工業互聯網産業聯盟

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/工廠内網改造

1 概述

當前行業無線網絡應用中，基于頻譜的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；自幹擾系統連接不可靠；覆蓋距離短導緻AP站點數量衆多，選址和安裝都存在困難，維護成本高等。

随着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，但頻譜資源有限，基于頻譜的LTE技術無法廣泛應用，基于頻譜的LTE技術應運而生，采用頻譜提供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，重點解決生産業務流中的“痛點”：覆蓋、連接高可靠、抗幹擾，成為承載企業園區和工廠内網無線工業互聯更優質的解決方案。

1.1 背景

随着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），随着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，場景複雜，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 實施目标

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，助力工業領域産業升級，推進加快中國智能制造2025宏偉目标的進程。

1.3 适用範圍

eLTE-U蜂窩無線專網解決方案主要适用于：

智能制造、倉儲物流領域智能裝備（AGV、UAV等）的無線通信、生産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；軌道交通生産領域的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：無線環境複雜，工程複雜，移動範圍較廣，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

活動範圍大小不一，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

主要承載生産網安全控制數據，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，站内不能安裝無線設備，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，幹擾多，主要可視距傳輸，部分場景會有遮擋，無線基站隻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）、軌旁設備狀态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》内的工廠内網場景，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雲平台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，可以減少工廠内網複雜環境下有線傳輸線纜的部署，适用于多種工廠内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:( )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：抗幹擾、支持移動性，通信性能穩定(時延

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類似的抗幹擾、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：

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）要求丢包率不大于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标清或高清的視頻，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）要求丢包率不大于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産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，網絡接入基站，接入終端CPE和可以集成到行業終端的數據卡。

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台。

基站：eLTE-U室外型基站，提供頻譜的無線接入設備，采用POE供電和傳輸，既支持内置天線，也可以N型射頻接頭外接射頻天線，支持抱杆和挂牆安裝。

CPE/ 卡：CPE提供對應的頻段的接入功能，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。 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+ 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 +終端。

兩種組網方式的區别如下：

表2 eLTE-U解決方案組網比較

組網

核心網+ +終端

+終端

特點

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，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，也可以集成卡，在網絡覆蓋區内，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狀态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，完成移動狀态下的業務跨小區、跨基站的切換，完成數據業務漫遊等功能。

• 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：設備維護時支持單闆複位等。

• 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，自适應等參數。

- 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、删除、查詢IPV4路由。

• 終端CPE支持防火牆服務：

- 防火牆開關：啟用或禁用網絡連接的防火牆。

- 局域網MAC地址過濾：通過MAC地址限制局域網内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：禁止局域網内設備訪問特定的URL。

• 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抗幹擾算法

IRC( 幹擾抑制合并)是一種分集合并技術，能夠消除幹擾。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幹擾信号，隻選擇“好的”信号進行接收(如下圖示意)。在幹擾受限的區域，與MRC相比，IRC能産生将更大的增益。這一增益能夠帶來網絡質量的提高和更好的室内覆蓋。IRC接收機信号接收示意圖如下。

圖3 IRC接收機信号接收

IRC增益：IRC接收機旨在提高接收信号中的發送信号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幹擾消除增益，達到進一步提高系統性能的目的。IRC利用幹擾的空間有色特性抑制同頻幹擾，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 覆蓋增強技術

DL Power 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 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 示意圖

3.4.3 DL TTI 下行覆蓋增強技術

DL TTI 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冗餘版本。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 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 示意圖

3.4.4 MIMO容量增強技術

多入多出(MIMO: Multi-Input Multi-)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（-Input Multi-ple-）系統和MISO（-Input -）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，這樣就産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，經空間信道後由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（ Phase Shift ）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，每符号承載兩信息比特；使用16QAM時，每符号承載四信息比特。使用64QAM時，每符号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，可以選擇不同階次的QAM調制方案。如果UE離非常近或是處在一個好的無線環境下，那麼能夠選擇最高階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。

• / 256位空中接口加密。

• IPSec确保基站與視頻平台之間的安全。

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，确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，将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，并分别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。

• 冗餘設計：硬件廣泛采用主備用、負荷分擔、冗餘配置等可靠性設計方法，确保了硬件系統的可靠性；關鍵部件均采用多處理機冗餘技術，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，備用處理機将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，在保證一定性能指标（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，确保與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，冗餘備份的雙供電系統，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備份的冗餘設計，确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态在線升級，有利于提高通信服務質量。

3.5.3 系統可靠性指标

系統可靠性指标如表3所示。

表3 系統可靠性指标

指标名稱

指标值

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）

系統平均故障修複時間MTTR

≤1小時（不含準備時間）

冗餘備份機制

1+1備份

3.6 解決方案亮點

3.6.1 抗幹擾能力強

幹擾檢測:

• 檢測及時：最快1ms級别的檢測。

• 檢測全面、精細：全系統檢測、系統内子帶寬級（）的信道監測。

幹擾抑制：

• Turbo 糾錯編碼。

• HARQ重傳機制，增加抗幹擾能力。

• UL IRC，幹擾最小化的合并，有效抑制各類幹擾。

幹擾控制：

• 支持MCS0~MCS28共29階調度，适應更多不同程度的幹擾場景。

• MCS自适應調整，有效利用非(弱)幹擾資源。

• 下行固定/動态功控；上行開環/閉環功控算法，避免産生網絡自幹擾。

幹擾躲避：

• (上/下行)頻選調度：根據每個終端的信道狀況，優先分配幹擾小，信号質量高的子帶頻率資源。

• 子帶級資源分配，避免幹擾，有效利用非幹擾資源。

• 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 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以内，不丢包。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的功率控制和信号檢測更加精細，适應快速移動時信号的快速變化，尤其适用于地鐵車地通信等高速移動的場景，可以支持160公裡/小時的移動速度。