通信世界网消息（CWW）新型工业化是推进中国式现代化的重要引擎，面向新型工业化的5G赋能数智工厂需要构建5G网络端到端确定性保障体系，满足生产业务在时延、抖动、可靠性等方面的苛刻要求，为数智工厂7*24小时不间断运行提供高可用、高安全的保障。本文从确定性网络的关键技术之一双发选收技术出发，剖析如何利用FRER协议通过多路径的数据包冗余传输实现高可靠、低时延、低抖动的端到端确定性高可用网络，提升工业通信的稳定性。
双发选收的优势
在工业制造、仓储管理、医疗等场景下，5G专网实现对终端设备的实时管理和控制，解决传统网络物理连线移动范围受限、布线复杂运维困难等弊端，但上述场景同时也对5G网络提出更高要求。
在工业互联场景中，机械臂等设备在PLC控制系统的管理下进行自动化生产，在服务器下发作业任务和采集信息时，需要超高的可靠性来保障生产业务的连续性。
在智能仓储场景中，自动导航小车AGV需要跨小区移动并确保网络不中断，从而完成自动拣选和自动分拣等任务。由于AGV小车需要实时上报位置和状态信息并获取运行控制指令，因此对端到端网络的可靠性和时延有很高的要求。当网络出现不稳定、时延抖动大、丢包率高等问题时会导致AGV频繁掉线和卡顿，严重影响企业生产。
在医疗互联场景中，病房区域的医疗设备需要接入数据中心进行医疗辅助。这些设备需要经常移动到不同房间使用或移动中使用，以提升设备利用率。因此使用5G网关实现设备的网络接入以提高灵活移动性，同时需要确保医疗数据的实时传输和处理的准确性。
为了满足上述业务场景对于丢包率、时延、抖动等网络特性的严苛要求，5G通信网络的确定性高可靠保障是关键环节， 5G+工业互联网的高质量发展和规模化应用离不开高效、易行的高可靠解决方案。
标准双路径冗余方案
围绕5G网络的高可靠特性，3GPP提出用户面冗余解决方案（如图1），在单模组终端UE和DN（Data Network）之间建立两个独立的用户面用于PDU会话进行冗余传输，且要支持FRER（Frame Replication and Elimination for Reliability）协议。该方案要求UE同时生成两个PDU会话，并分别连接两个无线，且备用链路可以随时接管主用链路，支持难度较大，不易实现。
图1 端到端用户面冗余方案
针对标准方案实现难度较大、终端芯片不成熟的现状，业界普遍采用在端侧和核心网侧部署交换机或者路由器的方案实现路径的冗余传输（如图2）。在工业终端和UPF侧分别部署支持双发选收的路由器或者交换机，进行报文的复制和去重。该方案可以实现双路冗余，但是却增加部署成本和网络复杂度。
图2 终端侧和网络侧外置双发选收设备组网图
为了降低5G网络的部署和应用门槛，同时不增加现有网络的复杂度和建设成本，亟待提出更加易实现、低成本的确定性高可靠解决方案。
基于FRER的原生双发选收
总体设计原则
面对标准高可靠方案终端芯片支持难度大，外置交换机/路由器实现双发冗余实施成本高系统复杂等问题，中国移动研究院创新提出基于终端和核心网实现的双发选收方案，该方案选取FRER的标准协议栈（图3所示）满足后向兼容TSN（Time-Sensitive Network），在UPF和终端侧实现数据复制和去重功能，同时UPF本地配置两个模组的配对关系，并支持基于FRER流控制（如图4所示）。
图3 基于FRER的协议栈
图4 UPF双发选收流控制实现架构
双发选收实现方案
双发选收实现方案如图5所示。为了解决二层工业终端在IP网络中传输的问题，该方案需以5G LAN为前提，用户上线会话类型为5G VN Ethernet。
图5 双发选收实现方案
签约流程：双发选收终端（CPE）需支持双模组，且在UDM中签约两个SIM卡，通过两个SUPI上线。
注册流程：双模组各自发起注册，完成接入鉴权，并选择各自的频段。
