关于5G LAN你需要了解的专业知识

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随着通信技术的发展,现在我们几乎已经完全进入5G时代。对于5G,大家应该都很熟悉,它是4G 的演进,也是目前我们最新的移动通信技术。而对于LAN,大家应该更熟悉。它的全称是local area network,也就是局域网。我们家里的网络,还有在公司办公室的网络,基本都是LAN。带有无线Wi-Fi的,就是Wireless LAN(WLAN)。今天我们就来聊聊5G LAN的相关内容。
 
大家如果对通信技术稍有了解的话,就会发现,5G LAN其实是一个很有意思的概念。那么,为什么会说5G LAN很有意思呢?因为,5G是一个广覆盖的蜂窝通信网络,而LAN是一个小范围的区域数据通信网络。两种技术,看上去并无关系。换句话说,5G和LAN这两个词,分开大家都认识。但合在一起后,就让人有点懵,不是吗?
 
5G LAN
 
5G LAN,到底是什么东西?
 
其实,5G LAN,简单来说,就是利用5G技术,将终端进行“分组”、“建群”,组成一个LAN网络。大家都有5G手机。在使用5G手机的时候,你们有没有发现,即便你和朋友离得再近(哪怕面对面),你的手机都是无法搜索到对方的。你之所以可以对方进行通信,是因为数据流到了运营商或者互联网服务商的服务器,绕了一圈。
 
对于基站来说,所有的手机终端之间,都是“隔离”的。这是基于安全的考虑,手机各自使用各自的信道,互不干扰。
 
5G LAN
 
而LAN呢,是将区域内的终端(手机、电脑等)连接在一起,变成“群组”。这既方便了相互之间的数据传输,也节省了外网出口。在LAN中,终端相互之间通过MAC地址可以选址,就找到对方(层二通信)。出入外网的话,架设一个路由器,通过IP选址,也可以实现路由出入(层三通信)。
 
我们都知道,“4G改变生活,5G改变社会”。作为目前最主流的移动通信技术,5G肩负了“万物互联,助力百行千业数字化转型”的使命,需要帮助垂直行业的用户打通连接。那么,5G就不能只打通每个终端到云的连接,还要实现终端与终端之间的“就近连接”。所以,在3GPP R16标准中,就推出了5G LAN这个新特性功能。
 
5G LAN的原理与特点
 
在5G网络里,管理者可以修改用户数据库(UDM网元)中的数据,对指定的终端(UE)号码进行业务签约,从而把它们分入相同或不同的VN Group(Virtual Network Group,虚拟网络群组)。
 
用户数据库会向5G核心网(5GC)的管理网元(SMF、AMF、PCF等)提供终端号码的VN群组信息,以及访问策略。管理网元基于这些信息和策略规则,将它们组成了不同的LAN。这就是5G LAN。
 
5G LAN
 5G LAN网络架构示意图
 
5G LAN支持层二通信(相同网段,互相直接访问),也支持层三通信(跨网段,借助路由)。5G LAN支持单播,也支持组播和广播。简单来说,就是相互访问方式非常灵活,组网也非常简单。
 
从范围来看,5G LAN既支持同一个UPF(5G核心网的媒体面网元)下的相互通信,也支持不同UPF下的相互通信。这等于打破了终端之间的物理距离限制(甚至北京和上海都能通信)。
 
5G LAN
 
特别重要的一点,5G LAN建立的网络,可以与用户现有的数据网络进行连接,从而实现即插即用、相互访问。
 
5G LAN的应用场景和优势
 
5G LAN实现了指定5G终端之间的分组和连接,大大方便了企业构建更具移动性的LAN网络。很多读者肯定会问,现有的Wi-Fi技术,不是已经可以实现移动性了吗?为什么还需要5G LAN?
 
5G LAN实现的本地组网,可以帮助企业、学校、政府、家庭等用户更好地进行区域范围内的终端互联互通。它可以用于办公网络,但是,它更大的价值,在于对园区生产环境的改造,对工业制造、港口码头、能源矿山等生产型企业基层网络的改造。
 
5G LAN
 
我们现在都在推动工业互联网,认为5G能够赋能行业场景的数字化,就是因为5G拥有大带宽、低时延等特点,是出色的无线通信技术,可以实现工业场景各个生产要素的无线连接。
 
以工业制造为例。以前,为了更好地进行自动化,实现设备控制,采用的是“工业总线”技术。这种技术有很多类型,可谓“五花八门”。后来,随着以太网和IP技术的出现,工业界形成了共识,一起向以太网演进,就有了“工业以太网”。现在,不管谁家的工业互联协议,基本都是基于以太网的。再后来,工业企业发现,有线连接对移动性有太多的限制——设备后面总要留一个“辫子”,妨碍了自由移动。而且,有线连接部署方式比较麻烦,工期长,成本高。一旦设备或线缆出现问题,更换也很耽误事。所以,工业界开始考虑,引入无线通信技术。于是,Wi-Fi、蓝牙等技术,就进入了工业领域。
 
那么,回到前面的问题,既然有Wi-Fi,为什么要5G LAN?原因如下:
 
一、Wi-Fi网络(尤其是Wi-Fi 4、Wi-Fi 5)的性能不如5G。
 
传输速率、时延等方面,5G能更好地满足工业机器人(机械臂控制)、智能质检(高速图像识别)、AGV(无人物流小车)等场景的需求。覆盖范围方面,5G的覆盖范围比Wi-Fi更大,可以更好地覆盖园区。5G的小区间切换能力,也比Wi-Fi更强,可以给用户带来更好的网络体验。
 
