本文來自企鵝號“智匯工業(yè)”，作者/劉佳樂。
5G的全稱為第五代移動通信技術(shù)，是指在全球范圍內(nèi)，移動通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第五代階段，它是在4G技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化和擴(kuò)展。當(dāng)前4G已經(jīng)很難滿足互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和規(guī)模擴(kuò)大的需求，而新一代5G技術(shù)能為其發(fā)展提供充分的技術(shù)支持，因此5G技術(shù)將在今后的信息時代起到極為關(guān)鍵的作用。
01
5G的特性與優(yōu)勢
5G具有大容量、高速率、低延時和高移動性等特性。5G系統(tǒng)能夠提供每平方千米超百萬個設(shè)備的連接支持，為萬物互聯(lián)提供通信基礎(chǔ)。5G系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)10Gb/s的峰值速率，可滿足工業(yè)客戶對于高速數(shù)據(jù)的采集、傳輸需求。5G系統(tǒng)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(yè)場景下的一部分實(shí)時應(yīng)用。
5G系統(tǒng)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(shù)，5G技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)傳輸方面，5G具有更高的速率、更短的延時和更遠(yuǎn)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(yàn)速率，時延低至1ms，傳輸距離長達(dá)2km。在系統(tǒng)效率和容量方面，5G具有更低的功耗與運(yùn)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(qiáng)的穩(wěn)定性和加密性，可實(shí)現(xiàn)無卡頓瀏覽圖片和視頻，為用戶帶來更好的體驗(yàn)。5G自身的兼容性較好，可與無線、藍(lán)牙等銜接。
02
5G能力指標(biāo)與應(yīng)用場景
5G利用場景來推動通信標(biāo)準(zhǔn)，5G通信場景能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物的相互銜接。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G系統(tǒng)的三大典型應(yīng)用場景：eMBB（增強(qiáng)型移動互聯(lián)網(wǎng)）、mMTC（海量連接物聯(lián)網(wǎng)）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(nèi)一致的用戶體驗(yàn)為目標(biāo)，需要達(dá)到Gb/s級別的高速率數(shù)據(jù)傳輸，并保證較低的接入時延。該場景主要承載高速率數(shù)據(jù)傳輸和大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，如三維/超高清視頻、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、邊緣計(jì)算部署等。
2.2 mMTC
mMTC場景要求網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，需要達(dá)到每平方千米百萬設(shè)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(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的業(yè)務(wù)，如智慧城市、智能企業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等。
2.3 uRLLC
uRLLC場景對網(wǎng)絡(luò)提出了高可靠、低時延的要求，網(wǎng)絡(luò)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(shí)時性要求強(qiáng)的及時性業(yè)務(wù)，如無人駕駛、工業(yè)自動化等。另外，3GPP還定義了5G的8個能力指標(biāo)以描述應(yīng)用場景對5G系統(tǒng)的能力要求：峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動性、空口時延、連接數(shù)密度、網(wǎng)絡(luò)能量效率和流量密度。5G的不同應(yīng)用場景對這些指標(biāo)的要求不盡相同。
03
5G關(guān)鍵技術(shù)
5G采用了一系列新技術(shù)，包括大規(guī)模天線技術(shù)、終端直通技術(shù)、邊緣計(jì)算、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。
3.1大規(guī)模天線技術(shù)
大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）能夠提高無線通信系統(tǒng)的容量、可靠性和頻譜效率。大規(guī)模天線技術(shù)在傳統(tǒng)多天線技術(shù)的基礎(chǔ)上將其天線數(shù)量擴(kuò)展若干倍。大規(guī)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(shù)同時為同頻終端提供通信服務(wù)而不會產(chǎn)生干擾，并且在相同的發(fā)射功率下可以覆蓋更廣闊的通信范圍。大規(guī)模天線技術(shù)因自身的一些特性，特別適合用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和毫米波通信。
3.2終端直通（D2D）技術(shù)
在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)中，設(shè)備間的通信都由基站控制，無法直接通信。終端直通技術(shù)能夠使終端之間由系統(tǒng)控制從而實(shí)現(xiàn)直接通信，該技術(shù)是對當(dāng)前蜂窩通信的補(bǔ)充、支撐。當(dāng)基站出現(xiàn)故障或處于無線網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量過差而無法覆蓋的區(qū)域內(nèi)，設(shè)備仍然可以通過終端直通技術(shù)通信，此舉擴(kuò)大了小區(qū)的覆蓋范圍，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。目前，D2D技術(shù)還存在一定的缺陷，比如無線資源管理和通信的實(shí)時性。
3.3新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
5G的不同場景和業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求千差萬別，而傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)采用單一的運(yùn)行模式和單一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，難以滿足所有場景和業(yè)務(wù)的需求。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)分割成多個邏輯上相互獨(dú)立的切片，以實(shí)現(xiàn)各特定業(yè)務(wù)或場景下的最佳體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)間的資源共享，從而提高效率。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、移動邊緣計(jì)算和霧計(jì)算等技術(shù)。
