返回首页

无线专网推动行业信息化领域创新应用与发展

应用天地王树立│文

经过多年蓬勃发展,以TD-LTE技术为基础,包含B-TrunC特性的无线专网开始在行业大规模应用。本文通过对行业无线专网的发展历程回顾,以业务应用为抓手,重点描述了大唐移动SmartLTE在能源、交通等行业的特色业务解决方案,并且针对无线专网目前存在的一些问题进行简略分析,同时,对行业无线专网的演进以及与5G的关系进行了阐述。

2013年,中国移动TD-LTE技术开始在公众移动通信网开始大规模应用。与此同时,工业化与信息化开始大规模融合,行业无线专网尤其是宽带的无线专网作为信息化的载体开始激发需求。2014年,宽带集群联盟成立,将公网的成熟技术应用于行业,推动构建基于LTE技术的宽带集群通信(B-TrunC)系统标准和产业化。2015年初,工信部发布1.4GHz和1.8GHz专网频率,分别用于政务/公共安全,以及行业专用通信网络,为行业无线专网最关键的频率资源这一环节颁发了最重要的“准用证”。

五年来,B-TrunC在国内外得到了广泛应用。在国内,除了香港、澳门、台湾,全国所有省、自治区、直辖市都建设了B-TrunC网络。截止2019年6月,全国共建网687张,用户数超过30万,在9个典型行业大规模应用。

作为宽带集群(B-TrunC)产业联盟的核心成员,大唐移动自B-TrunC成立以来,始终参与相关的标准研究制定工作。2016年12月,大唐移动宽带集群网络及终端产品顺利通过B-TrunC Rel.1产品认证测试;2017年6月,大唐移动宽带集群产品再次通过B-TrunC IOT认证测试,测试通过率100%,全面验证了大唐移动SmartLTE的标准化程度。2019年,B-TrunC联盟联合中国信科旗下大唐移动等相关产业单位共同撰写并发布了《宽带集群(B-TrunC)产业白皮书》,大唐移动多个SmartLTE行业专网案例收录其中。

行业专网的业务应用是主体,脱离了业务应用的网络无疑是空中楼阁,充其量是一条无车辆行驶的高速公路,没有任何价值。那么,行业无线专网的业务应用到底包含哪些?本文尝试从应用领域对无线专网的业务进行总结分析,以期望对行业的应用需求更好的理解,从而提供更优的解决方案,促进行业信息化水平的提升,保障企业高效安全生产。

语音及语音集群业务

语音业务是最基本的业务,在人与人交流为主的行业中,仍然是最重要的业务。在矿山行业,大部分的语音通信需求集中在井下工人与调度员之间,点对点的语音通信是主要需求,语音清晰、覆盖无盲区是核心要求。在此类场景下,VoLTE语音解决方案最适合矿山使用;在智能工厂、轨道交通等领域,需要多工种多人员协同工作,单纯的点对点语音不能满足生产需求,需要群组通信,在这种场景下,B-Trunc集群方案最为适合。

以轨道交通语音集群调度为例,地铁集群调度通信系统主要满足调度员、列车司机、工作人员之间进行方便快捷的单独通话、分组通话和紧急通话,保证地铁的正常运行工作。主要调度通信需求包括如下内容:控制中心行车调度员对沿线各站值班员、工作人员以及线路上列车司机的指挥调度通信;控制中心环控调度员对外勤环控人员的指挥调度通信;控制中心维修调度员对外勤维修人员的指挥调度通信;控制中心防灾调度员和各车站、各车辆段的防灾人员以及救援人员之间的信息通话;各个车站站长、防灾值班员、保安人员等之间的信息通话;车辆段/停车场值班员对车辆段内列车司机、列检及外勤工作人员的指挥调度通信;在紧急情况下,中心指挥人员的应急指挥通信等。

与单纯的语音调度不同的是,在行业应用中,有许多的行业有其特殊的需求,如基于位置的语音调度,需要的是动态重组,用户的群组是动态变化的,这就对集群调度提出了更高的要求。在轨交行业,这是基本的调度需求。

