隨著5G技術的快速發(fā)展，其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)辦公、家居環(huán)境等場景中的應用越來越廣泛。然而，在這些場景中，傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術往往難以滿足高速、低時延和大規(guī)模連接的需求。

因此，5G LAN作為一種新型的局域網(wǎng)技術應運而生，為多個細分市場提供與局域網(wǎng)和VPN（虛擬專網(wǎng)）相似的功能，且具備5G的大帶寬、廣域接入、移動性和高安全性的優(yōu)勢。

在住宅領域，5G LAN服務可為用戶提供更穩(wěn)定、更快速的網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)家庭智能化、物聯(lián)網(wǎng)等應用。在辦公室和企業(yè)領域，5G LAN服務可以構建一個行業(yè)專屬的局域網(wǎng)，通過該5G網(wǎng)絡接入的終端可以與行業(yè)內(nèi)網(wǎng)中的終端或業(yè)務服務器互通，提高辦公效率和企業(yè)運營效率。在工廠領域，5G LAN服務可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供支持，實現(xiàn)設備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，促進智能制造的發(fā)展。總之，5G LAN服務為各個細分市場提供了全新的網(wǎng)絡連接方式和更多的應用空間，對于5G網(wǎng)絡的發(fā)展具有重要意義。

5G LAN標準進展

從R16到R18的演進過程中，5G LAN的功能和性能不斷得到增強和完善。從最初的5G LAN基本場景，到R17的5G LAN計費和R18的5G LAN組跨SMF、組播優(yōu)化、組管理/組通信擴展等，5G LAN的能力得到了極大提升。R18是5G LAN的增強版本，預計2024年第一季度凍結，主要在以下方面進行了改進。

? 組成員流量特征和性能監(jiān)控層面能力開放。如圖1所示，這些特性對于工業(yè)用戶來說非常重要，因為他們對網(wǎng)絡和業(yè)務的運行狀態(tài)更加關注。這意味著在5G網(wǎng)絡中，工業(yè)用戶可以獲得更多的業(yè)務流和性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而更好地了解網(wǎng)絡和業(yè)務的實時狀態(tài)。此外，R18 5G LAN還支持實時性能監(jiān)控和告警，以及高級的日志分析和故障排除功能，這些功能可以提高網(wǎng)絡的可靠性和穩(wěn)定性。總的來說，R18 5G LAN為工業(yè)用戶提供了強大的網(wǎng)絡管理和監(jiān)控工具，以確保他們的業(yè)務能夠順利運行。

圖1 ?R18 5G LAN的組成員流量特征和性能監(jiān)控層面能力開放特性

? 跨SMF管理VN Group。如圖2所示，這項特性可以有效地解決R16遺留的問題。在R16中，一個VN Group只能被一個SMF管理，這導致容災能力不足，一旦該SMF出現(xiàn)問題，整個VN Group都會受到影響。為了解決這個問題，R18引入了跨SMF管理VN Group的功能，多個SMF可以同時管理一個VN Group，從而提高了系統(tǒng)的可用性、容災能力和穩(wěn)定性。在SMF出現(xiàn)故障時自動切換到其他可用的SMF上，從而保證整個VN Group的運行不受影響，為工業(yè)用戶帶來更加可靠和高效的網(wǎng)絡服務。

圖2??R18 5G LAN的跨SMF管理VN Group特性

? 跨VN Group通信。如圖3所示，該項特性可以幫助用戶建立一個完整的用戶網(wǎng)絡，將多個群組連接起來實現(xiàn)互聯(lián)互通。在工業(yè)應用場景中，常常需要建立多個群組進行流控制、管理和診斷等工作，該特性提高了系統(tǒng)的可用性和靈活性。

圖3 ?R18 5G LAN的跨VN Group通信

? 組管理和組狀態(tài)上報增強。如圖4所示，該特性可以幫助工業(yè)用戶實現(xiàn)對組內(nèi)用戶和業(yè)務流的精細化管理，提高網(wǎng)絡的服務質量和穩(wěn)定性。在工業(yè)應用場景中，通常需要對組內(nèi)的用戶和業(yè)務流進行精細化管理，以滿足不同業(yè)務的需求。具體來說，R18 5G LAN可以對組內(nèi)的用戶和業(yè)務流進行精細化管理，包括用戶認證、權限管理、QoS控制等。此外，R18 5G LAN還可以實時上報組內(nèi)的狀態(tài)信息，如流量、延遲、帶寬等，以幫助工業(yè)用戶監(jiān)控和優(yōu)化網(wǎng)絡性能。該特性可以提高網(wǎng)絡的服務質量和穩(wěn)定性，通過實時上報組內(nèi)狀態(tài)信息，用戶可以更加準確地監(jiān)測和優(yōu)化網(wǎng)絡性能，從而滿足不同業(yè)務的需求。