3.4異構(gòu)超密集組網(wǎng)技術(shù)
異構(gòu)超密集組網(wǎng)技術(shù)能夠擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高系統(tǒng)的吞吐量和通信質(zhì)量。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)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(jù)實(shí)際場景進(jìn)行選擇，因此所有異構(gòu)小區(qū)可以以全復(fù)用的方式共享相同的頻帶資源。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是超密集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下有效降低移動性調(diào)度開銷和提升移動用戶通信體驗(yàn)的重要手段。
3.5新型多址技術(shù)
隨著移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，5G系統(tǒng)需要大幅提升頻譜效率、支持海量連接、降低時延，現(xiàn)有的正交多址接入技術(shù)已不能滿足網(wǎng)絡(luò)的需求。為此，5G的接入方案中出現(xiàn)了一系列非正交新型多址技術(shù)。這些新型多址技術(shù)通過發(fā)送信號的疊加傳輸來提升系統(tǒng)的接入能力，可有效滿足5G網(wǎng)絡(luò)每平方千米千億設(shè)備的連接需求，還可以提升系統(tǒng)頻譜效率并降低延時。目前國內(nèi)提出了3種新型多址技術(shù)，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(shù)
隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量的暴增和用戶業(yè)務(wù)及應(yīng)用的快速增長對移動通信系統(tǒng)的設(shè)備連接數(shù)、速率及帶寬都提出了更高的要求，導(dǎo)致現(xiàn)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(qiáng)、抗干擾性好、安全性高、頻率復(fù)用性高，但具有傳播損耗大、波長較小等缺陷。如何彌補(bǔ)缺陷，使高頻段的頻譜資源也能夠?yàn)闊o線通信所用，從而緩解當(dāng)前頻譜資源短缺的問題，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
04
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述
4.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念與架構(gòu)模型
4.1.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet），也稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT，是一個開放的、全球化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器進(jìn)行連接，將工業(yè)、技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)深度融合。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以工業(yè)企業(yè)為主體，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為載體，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代數(shù)字技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，規(guī)?；┙o智能服務(wù)與產(chǎn)品，推動工業(yè)企業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和塑造全球產(chǎn)業(yè)競爭力的核心載體，是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐。“網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺是核心、安全是保障”被視為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的三大要素。
4.1.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是四層架構(gòu)模型，各層次從下至上分別為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)連接層、平臺匯聚層和數(shù)據(jù)分析層。感知識別層是基礎(chǔ)，用于智能物體的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)連接層是神經(jīng)，作用是數(shù)據(jù)傳輸；平臺匯聚層是大腦，負(fù)責(zé)存儲來自感知識別層的數(shù)據(jù)并提供強(qiáng)大的算力；數(shù)據(jù)分析層是核心，它利用平臺匯聚層提供的計(jì)算資源，對感知識別層采集的大量智能物體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（主要采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法）。
4.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
4.2.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外現(xiàn)狀
（1）國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來智能社會的基礎(chǔ)設(shè)施、是必然的發(fā)展趨勢和各國的競爭焦點(diǎn)，中國、美國、德國、日本等諸多制造大國已將其上升為國家戰(zhàn)略。
目前，世界上大多數(shù)國家已完成了對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)概念的普及并邁入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣階段，且對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心理念、最終目標(biāo)、發(fā)展方向、技術(shù)基礎(chǔ)和路線等方面均達(dá)成了廣泛共識，但由于各國在發(fā)展基礎(chǔ)、優(yōu)勢和短板上存在差異，因此針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用和實(shí)踐形成了不同的發(fā)展策略和應(yīng)用模式。
（2）我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
