作者:同濟大學 劉佳樂
導讀:5G的全稱為第五代移動通信技術,是指在全球范圍內,移動通信技術已經發展到了第五代階段,它是在4G技術基礎上的進一步優化和擴展。當前4G已經很難滿足互聯網技術發展和規模擴大的需求,而新一代5G技術能為其發展提供充分的技術支持,因此5G技術將在今后的信息時代起到極為關鍵的作用。
015G的特性與優勢
5G具有大容量、高速率、低延時和高移動性等特性。5G系統能夠提供每平方千米超百萬個設備的連接支持,為萬物互聯提供通信基礎。5G系統將實現10Gb/s的峰值速率,可滿足工業客戶對于高速數據的采集、傳輸需求。5G系統將提供不到1ms的理想延時和5~10ms的典型端到端延時,從而支撐工業場景下的一部分實時應用。
5G系統最高可以支持每小時500km移動場景下的用戶通信,相比4G以及更早的通信技術,5G技術具有顯著優勢。在數據傳輸方面,5G具有更高的速率、更短的延時和更遠的傳輸距離,5G支持10Gb/s~20Gb/s的峰值速率和1Gb/s的用戶體驗速率,時延低至1ms,傳輸距離長達2km。在系統效率和容量方面,5G具有更低的功耗與運營成本,更高的頻譜利用率和信息利用率,并且支持更多用戶。5G具有更強的穩定性和加密性,可實現無卡頓瀏覽圖片和視頻,為用戶帶來更好的體驗。5G自身的兼容性較好,可與無線、藍牙等銜接。
025G能力指標與應用場景
5G利用場景來推動通信標準,5G通信場景能夠實現人與人、人與物的相互銜接。國際標準化組織3GPP定義了5G系統的三大典型應用場景:eMBB(增強型移動互聯網)、mMTC(海量連接物聯網)和uRLLC(超低時延高可靠通信)。
2.1 eMBB
eMBB場景以提供覆蓋范圍內一致的用戶體驗為目標,需要達到Gb/s級別的高速率數據傳輸,并保證較低的接入時延。該場景主要承載高速率數據傳輸和大流量移動寬帶業務,如三維/超高清視頻、虛擬/增強現實、邊緣計算部署等。
2.2 mMTC
mMTC場景要求網絡具備超千億連接的支持能力,需要達到每平方千米百萬設備的連接密度,而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。該場景主要承載以傳感和數據采集為目標的業務,如智慧城市、智能企業、環境監測等。
2.3 uRLLC
uRLLC場景對網絡提出了高可靠、低時延的要求,網絡不僅要保證接近100%的傳輸可靠性,還必須支持毫秒級別的端到端時延。該場景主要承載實時性要求強的及時性業務,如無人駕駛、工業自動化等。另外,3GPP還定義了5G的8個能力指標以描述應用場景對5G系統的能力要求:峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、空口時延、連接數密度、網絡能量效率和流量密度。5G的不同應用場景對這些指標的要求不盡相同。
035G關鍵技術
5G采用了一系列新技術,包括大規模天線技術、終端直通技術、邊緣計算、新型網絡架構等。
3.1大規模天線技術
大規模天線技術(Massive MIMO)能夠提高無線通信系統的容量、可靠性和頻譜效率。大規模天線技術在傳統多天線技術的基礎上將其天線數量擴展若干倍。大規模天線陣列通過波束成形將信號能量聚集到某一個方向,因此基站能夠通過空分多址技術同時為同頻終端提供通信服務而不會產生干擾,并且在相同的發射功率下可以覆蓋更廣闊的通信范圍。大規模天線技術因自身的一些特性,特別適合用于異構網絡和毫米波通信。
3.2 終端直通(D2D)技術
在現有的通信系統中,設備間的通信都由基站控制,無法直接通信。終端直通技術能夠使終端之間由系統控制從而實現直接通信,該技術是對當前蜂窩通信的補充、支撐。當基站出現故障或處于無線網絡信號質量過差而無法覆蓋的區域內,設備仍然可以通過終端直通技術通信,此舉擴大了小區的覆蓋范圍,提高了無線網絡的通信質量。目前,D2D技術還存在一定的缺陷,比如無線資源管理和通信的實時性。
