5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

鄧愛林，馮 鋼，劉夢婕

(電子科技大學(xué) 通信抗干擾技術(shù)國家級重點實驗室，成都 611731)

0 引 言

5G作為新一代移動通信技術(shù)，除了滿足傳統(tǒng)消費者市場的大帶寬需求以外，同時也滿足各種工業(yè)場景的移動通信需求，并具備更高的安全性和可靠性[1]。4G促進(jìn)了移動互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，而5G將是驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合發(fā)展已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界共識[2-4]。我國高度重視5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，近年來制定了多項政策推進(jìn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用示范落地[5]。工業(yè)和信息化部在2020年3月發(fā)布《關(guān)于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加快發(fā)展的通知》，提出加快推動5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展[6]。2020年5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，煤礦、鋼鐵、港口、制造等超過20個行業(yè)已經(jīng)部署5G示范應(yīng)用，在我國已有超過5 000個商用創(chuàng)新項目正在實施落地。

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景不同于傳統(tǒng)的消費者業(yè)務(wù)場景，工業(yè)應(yīng)用需要可保障的用戶速率、超低時延和極高可靠性等性能指標(biāo)，要求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從“盡力而為”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按_定性”的體驗保障。5G具備高速率、低時延高可靠、低功耗大連接、高精度定位等性能特征，可以促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但是5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合仍存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，還需要突破很多關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

此前，已有較多關(guān)于eMBB(enhanced mobile broadband)、URLLC(ultra-reliable and low latency communications)和mMTC(massive machinetype communication)等5G技術(shù)的介紹性研究報告，或者是解讀3GPP(3rd generation partnership project)協(xié)議特性的文獻(xiàn)，但缺少系統(tǒng)性總結(jié)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)以及思考未來發(fā)展趨勢的文獻(xiàn)。例如，文獻(xiàn)[7-8]分別從低時延高可靠和蜂窩定位角度解析3GPP協(xié)議特性；文獻(xiàn)[9]梳理了5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)和解決方案，但其重點關(guān)注的是邊緣計算、安全和人工智能等，未涉及關(guān)鍵的空口技術(shù)的分析。因此，本文對5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理、全面性的總結(jié)以及整體性的論述。

1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景與需求

1.1 應(yīng)用場景

工業(yè)制造數(shù)字化、智能化需要先進(jìn)的信息與通信技術(shù)(information and communications technology，ICT)。多樣化的需求和動態(tài)不確定的環(huán)境，是當(dāng)前制造行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)，面向不同消費群體的細(xì)分市場和激烈的市場競爭，柔性制造變得越來越重要。柔性制造需要生產(chǎn)線布局的靈活調(diào)整，但傳統(tǒng)的通信線纜阻礙了生產(chǎn)線的調(diào)整，因此，需要用無線技術(shù)替代有線連接。當(dāng)前工業(yè)制造領(lǐng)域使用的無線通信協(xié)議眾多、各有不足且相對封閉，工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通難，亟需能夠滿足工業(yè)場景的新一代無線技術(shù)。5G具備更低的時延、更高的速率、更好的業(yè)務(wù)體驗，是工業(yè)領(lǐng)域新一代無線網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。5G支撐智能制造和工業(yè)控制的應(yīng)用場景可以涵蓋原料的采購和搬運，產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)檢，設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)控等多個環(huán)節(jié)[10-11]。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景如表1所示。

表1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景Tab.1 5G+ industrial Internet application scenarios

1.2 技術(shù)要求

1)交互類業(yè)務(wù)對上行帶寬的要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求主要是上行。機(jī)器視覺對上行帶寬的要求根據(jù)圖像的像素、幀率等有所不同。對單點上行速率要求，普通電器制造行業(yè)要求較低，一般小于20 Mbps；3C電子制造行業(yè)一般為30～100 Mbps；而在飛機(jī)等精密制造行業(yè)，要求超高清圖片且不能壓縮，要求可達(dá)到600 Mbps。遠(yuǎn)程操控和高清監(jiān)控是港口、鋼鐵和煤礦行業(yè)的典型自動化場景需求，這些場景中對單點視頻上傳的訴求一般是2～20 Mbps，多點視頻并發(fā)時上行容量的需求可達(dá)300 Mbps～1 Gbps。

