基于免授權頻譜的LTE工業無線互聯專網寬帶方案
基于免授權頻譜的LTE工業無線互聯專網寬帶方案
華為技術有限公司
網絡改造技術篇/成熟技術/工廠內網改造
1 概述
當前行業無線網絡應用中，基于Unlicensed頻譜的WiFi是主流無線網絡技術，但Wifi有諸多問題，制約行業無線的應用發展，比如WiFi在非視距場景下覆蓋難以滿足；在移動或高密場景時延不穩定；自干擾系統連接不可靠；覆蓋距離短導致AP站點數量眾多，選址和安裝都存在困難，維護成本高等。
隨著LTE技術在移動寬帶的廣泛應用，行業逐步引入LTE技術提升網絡性能，但Licensed頻譜資源有限，基于Licensed頻譜的LTE技術無法廣泛應用，基于Unlicensed頻譜的LTE技術應運而生，采用Unlicensed頻譜提供LTE無線網絡覆蓋，兼有Wifi的組網便捷性和LTE的穩定可靠的高性能，重點解決生產業務流中的“痛點”：覆蓋、連接高可靠、抗干擾，成為承載企業園區和工廠內網無線工業互聯更優質的解決方案。
1.1 背景
隨著行業數字化的持續深入，工業領域對連接的訴求越來越高，雖然現場總線、工業以太以及基于Wifi、RFID等的無線技術的使用，實現了部分工業設備的連接，但更大部分的工業設備還屬于沒有任何連接的啞設備。據HMS公司分析，在工業領域的已連接部分，工業以太和工業無線持續發展，至2018年初，工業以太新增至52%的份額（年度首次超過現場總線的42%），無線連接也以32%的增長率快速增長（但無線連接還僅占到6%左右的份額），隨著工廠智能化的持續發展，工業領域對無線通信的期望越來越高。
但工業廠礦園區分布零散，場景復雜，不具備建設一張無線通信大網的條件，也很難獲取區域性專用通信頻譜；而基于免授權頻譜的Wifi技術在工業領域的應用中，逐步暴露出可靠性、安全性、穩定性、移動性等方面的不足，難以勝任更高性能的工業無線通信需求。
1.2 實施目標
針對工業園區難以申請專用頻譜，Wifi性能又無法滿足需求的狀況，基于免授權頻譜引入高性能4G/5G蜂窩無線技術，提升工業無線網絡性能，匹配工業互聯業務訴求，加快行業數字化進程，助力工業領域產業升級，推進加快中國智能制造2025宏偉目標的進程。
1.3 適用范圍
eLTE-U蜂窩無線專網解決方案主要適用于：
智能制造、倉儲物流領域智能裝備（AGV、UAV等）的無線通信、生產管理人員移動辦公等業務；智能工廠、智慧醫療、無人商店等領域的機器人無線通信業務；工業園區的移動巡檢、移動視頻、數據回傳等業務；港口碼頭AGV轉運車調度控制、RCMS吊機檢測、堆場管理等TOS（港口運營管理）業務；軌道交通生產領域的CBTC業務、PIS業務、CCTV等車地無線業務等。
表1 業務應用及場景特點
業務應用 | 場景特點 | |
各類型AGV控制通信 | 倉儲分揀AGV：小型空曠環境，AGV密度大，網絡容量要求高； 工廠、倉儲搬運AGV：無線環境復雜，工程復雜，移動范圍較廣，通信可靠性、穩定性要求高，對時延有要求 | |
機器人無線控制通信 | 活動范圍大小不一，移動性要求高，自主控制類機器人要求具備點對點通信能力； | |
工控類無線通信業務 | 主要承載生產網安全控制數據，要求超低時延、高可靠性，通信速率要求不高； | |
無線視頻監控業務 | 攝像頭分布散，距離遠，走線困難的場景是優勢場景； 環境惡劣，要求設備支持高防護等級； | |
移動巡檢業務 | 電力變電站無人巡檢：要求無縫覆蓋以支持機器人無人自動巡檢，站內不能安裝無線設備，設備僅能安裝在周邊。 工業園區巡檢：終端需支持數據回傳、視頻回傳以及RFID等近距離無線采集能力，油氣石化等特殊行業有防爆要求； | |
港口TOS業務 | 港口泊位區金屬遮擋嚴重，堆場區面積大，巷道長，干擾多，主要可視距傳輸，部分場景會有遮擋，無線基站只能安裝于燈塔等設施，近海場景，需抗鹽霧腐蝕。 | |
地鐵車地業務 | 要求支持高速移動（最高支持120km/h）條件下穩定高可靠通信（CCTV業務），和無線大帶寬需求（上行CCTV，下行PIS等業務）、軌旁設備狀態回傳要求大容量接入能力等。 |
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
