5G的全稱(chēng)為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是指在全球范圍內(nèi)，移動(dòng)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(mǎn)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(shí)代起到極為關(guān)鍵的作用。
01、5G的特性與優(yōu)勢(shì)
5G具有大容量、高速率、低延時(shí)和高移動(dòng)性等特性。5G系統(tǒng)能夠提供每平方千米超百萬(wàn)個(gè)設(shè)備的連接支持，為萬(wàn)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(mǎn)足工業(yè)客戶(hù)對(duì)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(shí)和5～10ms的典型端到端延時(shí)，從而支撐工業(yè)場(chǎng)景下的一部分實(shí)時(shí)應(yīng)用。
5G系統(tǒng)最高可以支持每小時(shí)500km移動(dòng)場(chǎng)景下的用戶(hù)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(shì)。在數(shù)據(jù)傳輸方面，5G具有更高的速率、更短的延時(shí)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(hù)體驗(yàn)速率，時(shí)延低至1ms，傳輸距離長(zhǎng)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(yíng)成本，更高的頻譜利用率和信息利用率，并且支持更多用戶(hù)。5G具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和加密性，可實(shí)現(xiàn)無(wú)卡頓瀏覽圖片和視頻，為用戶(hù)帶來(lái)更好的體驗(yàn)。5G自身的兼容性較好，可與無(wú)線(xiàn)、藍(lán)牙等銜接。
02、5G能力指標(biāo)與應(yīng)用場(chǎng)景
5G利用場(chǎng)景來(lái)推動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，5G通信場(chǎng)景能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物的相互銜接。國(guó)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(chǎng)景：eMBB(增強(qiáng)型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng))、mMTC(海量連接物聯(lián)網(wǎng))和uRLLC(超低時(shí)延高可靠通信)。
2.1 eMBB
eMBB場(chǎng)景以提供覆蓋范圍內(nèi)一致的用戶(hù)體驗(yàn)為目標(biāo)，需要達(dá)到Gb/s級(jí)別的高速率數(shù)據(jù)傳輸，并保證較低的接入時(shí)延。該場(chǎng)景主要承載高速率數(shù)據(jù)傳輸和大流量移動(dòng)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(chǎng)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(wàn)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(chǎng)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(cè)等。
2.3 uRLLC
uRLLC場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了高可靠、低時(shí)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(jí)別的端到端時(shí)延。該場(chǎng)景主要承載實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的及時(shí)性業(yè)務(wù)，如無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等。另外，3GPP還定義了5G的8個(gè)能力指標(biāo)以描述應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G系統(tǒng)的能力要求：峰值速率、用戶(hù)體驗(yàn)速率、頻譜效率、移動(dòng)性、空口時(shí)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(chǎng)景對(duì)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(xiàn)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(xiàn)技術(shù)
大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)(Massive MIMO)能夠提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量、可靠性和頻譜效率。大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)在傳統(tǒng)多天線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上將其天線(xiàn)數(shù)量擴(kuò)展若干倍。大規(guī)模天線(xiàn)陣列通過(guò)波束成形將信號(hào)能量聚集到某一個(gè)方向，因此基站能夠通過(guò)空分多址技術(shù)同時(shí)為同頻終端提供通信服務(wù)而不會(huì)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(xiàn)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(wú)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(duì)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量過(guò)差而無(wú)法覆蓋的區(qū)域內(nèi)，設(shè)備仍然可以通過(guò)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)資源管理和通信的實(shí)時(shí)性。
3.3 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
5G的不同場(chǎng)景和業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求千差萬(wàn)別，而傳統(tǒng)的移動(dòng)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(mǎn)足所有場(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(dòng)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(chǎng)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(dòng)性調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)和提升移動(dòng)用戶(hù)通信體驗(yàn)的重要手段。
3.5 新型多址技術(shù)
隨著移動(dòng)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(shí)延，現(xiàn)有的正交多址接入技術(shù)已不能滿(mǎn)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(guò)發(fā)送信號(hào)的疊加傳輸來(lái)提升系統(tǒng)的接入能力，可有效滿(mǎn)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(shí)。目前國(guó)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(hù)共享接入。
3.6 高頻傳輸技術(shù)
隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量的暴增和用戶(hù)業(yè)務(wù)及應(yīng)用的快速增長(zhǎng)對(duì)移動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(zhǎng)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(wú)線(xiàn)通信所用，從而緩解當(dāng)前頻譜資源短缺的問(wèn)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(chēng)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT，是一個(gè)開(kāi)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(tái)為載體，通過(guò)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)力的核心載體，是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵支撐?！熬W(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺(tái)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(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)連接層、平臺(tái)匯聚層和數(shù)據(jù)分析層。感知識(shí)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(tái)匯聚層是大腦，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)來(lái)自感知識(shí)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(tái)匯聚層提供的計(jì)算資源，對(duì)感知識(shí)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(shì)
4.2.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
(1)國(guó)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(lái)智能社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施、是必然的發(fā)展趨勢(shì)和各國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等諸多制造大國(guó)已將其上升為國(guó)家戰(zhàn)略。
目前，世界上大多數(shù)國(guó)家已完成了對(duì)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(duì)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(xiàn)等方面均達(dá)成了廣泛共識(shí)，但由于各國(guó)在發(fā)展基礎(chǔ)、優(yōu)勢(shì)和短板上存在差異，因此針對(duì)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(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
總得來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(hù)積極應(yīng)用與推進(jìn)的共同助力下，我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)良好勢(shì)頭;另一方面，盡管發(fā)展態(tài)勢(shì)可觀(guān)，我國(guó)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(tái)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(wèn)題。
(3)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的挑戰(zhàn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在極大促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也會(huì)給社會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。
?、倬蜆I(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(dòng)化、智能化程度會(huì)更高，現(xiàn)有的絕大多數(shù)工作崗位將會(huì)被機(jī)器取代。因此，如何保障人類(lèi)有尊嚴(yán)、體面地工作和生活將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要挑戰(zhàn)。
?、陔[私與安全的挑戰(zhàn)
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(guò)程中，數(shù)據(jù)的泄露會(huì)對(duì)用戶(hù)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(tái)，那么接入到平臺(tái)中的設(shè)備也會(huì)被其掌控，這將對(duì)社會(huì)造成無(wú)法估量的損失。
4.2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的總體發(fā)展趨勢(shì)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(guò)程中各單元之間的協(xié)調(diào)與配合;網(wǎng)絡(luò)化是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián);智能化是指對(duì)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(guò)程。
4.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)自動(dòng)化
自動(dòng)化指機(jī)器代替人力的過(guò)程。工業(yè)自動(dòng)化是自動(dòng)化的一部分，是指在工業(yè)領(lǐng)域使用自動(dòng)化技術(shù)的部分。工業(yè)自動(dòng)化于二戰(zhàn)時(shí)期提出，指對(duì)工廠(chǎng)中的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化、聯(lián)網(wǎng)化改造，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)部軟件操縱機(jī)器產(chǎn)線(xiàn)，使機(jī)器設(shè)備取代人工進(jìn)行大規(guī)模、重復(fù)性勞動(dòng)，降本增效。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)源于且全包含工業(yè)自動(dòng)化，是對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的擴(kuò)展和延伸。工業(yè)自動(dòng)化主要解決傳統(tǒng)粗放型生產(chǎn)方式低效的問(wèn)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(xiāo)售環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)性技術(shù)、流程性技術(shù)和模式性問(wèn)題。
4.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時(shí)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(chǎng)景下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)質(zhì)量，在滿(mǎn)足功能正確的要求時(shí)，還必須滿(mǎn)足功能執(zhí)行時(shí)間上的確定性約束。這種時(shí)間約束一般是指要求在某個(gè)截止時(shí)間前完成某項(xiàng)任務(wù)，分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)兩種情況。硬實(shí)時(shí)是指一旦違背了時(shí)間約束，就會(huì)造成無(wú)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(shí)是指打破時(shí)間約束的后果可以容忍和補(bǔ)救。
實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一種必須在規(guī)定時(shí)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(shí)間。為滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)和實(shí)時(shí)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(shì)
5G應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是必然趨勢(shì)。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開(kāi)5G的支持。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)通信技術(shù)的高要求是當(dāng)前4G技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足的。而5G的特性能夠滿(mǎn)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(chǎng)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(lái)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(dòng)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(lái)5G技術(shù)落地的重要應(yīng)用場(chǎng)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(jià)值。