基于B-Trunc的语音集群具有时延低,包含多媒体数据业务的优势,但由于产业链的限制,B-Trunc的终端仍然价格较贵,因此并不是每个行业的集群业务需求都通过B-Trunc满足。在终端数量较少,业务时延要求不是十分严格,对性价比要求较高的行业,基于PoC的语音集群方案是合适的解决方案。此外,在语音质量方面,由于B-Trunc语音采用的是广播的方式,基站无对端协议层的反馈,在RLC/MAC层方面只能采用UM模式,不能进行HARQ重传,因此在覆盖不是十分好的情况下,语音业务质量要弱于其他方式。

总之,在行业无线专网语音业务方面具有VoLTE、B-Trunc集群、PoC三种方案,需要根据不同的实际业务场景需求选择合适的组网模式。

大唐移动SmartLTE轨道交通解决方案

大唐移动SmartLTE矿山解决方案

定位业务

在行业无线专网的使用场景中,有一类行业属于高危行业,人员安全非常重要,需要对人员的实时位置有准确直观的了解。如石油、石化行业的油库、炼油厂,其安全生产关系着整个厂区运行的安全和效率。

其中,油库、炼油厂的日常运维巡检需要实时定位、视频监控联动、异常事件报警、人员危险求助、历史数据查询、运维工作考核等功能,来确保油料生产工作的安全和运维工作的效率。开阔地带GPS/北斗的卫星解决方案是一种合适的方式,但是在这些生产领域,装置多、信号阻挡严重,GPS定位器在室内无法获取GPS卫星信号,这种情况下设备会自动切换为LBS基站定位,即直接获取基站的位置,因此造成位置偏差,所以室内定位就成为卫星定位的盲区,虽然TD-LTE无线专网能够根据无线信号强度或OTDOA的方式定位,但在这种场景下也是无能为力,要想解决室内定位难题就必须另辟蹊径。一种新型的室内定位技术UWB(超宽带技术)很好的解决了室内定位难题。它具有传输速率高、发射功率低、穿透能力强、无载波、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、定位精度超高等优点,这种情况下,TD-LTE无线专网与UWB定位方式的融合是理想的定位方式。

大唐移动SmartLTE炼化解决方案

物联网数据业务

在行业无线专网业务应用上,物联网数据的传输是行业信息化的主要需求,但是各个行业对于专网的需求差别又较大。

在智能电网上,变电机器巡检等业务,传输速率约2Mbps左右,如果引入AR/VR等,传输速率还会增加;精准负控、遥控业务等,对时延及可靠性要求较高,可靠性达到99.99%以上;用电信息采集业务、二遥业务等,对时延和可靠性要求一般,接入数量巨大。基于LTE的电力无线专网,包括LTE-G230MHz和LTE-G1800MHz,目前均在电力无线专网产业联盟进行标准化工作。LTE-G230MHz与LTE-G1800MHz可协调引入5G网络切片技术,实现按需构建不同网络。上述两个频段上均可以开展低速物联网业务和宽带业务。其中230MHz频段可以考虑引入NB-IoT、MTC等物联网技术,提高传输效率、降低功耗;引入多天线MIMO等技术,提升系统传输速率。1800MHz频段可以考虑引入新型多址方式、调制编码方式等技术,提升物联网接入能力;引入多天线MIMO等技术,打造国网宽带接入网络,承载移动机器人巡检、移动巡检、输变电状态监测等宽带业务。

大唐移动SmartLTE电力解决方案

在陆地石油行业,油田物联网就是通过传感、射频、通讯等技术,对油气水井、计量间、油气站库、油气管网等生产对象进行全面的感知,实现生产数据、设备状态信息在生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制,搭建规范、统一的数据管理平台,支持油气生产过程管理,进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。在这一需求下,主要需要实现油气水井、计注站、计配站、注水站、接转站、集输集气站以及联合站等场站的数据自动采集和控制。在油田物联网的需求上,数据的采集周期一般在分钟级,数据量也只有几K字节,对无线专网的性能要求较低。但由于油田地理区域广,对无线专网希望能够提供更大的覆盖,从而减少建设成本。同时在密集地区,需要支持更多的数传终端,满足大量终端数据传输需求。在网络部署上,由于无线专网频率有限,只能同频组网,需要做好网络的优化工作。在条件具备的情况下,大唐移动建议采用1.8G+1.4G的混合组网方案,提升无线频谱资源,增强数据带宽。

