随着5G技术的快速发展，其在工业互联网、企业办公、家居环境等场景中的应用越来越广泛。然而，在这些场景中，传统的局域网技术往往难以满足高速、低时延和大规模连接的需求。
因此，5G LAN作为一种新型的局域网技术应运而生，为多个细分市场提供与局域网和VPN（虚拟专网）相似的功能，且具备5G的大带宽、广域接入、移动性和高安全性的优势。
在住宅领域，5G LAN服务可为用户提供更稳定、更快速的网络连接，实现家庭智能化、物联网等应用。在办公室和企业领域，5G LAN服务可以构建一个行业专属的局域网，通过该5G网络接入的终端可以与行业内网中的终端或业务服务器互通，提高办公效率和企业运营效率。在工厂领域，5G LAN服务可以为工业互联网提供支持，实现设备之间的互联和数据传输，促进智能制造的发展。总之，5G LAN服务为各个细分市场提供了全新的网络连接方式和更多的应用空间，对于5G网络的发展具有重要意义。
5G LAN标准进展
从R16到R18的演进过程中，5G LAN的功能和性能不断得到增强和完善。从最初的5G LAN基本场景，到R17的5G LAN计费和R18的5G LAN组跨SMF、组播优化、组管理/组通信扩展等，5G LAN的能力得到了极大提升。R18是5G LAN的增强版本，预计2024年第一季度冻结，主要在以下方面进行了改进。
• 组成员流量特征和性能监控层面能力开放。如图1所示，这些特性对于工业用户来说非常重要，因为他们对网络和业务的运行状态更加关注。这意味着在5G网络中，工业用户可以获得更多的业务流和性能统计数据，从而更好地了解网络和业务的实时状态。此外，R18 5G LAN还支持实时性能监控和告警，以及高级的日志分析和故障排除功能，这些功能可以提高网络的可靠性和稳定性。总的来说，R18 5G LAN为工业用户提供了强大的网络管理和监控工具，以确保他们的业务能够顺利运行。
图1 R18 5G LAN的组成员流量特征和性能监控层面能力开放特性
• 跨SMF管理VN Group。如图2所示，这项特性可以有效地解决R16遗留的问题。在R16中，一个VN Group只能被一个SMF管理，这导致容灾能力不足，一旦该SMF出现问题，整个VN Group都会受到影响。为了解决这个问题，R18引入了跨SMF管理VN Group的功能，多个SMF可以同时管理一个VN Group，从而提高了系统的可用性、容灾能力和稳定性。在SMF出现故障时自动切换到其他可用的SMF上，从而保证整个VN Group的运行不受影响，为工业用户带来更加可靠和高效的网络服务。
图2 R18 5G LAN的跨SMF管理VN Group特性
• 跨VN Group通信。如图3所示，该项特性可以帮助用户建立一个完整的用户网络，将多个群组连接起来实现互联互通。在工业应用场景中，常常需要建立多个群组进行流控制、管理和诊断等工作，该特性提高了系统的可用性和灵活性。
图3 R18 5G LAN的跨VN Group通信
• 组管理和组状态上报增强。如图4所示，该特性可以帮助工业用户实现对组内用户和业务流的精细化管理，提高网络的服务质量和稳定性。在工业应用场景中，通常需要对组内的用户和业务流进行精细化管理，以满足不同业务的需求。具体来说，R18 5G LAN可以对组内的用户和业务流进行精细化管理，包括用户认证、权限管理、QoS控制等。此外，R18 5G LAN还可以实时上报组内的状态信息，如流量、延迟、带宽等，以帮助工业用户监控和优化网络性能。该特性可以提高网络的服务质量和稳定性，通过实时上报组内状态信息，用户可以更加准确地监测和优化网络性能，从而满足不同业务的需求。
图4 R18 5G LAN的组管理和组状态上报增强
综上所述，R18版本的5G LAN在网络拓扑结构、组管理/通信、跨SMF通信、组播、能力开放、监控和状态上报等方面进行了改进和优化，从而更好地满足不同业务场景的需求，为5G网络的发展和应用提供了更加坚实的基础。
5G LAN应用场景需求分析
工业业务需求分析
5G LAN作为一种新型的局域网技术，有望在工业领域得到广泛应用。目前工业应用中存在着一些网络技术无法满足的需求，例如高速、低时延、大容量、高可靠和高安全等，而5G LAN正好可以满足以上需求。5G LAN是建立在5G终端接入能力和5G网络之上的私有移动LAN服务，通过建立“群”，为企业内部终端提供灵活的通信服务，包括终端互通和终端隔离等。5G LAN具备多项技术能力，包括Ethernet转发、广播/组播、UE-to-UE通信和群组管理等，这些能力为行业用户提供了广域移动局域网和VPN业务的支持。5G LAN的出现，可以满足行业内部通信的多样化需求，加速产业数字化和智能化的进程，提高工业生产的效率和质量，具有重要的应用价值。