eLTE-U無線專網解決方案主要針對《工業互聯網體系架構》內的工廠內網場景，承載智能機器（如AGV等）與工廠控制系統、智能機器與智能機器、工廠控制系統與工廠云平臺等之間的信息交互與通信需求。eLTE-U通信技術提供的高可靠、高性能、可移動的數據傳輸能力，可以減少工廠內網復雜環境下有線傳輸線纜的部署，適用于多種工廠內網環境的無線通信需求場景。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
2.1 智能制造、倉儲物流等AGV業務需求
AGV:(Automated Guided Vehicle)是智能工廠/智慧倉儲的重要裝備，已經被越來越廣泛地應用在各個行業中，不同種類AGV的應用場景差異較大，綜合而言，AGV對無線通信的需求主要體現在以下幾個方面：抗干擾、支持移動性，通信性能穩定(時延<100ms),分揀倉庫等特殊場景要求支持較大容量（單小區支持超過100臺AGV）等。
2.2 工業和服務機器人業務需求
機器人通信業務，除了和AGV類似的抗干擾、支持移動性、穩定性等方面的需求，為實現智能工廠、智慧醫院、無人商店等場景服務機器人之間的信息實時交互，還要考慮支持機器人兩兩之間的點對點通信，便于由當前主流的集中式控制機器人向更高級、更智能的自主控制機器人發展演進。
2.3 港口TOS系統業務需求
可以按照場景分為兩大類：場景1：地面深度覆蓋（AGV）場景，主要需求：移動性、小帶寬、低時延、可靠連接(中低速移動：約30Km/h,時延：<100ms；帶寬：下行<100Kbps；上行：100~150Kbps；高可靠性：普遍要求網絡和設備冗余，保障業務的連續性)；場景2：上行大容量（CCTV&視頻監控類）場景，主要特點：上行帶寬要求高、低時延、抗干擾和高可靠性（低時延：<150ms，上行大帶寬：單用戶上行帶寬典型10+Mbps，支持3~10路視頻的回傳和監控；抗干擾和高可靠性：優于WiFi的抗干擾的連接，需要考慮網絡備份和冗余）。
2.4 軌道交通業務需求
CCTV視頻監控業務需求:
1）要求每小區可同時進行上行至少2路視頻傳輸；
2）要求每路視頻傳輸速率至多2Mbps；
3）要求傳輸時延不超過500ms概率不小于98%；
4）要求丟包率不大于1%。
PIS業務需求:
1）要求支持廣播或組播通信；
2）要求能夠傳輸圖像分辨率為標清或高清的視頻，要求傳輸速率為下行2~8Mbps；
3）要求傳輸時延不超過500ms的概率不小于98%；
4）要求丟包率不大于1%。
3 解決方案
3.1 方案介紹
eLTE-U解決方案是給企業提供的面向生產業務的工業級寬帶無線互聯網絡解決方案，包含有企業業務引擎eCore核心網，unlicense網絡接入基站AirNode，接入終端CPE和可以集成到行業終端的MiniPCIe數據卡。
eLTE-U解決方案主要包含有以下網元和設備：
eCore核心網：eCore作為業務控制核心網絡設備，為業務提供高可靠的核心接入控制和數據交換處理功能，通過SGi接口通過IP網絡接入客戶業務平臺。
基站AirNode：eLTE-U室外型基站AirNode，提供unlicense頻譜的無線接入設備，AirNode采用POE供電和傳輸，既支持內置天線，也可以N型射頻接頭外接射頻天線，支持抱桿和掛墻安裝。
CPE/ MiniPCIe卡：CPE提供對應的unlicense頻段的接入功能，可以和客戶視頻攝像頭、交換設備連接，支持POE供電和IP接口傳輸。 MiniPCIe卡可以集成到行業終端，為行業終端提供數據接入業務。
網管：完成對企業無線網絡設備的管理和控制，對設備進行遠程維護升級和監控功能。
3.2 系統架構和網絡拓撲
eLTE-U無線工業互聯網絡解決方案的基本組網系統架構如下圖所示：
圖2 基本組網系統架構
網絡整體自上而下分為三層：最上層是業務應用層，中間是有eCore核心網和基站Airnode按星型組網組成的網絡層，最下層是終端接入層，業務應用層和網絡層之間通過IP有線連接按照開放的API互通，網絡層和終端接入層之間通過無線空口連接。
eLTE-U解決方案有兩種組網方式，一種是上圖左邊的組網：核心網+AirNode e+終端，另一種是上圖中右邊的組網：兼有核心網和基站功能的AirEdge +終端。
兩種組網方式的區別如下：
表2 eLTE-U解決方案組網比較
組網 | 核心網+AirNode +終端 | AirEdge +終端 |
