基于卷烟工业生产场景的融合5G无线网络建设思路探讨

　　文/胡鸿宣 丁亮 河南中烟工业有限责任公司

　　摘要：随着5G和Wi-Fi 6的迅猛发展，在强大高效的连接技术催生下，物联网（IoT）正在迅速发展。本文基于对河南中烟生产场景和业务需求的深入理解，研究基于融合“Wi-Fi 6+5G+IoT”的一体化无线网络架构，最大程度保证网络构架的弹性及Wi-Fi 6、5G、物联网络的灵活扩容，降低整体网络的建设成本。为企业数字化转型提供可靠的基础连接，同时研究基于一体化网络环境下的“5G+工业互联网”应用场景，打通不同连接之间的数据壁垒，实现全域数据的联动，实现一张无线融合网络和各种业务应用，满足不同业务应用场景需求。

　　关键字：5G；Wi-Fi 6；物联网（IoT）；定制网；外观检测

　　引言

　　2020年8月21日，国务院国有资产监督管理委员会印发《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》[1]，就推动国有企业数字化转型作出全面部署。烟草行业也在积极组织大规模产业数字化转型建设，数字经济正成为行业高质量发展的新引擎，河南中烟践行数字化转型面临很多现实问题，在生产制造系统（MES）和数据采集系统迭代升级、装备系统建设、供应链系统建设的过程中，催生了大量的移动应用，这对河南中烟无线融合网络建设提出了迫切的要求。本论文旨在探讨如何在河南中烟的生产场景中应用融合5G无线网络的建设思路。通过分析当前中烟生产中存在的问题和需求，结合5G无线网络的特点和优势，提出了一系列建设思路和解决方案，为提高中烟生产场景的效率、安全性和智能化水平，为行业构建工业互联网应用场景提供参考。

　　1. 中烟生产场景问题分析

　　1.1 中烟生产场景概述

　　河南中烟洛阳卷烟厂共有主要建筑３栋，分别是综合楼、联合工房及综合库。其中联合工房东南角为5G主业务区。随着烟草行业的高速发展，烟机设备也在不断推陈出新。设备运行速度由每分钟几十包发展为现在的每分钟四百包以上。然而随着烟机设备运行速度的提升，其机械结构与电气控制系统也变得越来越复杂，设备运行速度大幅提升了烟草企业生产能力，由此所带来的各类设备故障越来越多，现有设备已经无法满足日常生产需求。

　　1.2 现有通信网络存在的问题与挑战

　　外观包装质量现已成为烟草行业的重要质量指标之一，目前外观检测设备的主机安装在包装机的电柜中，该主机是工业级嵌入式工控机，以太网、USB、PCI等端口传输数据。由于车间各类检测设备多，种类多，数量多，需上传的高清图片较大，在图片上传服务器过程中容易造成网络堵塞，如果用有线方式组网对目前网络改动大，也影响卷包数采集、物流系统数据传输。因此，采用当前最先进的5G通信技术，实现对外观检测装置数据的高速无线传输，无须构建现场有线采集网络，实施起来更加简便、高效。

　　2. 5G无线网络技术介绍

　　2.1 5G无线网络概述

　　5G即第五代移动通信技术，是4G之后的延伸，具有高速率、高带宽、高可靠、低时延等特征。国际电信联盟在2015年召开的ITU-RWP5D第22次会议上，确定了5G应具有的三大类应用情景：增强型移动宽带eMBB（面向大流量移动宽带业务）、超高可靠与低延迟的通信uRLLC（面向大连接物联网业务）和大规模机器通信mMTC（面向超高可靠超时延通信），前者主要关注移动通信，后两者则侧重于物联网。

　　电信运营商为行业提供5G网络服务时（定制网），采用的网络建设模式不同，可归纳为三类：基于公网切片的 5G 虚拟专网模式、基于用户面下沉的5G混合虚拟专网模式以及5G独立专网模式。如中国电信推出的面向广域优先型行业客户场景的“致远”模式，面向时延敏感型客户场景提供一定的“比邻”模式，面向安全敏感型客户场景提供的“如翼”模式[2]。客户可根据业务及场景需求进行选择。

　　2.2 5G在工业生产中的应用价值

　　以5G为代表的下一代移动网络的目标是全连接世界，5G是跨时代的技术，是一套非常复杂的、综合的、高度集成化的平台体系，以5G为代表的下一代移动网络正在使全行业数字化，促使网络能力长足发展，催生云业务快速发展，其存储、计算、渲染能力逐步提升，产生的数据通过连接在云端构建，不断创造价值，成为新的生产力。

　　3. 中烟生产场景融合5G无线网络的建设思路

　　3.1 高速无线网络覆盖

　　对于新一代5G网络来说，向下兼容运营商3G、4G、NB-IoT网络，主要分为接入层和核心层。

　　其中接入层主要由移动终端、物联网终端、室外宏基站、室内分布系统组成，完成整个广域网覆盖的功能，与核心层通过传输网络连接。对于核心层，根据3GPP标准，现状核心网主要分为5G、用户面功能、控制面功能、管理面功能等。5G核心网的控制面采用分省集中部署，用户面按需下沉。

　　初期部署设备成熟、场景明确的必要网元，如AMF、SMF、UDM、AUSF、UPF、PCF、CG等，其他5G核心网的网元后期按需部署，如图1所示。

　　Wi-Fi 6作为高速有线接入的延伸网络，主要由无线AP、POE交换机、无线控制器AC、无线认证系统及网管系统组成。通过“5G+Wi-Fi 6”实现高速无线网络覆盖。