3.3 新型網絡架構
5G的不同場景和業務對網絡的要求千差萬別,而傳統的移動通信網絡采用單一的運行模式和單一的網絡架構,難以滿足所有場景和業務的需求。新型網絡架構采用端到端網絡切片技術,將網絡分割成多個邏輯上相互獨立的切片,以實現各特定業務或場景下的最佳體驗。網絡切片技術可實現不同業務和網絡間的資源共享,從而提高效率。新型網絡架構基于軟件定義網絡、網絡功能虛擬化、移動邊緣計算和霧計算等技術。
3.4 異構超密集組網技術
異構超密集組網技術能夠擴大無線網絡的覆蓋范圍,提高系統的吞吐量和通信質量。在異構網絡中,設備可支持多種無線接入方式(包括基站接入、中繼站接入、家庭基站接入、端到端直接通信等),并根據實際場景進行選擇,因此所有異構小區可以以全復用的方式共享相同的頻帶資源。異構網絡是超密集網絡架構下有效降低移動性調度開銷和提升移動用戶通信體驗的重要手段。
3.5 新型多址技術
隨著移動物聯網技術的發展,5G系統需要大幅提升頻譜效率、支持海量連接、降低時延,現有的正交多址接入技術已不能滿足網絡的需求。為此,5G的接入方案中出現了一系列非正交新型多址技術。這些新型多址技術通過發送信號的疊加傳輸來提升系統的接入能力,可有效滿足5G網絡每平方千米千億設備的連接需求,還可以提升系統頻譜效率并降低延時。目前國內提出了3種新型多址技術,分別為華為的稀疏碼分多址接入、大唐的圖樣分割多址接入和中興的多用戶共享接入。
3.6 高頻傳輸技術
隨著無線通信技術的發展,數據流量的暴增和用戶業務及應用的快速增長對移動通信系統的設備連接數、速率及帶寬都提出了更高的要求,導致現有無線通信頻譜資源愈加緊張、稀缺。
6GHz以上的高頻段具有更加豐富的頻譜資源,且傳播方向性強、抗干擾性好、安全性高、頻率復用性高,但具有傳播損耗大、波長較小等缺陷。如何彌補缺陷,使高頻段的頻譜資源也能夠為無線通信所用,從而緩解當前頻譜資源短缺的問題,已經成為研究熱點。
04工業互聯網概述
4.1 工業互聯網的概念與架構模型
4.1.1 工業互聯網的概念
工業互聯網(Industrial Internet),也稱為工業物聯網或IIoT,是一個開放的、全球化的工業網絡,將人、數據和機器進行連接,將工業、技術和互聯網深度融合。工業互聯網是以工業企業為主體,以工業互聯網平臺為載體,通過網絡技術、大數據、云計算、人工智能等新一代數字技術與工業技術的深度融合,規?;┙o智能服務與產品,推動工業企業向數字化、網絡化、智能化轉型,是建設現代化經濟體系、實現高質量發展和塑造全球產業競爭力的核心載體,是第四次工業革命的關鍵支撐?!熬W絡是基礎、平臺是核心、安全是保障”被視為工業互聯網體系架構中的三大要素。
4.1.2工業互聯網架構模型
工業互聯網是四層架構模型,各層次從下至上分別為感知識別層、網絡連接層、平臺匯聚層和數據分析層。感知識別層是基礎,用于智能物體的數據采集;網絡連接層是神經,作用是數據傳輸;平臺匯聚層是大腦,負責存儲來自感知識別層的數據并提供強大的算力;數據分析層是核心,它利用平臺匯聚層提供的計算資源,對感知識別層采集的大量智能物體數據進行分析(主要采用機器學習算法)。
4.2 工業互聯網的現狀與發展趨勢
4.2.1工業互聯網國內外現狀
?。?)國際工業互聯網的發展現狀
工業互聯網是未來智能社會的基礎設施、是必然的發展趨勢和各國的競爭焦點,中國、美國、德國、日本等諸多制造大國已將其上升為國家戰略。
