)域縱深發(fā)展仍有較大提升空間。ITU 對5G URLLC 空口時延極限要求是1 ms[2],但由于顯性需求有限,暫無法形成規(guī)模效應,產(chǎn)業(yè)鏈推進速度慢,尚未有功能完備的URLLC商用終端出現(xiàn)。針對垂直行業(yè)應用的網(wǎng)絡(luò)能力有待推動實現(xiàn),如高精度時間同步、確定性時延、抖動以及可靠性保障等。面對IMT 系統(tǒng)賦能垂直行業(yè)發(fā)展遇到的挑戰(zhàn),本文給出下述應對建議。
2.1 深度挖掘和評估垂直行業(yè)的實際需求,避免盲目追求極致性能
《建議書》對6G 關(guān)鍵能力提出了不同程度的更高要求,但是從5G 的經(jīng)驗以及對垂直行業(yè)的定制網(wǎng)部署來看,千行百業(yè)各有特色,各自需求關(guān)注點不盡相同,而且OT 側(cè)的需求需作精準轉(zhuǎn)化才能得到對CT 側(cè)的網(wǎng)絡(luò)能力以及具體性能要求。因此,建議根據(jù)垂直應用的發(fā)展情況和不同行業(yè)的應用特點,深度挖掘和評估客戶實際需求,制定務實可靠的網(wǎng)絡(luò)性能目標,避免盲目追求極致性能,提高落地與可操作性。事實上,《建議書》中對部分6G 指標的設(shè)置采用了數(shù)值范圍而非單一具體值的方式,以5G 能力的極限值為下限進行平滑提升。例如,連接密度的范圍是106～108個設(shè)備/km2,時延要求范圍是0.1～1 ms[1],這一方面體現(xiàn)了6G 的指標定義更加務實,另一方面為6G 系統(tǒng)與垂直行業(yè)應用的適配協(xié)同留下了彈性空間。
2.2 6G 系統(tǒng)架構(gòu)和空口設(shè)計需考慮垂直行業(yè)需求和網(wǎng)業(yè)協(xié)同
在6G 系統(tǒng)設(shè)計之初就需要從架構(gòu)和空口設(shè)計上充分考慮垂直行業(yè)的需求并與其協(xié)同。6G 進入工業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是實現(xiàn)CT 與OT 緊耦合,因此,6G 在設(shè)計之初,須從架構(gòu)、接口、無線資源調(diào)度、重傳機制等各方面考慮,與工業(yè)協(xié)議進行適配以實現(xiàn)網(wǎng)業(yè)協(xié)同(即網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務的協(xié)同)。這樣一方面可以助力垂直行業(yè)提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)綠色減排;另一方面使得部分具有極致性能需求的業(yè)務可以根據(jù)實際需要放寬對6G 系統(tǒng)的要求,最終讓6G 系統(tǒng)更有效、更廣泛地為垂直行業(yè)賦能。
2.3 重點關(guān)注新增能力指標,緊密跟蹤全球IMT 頻率發(fā)展形勢
IMT-2030 有望將感知、AI、反向散射等新能力深度融合到網(wǎng)絡(luò)中,實現(xiàn)目標探測、AI 即服務(AI as a Service,AIaaS)、無源物聯(lián)網(wǎng)等新應用賦能垂直行業(yè)。我國工業(yè)和信息化部已發(fā)布新版《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[6],率先在全球?qū)? GHz 頻段劃分用于IMT 系統(tǒng),2023 年7 月1 日已開始施行。2023 年10 月,ITU 將在世界無線電通信大會上進行關(guān)于IMT 新頻段劃分立項的討論。
隨著國內(nèi)外正積極開展6G 候選技術(shù)研究,建議重點關(guān)注IMT 新能力的潛在價值,盡早結(jié)合垂直行業(yè)應用開展通感融合、通智融合、無源物聯(lián)網(wǎng)等新能力和新應用的研究與試驗,為6G 標準制定和產(chǎn)品研發(fā)工作提供技術(shù)支持。
3 結(jié)束語
5G 逐步向垂直行業(yè)應用多領(lǐng)域縱深發(fā)展,在探索行業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)時困難重重,其中確定性能力保證和協(xié)議適配是最大挑戰(zhàn),也對IMT-2030 系統(tǒng)的功能和性能指標提出了新的要求。ITU 在《建議書》中提出了全新的應用場景和更加務實的能力指標定義,后續(xù)將進入“技術(shù)研究和評估準備”階段,因此建議深度挖掘和評估垂直行業(yè)的實際需求,以網(wǎng)業(yè)協(xié)同為原則進行6G 系統(tǒng)架構(gòu)和空口協(xié)議的設(shè)計,合理制定6G 系統(tǒng)功能與性能要求,避免盲目追求極致性能。同時,建議重點關(guān)注IMT-2030 中可拓展通信業(yè)務范圍的新增能力,緊密跟蹤全球IMT 頻率發(fā)展形勢。6G 研發(fā)和試驗從一開始就要緊密結(jié)合垂直行業(yè)應用,讓6G 成為各行各業(yè)主動擁抱的技術(shù),為全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。