会话建立：双发选收终端（CPE）分别发起两路PDU会话建立请求，并成功建立会话；UPF本地静态配置两个模组（SUPI）的配对关系（以表1为例），便于进行复制和去重。
UPF复制和去重：
复制：UPF收到下行报文，查询该报文对应的PDU会话，并提取下行报文的源、目的MAC地址和vLANID，查询是否需要执行FRER复制流程；若需要，则插入R-TAG （用于标识冗余关系）并执行帧复制，然后分别转发到对应的两个PDU会话中，并更新Sequence Number；否则，无需复制直接转发至唯一的PDU会话。
去重：UPF收到上行报文，提取报文的源、目的MAC地址和vLANID、Sequence Number等信息， 查询是否已经转发过相同的帧，如果未转发过该帧，则转发；否则，丢弃。
5G终端复制和去重：
复制：终端发起上行流量，按需进行报文复制，原始报文及复制报文均采用802.1CB以太封装，且具有相同的Sequence Number。原始报文和复制报文通过同一VLAN ID的不同的SUPI进行独立发送。
去重：终端应能接受网络侧发起的下行流量，并从一个VLAN ID的不同SUPI上分别收到原始报文以及其复制报文，丢弃冗余报文。
典型应用案例
青岛海尔拖链电缆5G化改造
滚筒洗衣机内筒的制作与装配所需要的翻转、托举、夹抱、传送等动作，普遍采用拖链电缆的方式进行通信和控制连接。拖链电缆的连接方式存在两大痛点问题。首先，设备高速运行所带来持续的拖拽和弯折，会导致线缆的故障和中断，并且定位困难，维修成本高；第二，主站PLC通过串联方式实现对各从站PLC之间的控制，一旦某一段网线出现问题，串接的所有设备都会停止工作，致使整个产线停机，严重影响生产进程。
中国移动研究院联合青岛移动、卡奥斯工业智能研究院等合作伙伴，就滚筒洗衣机工厂的拖链电缆易损问题引起的整个产线停机、影响生产效能等痛点问题，创新设计了基于核心网和终端实现的双发选收技术方案，通过拖链电缆5G化的改造方案解决有线通信带来的痛点问题。
图6 青岛海尔双发选收组网方案
本方案可以保证整个5G网络稳定工作在16ms@99.99%可靠性的指标状态，达到了产线的时延和可靠性要求，并顺利通过72小时稳定测试，本方案解决了青岛海尔中德滚筒洗衣机工厂拖链易损所导致的产线频繁停机检修的痛点问题，帮助工厂缩短每个月二十小时左右的停机维护时间。
立讯精密AGV小车5G化实现
基于WiFi网络的AGV跨区运行时，会存在大量丢包现象，而导致业务流程频繁中断、WiFi稳定性和吞吐量受并发量影响等痛点问题，这对5G网络的确定性能力提出更高要求。
图7 双频双发选收实现方案
围绕客户柔性生产和业务稳定运行的需求，中国移动研究院创新设计了双频5G-A确定性网络综合解决方案。面向柔性组网需求，通过采用5G-A精简5G LAN技术，实现了传感器、控制器、RFID读写器等工业终端的即插即用，将单产线网络调整时长从2小时降低到15分钟，满足了产线快速调整要求；面向低时延高可靠的设备控制，通过创新设计的5G-A双频双发选收方案（2.6GHz+4.9GHz），不仅实现了 “0”丢包，还将业务时延降低44%至18ms，抖动降低了37.5%（±5ms）,保证了AGV跨区运行不中断。
相较于标准方案和交换机实现，基于FRER的原生双发选收可通过软件升级实现终端和核心网的功能要求，既可以满足工业生产所需要的极致可靠性和低时延要求，又避免了对芯片功能和客户侧服务器的强依赖，具备高可靠、易部署、可扩展等优势。
结语
基于FRER的原生双发选收方案已在线缆往复、AGV小车切换等局域网场景中得到有效验证，并取得显著效果，未来将进一步拓展在自动驾驶、低空经济等广域网场景。中国移动研究院将携手合作伙伴孵化更多的产业应用，构建可规模复制模式，为传统制造业的转型升级注入新的动力，加速新型工业化的进程。
