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,國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)完成了《IMT 面向2030及未來發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 網絡能力、支持場景、物聯網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 海量物聯網通信場景增強至6G超大規模連接場景;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、AI相關、可持續性、互操作、定位[1]。
隨著《建議書》的制定完成,ITU 相關工作從“6G總體概念”階段逐步進入到“技術研究和評估準備”階段。預計2024 年開始對《建議書》中的關鍵能力指標取值進一步細化,進行IMT-2030 技術性能要求的討論,明確6G 在不同應用場景以及不同環境下的系統性能水平。
《建議書》發布之際,與5G-A 相關的第一個標準Release 18 已進入制定工作的尾聲,全國5G 公網已基本完成規模部署,在《5G 應用“揚帆” 行動計劃(2021—2023 年)》的引導下,5G 專網逐步從外圍輔助生產融入行業核心生產環節。在此背景下,本文對工業互聯網核心生產環節的需求進行分析,提出關于6G系統設計的初步思路,并為6G 研發工作提出策略建議。
1 工業互聯網核心生產環節的通信需求分析
近年來,隨著“5G+工業互聯網”的融合發展加速,5G 已逐步從企業生產輔助環節的規模化部署向核心環節深層次拓展,輔助生產環節包括視頻監控、信息數據傳輸等業務,而核心生產環節主要以工業控制類業務為主。“5G+工業互聯網”的融合發展面臨不少挑戰,特別是5G 確定性網絡指標如時延、抖動和可靠性等難以滿足工業互聯網的高性能要求。針對上述問題,本章首先介紹工業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協議與工業協議的適配性問題。
工業控制是工業互聯網核心生產環節之一。工業協議常見的兩種總線機制為“等停響應”[3]模式和“周期性對發”[4]模式(見圖1)。“等停響應”模式的工作機制是在發送端發送消息后將停下來等待接收接收端的響應信息,并設置“看門狗時間”(Watchdog Time,WDT)作為等待超時門限,如等待時間超過WDT 則產生宕機動作;“周期性對發”模式的工作機制是發送端周期(Cycle Time,CT)性往接收端發送信息,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”,就會產生宕機動作。在兩種工作模式中,“等停響應”模式對網絡時延和可靠性有要求,“周期性對發”模式對網絡的抖動有要求。
1.1 “等停響應”工業控制類業務對通信時延要求高
典型工廠網絡以ISA-95[5]架構為基礎(見圖2),包括五個層次:企業層(Enterprise Resource Planning,ERP)、管理層(Manufacturing Execution System,MES)、控制 層(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)、執 行 層(Programmable Logic Controller,PLC)和現場層。前三層可歸為輔助生產的互聯網技術(Internet Technology,IT),后兩層可歸為直接生產運營技術網絡(Operational Technology,OT)。
在ISA-95 架構中,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 網絡可滿足需求;但PLC 與設備層的“單元功能控制”“運動閉環控制”模塊使用“等停響應”工業協議進行通信,對時延要求極高,當前5G網絡無法滿足通信時延要求。
1.2 “周期性對發”工業控制類業務對抖動要求高
工業互聯網的抖動是指網絡數據傳輸時發生的時間延遲變化、數據包丟失或重傳引起的數據傳輸不穩定現象。傳統的時延抖動是屬于同一流的連續兩個接收數據包的轉發延遲之間的差值的絕對值,工業互聯網現場總線標準(Process Field Net,Profinet)協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)時會引發宕機。
“周期性對發”類工業協議數據包發送周期為CT,理想狀態下接收機數據包接收間隔時間Ri也應該為CT。但由于數據包發送時間與5G 系統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、多徑傳輸等特性,導致每一次數據包傳輸都可能出現時延的不確定性、丟包、亂序等,進而引起接收包的時間間隔出現波動變化。實際接收包的時間間隔與發送周期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,系統宕機。據筆者統計,為了避免系統頻繁宕機,工業互聯網會制定針對通信網絡包間隔抖動的要求,通常將接收包間隔抖動控制在0.5CT范圍內。
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、流量密度等業務指標進行要求,并未制定時延抖動相關指標要求。為適配工業互聯網需求,3GPP R16 引入設備端時間敏感網絡(Time-Sensitive Networking,TSN)轉換器和網絡側TSN 轉換器兩個網元,將5G 作為TSN的網橋,以“5G+TSN”方式降低系統的時延抖動。
