基于工业场景应用的WIA-FA与5G融合解决方案
时间：2023-06-01 12:20:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙 超，苏 郁，杨雨沱，张小松，梁 炜
(1.电子科技大学 网络空间安全研究院，四川 成都 611700；
2.中移(成都)信息通信科技有限公司，四川 成都 610200;3.中国科学院沈阳自动化研究所 工业控制网络与系统研究室，辽宁 沈阳 110169)
在信息与通信技术(Information and Communications Technology，ICT)的推动下，智能制造已经成为新一轮工业革命的核心驱动和战略焦点。其中，网络技术是工厂智能化的重要支撑技术，是实现设备间与系统间互联互通的前提，接入技术则是网络技术的基础部分。工业互联网(Industrial Internet of Things，IIoT)是工业3.0向工业4.0演进的重要标志。工业 4.0的一个趋势是将原有的有线设施更换为无线设备[1-2],接入技术的无线化，可以提高网络的可扩展性、灵活性和移动性，也方便未来网络的升级、节约成本[3]，是当前接入技术发展的主要趋势。无线接入具有以下优势：首先，无线网络可支持智能工厂的泛在感知，支持工厂全流程、全生命周期管控；
其次，无线网络以其灵活方便等特性成为实现工厂柔性重组的必然选择，对推进制造业由传统大批量生产模式向工业 4.0 时代的个性化生产模式转变，具有重要意义；
此外，无线网络解决了工厂有线网络所面临布线与维护成本高、移动性与灵活性差等难题，在提升生产效率、提高产品质量、降低生产成本等方面将发挥重要作用。
2020年4月，国家发改委提出新基建主要包括三类：① 信息基础设施，如5G、物联网、人工智能等；
② 融合基础设施，即新技术和传统基建的融合，比如智能交通系统、智慧能源系统等；
③ 创新基础设施，即用于支持科技创新的基础设施，比如大科学装置、科教基础设施等[4]。5G与云计算、大数据、物联网、人工智能等数字经济领域深度融合，连接人、机、物，将形成新一代信息基础设施的核心能力，推动制造走向智能。
5G技术是即4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸，通信带宽能达到Gbit/s量级，空口时延最低为1 ms。基于其卓越的通信性能，除商用移动通信应用外，5G技术在交通、工业等领域仍具有广泛的应用价值。我国《“十四五”智能制造发展规划》中着重对工业无线技术的应用提出需求，包括加快创新研发5G等新技术在典型行业如质量检测、过程控制、工艺优化、计划调度、设备运维、管理决策等工业领域的适用性技术；
推进新型创新网络建设，实现泛在感知、数据贯通、集成互联；
覆盖加工、检测、物流等环节，推动设备联网和生产环境数字化连接。但是，现阶段无线环境无法提供有限传输那样可靠且高速的传输，因此，如何为工业场景提供高可靠、低时延的传输环境是5G网络的一个研究热点[5]。
中国是传统的“工业大国”，据中国工业和信息化部2022年2月23日发布《关于促进工业经济平稳增长的若干政策》，2020年疫情暴发以来，中国工业扛起“稳增长”重任，2020年和2021年对GDP增长的贡献率一直保持在36.5%以上，较2019年大幅提升9.6个点，成为推动经济稳定恢复的重要支撑。但是疫情的爆发也使得工业企业面临原材料供应、劳动力不足等诸多挑战，并且在疫情的倒逼下，催生了虚拟团队、无接触经济等新型业态，加速了传统工业向数字化、智能化转型。
工业数字化和智能化转型需要工厂实现智能化改造，来实现远程控制、自动化生产等作业目标。如工业机器人的部署，利用人工智能等技术代替人工操作，可以提升工业生产效率；
通过数字化平台的部署打通企业内部之间、产业链上下游的工作协同，实现资源的智能化调度，降低企业生产和运营成本。其中工业机器人的部署、机器的远程控制都必须依托于无线网络实现。