總得來說，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。一方面，在政府政策支持、高校及研究所技術(shù)改革創(chuàng)新、相關(guān)產(chǎn)業(yè)及用戶積極應(yīng)用與推進(jìn)的共同助力下，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)良好勢頭；另一方面，盡管發(fā)展態(tài)勢可觀，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目前仍處于起步階段，還存在制造業(yè)企業(yè)總體信息化水平較低且發(fā)展不均衡、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)不能很好融合、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和生態(tài)體系不成熟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題。
（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的挑戰(zhàn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在極大促進(jìn)社會發(fā)展的同時，也會給社會帶來新的挑戰(zhàn)。
①就業(yè)的挑戰(zhàn)
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中機(jī)器的自動化、智能化程度會更高，現(xiàn)有的絕大多數(shù)工作崗位將會被機(jī)器取代。因此，如何保障人類有尊嚴(yán)、體面地工作和生活將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的重要挑戰(zhàn)。
②隱私與安全的挑戰(zhàn)
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，大量智能物體將接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的交互。在這一過程中，數(shù)據(jù)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，那么接入到平臺中的設(shè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的總體發(fā)展趨勢大致可概括為三點(diǎn)：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。數(shù)字化是指使用數(shù)字化技術(shù)促進(jìn)生產(chǎn)過程中各單元之間的協(xié)調(diào)與配合；網(wǎng)絡(luò)化是指通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)；智能化是指對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用分析得到的結(jié)果優(yōu)化工業(yè)過程。
4.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)自動化
自動化指機(jī)器代替人力的過程。工業(yè)自動化是自動化的一部分，是指在工業(yè)領(lǐng)域使用自動化技術(shù)的部分。工業(yè)自動化于二戰(zhàn)時期提出，指對工廠中的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行自動化、聯(lián)網(wǎng)化改造，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通過內(nèi)部軟件操縱機(jī)器產(chǎn)線，使機(jī)器設(shè)備取代人工進(jìn)行大規(guī)模、重復(fù)性勞動，降本增效。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)源于且全包含工業(yè)自動化，是對工業(yè)自動化的擴(kuò)展和延伸。工業(yè)自動化主要解決傳統(tǒng)粗放型生產(chǎn)方式低效的問題，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更多的是解決供應(yīng)鏈、生產(chǎn)制造、銷售環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)性技術(shù)、流程性技術(shù)和模式性問題。
4.4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時系統(tǒng)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時系統(tǒng)的結(jié)合，是產(chǎn)業(yè)界的必然要求，也成為了學(xué)術(shù)界新的研究熱點(diǎn)。為保證各種場景下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)質(zhì)量，在滿足功能正確的要求時，還必須滿足功能執(zhí)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(xiàng)任務(wù)，分為硬實(shí)時和軟實(shí)時兩種情況。硬實(shí)時是指一旦違背了時間約束，就會造成無法挽回的嚴(yán)重后果，如人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失等；軟實(shí)時是指打破時間約束的后果可以容忍和補(bǔ)救。
實(shí)時系統(tǒng)是一種必須在規(guī)定時間內(nèi)完成計(jì)算并給出正確結(jié)果的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它的行為正確性不僅取決于其邏輯計(jì)算結(jié)果，也取決于計(jì)算結(jié)果輸出的物理時間。為滿足實(shí)時性要求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)和實(shí)時系統(tǒng)相結(jié)合。
05
5G應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
5.1 5G應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的必要性和優(yōu)勢
5G應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是必然趨勢。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開5G的支持。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對通信技術(shù)的高要求是當(dāng)前4G技術(shù)無法滿足的。而5G的特性能夠滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接多樣性、性能差異化、通信多樣化的需求和工業(yè)場景下高速率數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務(wù)連續(xù)性等要求，助力未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。只有5G技術(shù)才能夠?qū)ζ浒l(fā)展予以支持，只有將5G移動通信技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行深度聯(lián)合，才能使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更上一層樓。另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來5G技術(shù)落地的重要應(yīng)用場景之一，應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)才能更好地體現(xiàn)5G的價值。