目前,世界上大多數國家已完成了對工業互聯網基礎概念的普及并邁入了工業互聯網應用推廣階段,且對于工業互聯網的核心理念、最終目標、發展方向、技術基礎和路線等方面均達成了廣泛共識,但由于各國在發展基礎、優勢和短板上存在差異,因此針對工業互聯網的具體應用和實踐形成了不同的發展策略和應用模式。
(2)我國工業互聯網的發展現狀
總得來說,我國工業互聯網發展的機遇與挑戰并存。一方面,在政府政策支持、高校及研究所技術改革創新、相關產業及用戶積極應用與推進的共同助力下,我國工業互聯網的發展呈現良好勢頭;另一方面,盡管發展態勢可觀,我國工業互聯網目前仍處于起步階段,還存在制造業企業總體信息化水平較低且發展不均衡、互聯網產業與制造業不能很好融合、工業互聯網平臺和生態體系不成熟、工業互聯網標準不完善等問題。
(3)工業互聯網時代的挑戰
工業互聯網在極大促進社會發展的同時,也會給社會帶來新的挑戰。
①就業的挑戰
隨著工業互聯網的發展,工業互聯網中機器的自動化、智能化程度會更高,現有的絕大多數工作崗位將會被機器取代。因此,如何保障人類有尊嚴、體面地工作和生活將成為工業互聯網時代的重要挑戰。
?、陔[私與安全的挑戰
在工業互聯網時代,大量智能物體將接入工業互聯網,與工業互聯網進行數據和控制命令的交互。在這一過程中,數據的泄露會對用戶的隱私造成侵犯,更有甚者,一旦黑客控制了工業互聯網平臺,那么接入到平臺中的設備也會被其掌控,這將對社會造成無法估量的損失。
4.2.2 工業互聯網發展趨勢
工業互聯網的總體發展趨勢大致可概括為三點:數字化、網絡化和智能化。數字化是指使用數字化技術促進生產過程中各單元之間的協調與配合;網絡化是指通過網絡技術實現萬物互聯;智能化是指對海量數據進行分析,并利用分析得到的結果優化工業過程。
4.3 工業互聯網與工業自動化
自動化指機器代替人力的過程。工業自動化是自動化的一部分,是指在工業領域使用自動化技術的部分。工業自動化于二戰時期提出,指對工廠中的機器設備進行自動化、聯網化改造,在工業生產過程中,通過內部軟件操縱機器產線,使機器設備取代人工進行大規模、重復性勞動,降本增效。
工業互聯網源于且全包含工業自動化,是對工業自動化的擴展和延伸。工業自動化主要解決傳統粗放型生產方式低效的問題,而工業互聯網更多的是解決供應鏈、生產制造、銷售環節的基礎性技術、流程性技術和模式性問題。
4.4 工業互聯網與實時系統
工業互聯網與實時系統的結合,是產業界的必然要求,也成為了學術界新的研究熱點。為保證各種場景下工業互聯網提供的服務質量,在滿足功能正確的要求時,還必須滿足功能執行時間上的確定性約束。這種時間約束一般是指要求在某個截止時間前完成某項任務,分為硬實時和軟實時兩種情況。硬實時是指一旦違背了時間約束,就會造成無法挽回的嚴重后果,如人員傷亡和重大經濟損失等;軟實時是指打破時間約束的后果可以容忍和補救。
實時系統是一種必須在規定時間內完成計算并給出正確結果的計算機系統,它的行為正確性不僅取決于其邏輯計算結果,也取決于計算結果輸出的物理時間。為滿足實時性要求,工業互聯網應當和實時系統相結合。
055G應用于工業互聯網
5.1 5G應用于工業互聯網的必要性和優勢
5G應用于工業互聯網是必然趨勢。一方面,工業互聯網的發展離不開5G的支持。工業互聯網對通信技術的高要求是當前4G技術無法滿足的。而5G的特性能夠滿足工業互聯網連接多樣性、性能差異化、通信多樣化的需求和工業場景下高速率數據采集、遠程控制、穩定可靠的數據傳輸、業務連續性等要求,助力未來的工業互聯網實現數字化、網絡化、智能化。只有5G技術才能夠對其發展予以支持,只有將5G移動通信技術和工業互聯網進行深度聯合,才能使工業互聯網的發展更上一層樓。另一方面,工業互聯網是未來5G技術落地的重要應用場景之一,應用于工業互聯網才能更好地體現5G的價值。
