隨著5G技術的快速發展，其在工業互聯網、企業辦公、家居環境等場景中的應用越來越廣泛。然而，在這些場景中，傳統的局域網技術往往難以滿足高速、低時延和大規模連接的需求。

因此，5G LAN作為一種新型的局域網技術應運而生，為多個細分市場提供與局域網和VPN（虛擬專網）相似的功能，且具備5G的大帶寬、廣域接入、移動性和高安全性的優勢。

在住宅領域，5G LAN服務可為用戶提供更穩定、更快速的網絡連接，實現家庭智能化、物聯網等應用。在辦公室和企業領域，5G LAN服務可以構建一個行業專屬的局域網，通過該5G網絡接入的終端可以與行業內網中的終端或業務服務器互通，提高辦公效率和企業運營效率。在工廠領域，5G LAN服務可以為工業互聯網提供支持，實現設備之間的互聯和數據傳輸，促進智能制造的發展。總之，5G LAN服務為各個細分市場提供了全新的網絡連接方式和更多的應用空間，對于5G網絡的發展具有重要意義。

5G LAN標準進展

從R16到R18的演進過程中，5G LAN的功能和性能不斷得到增強和完善。從最初的5G LAN基本場景，到R17的5G LAN計費和R18的5G LAN組跨SMF、組播優化、組管理/組通信擴展等，5G LAN的能力得到了極大提升。R18是5G LAN的增強版本，預計2024年第一季度凍結，主要在以下方面進行了改進。

? 組成員流量特征和性能監控層面能力開放。如圖1所示，這些特性對于工業用戶來說非常重要，因為他們對網絡和業務的運行狀態更加關注。這意味著在5G網絡中，工業用戶可以獲得更多的業務流和性能統計數據，從而更好地了解網絡和業務的實時狀態。此外，R18 5G LAN還支持實時性能監控和告警，以及高級的日志分析和故障排除功能，這些功能可以提高網絡的可靠性和穩定性。總的來說，R18 5G LAN為工業用戶提供了強大的網絡管理和監控工具，以確保他們的業務能夠順利運行。

圖1 ?R18 5G LAN的組成員流量特征和性能監控層面能力開放特性

? 跨SMF管理VN Group。如圖2所示，這項特性可以有效地解決R16遺留的問題。在R16中，一個VN Group只能被一個SMF管理，這導致容災能力不足，一旦該SMF出現問題，整個VN Group都會受到影響。為了解決這個問題，R18引入了跨SMF管理VN Group的功能，多個SMF可以同時管理一個VN Group，從而提高了系統的可用性、容災能力和穩定性。在SMF出現故障時自動切換到其他可用的SMF上，從而保證整個VN Group的運行不受影響，為工業用戶帶來更加可靠和高效的網絡服務。

圖2??R18 5G LAN的跨SMF管理VN Group特性

? 跨VN Group通信。如圖3所示，該項特性可以幫助用戶建立一個完整的用戶網絡，將多個群組連接起來實現互聯互通。在工業應用場景中，常常需要建立多個群組進行流控制、管理和診斷等工作，該特性提高了系統的可用性和靈活性。

圖3 ?R18 5G LAN的跨VN Group通信

? 組管理和組狀態上報增強。如圖4所示，該特性可以幫助工業用戶實現對組內用戶和業務流的精細化管理，提高網絡的服務質量和穩定性。在工業應用場景中，通常需要對組內的用戶和業務流進行精細化管理，以滿足不同業務的需求。具體來說，R18 5G LAN可以對組內的用戶和業務流進行精細化管理，包括用戶認證、權限管理、QoS控制等。此外，R18 5G LAN還可以實時上報組內的狀態信息，如流量、延遲、帶寬等，以幫助工業用戶監控和優化網絡性能。該特性可以提高網絡的服務質量和穩定性，通過實時上報組內狀態信息，用戶可以更加準確地監測和優化網絡性能，從而滿足不同業務的需求。

圖4 ?R18 5G LAN的組管理和組狀態上報增強

綜上所述，R18版本的5G LAN在網絡拓撲結構、組管理/通信、跨SMF通信、組播、能力開放、監控和狀態上報等方面進行了改進和優化，從而更好地滿足不同業務場景的需求，為5G網絡的發展和應用提供了更加堅實的基礎。

5G LAN應用場景需求分析

工業業務需求分析

5G LAN作為一種新型的局域網技術，有望在工業領域得到廣泛應用。目前工業應用中存在著一些網絡技術無法滿足的需求，例如高速、低時延、大容量、高可靠和高安全等，而5G LAN正好可以滿足以上需求。5G LAN是建立在5G終端接入能力和5G網絡之上的私有移動LAN服務，通過建立“群”，為企業內部終端提供靈活的通信服務，包括終端互通和終端隔離等。5G LAN具備多項技術能力，包括Ethernet轉發、廣播/組播、UE-to-UE通信和群組管理等，這些能力為行業用戶提供了廣域移動局域網和VPN業務的支持。5G LAN的出現，可以滿足行業內部通信的多樣化需求，加速產業數字化和智能化的進程，提高工業生產的效率和質量，具有重要的應用價值。

