梁健生 金宁 魏垚 王庆扬
(中国电信股份有限公司研究院,广州 510630)
0 引言
2023年6月,国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)完成了《IMT 面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[1](简称《建议书》),提出了6G 的典型应用场景及能力指标体系。
针对5G 网络能力、支持场景、物联网应用等方面存在的不足,《建议书》提出6G 的6 个典型应用场景,包括3 个5G 原有应用场景[2]的能力增强应用场景和3 个新增应用场景:5G 增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)场景增强至6G 沉浸式通信场景;5G 超高可靠低时延通信(Ultra Reliable and Low Latency Communications,URLLC)场景增强至6G 极高可靠低时延场景;5G 海量物联网通信场景增强至6G超大规模连接场景;人工智能(Artificial Intelligence,AI)与通信融合;感知与通信融合;泛在连接[1]。同时,《建议书》给出了6G 能力指标体系,包括9 个5G增强能力指标以及6 个新增能力指标:峰值速率、用户体验速率、频谱效率、区域流量密度、连接密度、移动性、时延、可靠性、安全/隐私/弹性、覆盖、感知相关、AI相关、可持续性、互操作、定位[1]。
随着《建议书》的制定完成,ITU 相关工作从“6G总体概念”阶段逐步进入到“技术研究和评估准备”阶段。预计2024 年开始对《建议书》中的关键能力指标取值进一步细化,进行IMT-2030 技术性能要求的讨论,明确6G 在不同应用场景以及不同环境下的系统性能水平。
《建议书》发布之际,与5G-A 相关的第一个标准Release 18 已进入制定工作的尾声,全国5G 公网已基本完成规模部署,在《5G 应用“扬帆” 行动计划(2021—2023 年)》的引导下,5G 专网逐步从外围辅助生产融入行业核心生产环节。在此背景下,本文对工业互联网核心生产环节的需求进行分析,提出关于6G系统设计的初步思路,并为6G 研发工作提出策略建议。
1 工业互联网核心生产环节的通信需求分析
近年来,随着“5G+工业互联网”的融合发展加速,5G 已逐步从企业生产辅助环节的规模化部署向核心环节深层次拓展,辅助生产环节包括视频监控、信息数据传输等业务,而核心生产环节主要以工业控制类业务为主。“5G+工业互联网”的融合发展面临不少挑战,特别是5G 确定性网络指标如时延、抖动和可靠性等难以满足工业互联网的高性能要求。针对上述问题,本章首先介绍工业控制中常见的两种工作模式,接着分析不同工作模式对通信的需求,进一步讨论5G协议与工业协议的适配性问题。
工业控制是工业互联网核心生产环节之一。工业协议常见的两种总线机制为“等停响应”[3]模式和“周期性对发”[4]模式(见图1)。“等停响应”模式的工作机制是在发送端发送消息后将停下来等待接收接收端的响应信息,并设置“看门狗时间”(Watchdog Time,WDT)作为等待超时门限,如等待时间超过WDT 则产生宕机动作;“周期性对发”模式的工作机制是发送端周期(Cycle Time,CT)性往接收端发送信息,如果接收端存在相邻两个接收包间隔时间超过了“看门狗时间”,就会产生宕机动作。在两种工作模式中,“等停响应”模式对网络时延和可靠性有要求,“周期性对发”模式对网络的抖动有要求。
1.1 “等停响应”工业控制类业务对通信时延要求高