2)控制類業(yè)務(wù)對低時延高可靠的要求。3GPP定義URLLC控制面時延小于10ms，環(huán)回時延小于1ms，32B包可靠度達(dá)99.999%[12-14]。但在實際應(yīng)用中，不同業(yè)務(wù)的要求不盡相同。根據(jù)行業(yè)項目交付經(jīng)驗，機(jī)械遠(yuǎn)程控制場景一般要求為20～50 ms@99.99%(@99.99%表示可靠性達(dá)到99.99%)；AGV遠(yuǎn)控場景一般要求時延為50～100 ms，多AGV協(xié)同場景要求小于20 ms，并且支持移動時仍能滿足上述要求；PLC無線化場景對時延可靠性要求更高，PLC北向(PLC到上位機(jī))要求20 ms@99.99%，PLC東西向(PLC到PLC)要求4～20 ms@99.999%，PLC南向(PLC到伺服和I/O)要求1～4 ms@99.999%。

3)人員定位和資產(chǎn)定位的要求。基于行業(yè)定位場景的分析，主要應(yīng)用場景為面向人員的定位和面向資產(chǎn)的定位。面向人員的定位，主要應(yīng)用場景包括員工軌跡分析、電子圍欄、緊急救助、訪客管理等，精度要求小于1 m，電池續(xù)航要求一般30～60天。面向資產(chǎn)的定位，主要應(yīng)用場景包括資產(chǎn)盤點、生產(chǎn)資源調(diào)度、車輛管理等，定位精度一般要求1～3 m，但對電池使用年限要求高，一般1～3年。對于AGV引導(dǎo)等應(yīng)用場景定位精度為厘米級，當(dāng)前5G無法支持。

4)網(wǎng)絡(luò)隔離和對接工業(yè)以太的要求。與公眾移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)向某些特定企業(yè)用戶和工業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)，其主要業(yè)務(wù)要求為：①出于性能、安全和隱私方面訴求，與公眾網(wǎng)絡(luò)隔離，防止公眾網(wǎng)絡(luò)故障的影響；②支持網(wǎng)絡(luò)切片，使企業(yè)方便地獲得定制化且具有隔離性的服務(wù)；③能夠提供L3層VPN(virtual private network)服務(wù)，以及L2層LAN(local area network)服務(wù)；④為工業(yè)協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上提供足夠的確定性和可靠性。

2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有技術(shù)綜述

結(jié)合5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，本節(jié)總結(jié)上行超寬帶、低時延高可靠、低功耗高精度定位、低功耗大連接和行業(yè)組網(wǎng)架構(gòu)這五大方向上的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r、相關(guān)的研究方法和研究思路。

2.1 上行超寬帶技術(shù)

針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景對上行帶寬高達(dá)1 Gbps的需求，3GPP協(xié)議中對多種上行增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了定義和增強(qiáng)，可分為空、時、頻3個維度。在空間維度，主要技術(shù)為多天線空分復(fù)用，5G引用了大規(guī)模多入多出(Massive MIMO)技術(shù)；在時間維度，可以通過調(diào)整上下行時隙配比來提升上行容量，5G采用了靈活的上下行時隙配比；在頻率維度，5G引入了多種多頻段協(xié)同技術(shù)，可利用多個頻段的協(xié)同組網(wǎng)來增強(qiáng)Sub-6 GHz和毫米波頻段的上行覆蓋。

1)Massive MIMO多天線空分復(fù)用。Massive MIMO是5G中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)[15]，可實現(xiàn)多個用戶在上下行數(shù)據(jù)傳輸時，利用空分復(fù)用技術(shù)使用相同的OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)時頻資源，同時傳輸多流數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)的上下行容量和頻譜效率。

2)動態(tài)時分復(fù)用和大上行時隙配比。目前5G主流時隙配比為8∶2和7∶3等，可以通過改變時隙配比將更多的資源分配給上行，采用時隙配比為DSUUU的幀結(jié)構(gòu)，上行單用戶峰值速率和小區(qū)容量可提升2～3倍。另外，動態(tài)時分復(fù)用技術(shù)是5G的一個重要的研究方向[16-17]，在提升網(wǎng)絡(luò)整體性能的同時, 也帶來了小區(qū)間的交叉時隙干擾問題，可通過干擾檢測、動態(tài)幀結(jié)構(gòu)調(diào)整、干擾規(guī)避和干擾消除等技術(shù)方案降低交叉時隙干擾影響[18-19]。