5.1.1實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測與控制
借助5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)測與控制，及時掌握工業(yè)現(xiàn)場的情況并反饋，從而提高生產(chǎn)效率和安全性。
5.1.2增強(qiáng)穩(wěn)定性
5G技術(shù)能夠改善網(wǎng)絡(luò)狀況，從而有效減少因網(wǎng)絡(luò)狀況不佳而導(dǎo)致工業(yè)系統(tǒng)癱瘓等情況的出現(xiàn)，更好地保證工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5.1.3實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通
應(yīng)用5G技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，即人與人、物與物和人與物之間的全面互聯(lián)互通。一方面，由于5G具有廣覆蓋、大容量、移動性和業(yè)務(wù)多樣性等特點(diǎn)，可使得海量設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，從而極大地?cái)U(kuò)展其覆蓋范圍和規(guī)模；另一方面，5G能夠滿足高質(zhì)量、高效率、高速的數(shù)據(jù)傳輸，從而使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中各類型的機(jī)器、設(shè)備間的即時通信成為可能。
5.1.4提高遠(yuǎn)程操控的精準(zhǔn)度
遠(yuǎn)程操控可用于自動化控制，打破了空間限制，節(jié)省了時間和人力。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)具有一定的延時性，且無法保證工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)要求。而應(yīng)用5G技術(shù)可以有效提高遠(yuǎn)程操控的精準(zhǔn)度。
5.1.5推動柔性制造變革
柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)快速自組織生產(chǎn)線的部署。目前大部分工業(yè)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠靈活調(diào)整、重組生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)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(wù)轉(zhuǎn)型
將5G技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以創(chuàng)造出預(yù)測性維護(hù)、B2C定制等新的智能服務(wù)模式，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向智能服務(wù)轉(zhuǎn)型。預(yù)測性維護(hù)是指將傳感器實(shí)時收集的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到云端平臺進(jìn)行分析，預(yù)測設(shè)備故障等隱患并提前維護(hù)，從而減少損失。B2C定制是指對收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時、動態(tài)地預(yù)測客戶的進(jìn)一步需求，根據(jù)預(yù)測結(jié)果對產(chǎn)品進(jìn)行個性化優(yōu)化；另外，利用5G技術(shù)，還可以讓客戶參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，為客戶帶來高度個性化的產(chǎn)品和服務(wù)體驗(yàn)。
5.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合機(jī)理
數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大主要發(fā)展趨勢，與5G融合有助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。對于數(shù)字化，5G的D2D技術(shù)有助于數(shù)字化系統(tǒng)的互聯(lián)，5G的mMTC場景能夠承載數(shù)字化改造帶來的海量連接；對于網(wǎng)絡(luò)化，5G的uRLLC場景能夠?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)提供高可靠、低時延的支撐，5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活、差異化部署，5G+MEC擁有接入邊緣計(jì)算能力，有效降低了核心網(wǎng)的負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營質(zhì)量和效率；對于智能化，5G能夠承載大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算，從而支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展。
5.3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景
5.3.1云AR/VR
工業(yè)AR/VR對通信網(wǎng)絡(luò)性能要求極高，為實(shí)現(xiàn)無延時的用戶體驗(yàn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸延時不能超過10ms。只有將5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相融合才能滿足這樣的延時要求。
5.3.2云端機(jī)器人
云端機(jī)器人把智能處理功能部署在云端，通過5G網(wǎng)絡(luò)將從外部獲取的信息發(fā)送至云端處理，然后從云端獲得即時的處理結(jié)果。云端機(jī)器人對網(wǎng)絡(luò)的要求非常嚴(yán)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(jī)器人應(yīng)獲得至少10Gb/s的帶寬。
5.3.3無人駕駛
5G網(wǎng)絡(luò)具有低延時和大容量特性，能夠?yàn)闊o人駕駛提供全面的、實(shí)時的道路信息和車輛狀況信息，并能進(jìn)行路況預(yù)測，從而提高行車效率，降低發(fā)生事故的風(fēng)險。
5.3.4資產(chǎn)跟蹤
資產(chǎn)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(shù)對這些物體進(jìn)行可視化跟蹤、定位以及信息傳輸。5G技術(shù)廣覆蓋、深覆蓋、低成本和低功耗的特點(diǎn)能夠滿足資產(chǎn)跟蹤的需求。
5.3.5遠(yuǎn)程控制
對于如開采煤礦、油田等危險系數(shù)較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)把設(shè)備的狀態(tài)及環(huán)境情況實(shí)時傳輸?shù)娇刂浦行?，從而降低人們的安全風(fēng)險。5G低延時、高可靠的特性可以很大程度上提高遠(yuǎn)程操控的精準(zhǔn)度。
5.3.6智慧港口