特點 | AireNode連接核心網，核心網再連接應用服務器，支持跨基站切換，支持完整的QoS控制和數據路由等功能 | 無須核心網，AirEdge通過網口連接應用服務器，不支持跨基站切換和QoS控制等核心網等功能 |
3.3 功能設計
eLTE-U無線專網支持如下功能特性：
在5.8GHz免授權頻譜上使用LTE寬帶技術，支持高速數據寬帶網絡接入，支持數據回傳和視頻監控，行業終端設備可以通過網線連接到eLTE-U的終端CPE，也可以集成MiniPCIe卡，在網絡覆蓋區內，提供穩定、可靠數據通信服務。
? 公共業務：完成對用戶簽約信息的管理和網元間的同步；完成用戶的開機注冊、關機注銷；終端Idle狀態下的移動性管理和周期性發起跟蹤區更新等。
? 數據業務：完成各種速率數據業務，完成移動狀態下的業務跨小區、跨基站的切換，完成數據業務漫游等功能。
? 組網功能：支持VLAN ；支持配置IPV4路由；支持基站星型組網等。
? O&M功能：支持進行各項操作維護。如：設備維護時支持單板復位等。
? 傳輸業務功能：支持多基站配置；減少端到端信道時延；完成多個基站星型組網時的數據轉發。
? 傳輸配置功能
- 實現網口參數配置，如通過MML可以配置速率，雙工模式，自適應等參數。
- VLAN 參數配置，通過MML 可設置網口的VLAN ID和VLAN優先級。
- 支持通過MML 配置、刪除、查詢IPV4路由。
? 終端CPE支持防火墻服務：
- 防火墻開關：啟用或禁用網絡連接的防火墻。
- 局域網MAC地址過濾：通過MAC地址限制局域網內的特定設備訪問網絡。
- 局域網IP過濾：阻止特定的IP地址訪問在本地網絡的計算機。
- URL過濾：禁止局域網內設備訪問特定的URL。
? MiniPCIe數據模塊，可應用于行業客戶進行終端二次開發。該模塊集成到終端中，作為LTE Modem使用，提供無線數據接口，實現空口數據傳輸功能。
3.4 關鍵技術
3.4.1 IRC抗干擾算法
IRC(Interference Rejection Combining 干擾抑制合并)是一種分集合并技術，能夠消除干擾。與采用了MRC的分集式天線相比，采用IRC的分集式天線能夠消除干擾信號，只選擇“好的”信號進行接收(如下圖示意)。在干擾受限的區域，與MRC相比，IRC能產生將更大的增益。這一增益能夠帶來網絡質量的提高和更好的室內覆蓋。IRC接收機信號接收示意圖如下。
圖3 IRC接收機信號接收
IRC增益：IRC接收機旨在提高接收信號中的發送信號成分與噪聲成分的功率比，獲得分集增益和陣列增益，從而提高系統性能。除此以外，IRC接收機還可以提供額外的干擾消除增益，達到進一步提高系統性能的目的。IRC利用干擾的空間有色特性抑制同頻干擾，增強覆蓋。IRC要求有多個接收天線，單天線接收是無法獲得IRC增益的。
3.4.2 DL power boosting覆蓋增強技術
DL Power Boosting是一種增強LTE下行覆蓋的一種調度方式，當UE處于小區邊緣并且低速率業務要求時，通過power boosting調整每個被調度下行資源塊組（RBG）的發射功率，使得RBG組的功率集中在一個PRB發射，提升單個PRB的功率譜密度，可有效提升小區邊緣低速率業務用戶的解調性能，增強下行覆蓋。
圖4 DL power boosting示意圖
3.4.3 DL TTI Bundling下行覆蓋增強技術
DL TTI Bundling是指在N個連續的TTI上傳輸同一個數據塊，N個綁定的TTI作為同一個資源進行處理，不同的TTI傳輸同一個數據塊的不同 HARQ冗余版本。對小區邊緣的下行SINR較低，位于小區邊緣的終端可以通過TTI Bundling特性在連續子幀中發送相同的數據塊，減少重傳，降低RTT傳輸所需要的時間，充分利用HARQ合并的增益，提高LTE下行覆蓋。
圖5 TTI Bundling示意圖
3.4.4 MIMO容量增強技術
多入多出(MIMO: Multi-Input Multi-Output)或多發多收天線(MTMRA)技術是無線移動通信領域智能天線技術的重大突破。MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，也是第四代移動通信系統采用的關鍵技術。