圖4 ?R18 5G LAN的組管理和組狀態(tài)上報增強

綜上所述，R18版本的5G LAN在網(wǎng)絡拓撲結構、組管理/通信、跨SMF通信、組播、能力開放、監(jiān)控和狀態(tài)上報等方面進行了改進和優(yōu)化，從而更好地滿足不同業(yè)務場景的需求，為5G網(wǎng)絡的發(fā)展和應用提供了更加堅實的基礎。

5G LAN應用場景需求分析

工業(yè)業(yè)務需求分析

5G LAN作為一種新型的局域網(wǎng)技術，有望在工業(yè)領域得到廣泛應用。目前工業(yè)應用中存在著一些網(wǎng)絡技術無法滿足的需求，例如高速、低時延、大容量、高可靠和高安全等，而5G LAN正好可以滿足以上需求。5G LAN是建立在5G終端接入能力和5G網(wǎng)絡之上的私有移動LAN服務，通過建立“群”，為企業(yè)內(nèi)部終端提供靈活的通信服務，包括終端互通和終端隔離等。5G LAN具備多項技術能力，包括Ethernet轉發(fā)、廣播/組播、UE-to-UE通信和群組管理等，這些能力為行業(yè)用戶提供了廣域移動局域網(wǎng)和VPN業(yè)務的支持。5G LAN的出現(xiàn)，可以滿足行業(yè)內(nèi)部通信的多樣化需求，加速產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化的進程，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質量，具有重要的應用價值。

首先，工業(yè)終端多用Ethernet協(xié)議，且部分終端不支持IP協(xié)議。這意味著工業(yè)網(wǎng)絡需要支持多種協(xié)議，以便不同類型的設備可以進行通信。5G LAN基于5G提供IP或以太類型專網(wǎng)通信服務，從而使得工業(yè)終端之間的通信變得更加靈活和高效。

其次，組播/廣播在工業(yè)場景中得到廣泛應用。這是因為組播/廣播可以實現(xiàn)分布式控制和管理，從而提高生產(chǎn)效率和質量。5G LAN支持組播/廣播，可以實現(xiàn)更加高效和可靠的生產(chǎn)線控制及管理。

再次，PLC控制器對多IO終端的同步控制，可以確保生產(chǎn)線上各個設備的協(xié)同工作，從而提高生產(chǎn)效率和質量。5G LAN提供的技術能力可以確保控制信號的快速傳輸和精確控制，從而保證PLC控制器的同步控制能夠實時和高效地進行。

從次，開關/控制器之間的協(xié)同場景可以實現(xiàn)更加智能的控制和管理。如自動化調(diào)度和優(yōu)化、實時反饋和故障檢測等功能，可以實現(xiàn)更加高效和可靠的生產(chǎn)線控制和管理。5G LAN可以提供大容量和可靠的通信服務，從而實現(xiàn)這些功能。

最后，終端動態(tài)加入不同工作域，可以實現(xiàn)更加靈活和智能的設備間通信。例如，根據(jù)位置加入附近“工作島”，進行設備間通信，可以實現(xiàn)更加高效和可靠的物流管理和生產(chǎn)線控制。5G LAN可以支持終端動態(tài)加入不同工作域，根據(jù)位置信息將設備分組，實現(xiàn)設備間的快速通信。例如，AGV車、可穿戴設備、巡查產(chǎn)線編組等。

綜上所述，5G LAN作為一項支持多種工業(yè)需求的通信技術，可以實現(xiàn)信息的快速傳輸和共享，確保設備間的精確控制和協(xié)同，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質量。隨著5G技術的不斷發(fā)展和普及，5G LAN在工業(yè)領域的應用前景也將越來越廣闊。

組網(wǎng)架構需求分析

在工業(yè)領域，網(wǎng)絡通信必須高效、簡單、安全。二層通信技術因此成為了行業(yè)領域普遍選擇的一種方案。相比較于三層協(xié)議，二層協(xié)議的優(yōu)勢在于不需要進行復雜的路由計算，因此具有更高的通信效率和更低的延遲。此外，二層協(xié)議也更加安全，因為其可以通過VLAN技術進行物理隔離和邏輯隔離，有效避免不同網(wǎng)絡之間的干擾和攻擊。

