5G LAN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，5G LAN應(yīng)用場景需求分析

隨著5G技術(shù)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(yīng)用越來越廣泛。然而，在這些場景中，傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為多個細(xì)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(lǐng)域，5G LAN服務(wù)可為用戶提供更穩(wěn)定、更快速的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)家庭智能化、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用。在辦公室和企業(yè)領(lǐng)域，5G LAN服務(wù)可以構(gòu)建一個行業(yè)專屬的局域網(wǎng)，通過該5G網(wǎng)絡(luò)接入的終端可以與行業(yè)內(nèi)網(wǎng)中的終端或業(yè)務(wù)服務(wù)器互通，提高辦公效率和企業(yè)運(yùn)營效率。在工廠領(lǐng)域，5G LAN服務(wù)可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供支持，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，促進(jìn)智能制造的發(fā)展。總之，5G LAN服務(wù)為各個細(xì)分市場提供了全新的網(wǎng)絡(luò)連接方式和更多的應(yīng)用空間，對于5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要意義。

5G LAN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

從R16到R18的演進(jìn)過程中，5G LAN的功能和性能不斷得到增強(qiáng)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(kuò)展等，5G LAN的能力得到了極大提升。R18是5G LAN的增強(qiáng)版本，預(yù)計2024年第一季度凍結(jié)，主要在以下方面進(jìn)行了改進(jìn)。

? 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(luò)和業(yè)務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)更加關(guān)注。這意味著在5G網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)用戶可以獲得更多的業(yè)務(wù)流和性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而更好地了解網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)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(luò)的可靠性和穩(wěn)定性?？偟膩碚f，R18 5G LAN為工業(yè)用戶提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)控工具，以確保他們的業(yè)務(wù)能夠順利運(yùn)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(dǎo)致容災(zāi)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(zāi)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(yùn)行不受影響，為工業(yè)用戶帶來更加可靠和高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

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(luò)，將多個群組連接起來實現(xiàn)互聯(lián)互通。在工業(yè)應(yīng)用場景中，常常需要建立多個群組進(jìn)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(qiáng)。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(wù)流的精細(xì)化管理，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和穩(wěn)定性。在工業(yè)應(yīng)用場景中，通常需要對組內(nèi)的用戶和業(yè)務(wù)流進(jìn)行精細(xì)化管理，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求。具體來說，R18 5G LAN可以對組內(nèi)的用戶和業(yè)務(wù)流進(jìn)行精細(xì)化管理，包括用戶認(rèn)證、權(quán)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(luò)性能。該特性可以提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)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(zhǔn)確地監(jiān)測和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，從而滿足不同業(yè)務(wù)的需求。

圖4 ?R18 5G LAN的組管理和組狀態(tài)上報增強(qiáng)

綜上所述，R18版本的5G LAN在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，從而更好地滿足不同業(yè)務(wù)場景的需求，為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更加堅實的基礎(chǔ)。

5G LAN應(yīng)用場景需求分析

工業(yè)業(yè)務(wù)需求分析

5G LAN作為一種新型的局域網(wǎng)技術(shù)，有望在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前工業(yè)應(yīng)用中存在著一些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(luò)之上的私有移動LAN服務(wù)，通過建立“群”，為企業(yè)內(nèi)部終端提供靈活的通信服務(wù)，包括終端互通和終端隔離等。5G LAN具備多項技術(shù)能力，包括Ethernet轉(zhuǎn)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(wù)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(jìn)程，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，具有重要的應(yīng)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(luò)需要支持多種協(xié)議，以便不同類型的設(shè)備可以進(jìn)行通信。5G LAN基于5G提供IP或以太類型專網(wǎng)通信服務(wù)，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(yīng)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(zhì)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(shè)備的協(xié)同工作，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。5G LAN提供的技術(shù)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?qū)崟r和高效地進(jìn)行。

從次，開關(guān)/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(wù)，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(shè)備間通信。例如，根據(jù)位置加入附近“工作島”，進(jìn)行設(shè)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(shè)備分組，實現(xiàn)設(shè)備間的快速通信。例如，AGV車、可穿戴設(shè)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(shù)，可以實現(xiàn)信息的快速傳輸和共享，確保設(shè)備間的精確控制和協(xié)同，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，5G LAN在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將越來越廣闊。