大唐移动SmartLTE油田解决方案

宽带多媒体数据业务

随着社会经济的发展和信息技术的进步,信息获取需求超常规增长,各行业部门、企业团体在集群语音业务的基础上,对集群多媒体业务、互联网业务、高速数据业务的需求日益迫切,其中又以高清视频监控业务最为突出。

在行业应用中,TD-LTE无线专网虽然是宽带系统,但是通过无线专网替代传统的固定高清视频监控也是不可能的。无线专网是传统视频监控不能移动的补充,充分发挥其便携、便于移动的优势,用于巡查式的视频监控。车载、便携的视频监控最能发挥无线专网的优点,传统的固定高清视频监控仍然采用原来的方式。除视频监控业务外,随着智能终端的普及,移动生产业务成为无线专网的主流应用,通过巡检终端实时采集巡检信息,减少复杂的作业流程,提升巡检效率。行业无线专网是数据的载体,后续需要根据不同行业的业务特点,开发适合行业的上层软件应用,发挥行业无线专网的最大效率。

在行业无线专网应用中,我们也发现其存在一些使用局限,这些也是后续需要解决的。

  • 终端问题:

    目前在终端的解决方案上,芯片层面有华为海思、中兴微电子、大唐联芯、合肥东芯等供应商,并得到了大规模应用。在终端层面,已有10家厂商推出多款终端投放市场,可以满足各种应用场景,在一些专业性较强的行业,还有第三方厂商推出二次开发的行业终端。但受限于市场规模,终端与公网相比,价格仍然处于较高位置,且行业的终端与公网的终端在使用习惯上不同。目前的行业终端仍然是按照公网使用习惯设计的,并不利于行业客户使用。如行业客户受限于工作需求,并不能随时使用双手,工作环境较公网恶劣,环境噪杂等。随着行业无线专网的扩展,后续这些问题需要解决。

  • 带宽问题:

    虽然TD-LTE是无线宽带系统,但是在数据业务上仍然不能满足日益增长的行业需求,特别是上行方向。如轨道交通行业的PIS广播,视频监控业务等。在这个问题上,需要将无线专网系统作为一个融合的系统来看,在无线专网承载关键业务的前提下,可以采用融合组网方式作为宽带数据的补充。如采用TD-LTE承载CBTC业务,使用WiFi、公网等承载对于安全及性能要求较弱的PIS,视频监控等。当然,TD-LTE需要研究MU-MIMO、协同组网、上行增强等方式提升整个无线专网的带宽。

  • 频率问题:

    目前行业专网分配的频率只有1.8G与1.4G频段,在两个专网距离相隔较进,特别是两张网属于不同设备厂商建设的情况下,相应的干扰问题由于算法不统一以及接口问题,较难实现相应资源的协调。造成专网性能的下降,这部分也需要后续在行业推广中关注。在频谱资源申请困难的情况下,使用自由频段以及频谱感知技术,动态调整使用的频率资源,也是一个需要考虑的方向。

无线通信业快速迭代,随着5G牌照2019年6月6日发布,中国正式进入5G时代。对于新技术应用相对迟缓的行业专网来说,一方面要加速推进宽窄融合,走向宽带化,另一方面也必须关注5G技术带来的机遇和挑战。

5G向垂直行业渗透,将有助于行业发展。在5G时代,由于行业较难分配独立的频谱资源,4G专网+5G公网融合有可能是最可行的方向。4G专网充分满足企业安全的要求,承载核心生产业务,如控制、应急场景下指挥调度等,同时借助5G公网的特性满足安全等级低重要性低但数据带宽要求高的业务,如视频监控、海量数据传输等。在网络建设上,更多的联营联建方案将会被试点。

我国5G商用网络建设正在全面开展,但建设部署还需过程,不会一蹴而就。5G产品的成熟、完备和丰富性还需要进一步提升,在一定时间里距离行业应用需求还有差距。5G公网在很长一段时期内,无法完全取代专网为行业用户单独提供服务,公专网将长期共存。同时,5G新技术也为B-TrunC的技术发展提供了重要基础。B-TrunC将在保持安全和可靠的基础上,向更高带宽、更低时延和更多连接的5G方向演进。