　　3.2 物联网技术应用

　　物联网把新一代IT技术充分运用到行业中，具体地说，就是把各种信息传感器嵌入和装备到现有设备中，将物联网与现有的互联网整合起来，实现物与物、物与人的泛在连接，将互联网和Web扩展到物理领域，通过适当的信息和通信技术，使数字和物理实体可以连接起来，从而实现一个全新的应用和服务类别。

　　3.3 数据传输

　　在设备层通过升级或新增数据采集设备，通过5G基站构建的通信网络，实现采集数据的无线传输，无须现场网络布线，实现与采集设备通信连接，实现数据的采集与传输，经服务层对数据进行处理。

　　4. 中烟生产场景融合5G无线网络的解决方案

　　4.1 网络架构设计

　　网络体系由网络互联、数据互通和标示解析三部分组成。网络体系目标框架如图2所示。

　　结合卷烟厂的场景应用，接入层网络架构实施分区部署，依据分区部署、UPF下沉园区原则：

　　5G室分系统部署于生产车间覆盖公网区域；室外基站部署于生产厂区，覆盖厂区室外部分；Wi-Fi 6系统部署于办公区、生活区，作为互联网的移动延伸补充。

　　终端数据通过宏基站、室分系统、Wi-Fi系统，通过UPF进入云资源池，控制各种终端设备、网络设备，满足各种应用场景的需求，各类数据存储于园区数据中心资源池，做到数据不出园区。信令控制信息通过UPF，经过运营商承载网专线，到达省公司进行控制管理的相关功能认证，通过省公司层面访问互联网。

　　本次实施总体网络架构见图3。

　　结合业务时延要求，以及数据不出场的要求，本次核心网采用中国电信“致远”模式建设5G定制网。“致远”模式是中国电信面向广域优先型行业客户提供的定制网服务模式，基于中国电信5G网络资源，通过QoS、DNN定制和切片等技术，为行业客户提供端到端差异化保障的网络连接、行业应用等服务[3]。根据中烟洛阳卷烟厂现网情况，对5G主业务区基站做定制切片化服务，以满足网络需求。“致远”模式依托电信大网资源，复用大网UPF，不需额外进行UPF部署建设，仅需要在用户机房架设光缆至运营商机房。洛阳卷烟厂5G定制网项目业务部署方案见图4。

　　4.2 外观检测装置升级及数据采集

　　通过改造升级外观检测设备，使外观检测设备终端连上5G网络，基于5G网络对小盒外观检测设备终端电脑中的异常图片进行数据采集。在服务器端部署数据采集平台，通过5G网络以数据库连接方式，读取小包外观检测设备的数据库，平台根据可配置时间间隔获取数据，同时可监测数据的完整性。

　　4.3 安全保障方案

　　4.3.1 网络安全边界

　　新建5G融合专网，区别于公用5G网络，融合Wi-Fi 6管理核心功能，其将作为河南中烟工业公司内部网络予以建设和应用。

　　5G专网和企业内网计划在增加必要的安全防护措施后实现互通连接，原则上5G专网是河南中烟的移动化企业内网。互联网与5G专网、互联网与企业内网信息均隔离，做到网络可控。

　　4.3.2 私网数据不出园区

　　针对私网数据不出园区需求，通过省级5GC实施信令承载，通过园区级UPF实施私网数据承载，通过省级UPF实施公网承载。

　　园区级UPF的安全维护管理由专业维护人员负责管控。如果租用运营商的园区级UPF，须做好定制网与大网5GC在各层面的安全隔离与控制[4]。

　　“致远”模式依托电信大网，省级UPF的安全维护管理由电信负责，并已具备完善的安全配套建设。

　　4.3.3 空口加密措施

　　5G用户在申请入网过程中，5G UE和核心网双向互相认证，满足此条件方可入网，否则无法接入专网中，双向认证可抵抗伪基站攻击。5G采用Millenage算法，对鉴权过程进行加密，自LTE时代开始，Millenage算法尚未有被攻破的案例，安全性可靠。

　　结语

　　本文通过分析当前中烟生产中存在的问题和需求，结合5G无线网络的特点和优势，提出了一系列建设思路和解决方案。同时基于5G网络的技术规范标准，从标准上对NB-IoT的应用统一，从控制层纳入Wi-Fi 6核心功能，从而达到对Wi-Fi 6、5G、IoT的融合管理，形成基于融合5G无线网络的架构方案，为行业构建基于“5G定制网+Wi-Fi 6+IoT”的融合无线网络建设提供参考样例，同时也为行业构建工业互联网应用场景提供参考。在烟草工业企业5G应用和私有化部署、工业互联网场景建设上具有重大的参考价值与社会效益。

　　参考文献：

　　[1]国务院国资委办公厅.关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知[EB/OL].（2020-8-21)[2023-9-1].http://www.sasac.gov.cn/n2588020/n2588072/n2591148/n2591150/c15517908/content.html.

　　[2]张晓娟,程锋,歧洁.5G在智能制造行业融合应用的环境分析[J].电信工程技术与标准化,2023,36(2):88-92.

　　[3]辛艳.浅谈5G通信技术的发展与应用[J].软件,2021,42(9):166-168.

　　[4]张桂珍.5G定制网的安全规划与实践[J].网络安全和信息化,2023,(4):118-120.

　　作者简介：胡鸿宣，本科，助理工程师，研究方向：电子信息工程；丁亮，硕士，工程师，研究方向：信息安全。