Page 44 - 网络电信2020年9月刊下

图3 5G功能结构划分 图4 OPC UA信息模型[1]

化，则需要工业设备能够根据生产环境灵活地移动 [4] ，此时
采用无线通信的方式更为合适，由此本文提出了OPCUA与5G融 二、OPCUA@5G
考虑到某些工业场景工业设备布置的灵活性和移动性，本
合方案。如图3所示，5G标准包括增强型移动宽带（enhanced
文提出了OPCUA与5G融合的无线通信方式，通过设备之间的无线
Mobile Broadband,eMBB）、超可靠低时延通信（ultra
传输，消除中间设备重新布置的环节，提高生产的整体效率，
Reliable Low Latency Communications，uRLLC）以及海量机
实现IT与OT的融合与协同图35G功能结构划分制造。OPCUA与5G
器通信（massive MachineType Communication，mMTC）三大
融合还能够实现工业场景中大数据量的传输并且能够保证其实
应用场景，分别适用不同业务的传输场景，支持多种传输类型
时性，以及实现底层数据上传至云平台，进行大数据的计算与
保障；其峰值吞吐率上行达到10Gb/s，下行达到20Gb/s，时延
分析，如图5所示。
1ms，能够满足处理大数据量且传输速度要求高的场景；且5G蜂
窝网络的QoS（QualityofService，服务质量，一种为不同类型 图5 OPC UA@5G融合框架
[5]
业务流提供差分服务等级的技术 ）/Slicing机制保障不同业
务的处理优先级，实现不同业务的隔离，满足工业生产要求，
如工业伺服器的实时性与确定性、加工监控视频的时延 [6～8] 。
OPCUA与5G融合采用无线通信方式，不需要在车间大规模铺设电
缆或者通信电路，节省成本，不受限于空间，能够根据工业生
产的需求灵活地布置传输与生产设备，更加适应“工业4.0”与
“中国制造2025”的小批定制化生产系统。本文OPCUA与5G的融
合方案提出如何解决OPCUA到5G蜂窝网络中的传输映射问题，将
不同工业场景的传输需求传递到5G网络，便于5G网络决策建立
满足工业需求的通信通道，实现不同业务的优先级处理，保障
工业多种场景下的数据传输性能。

一、OPC UA TSN 5G蜂窝网络能够根据不同的场景业务需求，分配5G网络的
随着智能制造以及自动化技术不断地发展，智能化、标准 [12]
化与模块化已经成为了工业4.0的关键目标 [9,10] 。生产厂商根 资源，并针对不同的需求来提供特定的服务 。根据5G这一特
性，OPCUA将不同工业场景下的业务传输需求传递给5G网络，由
据各自的通信约定，并且生产监控系统采用的是不同的通讯标
5G网络生成资源分配的策略，例如QoS参数，如图6所示。
准，所以不同的设备之间无法实现语义互通和高效管理。为了
本文提出了OPC UA与5G融合传输映射的解决方案，即解决
解决这个问题，OPC基金会发布了OPC UA，不仅仅可以传输信
OPCUA如何将不同场景下的业务传输需求传递给5G网络。基于
息，而且传输的信息可以被每一个节点正确解析，解决语义互
5G现有的通信机制，如图7所示，PCFPCC（Policyand Charing
操作的问题，此外OPC UA还提供了封装信息模型的标准，易于
开发 [11] 。 Control，策略和计费控制）/QoS规则决策通过N5接口从AF获得
的会话和媒体相关信息。
而TSN是使以太网具有实时性和确定性的新标准，能够将实
本文采取的研究方法是通过N5接口来实现PCF与AF的交互。
时以太网现场总线和OPCUA共享到同一个设施上，识别底层IO，
OPCUA发送HTTPPOST请求调用Npcf_PolicyAuthorization服务，
实现现场层、控制层、管理层、云端的数据通讯。
将工业场景的业务传输需求传递给5G网络，生成相应的QoS参
OPCUA与TSN融合能够满足通信的实时性和确定性，既能保
数，建立符合通信要求的通信通道，从而满足不同工业场景不
障消息在短时间内（例如在实验室中实时监控加工过程，视频
同的数据传输需求，如图8所示是AF与PCF之间数据交互的过程
数据传输要求时延在1s以内）传送到目的地，又能够保障消息
[15] 。
在规定的时间内到达。
网络电信 二零二O年九月 65