在工業(yè)以太網(wǎng)技術中，大部分并沒有定義網(wǎng)絡層和傳輸層，這就使得基于IP協(xié)議的三層網(wǎng)絡協(xié)議難以適應工業(yè)通信的需求。因此，5G LAN提供的二層組網(wǎng)能力非常重要。通過5G LAN提供的二層組網(wǎng)，工業(yè)用戶可以快速地搭建起二層網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備之間的高效通信和隔離，滿足工業(yè)通信的特殊需求，提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化和自動化水平。

在工業(yè)以太網(wǎng)領域中，一些以太網(wǎng)協(xié)議并不像常規(guī)的以太網(wǎng)協(xié)議那樣定義了網(wǎng)絡層和傳輸層。這些協(xié)議通常被稱為“裸露”以太網(wǎng)協(xié)議，因為它們僅定義了數(shù)據(jù)鏈路層（二層）和物理層。這些協(xié)議通常被用于實時通信和工業(yè)控制系統(tǒng)中，因為它們提供了更低的通信延遲和更大的帶寬。一些典型的“裸露”以太網(wǎng)協(xié)議包括PROFINET、EtherCAT和Modbus TCP。

? PROFINET是一種基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動化網(wǎng)絡協(xié)議，它采用了一種被稱為“Real-time communication(RTC)”的協(xié)議來實現(xiàn)實時性要求。PROFINET協(xié)議沒有定義網(wǎng)絡層和傳輸層，而是在數(shù)據(jù)鏈路層上實現(xiàn)了自己的通信協(xié)議。它基于TCP/IP協(xié)議棧，但又采用了自己的數(shù)據(jù)傳輸機制，可以在兼顧大帶寬和低時延的同時保證數(shù)據(jù)安全性。

? EtherCAT是一種高性能、低時延的實時以太網(wǎng)協(xié)議。它將實時控制信息封裝在數(shù)據(jù)包的擴展幀頭中，可以快速傳輸數(shù)據(jù)并同步控制大量的分布式設備，主要用于工業(yè)自動化和機器控制場景。

? Modbus TCP是一種基于TCP/IP協(xié)議棧的工業(yè)通信協(xié)議。它沒有定義網(wǎng)絡層和傳輸層，而是將數(shù)據(jù)直接封裝在以太網(wǎng)幀中，提供了快速、簡單的數(shù)據(jù)通信機制。

由于這些主流的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議沒有定義網(wǎng)絡層和傳輸層，它們通常需要使用專用硬件和協(xié)議棧來滿足實時性和可靠性要求。這種專用的實現(xiàn)方式可能導致網(wǎng)絡部署和維護的成本較高，并且限制了可擴展性和互操作性。

相比之下，5G LAN的二層組網(wǎng)功能可以提供更加靈活和高效的網(wǎng)絡連接方式。它可以使用虛擬局域網(wǎng)（VLAN）來實現(xiàn)邏輯隔離和網(wǎng)絡劃分，從而滿足不同的應用需求。此外，5G LAN還可以支持多個廣播域和多個網(wǎng)段的劃分，以便更好地管理和控制網(wǎng)絡。

5G LAN技術是一種基于5G的局域網(wǎng)技術，它提供了高速、低時延和高可靠的網(wǎng)絡連接，可以支持實時數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡控制。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術相比，5G LAN具有更好的性能和靈活性，可以充分滿足工業(yè)自動化系統(tǒng)對于實時性和可靠性的要求。此外，5G LAN技術可以更好地支持移動設備與無線傳感器等新型工業(yè)自動化設備的連接，具有更廣闊的應用前景，有望成為未來工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要組成部分。

無線通信需求分析

近年來，隨著無線通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)將無線通信技術應用于生產(chǎn)制造領域，構建無線柔性化工廠，以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質量和靈活性等。目前，無線通信技術已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)制造領域，包括5G、4G、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等。未來，無線通信技術的應用將更加廣泛和深入，可以實現(xiàn)更高速、更可靠、更安全的數(shù)據(jù)傳輸和通信。

Wi-Fi和4G采用IP類型接入，而5G采用LAN Ethernet類型接入。不同的接入類型也會影響設備的網(wǎng)絡配置和通信方式。5G LAN Ethernet類型接入相比Wi-Fi和4G IP類型接入具有更多的優(yōu)勢和特點，如表1所示，使得它在構建無線化柔性工廠方面能夠實現(xiàn)便捷管理、靈活的互聯(lián)互通和可靠通信。

表1 ?5G LAN Ethernet類型與Wi-Fi、4G IP類型接入分析比較

5G LAN和TSN廣域應用拓展

TSN是一種用于實時工業(yè)通信和控制的網(wǎng)絡技術，它可以提供低時延、高可靠性和精確的時鐘同步等特性。然而，TSN的局限性在于其適用范圍有限，只能在局域網(wǎng)內(nèi)部部署。因此，為了拓展TSN的應用場景，需要將其與5G LAN進行橋接，以實現(xiàn)更廣泛的網(wǎng)絡連接。