3)上下行解耦和超級上行技術(shù)。上下行解耦是在一個蜂窩小區(qū)中有一個下行載波和2個上行載波，新增的一個上行載波部署在頻點較低的頻段上(通常為Sub-3G頻段)，改善了遠(yuǎn)點覆蓋。超級上行通過上下行通道的時分雙工與頻分雙工協(xié)同，高頻低頻互補(bǔ)，時域頻域聚合，實現(xiàn)了5G全時隙上行，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的上行能力。

2.2 低時延高可靠技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景對時延可靠性的要求是端到端的，決定URLLC時延的因素有：終端能力、空口關(guān)鍵技術(shù)、基站設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層處理時延等，其中空口時延占比高、抖動大，因此降低空口時延是URLLC的關(guān)鍵舉措。URLLC空口技術(shù)從理論上可以總結(jié)為：在低時延和高可靠的約束下，如何最大化系統(tǒng)效率。URLLC空口分為4個主要的關(guān)鍵技術(shù)研究方向，即低時延技術(shù)、高可靠技術(shù)、URLLC與eMBB復(fù)用技術(shù)和降資源開銷技術(shù)，具體文獻(xiàn)參見表2。

表2 URLLC關(guān)鍵技術(shù)和研究內(nèi)容Tab.2 URLLC key technologies and research

1)低時延關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)eMBB的空口時延，上下行單次回環(huán)約9.5個時隙，無法滿足空口環(huán)回時延小于1 ms的要求[26]。為了滿足低時延的需求，協(xié)議為NR定義不同的子載波間隔( sub carrier space,SCS)，SCS越大，時隙長度越短，意味著調(diào)度單元越短，時延越小。同時，協(xié)議還引入了快速上行接入(UL grant free)技術(shù)，無需基站許可的傳輸方式，從而縮短了上行的信令時延。

2)高可靠關(guān)鍵技術(shù)。高可靠性定義為在一定時延要求下正確傳輸數(shù)據(jù)包的概率，提高可靠性的技術(shù)包括單鏈路可靠性提升和多鏈路分集技術(shù)。傳統(tǒng)CQI表對應(yīng)的誤塊率目標(biāo)值為10%，無法達(dá)到URLLC的可靠性要求，采用頻譜效率較低的MCS可實現(xiàn)高可靠傳輸。為了應(yīng)對單鏈路支持高可靠的挑戰(zhàn)，5G支持建立多鏈路分集傳輸[22-23]。HARQ是一種時間分集，適用于時延要求明顯超過HARQ重傳時間的業(yè)務(wù)。在時延要求更嚴(yán)格的場景，需要頻率分集和空間分集，包括多天線單流分集、多TRP空間分集以及PDCP復(fù)制頻率分集進(jìn)行可靠性增強(qiáng)。

3)URLLC與eMBB復(fù)用關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)URLLC業(yè)務(wù)和eMBB業(yè)務(wù)混合時，URLLC業(yè)務(wù)的QoS是必須要保證的，因此命題就轉(zhuǎn)化為在保證URLLC業(yè)務(wù)質(zhì)量的前提下，使eMBB容量最大化。這個技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是實際建模和求解困難，目前最簡單的方法是搶占，思想是將傳輸隊列分為幾個優(yōu)先級，在具有更高優(yōu)先級的隊列為空之前，其他隊列不能被服務(wù)。

4)降資源開銷關(guān)鍵技術(shù)。對URLLC業(yè)務(wù)概率時延約束進(jìn)行建模，以最小化占用資源為目標(biāo)，求解URLLC業(yè)務(wù)所需的資源消耗下界，就可獲得滿足低時延高可靠業(yè)務(wù)傳輸?shù)逆溌芳捌渌鶎?yīng)的調(diào)制編碼格式。文獻(xiàn)[25-26]基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算分析，給出推導(dǎo)了滿足URLLC業(yè)務(wù)概率時延約束的資源預(yù)留比例的下界。

2.3 低功耗高精度定位技術(shù)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)可同時提供高性能通信和高精度定位功能，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下優(yōu)勢明顯。從5G定位原理的角度，定位技術(shù)可分為3種類型：幾何定位、指紋定位和鄰近關(guān)系定位。不同蜂窩定位技術(shù)如表3所示。相對4G定位，5G定位存在2個天然優(yōu)勢：①5G支持大帶寬，時域時間分辨率更高，相對4G具備5～20倍的定位精度優(yōu)勢；②5G原生支持Massive MIMO技術(shù)，使得AOA測量更加精確，進(jìn)一步提升了5G定位能力。