二、Wi-Fi网络维护成本高。
 
企业建设园区Wi-Fi网络,需要自己布线,自己买设备。设备有折旧、有损坏、有更新换代,还要专人维护。海量的Wi-Fi设备,配置也很麻烦。5G不一样。它是由运营商负责建设和维护的,企业属于租用(Wi-Fi对比5G,有点像自建机房对比云计算)。综合来看,5G会更加划算。
 
三、5G LAN的功能更加强大。
 
前面提到5G LAN的VN分组。分组除了隔离通信之外,更重要的一个作用,是实现不同网络的QoS(服务等级)差异化。举例来说,企业内部有办公网络、IT系统网络、OT网络等。OT就是Operational Technology,运营技术(操作技术)。其实就是连接工业环境和设备的网络,例如车床、机械臂、传感器、仪器仪表、AGV、监控系统、MES、PLC等。
 
5G LAN
 
不同的网络,对性能要求不一样,有的需要时延低,有的需要带宽大,有的则没有那么多要求。5G LAN在分组的基础上,可以针对不同的VN分组,定义不同的网络性能。有的企业,将其称为“微切片”。
 
四、5G LAN容易管理,且安全性更强。
 
前面我们提到可以在运营商的5G UDM网元中修改用户签约数据,对用户进行VN分组。那么,难道我们每次需要变更一个终端的分组信息(加入、删除、更改),都要找运营商客服吗?当然不用。运营商5G网络可以通过开发接口的方式,将修改权限开放给企业网络管理者,实现自助修改。当然,企业还可以根据自己的需要,设置自己的专网策略。在建立数据连接时,企业还可以设置授权和认证机制,对VN分组进行严格管理。这个安全性,比Wi-Fi强大了很多,也方便了很多。
 
5G LAN的案例分析
 
接下来,我们通过一个具体的组网案例,来看看5G LAN到底有什么好处。
首先,一家制造型企业,有自己的车间、生产线(或车床),需要通过网络,将PLC和PLC控制端连接起来。每条流水线有很多的设备,也是独立的。将流水线的每个设备都安装5G模组,这是比较理想的状态。但是,现阶段费用好像会有点贵。那么,我们引入5G工业网关,或者5G CPE,可以提升性价比。适合用有线的,连接有线端口(以太网口、或PLC端口)。适合用无线的,连接5G或Wi-Fi。
 
5G LAN
 
如果5G不支持5G LAN(R16之前),实现PLC和PLC控制器之间的连接,也是可以的。但是,整个5G网络是依靠IP寻址的三层协议,终端地址也是IP地址,不支持二层数据转发。为了实现端到端通信,就必须在两边各加一个AR(Access Router,接入路由器),建立一个隧道,把工业二层协议封装在隧道里,带到对端。
 
5G LAN
 
这种方式,不仅增加复杂度,也增加了成本(AR路由器购买成本、AR路由器配置的人力和时间成本)。试想一下,如果车间有几千条流水线,那么这个成本将会非常惊人。引入5G LAN之后,5G网络支持直接传输二层协议,就不再需要AR路由器了。同时,5G网络可以为没有IP地址的终端提供路由,UPF可以识别终端的MAC地址,整个网络变成了极简的单层网络,相互之间进行层二通信。
 
5G LAN的即插即用能力,可以完美地将自己与客户现有网络进行融合,减少了对客户现有网络的影响,不需要费劲改造升级,可以节约大量成本。从宏观上来看,5G LAN是5G与以太网技术的协作。将来,基于以太网技术发展的TSN(时间敏感网络)技术,也离不开5G LAN的助力。值得一提的是,5G LAN除了有利于建设园区内部网络之外,还可以作为企业传统专线网络的补充,连接异地的分支机构。
 
5G LAN
 
5G LAN的模组
 
正如大家所见,5G LAN是5G在垂直行业落地的一个重要创新技术。它可以建设更强大的5G专网通信,帮助客户加速数字化转型升级。想要更好地部署5G LAN,除了网络侧升级之外,还需要5G模组的支持。在5G LAN技术商用落地的进程中,紫光展锐推出的业界首款5G R16 Ready基带芯片平台——V516。
 
5G LAN
 
这些模组具有高可靠性特点,可实现ms级的空口时延和精度达1us的5G网络授时,可以更好地满足工业制造高精度机器协作、仓储物流多车协同、智能电网差动保护等工业互联网行业应用需求。在浙江宁波,某知名企业采用移远通信5G LAN模组,建立了5G全连接工厂,完成了全国首个5G LAN商用试点。作为一家汽车铝合金精密压铸件制造企业,该企业聚焦汽车零部件制造领域,是典型的离散制造型企业。它下面的6家工厂,分散在宁波市某工业园的不同位置。5G LAN技术,帮助这些工厂实现了更灵活的连接,使工厂产线调整效率提升了70%(7天→2天),MES组网交付效率翻了一倍(6个月→3个月),年均可节约隧道配置维护工作约750人天。
 
5G LAN
 某知名企业厂区内安装的5G设备
 
在这里,“5G+工业互联网”真正实现了“柔性生产”的赋能。在某汽车品牌、某大学智慧楼宇、某工业企业柔性工厂等项目,5G LAN也都实现了成功落地。未来,5G LAN会更多地出现在我们的视野中,赋能国内数十万个园区的数字化改造。 
 
工业互联网是第四次工业革命的基石,像5G LAN这样的5G专网技术创新,对工业领域全面走向数字化、网络化、智能化,具有重要的意义。
 
随着5G R17版本的冻结,我们逐渐迎来了5G-Advanced时代。新的精彩还在继续,新的技术创新,也在不断出现。
 
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