根據筆者對“5G+TSN”原型樣機的實驗室測試,“5G+TSN”可實現時延抖動小于10 ns,有效降低了網絡時延抖動,但“5G+TSN”方案目前尚未形成成熟的產業鏈,也鮮見在垂直行業的實際應用,距離商用尚遠。
1.3 5G 協議對工業協議的適配能力不足
5G 網絡無法滿足部分工業協議的確定性要求,適配能力不足。在Profinet 工業協議的“周期性對發”模式中,某些控制信令是通過連續周期性發送以控制機器操作動作。將CT周期設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 網絡無法適配工業生產需求;將CT周期設置為較大值可以容忍更高的通信時延抖動,讓工業生產適配5G 網絡能力,但是對生產效率會產生一定影響。
本文以某工廠焊接環節為例,設置CT=2 ms,WDT=3CT為基線,比較不同的CT設置對生產效率的影響(見表1)。目前,根據筆者測試,5G 網絡難以滿足將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,生產效率降低0.73%。
然而,工業生產線上下游工序往往是環環相扣的,一道工序未完成就無法啟動下一道工序,進而影響后續工序,最終會降低整個車間的生產效率。生產線上多道工序同時進行容易引起5G 網絡擁塞,導致網絡性能惡化。因此,5G 與工業流程需要相互適配,5G 識別業務特征,通過業務編排、精準門控提高服務效率;業務識別5G 網絡狀態進行發包調整,通過全局優化實現生產線整體生產效率的提升。
2 IMT-2030 性能指標影響分析與應對策略
目前,5G 商用網絡以面向個人業務為主,5G 三大應用場景發展不一致,垂直行業應用多領域縱深發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,暫無法形成規模效應,產業鏈推進速度慢,尚未有功能完備的URLLC商用終端出現。針對垂直行業應用的網絡能力有待推動實現,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 系統賦能垂直行業發展遇到的挑戰,本文給出下述應對建議。
2.1 深度挖掘和評估垂直行業的實際需求,避免盲目追求極致性能
《建議書》對6G 關鍵能力提出了不同程度的更高要求,但是從5G 的經驗以及對垂直行業的定制網部署來看,千行百業各有特色,各自需求關注點不盡相同,而且OT 側的需求需作精準轉化才能得到對CT 側的網絡能力以及具體性能要求。因此,建議根據垂直應用的發展情況和不同行業的應用特點,深度挖掘和評估客戶實際需求,制定務實可靠的網絡性能目標,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 指標的設置采用了數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個設備/km2,時延要求范圍是0.1～1 ms[1],這一方面體現了6G 的指標定義更加務實,另一方面為6G 系統與垂直行業應用的適配協同留下了彈性空間。
2.2 6G 系統架構和空口設計需考慮垂直行業需求和網業協同
在6G 系統設計之初就需要從架構和空口設計上充分考慮垂直行業的需求并與其協同。6G 進入工業核心生產環節的關鍵是實現CT 與OT 緊耦合,因此,6G 在設計之初,須從架構、接口、無線資源調度、重傳機制等各方面考慮,與工業協議進行適配以實現網業協同(即網絡和業務的協同)。這樣一方面可以助力垂直行業提高生產效率、實現綠色減排;另一方面使得部分具有極致性能需求的業務可以根據實際需要放寬對6G 系統的要求,最終讓6G 系統更有效、更廣泛地為垂直行業賦能。
2.3 重點關注新增能力指標,緊密跟蹤全球IMT 頻率發展形勢
IMT-2030 有望將感知、AI、反向散射等新能力深度融合到網絡中,實現目標探測、AI 即服務(AI as a Service,AIaaS)、無源物聯網等新應用賦能垂直行業。我國工業和信息化部已發布新版《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》[6],率先在全球將6 GHz 頻段劃分用于IMT 系統,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于IMT 新頻段劃分立項的討論。
隨著國內外正積極開展6G 候選技術研究,建議重點關注IMT 新能力的潛在價值,盡早結合垂直行業應用開展通感融合、通智融合、無源物聯網等新能力和新應用的研究與試驗,為6G 標準制定和產品研發工作提供技術支持。
3 結束語
5G 逐步向垂直行業應用多領域縱深發展,在探索行業核心生產環節時困難重重,其中確定性能力保證和協議適配是最大挑戰,也對IMT-2030 系統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,后續將進入“技術研究和評估準備”階段,因此建議深度挖掘和評估垂直行業的實際需求,以網業協同為原則進行6G 系統架構和空口協議的設計,合理制定6G 系統功能與性能要求,避免盲目追求極致性能。同時,建議重點關注IMT-2030 中可拓展通信業務范圍的新增能力,緊密跟蹤全球IMT 頻率發展形勢。6G 研發和試驗從一開始就要緊密結合垂直行業應用,讓6G 成為各行各業主動擁抱的技術,為全球數字化轉型和可持續發展發揮重要作用。