1.1 工业场景下5G技术应用面临的问题
5G网络虽然能够覆盖工业场景中的无线通信需求，但中国工程院院士、未来移动通信论坛理事长邬贺铨多次在技术论坛上表示，目前5G的应用依旧并没有针对ToB的应用做重点研究，而是将ToC的系统架构和设备直接搬到了车间场景，所以在低时延、可靠性和维护性方面依然面临着一系列困境。需要朝以下方向继续演进：
① 工业应用场景需求多样。5G网络的优势更侧重于大带宽、高并发的数据通信，而一些工厂自动化类应用大量存在开关量等控制数据传输的需求，呈现出小数据、低时延、高可靠等特点[6]。5G网络空口时延最低可达约1 ms，但这是无线端的时延，并不是车间控制层面要求的端到端的低时延。
5G网络端到端传输时延受基站中转、运营商网络中转等制约，只能达到平均几十毫秒级，难以满足工厂自动化中控制数据的通信时延要求。
② 5G网络本身既有终端又有基站，还有核心网，邬贺铨院士指出：“绝不能把现有公众网的这套方案直接搬到企业里面，未来放在车间的基站应该是轻型基站，因为不需要那么多的能力”。在工厂车间中存在大量的传感器、执行器等应用节点，5G CPE终端设备通常体积较大，在工业现场不便于大范围使用[7]。
③ 工业车间控制要求高可靠性，但是在车间里面，可能终端到基站的距离不太远，信道是多个同时性，达不到互补和差异。在工业车间内，如果单基站损坏，如何继续保证高可靠而且能够免维护或快速维护，这是工业车间和现有公众网要求不同的地方。
④ 工业现场5G技术应用发展成本较高。目前普遍的应用方式包括运营商公网公用、运营商公网专用、专网专用部署等三种方式[8]。其中，5G专网专用的建设方式可能存在成本较高问题，且在实际使用中，一些特殊要求领域，如果采用非专网方式建设，数据会通过运营商的网络，可能会引发商业秘密信息和其他敏感信息的保护等问题。
⑤ 目前5G标准在工业应用的标准量化程度上并不十分准确，在R16、R17之后，还需要继续演进，针对工业场景的产品形态还会发生变化。5G专网使用的频段、建设方案、标准等还需要有关部门进一步明确规范。
综上，基于工业应用领域特殊场景、5G专网政策、使用成本以及数据安全等因素，现今的5G网络并非适用于工业应用的所有场景。工厂车间内部大量传感器、控制器以及移动设备间的互联更适合结合应用无线局域网通信技术[9]，无线局域网的低成本、易部署及其通信私密性等特点能够弥补5G网络在工业现场应用的弊端，但现场级无线局域网又存在频谱易受干扰及覆盖、容量受限等问题，所以需要考虑一种现场级高安全无线局域网与5G专网融合的互补方案。
1.2 工业场景下无线技术对比
目前，工业场景中主流的高速无线局域网方案包括WiFi、WAPI以及WIA-FA技术。其中，WiFi与WAPI技术均基于IEEE802.11通信协议，WAPI是在IEEE802.11协议的基础上增加了安全鉴别协议，WIA-FA(Wireless Network for Industrial Automation-Factory Automation)技术为中国科学院沈阳自动化研究所牵头研制的面向工厂自动化的工业无线网络通信技术[10]。表1为几种无线通信技术的技术指标对比[11-12]。
表1 无线技术指标对比
由表1可以得出，WIA-FA技术高实时、高可靠的特性更适合应用在工厂场景自动化通信中。此外，其自主可控协议、短距离的电磁控制以及国产加密算法集成等功能更适合应用于特殊行业。5G技术高带宽、远距离传输的特性更适合于室外远程传输，例如生产企业各个车间、工作站之间的大数据交互，或办公手机对生产状态信息的远程访问等。
综上，5G技术与WIA-FA技术分别是广域网与工业无线局域网领域的技术领跑者，二者在工业场景下的应用均有各自优势。本文面向工业应用场景融合5G与WIA-FA各自技术优势，探索形成整体工业无线解决方案的可行性。