5.1.1 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制
借助5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，及時(shí)掌握工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(wàn)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(dòng)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(mǎn)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(lèi)型的機(jī)器、設(shè)備間的即時(shí)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(dòng)化控制，打破了空間限制，節(jié)省了時(shí)間和人力。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)具有一定的延時(shí)性，且無(wú)法保證工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而無(wú)法滿(mǎn)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(dòng)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(xiàn)的部署。目前大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)仍采用有線(xiàn)連接，頻繁切換線(xiàn)路成本較高且存在安全隱患。5G作為一種低時(shí)延、高帶寬、大連接、高可靠性的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠靈活調(diào)整、重組生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景中的平滑切換，從而滿(mǎn)足柔性制造的需求。
5.1.6 推動(dòng)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(cè)性維護(hù)、B2C定制等新的智能服務(wù)模式，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向智能服務(wù)轉(zhuǎn)型。預(yù)測(cè)性維護(hù)是指將傳感器實(shí)時(shí)收集的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳到云端平臺(tái)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)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(duì)收集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地預(yù)測(cè)客戶(hù)的進(jìn)一步需求，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)性化優(yōu)化;另外，利用5G技術(shù)，還可以讓客戶(hù)參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，為客戶(hù)帶來(lái)高度個(gè)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(shì)，與5G融合有助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。對(duì)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(chǎng)景能夠承載數(shù)字化改造帶來(lái)的海量連接;對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化，5G的uRLLC場(chǎng)景能夠?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)提供高可靠、低時(shí)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(yíng)質(zhì)量和效率;對(duì)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(chǎng)景
5.3.1 云AR/VR
工業(yè)AR/VR對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)性能要求極高，為實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)的用戶(hù)體驗(yàn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸延時(shí)不能超過(guò)10ms。只有將5G與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相融合才能滿(mǎn)足這樣的延時(shí)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(guò)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(shí)的處理結(jié)果。云端機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求非常嚴(yán)格，首先是低時(shí)延的要求，信息傳輸時(shí)間和云端處理時(shí)間總和不能超過(guò)100ms;再者是高帶寬的要求，每個(gè)云端機(jī)器人應(yīng)獲得至少10Gb/s的帶寬。
5.3.3 無(wú)人駕駛
5G網(wǎng)絡(luò)具有低延時(shí)和大容量特性，能夠?yàn)闊o(wú)人駕駛提供全面的、實(shí)時(shí)的道路信息和車(chē)輛狀況信息，并能進(jìn)行路況預(yù)測(cè)，從而提高行車(chē)效率，降低發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。
5.3.4 資產(chǎn)跟蹤
資產(chǎn)跟蹤是指每個(gè)物體都被看作是一個(gè)有唯一“身份”的終端，在物流過(guò)程中通過(guò)5G技術(shù)對(duì)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(mǎn)足資產(chǎn)跟蹤的需求。
5.3.5 遠(yuǎn)程控制
對(duì)于如開(kāi)采煤礦、油田等危險(xiǎn)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(shí)傳輸?shù)娇刂浦行模瑥亩档腿藗兊陌踩L(fēng)險(xiǎn)。5G低延時(shí)、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(guò)程中，對(duì)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(xiǎn)。智慧港口對(duì)通信技術(shù)有低延時(shí)、高可靠和大帶寬的要求，而5G能夠滿(mǎn)足這樣的需求。目前國(guó)內(nèi)典型的智慧港口應(yīng)用實(shí)例有中國(guó)聯(lián)通在青島建立的智慧港口和中國(guó)移動(dòng)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(duì)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(shí)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(gòu)、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(guò)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量能耗，如何降低運(yùn)行過(guò)程中的能耗是急需解決的問(wèn)題。
5.4.3 需求缺乏拉動(dòng)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(dòng)力，但目前市場(chǎng)上仍缺乏對(duì)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(gè)方面：(1)我國(guó)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(chǎng)景;(3)5G的性?xún)r(jià)比較低，5G目前的發(fā)展和應(yīng)用都還處于起步階段，帶來(lái)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(lái)說(shuō)并不強(qiáng)[11]，其原因主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：(1)5G部署和運(yùn)營(yíng)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(shí)具備IT技術(shù)和工業(yè)業(yè)務(wù)背景知識(shí)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(chǎng)景差異較大，根據(jù)不同的場(chǎng)景建立不同的專(zhuān)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(wèn)題