智慧港口將5G技術(shù)融合到傳統(tǒng)港口的運(yùn)作過程中，對其進(jìn)行信息化和智能化改造，從而提高港口的工作效率，降低發(fā)生事故的風(fēng)險。智慧港口對通信技術(shù)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(nèi)典型的智慧港口應(yīng)用實(shí)例有中國聯(lián)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的難題與挑戰(zhàn)
5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用雖然對工業(yè)轉(zhuǎn)型升級起到重要作用，且應(yīng)用前景廣闊，但本身的發(fā)展受到一定因素制約，還需要花一段時間才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣落地。
5.4.1投資成本高
5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)投資成本較高，主要體現(xiàn)在單一設(shè)備模組的采購、應(yīng)用成本高，影響5G技術(shù)的全面應(yīng)用，是5G技術(shù)發(fā)展過程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
5.4.2能耗大
5G網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中會產(chǎn)生大量能耗，如何降低運(yùn)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(yè)務(wù)需求是5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與發(fā)展的根本驅(qū)動力，但目前市場上仍缺乏對5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(yè)的信息化、數(shù)字化水平總體偏低，不具備應(yīng)用5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)條件；（2）目前尚未找到與5G強(qiáng)綁定的代表性工業(yè)應(yīng)用場景；（3）5G的性價比較低，5G目前的發(fā)展和應(yīng)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(yīng)用成本、復(fù)雜性卻很高。
5.4.4供給規(guī)模不強(qiáng)
目前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的供給規(guī)模性總體來說并不強(qiáng)[11]，其原因主要體現(xiàn)在4個方面：（1）5G部署和運(yùn)營成本高，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和應(yīng)用較慢；（2）商業(yè)模式和贏利點(diǎn)尚不清晰；（3）同時具備IT技術(shù)和工業(yè)業(yè)務(wù)背景知識的復(fù)合型人才缺乏，導(dǎo)致技術(shù)與業(yè)務(wù)協(xié)同的難度較大；（4）不同行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景差異較大，根據(jù)不同的場景建立不同的專用網(wǎng)絡(luò)難度高且可復(fù)制性差。
5.4.5高頻段資源應(yīng)用問題
基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在通信過程中需要大量高頻段資源，如何開發(fā)高頻段的資源以滿足其需求是一大挑戰(zhàn)。
5.4.6技術(shù)不完善
目前，5G還未能完全滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場通信的實(shí)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(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為開放，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中涉及大量數(shù)據(jù)、覆蓋范圍較廣，因此安全問題是一大挑戰(zhàn)。必須要保證在傳輸過程中數(shù)據(jù)不會損失或缺少，同時也要保證設(shè)備在應(yīng)用過程中的用戶隱私安全等。
在實(shí)時性方面，5G的性能遠(yuǎn)優(yōu)于4G，可靠性達(dá)99.999%，這意味著5G能夠達(dá)到≥99.999%的網(wǎng)絡(luò)可獲得性和數(shù)據(jù)連接可靠性，即網(wǎng)絡(luò)需在99.999%的時間和99.999%的位置維持可用性并且在規(guī)定時間內(nèi)，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地的成功率需達(dá)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(dǎo)致實(shí)時系統(tǒng)在某段時間內(nèi)出錯，無法完全達(dá)到實(shí)時系統(tǒng)的傳輸要求。
5.5 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動策略與突破口
5.5.1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動策略
（1）增強(qiáng)發(fā)展基礎(chǔ)
采用輕量級基礎(chǔ)應(yīng)用普及和重量級重點(diǎn)應(yīng)用改造相結(jié)合的方法，對我國工業(yè)企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化改造，為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在企業(yè)融合與應(yīng)用方面奠定基礎(chǔ)。
對于信息化、智能化程度較低的傳統(tǒng)企業(yè)，采用輕量級應(yīng)用普及的思路，即由政府制定激勵、扶持政策和規(guī)定，并培養(yǎng)一批技術(shù)和模式領(lǐng)先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商以在這些企業(yè)中推廣和幫助落地實(shí)施數(shù)字化、信息化改造，從而增強(qiáng)我國企業(yè)對發(fā)展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的動力和需求。
對于信息化、智能化基礎(chǔ)較扎實(shí)的企業(yè)，則采用重量級重點(diǎn)應(yīng)用改造策略，即根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略，重點(diǎn)對其開展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)改造和落地，將其打造為頗具國際競爭力的頭部企業(yè)。
（2）加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定
聯(lián)合工業(yè)各領(lǐng)域龍頭企業(yè)、通信企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等合作開展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用等的研發(fā)工作，并共同推進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在核心技術(shù)、融合、應(yīng)用等方面的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。
