IP城域網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)訪問或者云訪問的重要承載方式之一，但影響工業(yè)應(yīng)用穩(wěn)定性的質(zhì)量因素較多，工業(yè)控制器、AGV移動車等應(yīng)用具有高可用性、上行高帶寬、可移動等特點，傳統(tǒng)無線網(wǎng)或IP城域網(wǎng)無法全面有效保障其應(yīng)用質(zhì)量。

對于IP城域網(wǎng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究，國內(nèi)外主要圍繞單一5G切片在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和城域網(wǎng)有線線路熱備用兩方面展開，而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的固移融合熱備用保障領(lǐng)域研究十分缺乏。在工程實施上主要使用多通道有線線路備用，但移動性和實用性不佳、成本高昂，且無法實現(xiàn)毫秒級熱備用切換，無法滿足工業(yè)控制等場景高可用規(guī)模應(yīng)用需求。

因此，上述內(nèi)容雖在理論研究方面已具備一定基礎(chǔ)，但在工程實踐方面，尤其是智慧制造領(lǐng)域，仍存在無線網(wǎng)與有線網(wǎng)分離、無感知切換缺乏、安全隱患多等問題。本文通過分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高可用應(yīng)用技術(shù)需求，設(shè)計構(gòu)建基于大帶寬、低時延的固移融合專線熱備應(yīng)用方法解決上述問題。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高可用應(yīng)用技術(shù)需求分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)訪問主要存在“IP城域網(wǎng)公網(wǎng)入公有云”與“組網(wǎng)專線入私有云”兩種方式，應(yīng)用需求具有“業(yè)務(wù)高速入云、移動式應(yīng)用穩(wěn)定、生命線業(yè)務(wù)健壯”的特點，通過分析技術(shù)需求，設(shè)計城域網(wǎng)承載工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量的優(yōu)化方法。

業(yè)務(wù)高速入云需求：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)銷售系統(tǒng)、OA系統(tǒng)等IT應(yīng)用實現(xiàn)高速穩(wěn)定上云的需求迫切，但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法滿足毫秒級切換和上行帶寬等技術(shù)指標；一線多云熱備多并發(fā)能力在傳統(tǒng)單一IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下無法實現(xiàn)。

移動式應(yīng)用穩(wěn)定性需求：工業(yè)車間AGV小車、叉車等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)移動性、精準度要求高，傳統(tǒng)城域網(wǎng)與Wi-Fi技術(shù)不能完全滿足其應(yīng)用需求；工業(yè)車間使用不同Wi-Fi造成相互干擾大，網(wǎng)絡(luò)安全隱患多。

生命線業(yè)務(wù)健壯性需求：工業(yè)控制系統(tǒng)最長中斷時長不得超過30分鐘，否則影響上下游工廠生產(chǎn)，需要實現(xiàn)高可用；客戶端工業(yè)制造現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，光纜布放困難甚至無法布放，導(dǎo)致業(yè)務(wù)開通時間長；工業(yè)生命線業(yè)務(wù)較多存在雙路由備用需求，但物理雙路由實現(xiàn)條件苛刻，成本較高；在出現(xiàn)光纜中斷故障時業(yè)務(wù)無法及時修復(fù)，導(dǎo)致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷時間長。

因此，需構(gòu)建一種5G STN承載網(wǎng)與IP城域網(wǎng)安全互通的專用通道，設(shè)計一種能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)下沉和熱備用平滑要求，并能實施毫秒級熱備用切換的專線方案。

5G切片城域網(wǎng)專線設(shè)計

總體架構(gòu)設(shè)計

5G切片城域網(wǎng)專線設(shè)計總體架構(gòu)如圖1所示，以5G切片專網(wǎng)接入城域網(wǎng)專線構(gòu)建工業(yè)實施場景，實現(xiàn)5G切片專線點對點連接。切片專線A端通過CPE以無線方式接入千兆網(wǎng)絡(luò)，B端通過IPRAN（或新型城域網(wǎng)STN）A設(shè)備接入局端PE，CPE至局端PE實現(xiàn)點對點連接，與私網(wǎng)IP路由可達。

圖1 5G切片城域網(wǎng)專線設(shè)計總體架構(gòu)

切片專線兩端啟用GRE VPN，實現(xiàn)5G定制網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃淼婪庋b，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸和受跳數(shù)限制的路由拼接問題。即在CPE和局端PE配置GRE Tunnel，由于私網(wǎng)IP路由可達，CPE和局端PE建立GRE VPN或VxLAN連接，則數(shù)據(jù)傳輸通過VPN隧道封裝，兩點之間通過隧道虛擬IP互聯(lián)，縮短了IP路由跳數(shù)，滿足了公網(wǎng)IP從城域網(wǎng)BGP發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)前提條件。

客戶端CPE作為城域網(wǎng)公網(wǎng)業(yè)務(wù)IP網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)與業(yè)務(wù)IP互聯(lián)，并配置靜態(tài)路由完成公網(wǎng)業(yè)務(wù)路由的轉(zhuǎn)發(fā)；局端PE作為上網(wǎng)型業(yè)務(wù)統(tǒng)一出口直連接入城域網(wǎng)MSE設(shè)備，局端PE上配置公網(wǎng)互聯(lián)IP，并通過默認路由指向MSE設(shè)備，所有公網(wǎng)IP由MSE設(shè)備統(tǒng)一發(fā)布到公網(wǎng)，最終在CPE、局端PE和MSE設(shè)備配置回程靜態(tài)路由，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)IP與互聯(lián)網(wǎng)的互訪。

