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来源:中国电子报 更新时间:2022-12-30

中国工程院院士邬贺铨:
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如何使5G设备更适用于工业场景?在12月20日举行的中国无线电大会上,中国工程院院士邬贺铨从工业互联网中5G专网主要设备的改进、频率利用等多个方面,提出了自己的建议。

工业5G CPE:要指定专用频段

工业互联网中5G的关键网元,包括5G CPE(客户前端设备)、5G云化PLC(可编程逻辑控制器)、5G云化基站、5G UPF(核心网的用户面功能)、5G边缘计算等。由此形成5G局域网和5G核心网控制面。

邬贺铨在演讲中表示,5G CPE前端设备对许多人来说并不陌生,但这个设备在工业场景中与在消费场景中会有一些不同。一是同样是网络终端,CPE并不像手机那样要实现多频多模,但很可能需要具备D2D(设备到设备)的能力,甚至会要求大带宽,需要用到宽带载波聚合的技术;二是CPE所用的芯片在工艺、功耗、成本上的要求没有手机那么苛刻,但对环境的温度、湿度等工作条件,控制能力、能够连接的终端数量等比普通手机严格得多。从这些要求看,5G的CPE既是一个物联网模组,也是5G的工业网关。

在邬贺铨看来,5G CPE可以把基站的5G信号作为中继接力进行放大,可以连接多个生产装备、仪器仪表。CPE可以把网络转换成工业以太网、WiFi以及5G局域网,还可以连接工厂的末端设备,对所连接的大量设备做路由管理、提供边缘计算的功能,集成PLC等。CPE具有开放编程的能力,可以方便第三方的应用。

目前5G工业CPE的发展也面临一些难点和挑战。邬贺铨建议,5G工业CPE指定专用的频段,要避免终端的多频多模情况,简化对CPE的要求,把5G CPE与WiFi结合,通过WiFi连接多个生产装备、仪器仪表,再在5G CPE上复用,从而降低5G CPE的应用成本。

5G UPF:与边缘计算结合发挥更大作用

在5G工业互联网中,UPF(用户功能面)是一个很重要的网元。得益于5G基于服务的核心网架构体系(SBA),5G实现了网络功能的服务化。5G核心网将用户面和控制面做了功能的分离,加强了用户面的功能,这一功能单独呈现为UPF网元。UPF处于无线接入网与数据网之间,可以实现用户面数据传输的封装和解封,且为数据的会话锚点提供移动性支持。

邬贺铨说,UPF可以分级建设,企业级的UPF可以下沉到网络边缘,利用IPv6的多归属特性,UPF可以识别经过它的数据包,知道一个数据包的目的地是在企业本地还是外网。利用这个功能,UPF可以帮助企业实现数据不出企业网络、敏感数据不在外网落地。UPF的本地分流,可以实现驻地网的超低时延、超高带宽和安全性需求。

UPF和边缘计算(MEC)紧密相关,UPF也可以看作是边缘计算的一个网元。边缘计算本身承载了通信技术类业务和第三方信息技术类业务,可以与MEC分开建设,其作用是承载NFV(网络功能虚拟化)电信云;边缘计算相对应的是提供第三方IT服务支撑的IT云。UPF和MEC也可以集成,将他们所对应的两个云合在一起,这就意味着接入云会变得复杂:需要NFV电信云扩展包括支持IT云的容器、编排、边缘AI、GPU/FPGA视频加速以及异构计算处理等能力。

5G基站:进一步强化云能力

5G用于工业的基站与面向消费网、公众通信网上的基站有所不同,更强调云化的能力。其实5G基站体系本身就是云化的体系,利用5G可以把BBU(基带处理单元)和AAU(有源天线单元)分离,多个BBU可以云化为BBU池。用于工业的5G基站可以下沉到企业中,通过进一步加强云化的能力,实现对5G网络资源的灵活利用。

邬贺铨表示,加强云化包括三个方面,一是5G基站本身的云化,除了AUU单元,其他的硬件设备可以变成通用的服务器和相应的软件,实现NFV能力;二是基站可以集成5G核心网的部分功能,包括UPF的功能,实现扁平化和时延降低;三是5G基站可以集成云化的PLC,同时管理多个PLC,以内生的工控能力解决行业定制化和规模化之间的矛盾,提升部署效率。5G云化基站在性能需求上也有别于公众通信的基站。例如要提升从设备向基站上传数据的能力,甚至达到Gbps级别的传输;又如大连接,可以支持上百万个传感器联网;再如低时延,在企业网应用中需要端到端的低时延,实现网络扁平化,支持D2D(设备到设备)的直接通信。

在工业场景中,5G云化基站还能够提供精准的定位。在企业网只有单基站的情况下,需要通过AP点和定位参考信号等技术共同实现更精准、快速的定位。在可靠性上,也要考虑到企业网中可能只有一个5G基站的场景,采用多信道冗余或者对信令信道、重要的数据信道采用预定的载频等各种方式,提升5G基站的性能。

频谱管理:为工业互联网划分专用频段

5GE世博线上注册频段在企业网的使用模式中,有一种是中小企业用网络切片的方式使用公众通信网,并向运营商租用基站和下沉到企业的UPF。该模式下,核心网控制面还在运营商那里。与消费市场中5G TDD模式下行容量高于上行容量不同,部分企业应用的需求正相反,要求上行容量高于下行容量。而在运营商提供的同一个网络载体上,如果采用不同的上下行配置,信道之间会发生干扰,需要采用更多技术手段来应对。

邬贺铨建议,针对工业互联网的应用,无线管理部门应该挂出专用的E世博线上注册频段,从而避免跟公众通信业务间的干扰。5G的工业互联网应用不必再按多频多模进行配置,以降低成本。最近,工信部已给中国上海商飞发放了第一张企业5G专网的频率许可,将5925~6125MHz和24.75~25.15GHz设为工业无线专用的频段。

邬贺铨表示,5G还可以使用免E世博线上注册的频率:E世博线上注册辅助接入模式,通过载波聚合,将E世博线上注册与非E世博线上注册的频段合起来用。E世博线上注册的频段传送控制信号,做可靠性更高的移动性管理,免E世博线上注册的频段承载载频、数据,运营商可以采用E世博线上注册辅助接入模式解决目前5G系统E世博线上注册频段资源不足的问题。另一种模式是在工业互联网的场景中,对上行链路使用E世博线上注册的频谱,下行链路使用免E世博线上注册的频谱。第三种模式是独立的免E世博线上注册,上下行信令、数据都在免E世博线上注册频段上,这种模式由于发射功率受限,不适用于大区组网,只适用于垂直行业的企业园区、专网,尤其适合干扰较少的室内网络。

“实际上在5GHz和6GHz的免E世博线上注册频段,5G免E世博线上注册频率的使用模式与WiFi6/WiFi7形成了竞争关系,有比较多的干扰限制。”邬贺铨说,“与WiFi6、WiFi7相比,5G采用非E世博线上注册、免E世博线上注册频段采用了基于蜂窝结构的5G NR技术,有端到端的QoS措施,支持网络切片、信号精确定位等,也面临一些挑战。例如要满足免E世博线上注册频谱对发射功率的要求;满足最大信道占用时间、信道占用带宽、信道监测机制的要求。”对5G来说,在非E世博线上注册、免E世博线上注册频段,要遵守相应的机制,这同时也会限制5G能力的发挥。(记者 刘晶 )