首先，工业终端多用Ethernet协议，且部分终端不支持IP协议。这意味着工业网络需要支持多种协议，以便不同类型的设备可以进行通信。5G LAN基于5G提供IP或以太类型专网通信服务，从而使得工业终端之间的通信变得更加灵活和高效。
其次，组播/广播在工业场景中得到广泛应用。这是因为组播/广播可以实现分布式控制和管理，从而提高生产效率和质量。5G LAN支持组播/广播，可以实现更加高效和可靠的生产线控制及管理。
再次，PLC控制器对多IO终端的同步控制，可以确保生产线上各个设备的协同工作，从而提高生产效率和质量。5G LAN提供的技术能力可以确保控制信号的快速传输和精确控制，从而保证PLC控制器的同步控制能够实时和高效地进行。
从次，开关/控制器之间的协同场景可以实现更加智能的控制和管理。如自动化调度和优化、实时反馈和故障检测等功能，可以实现更加高效和可靠的生产线控制和管理。5G LAN可以提供大容量和可靠的通信服务，从而实现这些功能。
最后，终端动态加入不同工作域，可以实现更加灵活和智能的设备间通信。例如，根据位置加入附近“工作岛”，进行设备间通信，可以实现更加高效和可靠的物流管理和生产线控制。5G LAN可以支持终端动态加入不同工作域，根据位置信息将设备分组，实现设备间的快速通信。例如，AGV车、可穿戴设备、巡查产线编组等。
综上所述，5G LAN作为一项支持多种工业需求的通信技术，可以实现信息的快速传输和共享，确保设备间的精确控制和协同，提高工业生产的效率和质量。随着5G技术的不断发展和普及，5G LAN在工业领域的应用前景也将越来越广阔。
组网架构需求分析
在工业领域，网络通信必须高效、简单、安全。二层通信技术因此成为了行业领域普遍选择的一种方案。相比较于三层协议，二层协议的优势在于不需要进行复杂的路由计算，因此具有更高的通信效率和更低的延迟。此外，二层协议也更加安全，因为其可以通过VLAN技术进行物理隔离和逻辑隔离，有效避免不同网络之间的干扰和攻击。
在工业以太网技术中，大部分并没有定义网络层和传输层，这就使得基于IP协议的三层网络协议难以适应工业通信的需求。因此，5G LAN提供的二层组网能力非常重要。通过5G LAN提供的二层组网，工业用户可以快速地搭建起二层网络，实现设备之间的高效通信和隔离，满足工业通信的特殊需求，提高工业生产的智能化和自动化水平。
在工业以太网领域中，一些以太网协议并不像常规的以太网协议那样定义了网络层和传输层。这些协议通常被称为“裸露”以太网协议，因为它们仅定义了数据链路层（二层）和物理层。这些协议通常被用于实时通信和工业控制系统中，因为它们提供了更低的通信延迟和更大的带宽。一些典型的“裸露”以太网协议包括PROFINET、EtherCAT和Modbus TCP。
• PROFINET是一种基于以太网的工业自动化网络协议，它采用了一种被称为 “Real-time communication(RTC)”的协议来实现实时性要求。PROFINET协议没有定义网络层和传输层，而是在数据链路层上实现了自己的通信协议。它基于TCP/IP协议栈，但又采用了自己的数据传输机制，可以在兼顾大带宽和低时延的同时保证数据安全性。
• EtherCAT是一种高性能、低时延的实时以太网协议。它将实时控制信息封装在数据包的扩展帧头中，可以快速传输数据并同步控制大量的分布式设备，主要用于工业自动化和机器控制场景。
• Modbus TCP是一种基于TCP/IP协议栈的工业通信协议。它没有定义网络层和传输层，而是将数据直接封装在以太网帧中，提供了快速、简单的数据通信机制。
由于这些主流的工业以太网协议没有定义网络层和传输层，它们通常需要使用专用硬件和协议栈来满足实时性和可靠性要求。这种专用的实现方式可能导致网络部署和维护的成本较高，并且限制了可扩展性和互操作性。
相比之下，5G LAN的二层组网功能可以提供更加灵活和高效的网络连接方式。它可以使用虚拟局域网（VLAN）来实现逻辑隔离和网络划分，从而满足不同的应用需求。此外，5G LAN还可以支持多个广播域和多个网段的划分，以便更好地管理和控制网络。
5G LAN技术是一种基于5G的局域网技术，它提供了高速、低时延和高可靠的网络连接，可以支持实时数据传输和网络控制。与传统的以太网技术相比，5G LAN具有更好的性能和灵活性，可以充分满足工业自动化系统对于实时性和可靠性的要求。此外，5G LAN技术可以更好地支持移动设备与无线传感器等新型工业自动化设备的连接，具有更广阔的应用前景，有望成为未来工业自动化系统的重要组成部分。
无线通信需求分析