5.1.1 實現實時監測與控制
借助5G技術能夠實現對工業現場的實時監測與控制,及時掌握工業現場的情況并反饋,從而提高生產效率和安全性。
5.1.2 增強穩定性
5G技術能夠改善網絡狀況,從而有效減少因網絡狀況不佳而導致工業系統癱瘓等情況的出現,更好地保證工業系統的穩定性。
5.1.3 實現全面互聯互通
應用5G技術有利于實現“萬物互聯”,即人與人、物與物和人與物之間的全面互聯互通。一方面,由于5G具有廣覆蓋、大容量、移動性和業務多樣性等特點,可使得海量設備接入工業互聯網,從而極大地擴展其覆蓋范圍和規模;另一方面,5G能夠滿足高質量、高效率、高速的數據傳輸,從而使工業互聯網中各類型的機器、設備間的即時通信成為可能。
5.1.4 提高遠程操控的精準度
遠程操控可用于自動化控制,打破了空間限制,節省了時間和人力。傳統通信網絡具有一定的延時性,且無法保證工業系統的穩定性,因而無法滿足工業生產的精準要求。而應用5G技術可以有效提高遠程操控的精準度。
5.1.5 推動柔性制造變革
柔性生產的關鍵是實現快速自組織生產線的部署。目前大部分工業現場仍采用有線連接,頻繁切換線路成本較高且存在安全隱患。5G作為一種低時延、高帶寬、大連接、高可靠性的無線網絡技術,能夠靈活調整、重組生產線,實現在不同場景中的平滑切換,從而滿足柔性制造的需求。
5.1.6 推動智能服務轉型
將5G技術應用于工業互聯網,可以創造出預測性維護、B2C定制等新的智能服務模式,推動工業互聯網向智能服務轉型。預測性維護是指將傳感器實時收集的工業現場數據上傳到云端平臺進行分析,預測設備故障等隱患并提前維護,從而減少損失。B2C定制是指對收集的大量數據進行分析,實時、動態地預測客戶的進一步需求,根據預測結果對產品進行個性化優化;另外,利用5G技術,還可以讓客戶參與到產品的設計和生產過程中,為客戶帶來高度個性化的產品和服務體驗。
5.2 5G+工業互聯網融合機理
數字化、網絡化和智能化是工業互聯網的三大主要發展趨勢,與5G融合有助于工業互聯網的發展。對于數字化,5G的D2D技術有助于數字化系統的互聯,5G的mMTC場景能夠承載數字化改造帶來的海量連接;對于網絡化,5G的uRLLC場景能夠為工業網絡提供高可靠、低時延的支撐,5G的網絡切片技術使工業網絡能夠根據具體應用需求進行靈活、差異化部署,5G+MEC擁有接入邊緣計算能力,有效降低了核心網的負載,提高了網絡的運營質量和效率;對于智能化,5G能夠承載大規模數據傳輸和計算,從而支撐工業互聯網的智能化發展。
5.3 5G+工業互聯網典型應用場景
5.3.1 云AR/VR
工業AR/VR對通信網絡性能要求極高,為實現無延時的用戶體驗,工業網絡的雙向傳輸延時不能超過10ms。只有將5G與工業網絡相融合才能滿足這樣的延時要求。
5.3.2 云端機器人
云端機器人把智能處理功能部署在云端,通過5G網絡將從外部獲取的信息發送至云端處理,然后從云端獲得即時的處理結果。云端機器人對網絡的要求非常嚴格,首先是低時延的要求,信息傳輸時間和云端處理時間總和不能超過100ms;再者是高帶寬的要求,每個云端機器人應獲得至少10Gb/s的帶寬。
5.3.3 無人駕駛
5G網絡具有低延時和大容量特性,能夠為無人駕駛提供全面的、實時的道路信息和車輛狀況信息,并能進行路況預測,從而提高行車效率,降低發生事故的風險。
5.3.4 資產跟蹤
資產跟蹤是指每個物體都被看作是一個有唯一“身份”的終端,在物流過程中通過5G技術對這些物體進行可視化跟蹤、定位以及信息傳輸。5G技術廣覆蓋、深覆蓋、低成本和低功耗的特點能夠滿足資產跟蹤的需求。
5.3.5 遠程控制