組網(wǎng)架構(gòu)需求分析

在工業(yè)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)通信必須高效、簡單、安全。二層通信技術(shù)因此成為了行業(yè)領(lǐng)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(jìn)行復(fù)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(shù)進(jìn)行物理隔離和邏輯隔離，有效避免不同網(wǎng)絡(luò)之間的干擾和攻擊。

在工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中，大部分并沒有定義網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，這就使得基于IP協(xié)議的三層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以適應(yīng)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(luò)，實現(xiàn)設(shè)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(lǐng)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(luò)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(luò)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(luò)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(jī)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(kuò)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(shè)備，主要用于工業(yè)自動化和機(jī)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(luò)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(jī)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(luò)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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)的成本較高，并且限制了可擴(kuò)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(luò)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(luò)劃分，從而滿足不同的應(yīng)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(luò)。

5G LAN技術(shù)是一種基于5G的局域網(wǎng)技術(shù)，它提供了高速、低時延和高可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，可以支持實時數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)控制。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)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(shù)可以更好地支持移動設(shè)備與無線傳感器等新型工業(yè)自動化設(shè)備的連接，具有更廣闊的應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)將無線通信技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，構(gòu)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(zhì)量和靈活性等。目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，包括5G、4G、Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等。未來，無線通信技術(shù)的應(yīng)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(shè)備的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建無線化柔性工廠方面能夠?qū)崿F(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(yīng)用拓展

TSN是一種用于實時工業(yè)通信和控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(yīng)用場景，需要將其與5G LAN進(jìn)行橋接，以實現(xiàn)更廣泛的網(wǎng)絡(luò)連接。

5G LAN可以提供長距離的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行橋接，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控，擴(kuò)大了TSN的應(yīng)用范圍。同時，橋接可以使工業(yè)設(shè)備無需更改硬件，即可直接與5G LAN相連，提高了設(shè)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(guān)技術(shù)。網(wǎng)關(guān)可以將5G LAN和TSN的數(shù)據(jù)和協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得兩者能夠互相通信。具體來說，網(wǎng)關(guān)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(luò)中；反之，網(wǎng)關(guān)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(luò)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(guān)的用例，如圖5所示。

圖5 ?5G LAN和TSN結(jié)合用例

? 單基站遠(yuǎn)程覆蓋是指在廣袤地區(qū)、近?；蛏衬葻o人區(qū)域中，通過單個5G基站和TSN技術(shù)實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。在單基站遠(yuǎn)程覆蓋中，5G基站可以作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，通過5G LAN技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程設(shè)備上。同時，基站還可以使用TSN技術(shù)實現(xiàn)精確時鐘同步，確保數(shù)據(jù)的時序正確。這種應(yīng)用場景可以提高工作效率、降低維護(hù)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(luò)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(shù)實現(xiàn)工業(yè)通信和控制的覆蓋。具體來說，通過5G LAN技術(shù)將設(shè)備和終端連接到5G基站，并使用5G LAN技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸過程中，可以使用TSN技術(shù)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(shù)手段，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂深A(yù)測性。這樣可以在網(wǎng)絡(luò)級大覆蓋的范圍內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)通信和控制應(yīng)用的高效運(yùn)行。這種應(yīng)用場景的需求主要來自工業(yè)設(shè)備和終端分布在廣闊地區(qū)，需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和控制的工業(yè)企業(yè)。

? 網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)漫游是指通過5G LAN和TSN的結(jié)合，實現(xiàn)TSN端站在整個網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行無縫切換。在工業(yè)場景中，工業(yè)設(shè)備可能需要移動到不同的位置，通過5G LAN可以實現(xiàn)設(shè)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(zhì)量的服務(wù)，保證工業(yè)通信和控制應(yīng)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(kuò)展了TSN的應(yīng)用范圍，使其能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控。此外，橋接還可以提高工業(yè)設(shè)備的靈活性和可用性，使其能夠更好地適應(yīng)不同的工業(yè)場景。同時，橋接還可以提高網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語

5G LAN的出現(xiàn)為工業(yè)應(yīng)用帶來了新的機(jī)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(wù)和市場的發(fā)展需求，確定哪些業(yè)務(wù)和應(yīng)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(chǔ)上，進(jìn)一步明確網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)和要求（如可靠性、低時延、大帶寬等），不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(guān)注新的技術(shù)趨勢和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，加速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈成熟完善，以保持網(wǎng)絡(luò)的競爭優(yōu)勢。

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

?