基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在通信過(guò)程中需要大量高頻段資源，如何開(kāi)發(fā)高頻段的資源以滿(mǎn)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(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)通信的實(shí)時(shí)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(kāi)放，且在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中涉及大量數(shù)據(jù)、覆蓋范圍較廣，因此安全問(wèn)題是一大挑戰(zhàn)。必須要保證在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)不會(huì)損失或缺少，同時(shí)也要保證設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中的用戶(hù)隱私安全等。
在實(shí)時(shí)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(shí)間和99.999%的位置維持可用性并且在規(guī)定時(shí)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(wú)法保證100%的可靠性，因此仍然可能導(dǎo)致實(shí)時(shí)系統(tǒng)在某段時(shí)間內(nèi)出錯(cuò)，無(wú)法完全達(dá)到實(shí)時(shí)系統(tǒng)的傳輸要求。
5.5 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)策略與突破口
5.5.1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)策略
(1)增強(qiáng)發(fā)展基礎(chǔ)
采用輕量級(jí)基礎(chǔ)應(yīng)用普及和重量級(jí)重點(diǎn)應(yīng)用改造相結(jié)合的方法，對(duì)我國(guó)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(duì)于信息化、智能化程度較低的傳統(tǒng)企業(yè)，采用輕量級(jí)應(yīng)用普及的思路，即由政府制定激勵(lì)、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(guó)企業(yè)對(duì)發(fā)展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力和需求。
對(duì)于信息化、智能化基礎(chǔ)較扎實(shí)的企業(yè)，則采用重量級(jí)重點(diǎn)應(yīng)用改造策略，即根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略，重點(diǎn)對(duì)其開(kāi)展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)改造和落地，將其打造為頗具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))
“確定性時(shí)延”是未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)需求之一?！按_定性時(shí)延”不單指時(shí)延要足夠小，還要求時(shí)延抖動(dòng)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(shí)延協(xié)同等方面。
TSN是一種傳輸時(shí)延有界、低傳輸抖動(dòng)和低丟包率的確定性實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，是確定性時(shí)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(shí)鐘同步、低時(shí)延、預(yù)留帶寬等功能，從而可提供確定性服務(wù)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信需求。
5GTSN是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，包含對(duì)5G無(wú)線(xiàn)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(shí)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(kāi)的過(guò)程中，時(shí)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(shí)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(shí)延等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，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(chǎng)景，這些應(yīng)用場(chǎng)景均對(duì)低時(shí)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(cè)性維護(hù)、機(jī)器視覺(jué)質(zhì)檢等。
未來(lái)，5G+MEC要與TSN、DetNet等技術(shù)相結(jié)合，為工業(yè)場(chǎng)景提供更高質(zhì)量、更強(qiáng)確定性的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，“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(gè)行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展過(guò)程，帶來(lái)真正的價(jià)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(shì)，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(shì)。
(5)大數(shù)據(jù)
移動(dòng)大數(shù)據(jù)包括用戶(hù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)商產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。5G的應(yīng)用使全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈倍速增長(zhǎng)，對(duì)移動(dòng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以對(duì)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(shí)性要求解決方案
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性有很高的要求。實(shí)時(shí)性有2個(gè)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(shí)間相關(guān)問(wèn)題》的報(bào)告，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性需求可通過(guò)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(mǎn)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(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求。
06、結(jié)語(yǔ)
5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和各國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)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(shì)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(wèn)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(wèn)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(dòng)策略和關(guān)鍵技術(shù)。
原文刊載于《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》 2021年第12期 作者：同濟(jì)大學(xué) 劉佳樂(lè)
（轉(zhuǎn)載）