MIMO系統在發射端和接收端均采用多天線和多通道。根據收發兩端天線數量，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統。本質上來講，如果每對發送接收天線之間的衰落是獨立的，這樣就產生多個并行的子信道。在發射端，傳輸信息流經過空時編碼形成N個信息子流。這N個子流由N個天線發射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機根據各數據流的空間特性，利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流。這樣在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，使得同樣的頻率帶寬下，傳輸速率倍增。示意圖如圖6。
圖6 通用的MIMO形式
3.4.5 上行64QAM容量增強技術
上行64QAM是QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）和16QAM的一個補充調制方案。UL 64QAM旨在增加好信道條件下UE的比特率。使用QPSK時，每符號承載兩信息比特；使用16QAM時，每符號承載四信息比特。使用64QAM時，每符號可以進行六信息比特調制。因此，64QAM可以極大提高上行的系統容量。
根據無線環境的質量，eNodeB可以選擇不同階次的QAM調制方案。如果UE離eNodeB非常近或是處在一個好的無線環境下，那么eNodeB能夠選擇最高階QAM調制（64QAM方式）和較大的傳輸塊進行上行傳輸，從而實現更高的數據速率。
圖7 上行64QAM方式
3.5 安全及可靠性
3.5.1 安全性
LTE支持終端和基站之間的雙向認證保證終端和基站的合法性，控制信令支持NAS加密保證信令安全。
? 設備和基站之間的雙向認證。
? AES128 / 256位空中接口加密。
? IPSec確保基站與視頻平臺之間的安全。
3.5.2 可靠性
基站可靠性:
? 支持全面故障檢測功能，包括硬件、軟件、天線、傳輸、小區。
? 支持故障隔離和自愈功能，確保局部故障不影響系統中的其他部分。此外，還支持降規格建立小區，將故障對業務的影響降至最低限度。
eLTE-U核心網具有以下軟、硬件可靠性：
? 分布式設計：采用分布式的硬件結構，通過功能的模塊化設計實現分布式處理，各模塊功能相對獨立，并分別由不同的處理機負責控制，一個處理機的故障不會影響整個系統的正常運行。
? 冗余設計：硬件廣泛采用主備用、負荷分擔、冗余配置等可靠性設計方法，確保了硬件系統的可靠性；關鍵部件均采用多處理機冗余技術，采用主備進程運行方式。在正常情況下，主用處理機控制模塊的運行，備用處理機則實時與主用處理機保持同步；一旦主用處理機故障，備用處理機將立即投入運行接替主用處理機控制模塊，從而保證系統的業務不中斷。業務模塊與接口模塊采用負荷分擔的設計方式，兩塊或多塊模塊在正常工作時，均承擔相同的處理功能，而當其中一個模塊出現故障時，在保證一定性能指標（如呼損）的前提下，由其它模塊完成故障模塊的處理任務，不影響系統正常工作。IP接口支持物理備份，確保與IP承載網之間的IP路由的可靠性。
? 供電可靠性:采用分布式供電方案，冗余備份的雙供電系統，具有防雷、斷電保護、電壓和電流的過高過低保護等功能。若系統掉電，系統支持整機掉電重啟時間小于5分鐘。機框的電源模塊采用1＋1備份的冗余設計，確保在一個電源模塊出現故障時，不影響系統的正常工作。
? 容錯能力:通過對關鍵軟件資源定時檢測、實時任務監控、存儲保護、數據校驗、操作日志信息保存等手段，可有效地防止小軟件故障對系統所造成的沖擊，提高軟件系統的容錯能力（即軟件錯誤情況下的自愈能力）。
? 故障監視及處理:核心網具備自動檢測與診斷系統軟硬件故障的功能，可對故障硬件實施自動隔離、倒換、重新啟動、重新加載等處理。
? 支持熱補丁:在設備的運行過程中，支持對主機軟件打熱補丁的功能，可以在不影響系統業務的情況下實現對主機軟件的動態在線升級，有利于提高通信服務質量。
3.5.3 系統可靠性指標
系統可靠性指標如表3所示。
表3 系統可靠性指標
指標名稱 | 指標值 | |
典型配置系統可用度 | ≥99.999% | |