表3 蜂窩定位技術(shù)對比Tab.3 Comparison of cellular positioning technologies

2.4 低功耗大連接技術(shù)

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大連接技術(shù)，采用低速率和中高速率IoT技術(shù)協(xié)同發(fā)展的方式，低速率業(yè)務(wù)由NB-IoT承載，中高速率業(yè)務(wù)由5G NR RedCap承載。NB-IoT具備超強(qiáng)覆蓋、超低功耗、超低成本、超大連接四大關(guān)鍵技術(shù)。RedCap設(shè)備相對于Rel-15 NR設(shè)備，主要功能差異包括：降低帶寬、減少最大MIMO層數(shù)、降低最大下行調(diào)制階數(shù)等，有助于降低基帶復(fù)雜度；減少接收天線數(shù)量，F(xiàn)DD半雙工操作，有助于降低天線和RF成本。

2.5 垂直行業(yè)5G組網(wǎng)技術(shù)

5G持續(xù)加強(qiáng)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力已向垂直行業(yè)擴(kuò)展，當(dāng)前的主要組網(wǎng)技術(shù)包括非公共網(wǎng)絡(luò)(non-public network，NPN)、5G+時間敏感網(wǎng)絡(luò)(time sensitive networking，TSN)、5G局域網(wǎng)(5G LAN)。NPN是基于3GPP 5G系統(tǒng)架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，它將5G擴(kuò)展到傳統(tǒng)的公共移動網(wǎng)絡(luò)之外，意味著工廠內(nèi)的設(shè)備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會出園區(qū)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)安全、低時延和高可靠需求；TSN可以滿足工業(yè)制造應(yīng)用的高可靠、低時延需求，5G系統(tǒng)與TSN網(wǎng)絡(luò)集成，基于5G URLLC的低時延高可靠能力，可通過5G NR無線替代工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化；5G LAN支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。

3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下5個方面。

3.1 通過分布式Massive MIMO技術(shù)實現(xiàn)泛在的一致性體驗

工業(yè)生產(chǎn)要求在覆蓋區(qū)域內(nèi)提供泛在的一致性體驗，即在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置，都需要滿足工業(yè)生產(chǎn)所需的網(wǎng)絡(luò)速率和時延要求，否則將會影響生產(chǎn)效率。這種“全區(qū)域泛在一致性體驗”要求明顯高于“盡力而為的體驗”要求。

傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)采用點對點直接連接，缺乏靈活性，但可以確保資源，且不受周邊環(huán)境的影響。無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是干擾受限的軟容量系統(tǒng)，系統(tǒng)的容量和信噪比成正比。單個無線蜂窩小區(qū)的覆蓋面積和容量有限，因此，大型工廠車間無法由單小區(qū)完全覆蓋。運營商通常采用小區(qū)分裂的方式組網(wǎng)，從而滿足行業(yè)生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的覆蓋和容量需求。由于無線多小區(qū)組網(wǎng)中存在小區(qū)交疊和小區(qū)邊緣區(qū)域，該區(qū)域信噪比極低，難以保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何位置都具備確定性體驗?zāi)芰Α?/p>

多天線技術(shù)作為提高頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經(jīng)應(yīng)用于多種無線通信系統(tǒng)。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多屬于室內(nèi)場景，難以部署宏站場景下的AAU(active antenna unit)天線，因此需要分布式Massive MIMO技術(shù)，將多個4T4R射頻單元組成一個Massive MIMO小區(qū)。分布式Massive MIMO方案原理如圖1所示，其中BBU負(fù)責(zé)集中信號處理，RHUB負(fù)責(zé)前傳數(shù)據(jù)接口匯聚，pRRU為分布式的射頻單元。分布式Massive MIMO技術(shù)將傳統(tǒng)的集中部署方式拓展至分布式部署，在多個分布式節(jié)點之間引入智能協(xié)作，實現(xiàn)資源的聯(lián)合調(diào)度和數(shù)據(jù)的聯(lián)合發(fā)送，從而突破了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中由頻率資源靜態(tài)支配所帶來的局限。分布式超大規(guī)模MIMO技術(shù)一方面將干擾轉(zhuǎn)化為增益，有效解決小區(qū)間的干擾問題，為用戶帶來無邊界性能體驗；另一方面通過MU-MIMO技術(shù)實現(xiàn)波束空分復(fù)用，顯著提升小區(qū)容量。