近年来，随着无线通信和工业物联网技术的不断发展，越来越多的企业将无线通信技术应用于生产制造领域，构建无线柔性化工厂，以提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量和灵活性等。目前，无线通信技术已经广泛应用于生产制造领域，包括5G、4G、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。未来，无线通信技术的应用将更加广泛和深入，可以实现更高速、更可靠、更安全的数据传输和通信。
Wi-Fi和4G采用IP类型接入，而5G采用LAN Ethernet类型接入。不同的接入类型也会影响设备的网络配置和通信方式。5G LAN Ethernet类型接入相比Wi-Fi和4G IP类型接入具有更多的优势和特点，如表1所示，使得它在构建无线化柔性工厂方面能够实现便捷管理、灵活的互联互通和可靠通信。
表1 5G LAN Ethernet类型与Wi-Fi、4G IP类型接入分析比较
5G LAN和TSN广域应用拓展
TSN是一种用于实时工业通信和控制的网络技术，它可以提供低时延、高可靠性和精确的时钟同步等特性。然而，TSN的局限性在于其适用范围有限，只能在局域网内部部署。因此，为了拓展TSN的应用场景，需要将其与5G LAN进行桥接，以实现更广泛的网络连接。
5G LAN可以提供长距离的网络接入和高速数据传输，同时支持移动性和高安全性等特性，与TSN的低时延和高可靠性相辅相成。通过将5G LAN和TSN进行桥接，可以实现远程访问和监控，扩大了TSN的应用范围。同时，桥接可以使工业设备无需更改硬件，即可直接与5G LAN相连，提高了设备的灵活性和可用性。
在实现5G LAN和TSN的桥接方面，可以使用网关技术。网关可以将5G LAN和TSN的数据和协议进行转换，使得两者能够互相通信。具体来说，网关可以将TSN的数据封装为5G LAN的数据，然后将其传输到5G LAN网络中；反之，网关也可以将5G LAN的数据封装为TSN的数据，然后将其传输到TSN网络中。这样，就可以实现5G LAN和TSN的无缝连接。以下是一些相关的用例，如图5所示。
图5 5G LAN和TSN结合用例
• 单基站远程覆盖是指在广袤地区、近海或沙漠等无人区域中，通过单个5G基站和TSN技术实现对工业设备的远程监测和控制。在单基站远程覆盖中，5G基站可以作为网络的中心节点，通过5G LAN技术将数据传输到远程设备上。同时，基站还可以使用TSN技术实现精确时钟同步，确保数据的时序正确。这种应用场景可以提高工作效率、降低维护成本，并且能够满足工业通信和控制的高可靠性、低时延需求。
• 网络级大覆盖是指在跨越地区、省份或大区域的范围内，通过5G LAN和TSN技术实现工业通信和控制的覆盖。具体来说，通过5G LAN技术将设备和终端连接到5G基站，并使用5G LAN技术进行数据传输。在传输过程中，可以使用TSN技术实现数据的可靠性和稳定性。TSN可以通过时间同步、带宽限制和数据流量控制等技术手段，确保数据传输的可靠性和可预测性。这样可以在网络级大覆盖的范围内实现工业通信和控制应用的高效运行。这种应用场景的需求主要来自工业设备和终端分布在广阔地区，需要实现远程通信和控制的工业企业。
• 网络及远漫游是指通过5G LAN和TSN的结合，实现TSN端站在整个网络范围内的漫游和移动。此场景下，利用5G LAN的移动性可以随时在不同的位置进行无缝切换。在工业场景中，工业设备可能需要移动到不同的位置，通过5G LAN可以实现设备的移动性，并保证通信的连续性和稳定性，同时TSN可以提供高质量的服务，保证工业通信和控制应用的实时性和稳定性。
综上所述，通过实现5G LAN和TSN的桥接，可以实现多种优势。其中，最显著的优势是扩展了TSN的应用范围，使其能够实现远程访问和监控。此外，桥接还可以提高工业设备的灵活性和可用性，使其能够更好地适应不同的工业场景。同时，桥接还可以提高网络的稳定性和可靠性，保证工业通信和控制的安全性及高效性。
结束语
5G LAN的出现为工业应用带来了新的机遇。然而，引入5G LAN仍是一个持续的过程，需要根据业务和市场的发展需求，确定哪些业务和应用场景需要5G LAN的支持，如工业控制、智能制造、智慧城市等。在此基础上，进一步明确网络的性能指标和要求（如可靠性、低时延、大带宽等），不断进行网络能力升级和优化，以满足不同行业和场景的需求。同时，也需要关注新的技术趋势和标准的发展，加速推进产业链成熟完善，以保持网络的竞争优势。
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作者：中国联合网络通信有限公司研究院 李静 李福昌 张涛
责编/版式：王鹤迦
审核：舒文琼
监制：刘启诚
本文刊载于《通信世界》
总第916期 2023年3月25日 第6期
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