典型工厂网络以ISA-95[5]架构为基础(见图2),包括五个层次:企业层(Enterprise Resource Planning,ERP)、管理层(Manufacturing Execution System,MES)、控制 层(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)、执 行 层(Programmable Logic Controller,PLC)和现场层。前三层可归为辅助生产的互联网技术(Internet Technology,IT),后两层可归为直接生产运营技术网络(Operational Technology,OT)。
在ISA-95 架构中,ERP/MES 层与SCADA 层、SCADA 层与PLC 层、PLC 与逻辑顺序控制单元之间通信时延要求较低,5G 网络可满足需求;但PLC 与设备层的“单元功能控制”“运动闭环控制”模块使用“等停响应”工业协议进行通信,对时延要求极高,当前5G网络无法满足通信时延要求。
1.2 “周期性对发”工业控制类业务对抖动要求高
工业互联网的抖动是指网络数据传输时发生的时间延迟变化、数据包丢失或重传引起的数据传输不稳定现象。传统的时延抖动是属于同一流的连续两个接收数据包的转发延迟之间的差值的绝对值,工业互联网现场总线标准(Process Field Net,Profinet)协议通常使用相邻接收包间隔时间的变化作为其抖动指标:Ri=ty-tx,同时配置“看门狗时间”(如WDT=3CT)作为相邻接收包间隔超时门限,当接收包间隔时间超过“看门狗时间”(Ri≥WDT)时会引发宕机。
“周期性对发”类工业协议数据包发送周期为CT,理想状态下接收机数据包接收间隔时间Ri也应该为CT。但由于数据包发送时间与5G 系统之间没有一个完全同步机制,且空口无线信道具有不确定性和易受干扰、多径传输等特性,导致每一次数据包传输都可能出现时延的不确定性、丢包、乱序等,进而引起接收包的时间间隔出现波动变化。实际接收包的时间间隔与发送周期CT差值的绝对值称之为接收包间隔抖动(见图3)。当Ri大于WDT时,系统宕机。据笔者统计,为了避免系统频繁宕机,工业互联网会制定针对通信网络包间隔抖动的要求,通常将接收包间隔抖动控制在0.5CT范围内。
在第三代合作伙伴计划R15 标准(The 3rd Generation Partnership Project Release 15,3GPP R15)中提到的三大应用场景中,主要对峰值速率、用户体验速率、时延、可靠性、连接密度、能量效益、频谱效率、流量密度等业务指标进行要求,并未制定时延抖动相关指标要求。为适配工业互联网需求,3GPP R16 引入设备端时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,TSN)转换器和网络侧TSN 转换器两个网元,将5G 作为TSN的网桥,以“5G+TSN”方式降低系统的时延抖动。
根据笔者对“5G+TSN”原型样机的实验室测试,“5G+TSN”可实现时延抖动小于10 ns,有效降低了网络时延抖动,但“5G+TSN”方案目前尚未形成成熟的产业链,也鲜见在垂直行业的实际应用,距离商用尚远。
1.3 5G 协议对工业协议的适配能力不足
5G 网络无法满足部分工业协议的确定性要求,适配能力不足。在Profinet 工业协议的“周期性对发”模式中,某些控制信令是通过连续周期性发送以控制机器操作动作。将CT周期设置为较小值可以精确控制机器动作,但对通信时延抖动要求更高,导致5G 网络无法适配工业生产需求;将CT周期设置为较大值可以容忍更高的通信时延抖动,让工业生产适配5G 网络能力,但是对生产效率会产生一定影响。
本文以某工厂焊接环节为例,设置CT=2 ms,WDT=3CT为基线,比较不同的CT设置对生产效率的影响(见表1)。目前,根据笔者测试,5G 网络难以满足将CT配置为2 ms、4 ms、8 ms 时对通信时延抖动的要求,将CT周期从2 ms 扩展到16 ms 以适配5G能力,焊接平均时延增加约0.55 s,生产效率降低0.73%。