圖1 分布式Massive MIMO方案原理Fig.1 Principle of distributed massive MIMO solution

隨著基帶處理能力的提升和小區(qū)頻譜效率要求的進(jìn)一步提高，通信網(wǎng)絡(luò)需要大規(guī)模的分布式天線系統(tǒng)，也稱為超大口徑天線陣(extremely large aperture array, ELAA)[27]。分布式的超大規(guī)模MIMO將更大區(qū)域的天線聯(lián)合處理，可以有效降低小區(qū)間干擾水平，提升區(qū)域頻譜效率；同時，ELAA帶來了天線口徑的顯著提升，改變了整個信道的等效模型，傳統(tǒng)遠(yuǎn)場平面波模型不再與真實性能匹配，取而代之的是近場球面波模型，隨之而來的還有天線間自由度的提升和小區(qū)容量的增長；天線數(shù)量的顯著增長還會帶來信道硬化特征，為信道估計和預(yù)測帶來了便利，這可以降低系統(tǒng)導(dǎo)頻開銷，進(jìn)一步提升匹配效率。在分布式超大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，不同天線間信道功率差問題、基帶稀疏信號處理、低復(fù)雜度MU-MIMO配對是需要重點關(guān)注的問題。

分布式超大規(guī)模MIMO為需要上下行大容量、穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率的制造行業(yè)提供了有效的解決方案。在未來，尤其是更高頻段、密集部署場景中，超大規(guī)模MIMO將呈現(xiàn)出極大應(yīng)用潛力。

3.2 使用室內(nèi)毫米波技術(shù)滿足極限大上行容量需求

工業(yè)場景對上行大容量存在明確的需求，例如高精度工業(yè)相機(jī)單張照片要求高達(dá)4 000萬像素。同一區(qū)域往往有多個相機(jī)同時工作，每千平方米網(wǎng)絡(luò)上行容量的要求達(dá)3Gbps以上，從而形成局部上行容量熱點區(qū)域。為了支撐制造場景下熱點區(qū)域的超大上行需求，引入更多頻譜資源是最有效的方案。當(dāng)前5G主要使用Sub6 GHz頻譜，典型場景下單個運營商可使用頻譜為100～200 MHz。毫米波頻段可以提供更多頻譜資源，當(dāng)前已分配的26 GHz、28 GHz、39 GHz可以提供超過10 GHz總帶寬，未來45 GHz、47 GHz、68 GHz和E-Band將提供更多可用的帶寬資源。

與室外場景相比，毫米波更適用于室內(nèi)場景。室內(nèi)的多隔斷特征，結(jié)合毫米波頻點的穿損大特征，可以天然形成多個隔離區(qū)域，這樣就可以通過小區(qū)分裂提升頻率復(fù)用度。毫米波在室內(nèi)場景的傳播特性不同于室外，由于存在反射和波導(dǎo)現(xiàn)象，在室內(nèi)傳播的路損更小[28]，從而提供更好的覆蓋能力。

雖然毫米波的帶寬優(yōu)勢有滿足大上行容量的潛力，但在實際系統(tǒng)中真正發(fā)揮出優(yōu)勢，室內(nèi)毫米波系統(tǒng)還需要解決以下幾個關(guān)鍵問題：①相噪問題，高頻相噪將限制毫米波高階QAM(quadrature amplitude modulation)的應(yīng)用，從而制約了高頻系統(tǒng)的容量上限；②全信道信息獲取問題，HBF(hybrid beamforming)架構(gòu)是當(dāng)前主流的高頻架構(gòu)，獲取所有天線陣子的全信道信息是提升模擬權(quán)值性能的關(guān)鍵；③波束開銷問題，高頻一般會采用模擬窄波束提升覆蓋，如何控制波束開銷是高頻系統(tǒng)的關(guān)鍵問題；④校正問題，為了獲取高頻的窄波束增益，需要對通道時延進(jìn)行精確校準(zhǔn)才能保證模擬波束的方向性。