對于如開采煤礦、油田等危險系數較高的生產環節,可以利用遠程控制系統把設備的狀態及環境情況實時傳輸到控制中心,從而降低人們的安全風險。5G低延時、高可靠的特性可以很大程度上提高遠程操控的精準度。
5.3.6 智慧港口
智慧港口將5G技術融合到傳統港口的運作過程中,對其進行信息化和智能化改造,從而提高港口的工作效率,降低發生事故的風險。智慧港口對通信技術有低延時、高可靠和大帶寬的要求,而5G能夠滿足這樣的需求。目前國內典型的智慧港口應用實例有中國聯通在青島建立的智慧港口和中國移動在寧波舟山港建立的智慧港口。
5.4 5G+工業互聯網發展面臨的難題與挑戰
5G與工業互聯網融合應用雖然對工業轉型升級起到重要作用,且應用前景廣闊,但本身的發展受到一定因素制約,還需要花一段時間才能實現大規模推廣落地。
5.4.1 投資成本高
5G網絡的基礎投資成本較高,主要體現在單一設備模組的采購、應用成本高,影響5G技術的全面應用,是5G技術發展過程中的關鍵挑戰之一。
5.4.2 能耗大
5G網絡在數據高速傳輸過程中會產生大量能耗,如何降低運行過程中的能耗是急需解決的問題。
5.4.3 需求缺乏拉動力
業務需求是5G+工業互聯網應用與發展的根本驅動力,但目前市場上仍缺乏對5G+工業互聯網的顯著需求。造成這種需求缺乏的原因主要有如下3個方面:(1)我國企業的信息化、數字化水平總體偏低,不具備應用5G+工業互聯網的基礎條件;(2)目前尚未找到與5G強綁定的代表性工業應用場景;(3)5G的性價比較低,5G目前的發展和應用都還處于起步階段,帶來的性能提升并不明顯,而5G的部署和應用成本、復雜性卻很高。
5.4.4 供給規模不強
目前5G+工業互聯網的供給規模性總體來說并不強[11],其原因主要體現在4個方面:(1)5G部署和運營成本高,導致網絡布設和應用較慢;(2)商業模式和贏利點尚不清晰;(3)同時具備IT技術和工業業務背景知識的復合型人才缺乏,導致技術與業務協同的難度較大;(4)不同行業領域的應用場景差異較大,根據不同的場景建立不同的專用網絡難度高且可復制性差。
5.4.5 高頻段資源應用問題
基于5G的工業互聯網在通信過程中需要大量高頻段資源,如何開發高頻段的資源以滿足其需求是一大挑戰。
5.4.6 技術不完善
目前,5G還未能完全滿足工業領域對現場通信的實時性、可用性、安全性(功能安全和信息安全)、抗干擾等方面的要求。
在安全性方面,5G網絡和工業互聯網的網絡架構較為開放,且在數據傳輸過程中涉及大量數據、覆蓋范圍較廣,因此安全問題是一大挑戰。必須要保證在傳輸過程中數據不會損失或缺少,同時也要保證設備在應用過程中的用戶隱私安全等。
在實時性方面,5G的性能遠優于4G,可靠性達99.999%,這意味著5G能夠達到≥99.999%的網絡可獲得性和數據連接可靠性,即網絡需在99.999%的時間和99.999%的位置維持可用性并且在規定時間內,將數據包發送到目的地的成功率需達到99.999%。盡管如此,5G還是無法保證100%的可靠性,因此仍然可能導致實時系統在某段時間內出錯,無法完全達到實時系統的傳輸要求。
5.5 5G+工業互聯網推動策略與突破口
5.5.1 5G+工業互聯網推動策略
?。?)增強發展基礎
采用輕量級基礎應用普及和重量級重點應用改造相結合的方法,對我國工業企業進行數字化改造,為5G+工業互聯網在企業融合與應用方面奠定基礎。
對于信息化、智能化程度較低的傳統企業,采用輕量級應用普及的思路,即由政府制定激勵、扶持政策和規定,并培養一批技術和模式領先的工業互聯網供應商以在這些企業中推廣和幫助落地實施數字化、信息化改造,從而增強我國企業對發展5G+工業互聯網的動力和需求。
對于信息化、智能化基礎較扎實的企業,則采用重量級重點應用改造策略,即根據企業戰略,重點對其開展5G+工業互聯網改造和落地,將其打造為頗具國際競爭力的頭部企業。
