用于工业4.0的5G专网 下篇 - 从设计验证到网络运营
白皮书
概述
无线连通性、边缘计算能力和人工智能 (AI) 是工业 4.0 的关键驱动因素。更广泛地说，它们也在推动制造业采用 5G。2021 年，凯捷研究院 对 1000 家工业组织的高管进行了一项调查中，结果发现 60% 的早期采用者表示 5G 帮助他们提高了运营效率，同时有 43% 的人表示 5G 让他们更加灵活。
5G 专网为制造商带来了很大好处，但在部署过程中，制造商及其合作伙伴也必须克服一系列挑战，以确保网络达到出色的覆盖范围、连通性和稳定性。各种各样的部署选项、严格的要求以及对控制、数据和频谱安全的需求使得 5G 专网实施起来非常复杂。克服这些挑战需要全面了解从设计验证到运营的整个网络生命周期。
浏览本白皮书，您将了解到部署 5G 专网的四个关键步骤 ：
- 工业设备的验证和一致性测试
- 网络设计和规划
- 网络部署
- 网络运营与优化
1 步 工业设备的验证和一致性测试
在设计和安装实际网络之前，5G 专网的设计工作便已展开。在这个过程中，首先就要从工业设备的设计、验证和一致性测试开始。5G 专网设备主要用于工业 4.0 应用，因为它们具有与众不同的特质，因此带来了新的挑战。例如，5G 智能眼镜采用电池供电，因此要求上行链路 (UL)/下行链路 (DL) 能够快速传输流量并且保持低时延。它们还需要在爆炸性环境等特殊条件下工作。
用于自动引导车辆 (AGV) 和其他移动机器的 5G 无线路由器，以及用于连接设备的局域网(LAN) 交换机也给工程师带来了独特的挑战。拥有流量管理系统和其他信息技术 (IT) 功能的移动机器使用基于 IP 的流量，但也可能使用工业以太网协议，例如 PROFINET。连接的设备也会变得越来越复杂。例如，未来的机械臂将嵌入多个设备以提高位置准确度和多功能性，如图 1 所示。工业设备和集成要求的独特功能和日益增长的复杂性正在推动着对各个领域进行更多测试，其中包括：
- 工业设备（例如机械臂）内的蜂窝模块集成
- 服务连通性/可靠性/稳定性
- 服务功能和性能
- 符合第三代合作伙伴 (3GPP) 和运营商标准
- 安全性
- 时间敏感型网络 (TSN)/5G 集成
- 超高可靠性和低时延通信 (URLLC)
- 高定位准确度
除了设备之外，无线接入网 (RAN) 和核心网设备还需要对功能、性能、可靠性和互操作性进行验证。设备还需要符合行业标准，以及安全性和 TSN/5G 集成要求。此 外，您 还需要 考虑 工 业网络环境的特点。很多工厂会用到大量高速 旋转的 属机器，因此对于小范围内的射频而言，会存 在许多潜在障碍。这些因素导致信号反射、折射和衰落的增加。
使用尽可能接近实际工厂信道的信号传播模型验证工业设备，这是在操作期间实现高网络性能的关键。工业设备上的天线会从基站接收多个信号，包括直接信号和从基站反射的信号。信道模型需要首先将设备和基站隔离开来，然后在考虑路径损耗等传播因素的情况下，评测多条路径之间的时延以及基站发送和接收信号的角度。
在模型准备好后，可以使用信道仿真器重放模型以验证设备在这些条件下的性能。接下来，您可以使用网络仿真器代替基站，使用一组固定参数来创建可重复信号。设备需要在良好的条件下接收信号。在测试室中隔离设备将为评测设备创建一个必要的可重复环境。
第 2 步 网络设计和规划
在下个阶段，要通过设计与安装实际网络来开启这个生命周期的网络侧。在此阶段需要考虑以下几个关键方面：
- 现场勘测、无线规划和频谱清理，包括识别人为和非人为的信号干扰
- 部署模型、切片和隔离
- 多接入边缘计算 (MEC) 设计
- 过度配置和优化
- 在网络的设计和规划阶段，进行频谱清理是为推出网络做准备的一个重点方面。您需要确保附近没有其他系统与专网使用相同频率。
确保 RAN 性能需要验证频谱并识别潜在的干扰源。这些干扰源可能包括本地的电气/工厂设备、来自本地发射机的强信号以及有缺陷的设备（图 2）。在网络运行期间，最好能消除或最大限度地降低可能的干扰。另外，识别潜在的频率干扰源并消除抑制合法频谱的干扰源也很重要。
然后，您需要决定如何使用图 3 中的一种部署模型来安装专网。例如，您可以将专网安装为不与公共网络共享资源的隔离网络、可与公共网络共享部分资源的混合网络（纯 RAN 或RAN 和控制面），或使用来自公共运营商的 5G 独立切片。为了避免在负载达到峰值时出现网络拥塞，需考虑过度配置网络的风险。要想避免出现网络拥塞，还需要在设计移动边缘云数据中心时考虑到计算、网络和存储需求的峰值工作负载。您可以使用专用和隔离的独立系统或借助公共无线服务提供商来部署 5G 专网。每个选项都可提供不同等级的安全性，并具有特定的服务和网络管理需求。
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