3.3 通過信道預(yù)測和應(yīng)用層聯(lián)合設(shè)計實現(xiàn)URLLC增強(qiáng)

無線網(wǎng)絡(luò)空口不受控因素多，人員、設(shè)備的移動或遮擋會影響無線信號強(qiáng)度，系統(tǒng)內(nèi)鄰區(qū)用戶、系統(tǒng)外干擾會影響無線信號質(zhì)量，從而導(dǎo)致無線空口的時延波動和數(shù)據(jù)包丟失。無線通信系統(tǒng)一般通過數(shù)據(jù)包重傳和資源冗余來提升業(yè)務(wù)可靠性，但是數(shù)據(jù)包重傳會增加時延，資源冗余會導(dǎo)致資源的成倍消耗。因此，如何兼顧時延、可靠性和頻譜效率是URLLC最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)前針對URLLC已有較多的技術(shù)研究，但是大多數(shù)是通過調(diào)度算法和MCS選擇算法優(yōu)化來提升URLLC的資源效率，無法從根本上突破低時延高可靠的瓶頸。

現(xiàn)有方案通過盡力而為的方式補(bǔ)償信號波動，缺少對無線環(huán)境變化的主動預(yù)測。利用機(jī)器學(xué)習(xí)時序預(yù)測或深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合用戶的歷史數(shù)據(jù)，可以對無線信號的波動進(jìn)行預(yù)測，以更快和更可靠地響應(yīng)信道的變化。在未來，通過多維度融合感知、視覺等非無線的環(huán)境信息作為輸入，可在不犧牲頻譜效率的情況下有效解決信號遮擋問題。

從系統(tǒng)角度分析，真正影響應(yīng)用層業(yè)務(wù)可靠性的是應(yīng)用層的連續(xù)錯包或丟包(即工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的Watchdog機(jī)制)，空口在一定時間內(nèi)的丟包和重傳在應(yīng)用層是不感知的。當(dāng)前的URLLC業(yè)務(wù)對5G空口時延可靠性要求太高，而忽略了應(yīng)用層的容錯機(jī)制，影響了URLLC的頻譜效率。通過5G空口和應(yīng)用層的聯(lián)合設(shè)計，優(yōu)化應(yīng)用層機(jī)制后，空口側(cè)存在放寬嚴(yán)格時延和可靠性要求的可能性。其中一種方案是改變時延可靠性的算法目標(biāo)，傳統(tǒng)方案是5G空口恒定保持99.999%的可靠性，而基于應(yīng)用層聯(lián)合設(shè)計，可以將目標(biāo)調(diào)整為保障應(yīng)用層不連續(xù)丟包。

從理論角度出發(fā)，URLLC進(jìn)一步向1 ms和99.9999%的目標(biāo)演進(jìn)，已經(jīng)接近或超過了無線空口的理論上限。傳統(tǒng)的香農(nóng)容量適用于無限長度的編碼塊長，但是對于IoT網(wǎng)絡(luò)使用有限長度、甚至非常短的編碼塊長，香農(nóng)容量則不夠準(zhǔn)確。Polyanskiy提出短/有限塊長編碼，可以彌補(bǔ)香農(nóng)理論的缺陷，更適合URLLC業(yè)務(wù)[29-31]。

3.4 通過NLOS定位增強(qiáng)實現(xiàn)5G復(fù)雜環(huán)境亞米級定位

5G具備大帶寬優(yōu)勢，更適合基于時間測量的幾何定位算法，準(zhǔn)確地測量信號到達(dá)時間(TOA)是定位精度的關(guān)鍵。視距(LOS)場景有利于TOA測量精度，但在實際的制造工廠環(huán)境中，存在大量的信號遮擋和金屬物體多徑反射，無法獲取理想的LOS場景。針對工廠復(fù)雜環(huán)境下的5G定位，需要研究NLOS定位誤差消除算法、高精度指紋定位和圖像融合定位等技術(shù)。

消除NLOS定位誤差的方法主要有最優(yōu)化方法、信道分類和虛擬錨節(jié)點。最優(yōu)化方法在定位幾何方程組無法求解的情況下，將定位問題轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問題，通過求解最優(yōu)解獲得終端的估計位置[32]。信道分類方法先判斷信道是否為直視路徑，若為直視路徑，則選用此信道的測距值，否則排除該測距值再進(jìn)行定位。主要的信道分類方法包括利用幾何知識、參數(shù)化信道和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法[33]。為了實現(xiàn)在只存在少量直視基站的情況下進(jìn)行定位，文獻(xiàn)[34]提出了虛擬錨節(jié)點的概念，虛擬錨節(jié)點是真實基站通過墻面的鏡面反射，利用反射路徑的信息進(jìn)行定位解算。