然而,工业生产线上下游工序往往是环环相扣的,一道工序未完成就无法启动下一道工序,进而影响后续工序,最终会降低整个车间的生产效率。生产线上多道工序同时进行容易引起5G 网络拥塞,导致网络性能恶化。因此,5G 与工业流程需要相互适配,5G 识别业务特征,通过业务编排、精准门控提高服务效率;业务识别5G 网络状态进行发包调整,通过全局优化实现生产线整体生产效率的提升。
2 IMT-2030 性能指标影响分析与应对策略
目前,5G 商用网络以面向个人业务为主,5G 三大应用场景发展不一致,垂直行业应用多领域纵深发展仍有较大提升空间。ITU 对5G URLLC 空口时延极限要求是1 ms[2],但由于显性需求有限,暂无法形成规模效应,产业链推进速度慢,尚未有功能完备的URLLC商用终端出现。针对垂直行业应用的网络能力有待推动实现,如高精度时间同步、确定性时延、抖动以及可靠性保障等。面对IMT 系统赋能垂直行业发展遇到的挑战,本文给出下述应对建议。
2.1 深度挖掘和评估垂直行业的实际需求,避免盲目追求极致性能
《建议书》对6G 关键能力提出了不同程度的更高要求,但是从5G 的经验以及对垂直行业的定制网部署来看,千行百业各有特色,各自需求关注点不尽相同,而且OT 侧的需求需作精准转化才能得到对CT 侧的网络能力以及具体性能要求。因此,建议根据垂直应用的发展情况和不同行业的应用特点,深度挖掘和评估客户实际需求,制定务实可靠的网络性能目标,避免盲目追求极致性能,提高落地与可操作性。事实上,《建议书》中对部分6G 指标的设置采用了数值范围而非单一具体值的方式,以5G 能力的极限值为下限进行平滑提升。例如,连接密度的范围是106～108个设备/km2,时延要求范围是0.1～1 ms[1],这一方面体现了6G 的指标定义更加务实,另一方面为6G 系统与垂直行业应用的适配协同留下了弹性空间。
2.2 6G 系统架构和空口设计需考虑垂直行业需求和网业协同
在6G 系统设计之初就需要从架构和空口设计上充分考虑垂直行业的需求并与其协同。6G 进入工业核心生产环节的关键是实现CT 与OT 紧耦合,因此,6G 在设计之初,须从架构、接口、无线资源调度、重传机制等各方面考虑,与工业协议进行适配以实现网业协同(即网络和业务的协同)。这样一方面可以助力垂直行业提高生产效率、实现绿色减排;另一方面使得部分具有极致性能需求的业务可以根据实际需要放宽对6G 系统的要求,最终让6G 系统更有效、更广泛地为垂直行业赋能。
2.3 重点关注新增能力指标,紧密跟踪全球IMT 频率发展形势
IMT-2030 有望将感知、AI、反向散射等新能力深度融合到网络中,实现目标探测、AI 即服务(AI as a Service,AIaaS)、无源物联网等新应用赋能垂直行业。我国工业和信息化部已发布新版《中华人民共和国无线电频率划分规定》[6],率先在全球将6 GHz 频段划分用于IMT 系统,2023 年7 月1 日已开始施行。2023 年10 月,ITU 将在世界无线电通信大会上进行关于IMT 新频段划分立项的讨论。
随着国内外正积极开展6G 候选技术研究,建议重点关注IMT 新能力的潜在价值,尽早结合垂直行业应用开展通感融合、通智融合、无源物联网等新能力和新应用的研究与试验,为6G 标准制定和产品研发工作提供技术支持。
3 结束语
5G 逐步向垂直行业应用多领域纵深发展,在探索行业核心生产环节时困难重重,其中确定性能力保证和协议适配是最大挑战,也对IMT-2030 系统的功能和性能指标提出了新的要求。ITU 在《建议书》中提出了全新的应用场景和更加务实的能力指标定义,后续将进入“技术研究和评估准备”阶段,因此建议深度挖掘和评估垂直行业的实际需求,以网业协同为原则进行6G 系统架构和空口协议的设计,合理制定6G 系统功能与性能要求,避免盲目追求极致性能。同时,建议重点关注IMT-2030 中可拓展通信业务范围的新增能力,紧密跟踪全球IMT 频率发展形势。6G 研发和试验从一开始就要紧密结合垂直行业应用,让6G 成为各行各业主动拥抱的技术,为全球数字化转型和可持续发展发挥重要作用。