首先，工業終端多用Ethernet協議，且部分終端不支持IP協議。這意味著工業網絡需要支持多種協議，以便不同類型的設備可以進行通信。5G LAN基于5G提供IP或以太類型專網通信服務，從而使得工業終端之間的通信變得更加靈活和高效。

其次，組播/廣播在工業場景中得到廣泛應用。這是因為組播/廣播可以實現分布式控制和管理，從而提高生產效率和質量。5G LAN支持組播/廣播，可以實現更加高效和可靠的生產線控制及管理。

再次，PLC控制器對多IO終端的同步控制，可以確保生產線上各個設備的協同工作，從而提高生產效率和質量。5G LAN提供的技術能力可以確保控制信號的快速傳輸和精確控制，從而保證PLC控制器的同步控制能夠實時和高效地進行。

從次，開關/控制器之間的協同場景可以實現更加智能的控制和管理。如自動化調度和優化、實時反饋和故障檢測等功能，可以實現更加高效和可靠的生產線控制和管理。5G LAN可以提供大容量和可靠的通信服務，從而實現這些功能。

最后，終端動態加入不同工作域，可以實現更加靈活和智能的設備間通信。例如，根據位置加入附近“工作島”，進行設備間通信，可以實現更加高效和可靠的物流管理和生產線控制。5G LAN可以支持終端動態加入不同工作域，根據位置信息將設備分組，實現設備間的快速通信。例如，AGV車、可穿戴設備、巡查產線編組等。

綜上所述，5G LAN作為一項支持多種工業需求的通信技術，可以實現信息的快速傳輸和共享，確保設備間的精確控制和協同，提高工業生產的效率和質量。隨著5G技術的不斷發展和普及，5G LAN在工業領域的應用前景也將越來越廣闊。

組網架構需求分析

在工業領域，網絡通信必須高效、簡單、安全。二層通信技術因此成為了行業領域普遍選擇的一種方案。相比較于三層協議，二層協議的優勢在于不需要進行復雜的路由計算，因此具有更高的通信效率和更低的延遲。此外，二層協議也更加安全，因為其可以通過VLAN技術進行物理隔離和邏輯隔離，有效避免不同網絡之間的干擾和攻擊。

在工業以太網技術中，大部分并沒有定義網絡層和傳輸層，這就使得基于IP協議的三層網絡協議難以適應工業通信的需求。因此，5G LAN提供的二層組網能力非常重要。通過5G LAN提供的二層組網，工業用戶可以快速地搭建起二層網絡，實現設備之間的高效通信和隔離，滿足工業通信的特殊需求，提高工業生產的智能化和自動化水平。

在工業以太網領域中，一些以太網協議并不像常規的以太網協議那樣定義了網絡層和傳輸層。這些協議通常被稱為“裸露”以太網協議，因為它們僅定義了數據鏈路層（二層）和物理層。這些協議通常被用于實時通信和工業控制系統中，因為它們提供了更低的通信延遲和更大的帶寬。一些典型的“裸露”以太網協議包括PROFINET、EtherCAT和Modbus TCP。

? PROFINET是一種基于以太網的工業自動化網絡協議，它采用了一種被稱為“Real-time communication(RTC)”的協議來實現實時性要求。PROFINET協議沒有定義網絡層和傳輸層，而是在數據鏈路層上實現了自己的通信協議。它基于TCP/IP協議棧，但又采用了自己的數據傳輸機制，可以在兼顧大帶寬和低時延的同時保證數據安全性。

? EtherCAT是一種高性能、低時延的實時以太網協議。它將實時控制信息封裝在數據包的擴展幀頭中，可以快速傳輸數據并同步控制大量的分布式設備，主要用于工業自動化和機器控制場景。

? Modbus TCP是一種基于TCP/IP協議棧的工業通信協議。它沒有定義網絡層和傳輸層，而是將數據直接封裝在以太網幀中，提供了快速、簡單的數據通信機制。

由于這些主流的工業以太網協議沒有定義網絡層和傳輸層，它們通常需要使用專用硬件和協議棧來滿足實時性和可靠性要求。這種專用的實現方式可能導致網絡部署和維護的成本較高，并且限制了可擴展性和互操作性。

相比之下，5G LAN的二層組網功能可以提供更加靈活和高效的網絡連接方式。它可以使用虛擬局域網（VLAN）來實現邏輯隔離和網絡劃分，從而滿足不同的應用需求。此外，5G LAN還可以支持多個廣播域和多個網段的劃分，以便更好地管理和控制網絡。

5G LAN技術是一種基于5G的局域網技術，它提供了高速、低時延和高可靠的網絡連接，可以支持實時數據傳輸和網絡控制。與傳統的以太網技術相比，5G LAN具有更好的性能和靈活性，可以充分滿足工業自動化系統對于實時性和可靠性的要求。此外，5G LAN技術可以更好地支持移動設備與無線傳感器等新型工業自動化設備的連接，具有更廣闊的應用前景，有望成為未來工業自動化系統的重要組成部分。