(2)加強技術研發和標準制定
聯合工業各領域龍頭企業、通信企業和科研機構等合作開展5G+工業互聯網技術、產品、應用等的研發工作,并共同推進5G+工業互聯網在核心技術、融合、應用等方面的標準體系建設。
(3)構建完善的產業生態
構建政府機構、各行業企業、科研機構及學校和相關產業聯盟組織共同參與、共同促進5G+工業互聯網發展和應用的產業生態至關重要。
5.5.2 5G+工業互聯網突破口
?。?)數字孿生
數字孿生能夠實現智能制造中物理空間和信息空間之間的數據互聯互通,從而促進智能制造和5G+工業互聯網的建設。
?。?)TSN(時間敏感網絡)
“確定性時延”是未來工業互聯網發展的關鍵技術需求之一。“確定性時延”不單指時延要足夠小,還要求時延抖動的大小控制在可接受的范圍,另外,它還包含了多數據流間時延協同等方面。
TSN是一種傳輸時延有界、低傳輸抖動和低丟包率的確定性實時傳輸技術,是確定性時延的主要標準成果,是由IEEE802.1標準構成的以太網數據鏈路層標準,它在傳統以太網的基礎上增加了包括時鐘同步、低時延、預留帶寬等功能,從而可提供確定性服務,滿足實時通信需求。
5GTSN是當前的研究熱點,包含對5G無線網和核心網進行優化,從而實現5GTSN性能,以及如何融合工業以太網TSN和5GTSN,以提供端到端TSN的性能保證。
另外,隨著時間敏感網絡技術的不斷完善和產業的逐漸成熟,在工業領域實際應用全面鋪開的過程中,時間敏感網絡將與OPCUA、邊緣計算等技術融合部署,為工業互聯網時代工業網絡的創新重構提供強大的技術支撐。
?。?)MEC(邊緣計算)
5G+MEC相比其他網絡組合方式(如5G+公有云、4G+公有云等)在帶寬、時延等方面具有顯著優勢,它能在很大程度上促進工業企業的互聯網化和智能化改造。
5G+MEC和工業的融合催生了許多工業互聯網的典型應用場景,這些應用場景均對低時延、大帶寬、高可靠性和數據的安全隱私性有較高要求,如遠程駕駛、遠程控制、AR遠程協助、預測性維護、機器視覺質檢等。
未來,5G+MEC要與TSN、DetNet等技術相結合,為工業場景提供更高質量、更強確定性的網絡。同時,“5G+MEC+行業智能化應用”的新技術和新網絡模式也將融入各個行業和企業的發展過程,帶來真正的價值提升。
?。?)OPC UA
工業界OT和IT融合是技術發展的必然趨勢,而OPC UA被公認為在這兩者的融合和集成方面具有顯著優勢。
(5)大數據
移動大數據包括用戶產生的數據和運營商產生的數據。5G的應用使全球移動數據流量呈倍速增長,對移動大數據進行分析可以對5G網絡的發展起到優化和強化作用,如優化網絡體系架構設計、提升運維效率、提升服務體驗等。
5.5.3 工業互聯網實時性要求解決方案
工業互聯網對實時性有很高的要求。實時性有2個方面的內容,一方面是傳輸速度足夠快,另一方面是確定性足夠高,即網絡服務質量較高。根據馬君顯教授題為《5G與工業互聯網融合中的時間相關問題》的報告,工業互聯網的實時性需求可通過5G通信、光纖傳感網和工業互聯網的深度融合獲得滿足。其中,光纖傳感網還需要進一步提高響應速度才能滿足工業應用的實時性要求。
06結語
5G+工業互聯網是未來的發展趨勢和各國之間的競爭核心,已經在全世界引起了高度重視。目前,5G+工業互聯網的發展勢頭良好,成效初現,但不可否認的是,它仍處于起步階段,仍有許多問題需要解決。本文分析了若干5G+工業互聯網必須要克服的問題,并總結了一些有利于其進一步發展和應用的推動策略和關鍵技術。
編輯:黃飛
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