本文根据WIA-FA网络的拓扑架构与典型5G网络应用架构设计了网络融合方案。针对工厂应用场景具有车间内固定封闭区域无线接入和厂区室外无线接入两种不同使用环境的需求情况，可设计不同无线接入方案，满足各类应用场景需求。
2.1 仅在工业车间内使用的设备融合接入方案设计
仅在工业车间内部使用的设备可只配备WIA-FA无线模块，WIA-FA在车间内无线局域网络典型应用架构如图1所示，包括一个中心及若干现场设备，中心由一个网关设备及一或多个接入设备组成，现场设备可以在多个接入设备覆盖区域间漫游通信。
融合网络方案下的车间WIA-FA网关设备需要集成5G CPE的部分功能，既能够实现与5G网络的高速通信又能够按照典型WIA-FA拓扑结构与接入设备连接，实现WIA-FA无线网络的数据互通与网络管理。集成5G功能的WIA-FA网关设备设计方案如图2所示，截取5G数据链路层中的数据报文，并通过MAC地址、IP地址以及网络协议等信息对数据进行过滤，只将与车间现场网络相关的数据传送至协议转换模块。协议转换模块负责去掉5G MAC层数据包头，并根据地址信息添加基于WIA-FA协议的数据包头，最后通过以太网接口将数据传输至WIA-FA接入设备，实现5G数据与WIA-FA数据的互联互通。
图2 WIA-FA网关设备集成5G技术
融合后的数据业务流程为：带有WIA-FA无线模块工业设备通过WIA-FA接入设备AD(Access Device)后，将数据汇聚到WIA-FA融合5G无线网关，通过5G基站接入5G核心网，核心网UPF网元与园区应用服务器对接，最终数据流通过WIA-FA、5G网络汇入应用服务器，其连接示意图如图3所示。
图3 工业车间内 WIA-FA与5G融合网络架构
2.2 车间内和厂区室外使用的设备融合接入方案设计
在工业场景车间内部与厂区室外具有同时使用需求的设备，可在设备上配备WIA-FA和5G两种通信模块，通过这两种模块，可实现设备在车间内部需要实现端对端低时延、高可靠性控制时，采用WIA-FA协议进行无线通信控制，在车间室外厂区内开阔地带通过5G基站直接进行数据回传，保证数据传输的连续性，确保业务无中断。其技术架构如图4所示。
图4 车间内部和厂区融合网络技术架构
融合后的数据业务流程为：终端同时具备WIA-FA与5G模块，在WIA-FA覆盖区域时，接入WIA-FA网络，WIA-FA网关数据也可接入5G网络。在5G覆盖区域时，通过5G基站接入5G网络。其连接示意图如图5所示。
图5 车间和厂区内WIA-FA与5G融合网络架构
多样化的产品形态和灵活的接入方式，在厂区内等开阔地带可充分发挥5G网络长距离、高带宽的技术优势。在车间内部采用低时延、高可靠、部署灵活、易维护的WIA-FA网络实现工业设备间的高性能控制和数据互通。
2.3 设备数据安全机制分析
WIA-FA网络的安全方案可根据企业实际需求，采取独立的高安全方案，如符合商用密码要求的硬件加密认证体系等。可建设独立的安全管理中心，由数字证书系统与集成服务器密码机的密钥管理系统组成，其中数字证书系统负责各种车间内设备数字证书签发、更新以及注销全生命周期管理，密钥管理系统负责各种设备对称密钥的全生命周期管理，包括密钥生成、密钥更新、密钥存储、备份与追溯、删除与销毁等功能。WIA-FA网关设备、接入设备以及现场设备均集成基于国密算法的密码模块，实现数据加密、网络认证等功能。车间内部独立加密安全方案如图6所示。
图6 WIA-FA工业无线网络独立安全加密方案
5G网络有其标准的安全架构，在3GPP 5G安全标准《5G系统安全架构和流程》中规定：在安全分层方面，分为传送层、归属层/服务层和应用层，各层间相互隔离；
在安全分域方面，5G安全框架分为接入域安全、网络域安全、用户域安全、应用域安全、服务域安全、安全可视化和配置安全六个域[13]。所有的安全保密方式全部要依托于整体网络和系统的能力。在5G原生安全的基础上，还可以采取控制面和用户面的双安全增强进一步提升安全能力，如采用5G轻量化核心网进行物理隔离、控制面用户接入认证的国密算法替换、用户面数据的IP层加密安全增强等[14]，这些5G专网的安全增强措施，可以使得用户的5G专网更加安全可靠。