熱備用

5G切片城域網(wǎng)專線備用方式如圖2所示，采用浮動路由思路設(shè)計熱備用方式，客戶端設(shè)備預(yù)配置靜態(tài)路由優(yōu)先級，主用端口路由優(yōu)先級高于備用端口，主用端口接入有線城域網(wǎng)專線，備用端口接入5G切片城域網(wǎng)專線，當(dāng)有線接入光纖中斷時，客戶端設(shè)備檢測到主用端口路由不可達，則自動啟用備用端口第二路由轉(zhuǎn)發(fā)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)切換至5G切片專用通道。局端設(shè)備同時會檢測到主用端口失效，則主用端口業(yè)務(wù)IP路由自動失效，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同時自動切換至備用線路出口，完成業(yè)務(wù)由主用到備用的自動熱切換。

圖2 5G切片城域網(wǎng)專線備用方式

低時延與高可靠性

無線接入側(cè)用QoS機制中的GBR/No-GBR來實現(xiàn)業(yè)務(wù)等級劃分，帶寬保障型業(yè)務(wù)使用GBR類型，優(yōu)先保障型業(yè)務(wù)使用No-GBR類型；承載網(wǎng)提供to B和to C兩個FlexE硬切片；to B FlexE切片內(nèi)部采用PQ隊列調(diào)度帶寬保障型業(yè)務(wù)，WFQ隊列調(diào)度優(yōu)先保障型業(yè)務(wù)，不同等級業(yè)務(wù)按不同QoS實現(xiàn)差異化保障。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對接客戶端采用具備支持5G切片功能的CPE部署，有線連接CPE設(shè)置優(yōu)先城域網(wǎng)專線互聯(lián)網(wǎng)訪問，在工業(yè)裝置上增加工業(yè)模塊接收5G信號，設(shè)置低優(yōu)先級路由用于熱備用切換。承載網(wǎng)側(cè)MSE上業(yè)務(wù)IP通過BGP發(fā)布，主用所在MSE2發(fā)布的業(yè)務(wù)IP配置長掩碼，備用所在MSE1發(fā)布的業(yè)務(wù)IP配置短掩碼，訪問業(yè)務(wù)IP優(yōu)先選擇最長掩碼的路由，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)IP網(wǎng)關(guān)下沉。

網(wǎng)絡(luò)和場景驗證

網(wǎng)絡(luò)驗證

場景網(wǎng)絡(luò)驗證分為宏站與室分接入兩種，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量受無線接入信號影響較大，單終端負載在RSRP和SINR符合日常使用范圍條件進行驗證。如表1所示，上行速率超過110Mbit/s，平均時延≤30ms；丟包率為0%，實現(xiàn)1ms熱備用切換。

表1 室分和宏站接入城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)測試情況

場景驗證

場景驗證分為制造車間（室分）與制造平臺（宏站）兩類典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，如表2所示，平均時延≤15ms；丟包率為0，實現(xiàn)1ms熱備用切換。

表2 制造車間室分和宏站工業(yè)場景測試情況

應(yīng)用場景

生命線業(yè)務(wù)場景

5G切片城域網(wǎng)專線通過IP網(wǎng)關(guān)下沉5G CPE、VPN隧道封裝、浮動路由熱備用、負載均衡等技術(shù)，實現(xiàn)固定公網(wǎng)IP通過5G定制網(wǎng)接入IP城域網(wǎng)互聯(lián)互通。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)業(yè)務(wù)開通以及生命線業(yè)務(wù)雙路由備用需求的場景，5G切片城域網(wǎng)專線在原有光纜資源的基礎(chǔ)上實現(xiàn)快速開通部署，與原有光纖接入專線進行冷/熱備用、負載均衡，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)健壯性、移動式訪問、可靠性等需求。

低時延業(yè)務(wù)場景

對于面向時延敏感型的智慧工廠類場景，通過部署邊緣UPF對接局端PE與MSE，MEC部署到邊緣云，相對ULCL減少對核心網(wǎng)跨域使用，實現(xiàn)更低時延，同時可拓展對接至新型城域網(wǎng)等云網(wǎng)融合架構(gòu)。

可視化狀態(tài)管理和“戰(zhàn)新”技術(shù)融合演進

5G切片城域網(wǎng)專線的可視化狀態(tài)監(jiān)控管理是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化應(yīng)用之一，通過二次開發(fā)對接入段主備線路狀態(tài)、流量、誤碼進行監(jiān)控，采用視圖方式實時呈現(xiàn)，同時可疊加量子安全、AI大模型智慧應(yīng)用等，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧化應(yīng)用。

綜上所述，基于GRE VPN或VxLAN技術(shù)的5G切片城域網(wǎng)專線固移融合方法在無需變更固定IP的情況下，實現(xiàn)無線專用切片通道快速接入城域網(wǎng)，開通運維過程不受場地限制，靈活簡單，成本低。通過部署運營商級PE設(shè)備，穩(wěn)定實現(xiàn)110Mbit/s以上熱備用線路并發(fā)承載能力，對今后擴展場景、生命周期管理和“戰(zhàn)新”技術(shù)融合演進提供了新的思路。