（3）構(gòu)建完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)
構(gòu)建政府機(jī)構(gòu)、各行業(yè)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及學(xué)校和相關(guān)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組織共同參與、共同促進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)至關(guān)重要。
5.5.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)突破口
（1）數(shù)字孿生
數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)智能制造中物理空間和信息空間之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，從而促進(jìn)智能制造和5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。
（2）TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）
“確定性時延”是未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)據(jù)流間時延協(xié)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(shí)時傳輸技術(shù)，是確定性時延的主要標(biāo)準(zhǔn)成果，是由IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，它在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了包括時鐘同步、低時延、預(yù)留帶寬等功能，從而可提供確定性服務(wù)，滿足實(shí)時通信需求。
5GTSN是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，包含對5G無線網(wǎng)和核心網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)5GTSN性能，以及如何融合工業(yè)以太網(wǎng)TSN和5GTSN，以提供端到端TSN的性能保證。
另外，隨著時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善和產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用全面鋪開的過程中，時間敏感網(wǎng)絡(luò)將與OPCUA、邊緣計(jì)算等技術(shù)融合部署，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新重構(gòu)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
（3）MEC（邊緣計(jì)算）
5G+MEC相比其他網(wǎng)絡(luò)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(yōu)勢，它能在很大程度上促進(jìn)工業(yè)企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)化和智能化改造。
5G+MEC和工業(yè)的融合催生了許多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場景，這些應(yīng)用場景均對低時延、大帶寬、高可靠性和數(shù)據(jù)的安全隱私性有較高要求，如遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程控制、AR遠(yuǎn)程協(xié)助、預(yù)測性維護(hù)、機(jī)器視覺質(zhì)檢等。
未來，5G+MEC要與TSN、DetNet等技術(shù)相結(jié)合，為工業(yè)場景提供更高質(zhì)量、更強(qiáng)確定性的網(wǎng)絡(luò)。同時，“5G+MEC+行業(yè)智能化應(yīng)用”的新技術(shù)和新網(wǎng)絡(luò)模式也將融入各個行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展過程，帶來真正的價值提升。
（4）OPC UA
工業(yè)界OT和IT融合是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，而OPC UA被公認(rèn)為在這兩者的融合和集成方面具有顯著優(yōu)勢。
（5）大數(shù)據(jù)
移動大數(shù)據(jù)包括用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和運(yùn)營商產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。5G的應(yīng)用使全球移動數(shù)據(jù)流量呈倍速增長，對移動大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以對5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到優(yōu)化和強(qiáng)化作用，如優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、提升運(yùn)維效率、提升服務(wù)體驗(yàn)等。
5.5.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時性要求解決方案
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對實(shí)時性有很高的要求。實(shí)時性有2個方面的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量較高。根據(jù)馬君顯教授題為《5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合中的時間相關(guān)問題》的報(bào)告，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時性需求可通過5G通信、光纖傳感網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合獲得滿足。其中，光纖傳感網(wǎng)還需要進(jìn)一步提高響應(yīng)速度才能滿足工業(yè)應(yīng)用的實(shí)時性要求。
06
結(jié)語
5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來的發(fā)展趨勢和各國之間的競爭核心，已經(jīng)在全世界引起了高度重視。目前，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢頭良好，成效初現(xiàn)，但不可否認(rèn)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須要克服的問題，并總結(jié)了一些有利于其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的推動策略和關(guān)鍵技術(shù)。
作者：同濟(jì)大學(xué)劉佳樂丨原文刊載于《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》2021年第12期