采用WIA-FA与5G网络融合方案能够大幅减少SIM卡在车间现场的部署，减少中心基站的负载，同时为保证企业生产现场数据控制在企业内部，两个网络间的协议转换由WIA-FA网关完成。此外，结合5G网络的安全增强措施，使融合方案更加安全可靠。
2.4 两种网络接入切换和QoS保证技术分析
WIA-FA与5G融合网络中，还需要解决工业设备在5G网络中的QoS保证和工业终端在5G网络和WIA-FA网络之间的切换等关键问题。
工业设备在5G网络中的QoS保障，可分为基于用户的识别和基于IP地址识别，其中为了保障采用WIA-FA无线网络接入5G网络工业设备的高优先级低时延，可根据用户ID识别，在PCF侧为该用户的所有用户配置高优先级5QI，进一步，如果对该终端下业务进行细分的话，还可以根据目的IP地址进行识别，匹配高优先级的5QI[[15]。另外，基站的空口资源也可以做到用户级别的RB资源预留。这些都能够保证采用WIA-FA无线网络接入5G网络工业设备在5G网络里的高优先级，达到WIA-FA设备低时延传输的目的。
当一个终端同时包含WIA-FA与5G双模块，可以依赖于终端的双连接来实现。终端根据测得的两种网络之间的信号强度，结合管理系统对于两个网络实时链路的状态监控，实现WIA-FA网络与5G网络之间的快速切换。
作为两种无线通信技术，WIA-FA与5G有各自的功能和优势，从部署成本、应用场景要求和后续维护优势等方面来看，在工业生产领域都需要WIA-FA与5G进行深度融合。从工业场景要求来看，WIA-FA可以很好地满足无抖动的低时延、快速部署、高安全、高可靠的工业关键场景的控制要求[16]，同时在部署成本、日常运行能耗和维护管理成本及应急响应抗风险方面具有较大优势。
但随着工业的发展，对于厂区内室外无线覆盖的拓展、用户数的大量新增、跨区域无线通信的联合协同等需求到来，就需要通过与5G的融合来实现。本文提出的工业场景下无线通信的WIA-FA与5G融合解决方案充分汲取了两种网络的技术优势，如：
① 融合部署方式保证了车间内工业现场端到端应用控制的高实时性、高可靠性以及高安全性，又能够在广域范围内利用5G网络高带宽、大容量以及远距离的优势打通厂区间的数据互通，实现跨区域协同作业。
② WIA-FA无线局域网在车间内部具有低成本、易部署的优点，同时可根据车间设备的增加灵活地对网络进行扩充。由于网络的日常管理和维护均可以在车间层面解决，不需要依靠核心网设备，所以后续的运行维护难度和应急响应抗风险能力也大大增加。在车间内采用WIA-FA无线局域网可极大缓解5G网络在固定区域内专网的部署成本高和维护难度大的问题。
③ 通过数据控制，可将车间内工业现场数据控制在WIA-FA无线局域网内部传输，并针对数据敏感程度采用不同的安全加密防护措施，更好地保护企业工业生产相关数据安全。
WIA-FA与5G网络融合部署方案是目前工业场景下实现企业内设备-系统-人互联互通的最优方案，结合此方案中基于国密算法的高安全机制，是航空、航天、船舶、武器装备制造等重点行业智能化升级改造的基础。因此，对于高安全、低时延、高保密、大并发的工业场景，WIA-FA与5G的融合组网将成为未来的发展趋势。
本文分析5G网络在工业场景下应用的痛点以及WIA-FA网络的技术优势，提出了一种WIA-FA网络与5G网络融合的解决方案，结合两种网络的优势提出网络架构、数据互通关键技术以及安全机制，可有效地对5G网络技术在室内场景应用进行补充，降低了5G网络建设的投资部署成本和维护难度，并提供了更高的室内覆盖密度、更低的无线传输时延保障和更高的可靠性，形成了能够实际落地并切实解决企业智能化升级难题的无线互联解决方案。
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