系統平均故障間隔時間MTBF | ≥24年（滿配置） ≥42年（單框） | |
系統平均故障修復時間MTTR | ≤1小時（不含準備時間） | |
冗余備份機制 | 1+1備份 |
3.6 解決方案亮點
3.6.1 抗干擾能力強
干擾檢測:
? 檢測及時：最快1ms級別的檢測。
? 檢測全面、精細：全系統檢測、系統內子帶寬級（180KHz）的信道監測。
干擾抑制：
? Turbo 糾錯編碼。
? HARQ重傳機制，增加抗干擾能力。
? UL IRC，干擾最小化的合并，有效抑制各類干擾。
干擾控制：
? 支持MCS0~MCS28共29階調度，適應更多不同程度的干擾場景。
? MCS自適應調整，有效利用非(弱)干擾資源。
? 下行固定/動態功控；上行開環/閉環功控算法，避免產生網絡自干擾。
干擾躲避：
? (上/下行)頻選調度：根據每個終端的信道狀況，優先分配干擾小，信號質量高的子帶頻率資源。
? 子帶級資源分配，避免干擾，有效利用非干擾資源。
? GPS同步，整網同步的上下行獨立調度，TDD OFDMA高效全雙工。
3.6.2 覆蓋距離更遠
eLTE-U的覆蓋距離是Wi-Fi的2~3倍。主要原因是eLTE-U的接收靈敏度相比Wi-Fi高10dB，并且采用了Power boosting技術。
3.6.3 移動性更好
eLTE-U基于蜂窩通信系統設計，有完善的切換機制，切換時延可以控制在50ms以內，不丟包。而且，eLTE-U支持自動頻率校正AFC技術，能夠消除快速移動引起的頻率偏移，eLTE-U的功率控制和信號檢測更加精細，適應快速移動時信號的快速變化，尤其適用于地鐵車地通信等高速移動的場景，可以支持160公里/小時的移動速度。
3.6.4 同時在線用戶更多
eLTE-U可以支持100個以上的用戶，并不會降低小區整個吞吐率速率。LTE 5用戶小區吞吐量比WiFi的高93%，傳輸時延低80%。LTE多用戶的小區吞吐量相對單用戶基本持平，WiFi隨著用戶數增多，小區吞吐量快速下降。
3.6.5 QoS保障機制完善
為了滿足不同業務類型和用戶等級對不同傳輸性能（例如帶寬，優先級，時延和吞吐量）的要求，eLTE解決方案為用戶提供端到端QoS保證機制，確保服務質量合理利用網絡資源。 eLTE-U QoS保證機制可以根據用戶最大速度，最小速度，傳輸延遲，丟包率和一系列QoS指標的服務要求，確定用戶特定的QoS等級。通過高級訪問控制，無線資源管理，傳輸資源管理算法確保系統性能，并保證差異化服務和用戶的信號傳輸質量。
3.6.6 傳輸時延更低
傳輸時延最小20ms。跨小區切換時延小于50ms。洋山港項目實測，單小區多用戶（>60用戶/小區）調度狀況下，單用戶端到端平均傳輸時延穩定在50ms左右。
4 成功案例
eLTE-U網絡解決方案已于2017年成功服務于華為東莞松山湖HUB倉自動化物流項目，海康機器人公司基于華為創新的5.8GHz免授權頻譜eLTE-U無線專網方案，為該倉庫提供智能倉儲AGV及配套設備，實現倉庫7000平方米的自動物流運輸，大幅度的提高倉庫運作效率。
圖8 現場設置
由華為eLTE-U工業級蜂窩無線網絡、海康智能倉儲機器人、機器人調度系統（RCS）和智能倉儲管理系統（iWMS）四大核心模塊組成的智能倉儲解決方案，以機器換人為核心理念，工人只需在工作臺操作終端進行必要的操作，就實現了倉庫“貨到人”的先進技術，提升了倉庫整體運作效率。
eLTE-U商用組網的另一個典型案例是上海洋山港四期自動化碼頭項目。上海洋山港是我國最大的集裝箱深水港，洋山港四期項目中，華為公司聯合振華重工集團建設了覆蓋洋山四期全碼頭的eLTE-U無線專網，將港口TOS業務系統、集裝箱水平運輸系統和安全監控系統等無縫融合，引入大型AGV集裝箱自動化搬運技術，實現集裝箱搬運“無人化”作業，集裝箱在碼頭的搬運全部靠無人駕駛的大型AGV車完成。洋山四期碼頭自2017年12月10日商用開港以來，沒有發生過一次因為網絡問題而導致的業務停擺，可靠性得到充分檢驗和驗證，助力洋四碼頭以全球最大的全自動化集裝箱碼頭貫徹國家“一帶一路”戰略，并通過經驗分享，模式復制，引領全球全自動化碼頭建設。
圖9 上海洋山港設備布設
聲明
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