基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究

向濤

【摘要】? ? 隨著5G時代的到來，借助于5G eMBB、mMTC、uRLLC的應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)將全面使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，加速推動多產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化融合。本文首先介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)需求，然后分析了5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景，最后研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的5G應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ? 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)? ? 關(guān)鍵技術(shù)? ? 應(yīng)用場景

引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、傳感技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，是工業(yè)生產(chǎn)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合的新型工業(yè)架構(gòu)。對標(biāo)德國的“工業(yè)4.0”、美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，中國2015年5月出臺《中國制造2025》，制定了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，旨在打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展“智能+”，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依賴于高速發(fā)達的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，5G通信在工業(yè)領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。4G改變生活，5G改變社會。2019年是5G通信的元年，中國已發(fā)放5G商用牌照，實行“政府引導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)、共建共享”的建設(shè)模式;各大運營商正搶跑5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，采取“宏微協(xié)同、室內(nèi)外協(xié)同”的組網(wǎng)方式，保障社會資源和通信資源的高效利用。與4G相比，5G在覆蓋、容量和速率等方面實現(xiàn)了質(zhì)的提升，主要面向萬物互聯(lián)、超低延時、超高速等場景，不僅能夠推動消費互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，而且為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了機遇。

一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于全面互聯(lián)而形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全是工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個視角的共性基礎(chǔ)和支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大功能體系，打造人、機、物全面互聯(lián)的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，形成智能化生產(chǎn)、個性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)化延伸等諸多新模式新業(yè)態(tài)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)體系，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、標(biāo)識解析、邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)智能物體泛在互聯(lián)和全生命周期深度互聯(lián);核心是平臺體系，通過構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源實現(xiàn)泛在連接、彈性供給、高效配置等;保障是安全體系，通過增強設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制、應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全保障能力，識別和抵御安全威脅，化解各種安全風(fēng)險。

要全面實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，需要滿足企業(yè)應(yīng)用的高安全性、超可靠、低時延、大連接和個性化的需求，以及IT（信息技術(shù)）與OT（操作技術(shù)）兼容的要求，需要開發(fā)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的ICT技術(shù)（信息通信技術(shù)）;同時，系統(tǒng)需要具備智能感知、泛在連通、數(shù)字建模、實時分析、精準(zhǔn)控制和迭代優(yōu)化等基本特征。

為推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速健康有序地發(fā)展，需要在5G、IPv6、時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet）、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）、工業(yè)無線等重點領(lǐng)域加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)布局。

二、 5G關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景

5G不僅僅是一次信息通信技術(shù)的升級換代，更是一場影響深遠的全方位變革，將從支撐移動互聯(lián)網(wǎng)向支撐全行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)變。5G無線和網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)特性十分切合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，能夠促進工業(yè)、交通、金融等垂直行業(yè)迅速轉(zhuǎn)型升級。

2.1? 5G關(guān)鍵技術(shù)

（1）低時延高可靠。5G可通過Minislot、上行免授權(quán)、大子載波間隔和FDD傳輸?shù)燃夹g(shù)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供超低時延，網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，實現(xiàn)終端的超低功耗和超低成本，能夠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

（2）MEC技術(shù)。MEC（邊緣計算）是通過一種將計算應(yīng)用、數(shù)據(jù)和服務(wù)的控制從某些中心節(jié)點（核心）帶到另一個連接物理世界的互聯(lián)網(wǎng)末端（邊緣）的云計算系統(tǒng)優(yōu)化方法。MEC能夠?qū)?shù)據(jù)進行快速處理和本地存儲，滿足業(yè)務(wù)高速率、低時延的運行要求，提升數(shù)據(jù)絕對私密性，降低工業(yè)終端計算能力要求，更好地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大量本地業(yè)務(wù)的實時智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實時需求。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式，其將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用戶平面和控制平面解耦，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)變得更加智能;NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）通過使用通用性硬件以及虛擬化技術(shù)，將EPC軟件與硬件解耦，承載很多功能的軟件處理，從而降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本。

通過NFV和SDN技術(shù)結(jié)合可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，將運營商的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的服務(wù)需求，比如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分，以靈活的應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，資源可以充分靈活共享，實現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署。

2.2? 5G應(yīng)用場景

3GPP定義了5G三大應(yīng)用場景：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大容量物聯(lián)網(wǎng)）和uRLLC（低時延高可靠通信）。因為擁有更快的速率、更低的功耗、更短的延遲、更強的穩(wěn)定性和更多的用戶支持，5G網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多業(yè)務(wù)場景。

三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)5G應(yīng)用

無線接入網(wǎng)避免了有線接入網(wǎng)鋪設(shè)線纜和設(shè)置保護設(shè)施等操作，5G可大幅降低工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署和維護成本，網(wǎng)絡(luò)部署快，增強現(xiàn)場設(shè)備的移動性，提高生產(chǎn)線的靈活性，可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)需求對生產(chǎn)線進行靈活的重構(gòu)，實現(xiàn)柔性生產(chǎn);但是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于底層智能網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時延、智能程度等有著很高的要求，5G網(wǎng)絡(luò)能夠為工業(yè)生產(chǎn)提供高效率、高質(zhì)量、低成本的網(wǎng)絡(luò)連接。

（1）工業(yè)自動化控制。工業(yè)自動化控制分為設(shè)備內(nèi)部控制、線體內(nèi)及設(shè)備間控制、整個車間內(nèi)生產(chǎn)控制，通過對工業(yè)設(shè)備及傳感器數(shù)據(jù)的計算、分析，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)流程的自動化控制。利用5G網(wǎng)絡(luò)高覆蓋、高可靠性、大容量通信和靈活部署的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的無盲區(qū)覆蓋、無縫集成和異網(wǎng)融合，以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。