5G技术你知多少?一文带你了解5G LAN

来源:鲜枣课堂 | 编辑: 界小娟 2022-11-04 14:10

  今天这篇文章,我们来聊聊 5G LAN

  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。

  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)。

  那么,我为什么会说 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,就让人有点懵逼。不是吗?

  5G LAN,到底是个啥东东?

  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。

  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 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)。

  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?

  别急,让我们继续往下看。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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 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。

  基于这个平台,国内领先的模组厂商移远通信(Quectel)已成功开发出多款支持 5G LAN 技术的 5G 模组,且已实现商用,包括 RG500U、RG200U、RM500U 等 LGA、M.2、Mini PCIe 封装模组。

  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。

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。

  █ 结语

  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。

  日积月累的创新,终究会引领人类走向“万物智联”。让我们拭目以待!

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