無線通信需求分析

近年來，隨著無線通信和工業物聯網技術的不斷發展，越來越多的企業將無線通信技術應用于生產制造領域，構建無線柔性化工廠，以提高生產效率、降低生產成本、提高產品質量和靈活性等。目前，無線通信技術已經廣泛應用于生產制造領域，包括5G、4G、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等。未來，無線通信技術的應用將更加廣泛和深入，可以實現更高速、更可靠、更安全的數據傳輸和通信。

Wi-Fi和4G采用IP類型接入，而5G采用LAN Ethernet類型接入。不同的接入類型也會影響設備的網絡配置和通信方式。5G LAN Ethernet類型接入相比Wi-Fi和4G IP類型接入具有更多的優勢和特點，如表1所示，使得它在構建無線化柔性工廠方面能夠實現便捷管理、靈活的互聯互通和可靠通信。

表1 ?5G LAN Ethernet類型與Wi-Fi、4G IP類型接入分析比較

5G LAN和TSN廣域應用拓展

TSN是一種用于實時工業通信和控制的網絡技術，它可以提供低時延、高可靠性和精確的時鐘同步等特性。然而，TSN的局限性在于其適用范圍有限，只能在局域網內部部署。因此，為了拓展TSN的應用場景，需要將其與5G LAN進行橋接，以實現更廣泛的網絡連接。

5G LAN可以提供長距離的網絡接入和高速數據傳輸，同時支持移動性和高安全性等特性，與TSN的低時延和高可靠性相輔相成。通過將5G LAN和TSN進行橋接，可以實現遠程訪問和監控，擴大了TSN的應用范圍。同時，橋接可以使工業設備無需更改硬件，即可直接與5G LAN相連，提高了設備的靈活性和可用性。

在實現5G LAN和TSN的橋接方面，可以使用網關技術。網關可以將5G LAN和TSN的數據和協議進行轉換，使得兩者能夠互相通信。具體來說，網關可以將TSN的數據封裝為5G LAN的數據，然后將其傳輸到5G LAN網絡中；反之，網關也可以將5G LAN的數據封裝為TSN的數據，然后將其傳輸到TSN網絡中。這樣，就可以實現5G LAN和TSN的無縫連接。以下是一些相關的用例，如圖5所示。

圖5 ?5G LAN和TSN結合用例

? 單基站遠程覆蓋是指在廣袤地區、近海或沙漠等無人區域中，通過單個5G基站和TSN技術實現對工業設備的遠程監測和控制。在單基站遠程覆蓋中，5G基站可以作為網絡的中心節點，通過5G LAN技術將數據傳輸到遠程設備上。同時，基站還可以使用TSN技術實現精確時鐘同步，確保數據的時序正確。這種應用場景可以提高工作效率、降低維護成本，并且能夠滿足工業通信和控制的高可靠性、低時延需求。

? 網絡級大覆蓋是指在跨越地區、省份或大區域的范圍內，通過5G LAN和TSN技術實現工業通信和控制的覆蓋。具體來說，通過5G LAN技術將設備和終端連接到5G基站，并使用5G LAN技術進行數據傳輸。在傳輸過程中，可以使用TSN技術實現數據的可靠性和穩定性。TSN可以通過時間同步、帶寬限制和數據流量控制等技術手段，確保數據傳輸的可靠性和可預測性。這樣可以在網絡級大覆蓋的范圍內實現工業通信和控制應用的高效運行。這種應用場景的需求主要來自工業設備和終端分布在廣闊地區，需要實現遠程通信和控制的工業企業。

? 網絡及遠漫游是指通過5G LAN和TSN的結合，實現TSN端站在整個網絡范圍內的漫游和移動。此場景下，利用5G LAN的移動性可以隨時在不同的位置進行無縫切換。在工業場景中，工業設備可能需要移動到不同的位置，通過5G LAN可以實現設備的移動性，并保證通信的連續性和穩定性，同時TSN可以提供高質量的服務，保證工業通信和控制應用的實時性和穩定性。

綜上所述，通過實現5G LAN和TSN的橋接，可以實現多種優勢。其中，最顯著的優勢是擴展了TSN的應用范圍，使其能夠實現遠程訪問和監控。此外，橋接還可以提高工業設備的靈活性和可用性，使其能夠更好地適應不同的工業場景。同時，橋接還可以提高網絡的穩定性和可靠性，保證工業通信和控制的安全性及高效性。

結束語

5G LAN的出現為工業應用帶來了新的機遇。然而，引入5G LAN仍是一個持續的過程，需要根據業務和市場的發展需求，確定哪些業務和應用場景需要5G LAN的支持，如工業控制、智能制造、智慧城市等。在此基礎上，進一步明確網絡的性能指標和要求（如可靠性、低時延、大帶寬等），不斷進行網絡能力升級和優化，以滿足不同行業和場景的需求。同時，也需要關注新的技術趨勢和標準的發展，加速推進產業鏈成熟完善，以保持網絡的競爭優勢。

作者：中國聯合網絡通信有限公司研究院 李靜 李福昌 張濤

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