5G LAN可以提供長距離的網(wǎng)絡接入和高速數(shù)據(jù)傳輸，同時支持移動性和高安全性等特性，與TSN的低時延和高可靠性相輔相成。通過將5G LAN和TSN進行橋接，可以實現(xiàn)遠程訪問和監(jiān)控，擴大了TSN的應用范圍。同時，橋接可以使工業(yè)設備無需更改硬件，即可直接與5G LAN相連，提高了設備的靈活性和可用性。

在實現(xiàn)5G LAN和TSN的橋接方面，可以使用網(wǎng)關技術。網(wǎng)關可以將5G LAN和TSN的數(shù)據(jù)和協(xié)議進行轉換，使得兩者能夠互相通信。具體來說，網(wǎng)關可以將TSN的數(shù)據(jù)封裝為5G LAN的數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)?G LAN網(wǎng)絡中；反之，網(wǎng)關也可以將5G LAN的數(shù)據(jù)封裝為TSN的數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)絋SN網(wǎng)絡中。這樣，就可以實現(xiàn)5G LAN和TSN的無縫連接。以下是一些相關的用例，如圖5所示。

圖5 ?5G LAN和TSN結合用例

? 單基站遠程覆蓋是指在廣袤地區(qū)、近海或沙漠等無人區(qū)域中，通過單個5G基站和TSN技術實現(xiàn)對工業(yè)設備的遠程監(jiān)測和控制。在單基站遠程覆蓋中，5G基站可以作為網(wǎng)絡的中心節(jié)點，通過5G LAN技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程設備上。同時，基站還可以使用TSN技術實現(xiàn)精確時鐘同步，確保數(shù)據(jù)的時序正確。這種應用場景可以提高工作效率、降低維護成本，并且能夠滿足工業(yè)通信和控制的高可靠性、低時延需求。

? 網(wǎng)絡級大覆蓋是指在跨越地區(qū)、省份或大區(qū)域的范圍內(nèi)，通過5G LAN和TSN技術實現(xiàn)工業(yè)通信和控制的覆蓋。具體來說，通過5G LAN技術將設備和終端連接到5G基站，并使用5G LAN技術進行數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸過程中，可以使用TSN技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。TSN可以通過時間同步、帶寬限制和數(shù)據(jù)流量控制等技術手段，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂深A測性。這樣可以在網(wǎng)絡級大覆蓋的范圍內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)通信和控制應用的高效運行。這種應用場景的需求主要來自工業(yè)設備和終端分布在廣闊地區(qū)，需要實現(xiàn)遠程通信和控制的工業(yè)企業(yè)。

? 網(wǎng)絡及遠漫游是指通過5G LAN和TSN的結合，實現(xiàn)TSN端站在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)的漫游和移動。此場景下，利用5G LAN的移動性可以隨時在不同的位置進行無縫切換。在工業(yè)場景中，工業(yè)設備可能需要移動到不同的位置，通過5G LAN可以實現(xiàn)設備的移動性，并保證通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性，同時TSN可以提供高質量的服務，保證工業(yè)通信和控制應用的實時性和穩(wěn)定性。

綜上所述，通過實現(xiàn)5G LAN和TSN的橋接，可以實現(xiàn)多種優(yōu)勢。其中，最顯著的優(yōu)勢是擴展了TSN的應用范圍，使其能夠實現(xiàn)遠程訪問和監(jiān)控。此外，橋接還可以提高工業(yè)設備的靈活性和可用性，使其能夠更好地適應不同的工業(yè)場景。同時，橋接還可以提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性，保證工業(yè)通信和控制的安全性及高效性。

結束語

5G LAN的出現(xiàn)為工業(yè)應用帶來了新的機遇。然而，引入5G LAN仍是一個持續(xù)的過程，需要根據(jù)業(yè)務和市場的發(fā)展需求，確定哪些業(yè)務和應用場景需要5G LAN的支持，如工業(yè)控制、智能制造、智慧城市等。在此基礎上，進一步明確網(wǎng)絡的性能指標和要求（如可靠性、低時延、大帶寬等），不斷進行網(wǎng)絡能力升級和優(yōu)化，以滿足不同行業(yè)和場景的需求。同時，也需要關注新的技術趨勢和標準的發(fā)展，加速推進產(chǎn)業(yè)鏈成熟完善，以保持網(wǎng)絡的競爭優(yōu)勢。

作者：中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院 李靜 李福昌 張濤

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