高精度指紋定位的主要研究方向包括稀疏指紋庫增強(qiáng)、抗不確定環(huán)境魯棒算法、圖像融合定位等。NLOS指紋定位與AI算法的結(jié)合是當(dāng)前研究熱點，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以提高NLOS場景下首徑估計的精度，也可以基于AI提取更適合定位的無線信道特征作為指紋定位的輸入。

雖然5G定位在3GPP標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究上持續(xù)演進(jìn)，并已經(jīng)取得明顯的精度提升，但在實際的復(fù)雜環(huán)境中達(dá)到預(yù)期效果，5G定位還需要解決2個關(guān)鍵問題。①指紋庫構(gòu)建問題，指紋定位依賴指紋特征采集和指紋庫構(gòu)建，實際項目中往往需要投入大量人力，并且指紋庫不能自適應(yīng)環(huán)境變化，需要研究自動指紋庫構(gòu)建方案；②多種測量值的融合問題，當(dāng)前一般對TOA和信號場強(qiáng)等多種測量值獨立計算，沒有充分利用測量值的互信息。

3.5 通過高可用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提升5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的極致可靠性

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，將有大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入5G通信網(wǎng)絡(luò)。5G通信網(wǎng)絡(luò)要極高可靠性地滿足設(shè)備性能和無線性能的要求，不滿足要求可能造成業(yè)務(wù)中斷，影響效率，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

通過設(shè)備級冗余和備份(比如資源池)來提升各環(huán)節(jié)的可用度，可以提升網(wǎng)絡(luò)的可用度。例如提升無線接入網(wǎng)RAN環(huán)節(jié)的可用度，可以采用BBU內(nèi)的電源板備份、主控板備份、基帶板備份的方式。在對網(wǎng)絡(luò)E2E可用度有極高要求的場景，也可以通過核心網(wǎng)、傳輸、無線的雙網(wǎng)全冗余超高可靠性配置，比如無線側(cè)的AB雙網(wǎng)異頻冗余，在同一覆蓋區(qū)域部署2張可用網(wǎng)絡(luò)(如2.6G和4.9G雙網(wǎng))，分別對應(yīng)部署2套BBU和2套射頻，其中一張網(wǎng)絡(luò)故障，則用戶可以切換接入另一張可用網(wǎng)絡(luò)，從而避免較長時間的業(yè)務(wù)中斷。

設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的冗余和備份，影響設(shè)備組網(wǎng)復(fù)雜度的同時，還會造成整體投資成本的增加。為了在控制投資成本的同時提供較高的網(wǎng)絡(luò)可用度，可以采用覆蓋冗余的方案。通過在相同覆蓋區(qū)域內(nèi)增加一定的基站部署密度，確保相鄰基站間覆蓋有較大范圍的重疊，同時采用SFN、分布式Massive MIMO等方案，減少相鄰基站之間的同頻干擾。當(dāng)其中一個基站發(fā)生異常導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷時，可以由周邊正常運行的基站提供覆蓋和服務(wù)。從而在控制成本的前提下提升網(wǎng)絡(luò)可用度，達(dá)到成本和網(wǎng)絡(luò)可用度之間的一種平衡關(guān)系。

典型場景下企業(yè)園區(qū)內(nèi)部署無線設(shè)備和數(shù)據(jù)面下沉設(shè)備，并通過傳輸網(wǎng)連接到公網(wǎng)核心網(wǎng)。傳輸網(wǎng)的可靠性非常重要，要求在傳輸光纜等硬件故障場景下不影響本地網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，滿足公網(wǎng)核心網(wǎng)傳輸故障時本地數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)急接入能力。

4 結(jié)束語

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的充分重視，本文總結(jié)了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和相關(guān)的性能要求，歸納了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的五大關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)有發(fā)展?fàn)顩r?；诂F(xiàn)有的發(fā)展?fàn)顩r，本文全面闡述了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)潛在的技術(shù)挑戰(zhàn)和難點，并提出對5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展方向的思考。