5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜述

劉佳樂

（同濟大學，上海 201804）

0 引 言

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(jīng)發(fā)展到了第五代階段，它是在4G技術基礎上的進一步優(yōu)化和擴展。當前4G已經(jīng)很難滿足互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展和規(guī)模擴大的需求，而新一代5G技術能為其發(fā)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。

1 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備的連接支持，為萬物互聯(lián)提供通信基礎。5G系統(tǒng)將實現(xiàn)10 Gb/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[1]。5G系統(tǒng)將提供不到1 ms的理想延時和5～10 ms的典型端到端延時，從而支撐工業(yè)場景下的一部分實時應用。5G系統(tǒng)最高可以支持每小時500 km移動場景下的用戶通信，從而適應快速移動環(huán)境下通信日益增加的趨勢。

相比4G以及更早的通信技術，5G技術具有顯著優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)傳輸方面，5G具有更高的速率、更短的延時和更遠的傳輸距離，5G支持10 Gb/s～20 Gb/s的峰值速率和1 Gb/s的用戶體驗速率，時延低至1 ms，傳輸距離長達2 km。在系統(tǒng)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(wěn)定性和加密性，可實現(xiàn)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。

2 5G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(xiàn)人與人、人與物的相互銜接[2]。國際標準化組織3GPP定義了5G系統(tǒng)的三大典型應用場景：eMBB（增強型移動互聯(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一致的用戶體驗為目標，需要達到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，如三維/超高清視頻、虛擬/增強現(xiàn)實、邊緣計算部署等。

2.2 mMTC

mMTC場景要求網(wǎng)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(shù)據(jù)采集為目標的業(yè)務，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)絡提出了高可靠、低時延的要求，網(wǎng)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(yè)務，如無人駕駛、工業(yè)自動化等。

另外，3GPP還定義了5G的8個能力指標以描述應用場景對5G系統(tǒng)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(shù)密度、網(wǎng)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。

3 5G關鍵技術

5G采用了一系列新技術，包括大規(guī)模天線技術、終端直通技術、邊緣計算、新型網(wǎng)絡架構等。

3.1 大規(guī)模天線技術

大規(guī)模天線技術（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)模天線技術在傳統(tǒng)多天線技術的基礎上將其天線數(shù)量擴展若干倍。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同時為同頻終端提供通信服務而不會產(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)模天線技術因自身的一些特性，特別適合用于異構網(wǎng)絡和毫米波通信。

3.2 終端直通（D2D）技術

在現(xiàn)有的通信系統(tǒng)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(tǒng)控制從而實現(xiàn)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(xiàn)故障或處于無線網(wǎng)絡信號質量過差而無法覆蓋的區(qū)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(qū)的覆蓋范圍，提高了無線網(wǎng)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]。

3.3 新型網(wǎng)絡架構

5G的不同場景和業(yè)務對網(wǎng)絡的要求千差萬別，而傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡采用單一的運行模式和單一的網(wǎng)絡架構，難以滿足所有場景和業(yè)務的需求[4]。新型網(wǎng)絡架構采用端到端網(wǎng)絡切片技術，將網(wǎng)絡分割成多個邏輯上相互獨立的切片，以實現(xiàn)各特定業(yè)務或場景下的最佳體驗。網(wǎng)絡切片技術可實現(xiàn)不同業(yè)務和網(wǎng)絡間的資源共享，從而提高效率。新型網(wǎng)絡架構基于軟件定義網(wǎng)絡、網(wǎng)絡功能虛擬化、移動邊緣計算和霧計算等技術[5]。

3.4 異構超密集組網(wǎng)技術

異構超密集組網(wǎng)技術能夠擴大無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，提高系統(tǒng)的吞吐量和通信質量。在異構網(wǎng)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(jù)實際場景進行選擇，因此所有異構小區(qū)可以以全復用的方式共享相同的頻帶資源。異構網(wǎng)絡是超密集網(wǎng)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(lián)網(wǎng)技術的發(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已不能滿足網(wǎng)絡的需求。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。這些新型多址技術通過發(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)絡每平方千米千億設備的連接需求，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[5]。

3.6 高頻傳輸技術

隨著無線通信技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量的暴增和用戶業(yè)務及應用的快速增長對移動通信系統(tǒng)的設備連接數(shù)、速率及帶寬都提出了更高的要求，導致現(xiàn)有無線通信頻譜資源愈加緊張、稀缺。

6 GHz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(jīng)成為研究熱點。

4 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，將人、數(shù)據(jù)和機器進行連接，將工業(yè)、技術和互聯(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)絡技術、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代數(shù)字技術與工業(yè)技術的深度融合，規(guī)?；┙o智能服務與產(chǎn)品，推動工業(yè)企業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型，是建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系、實現(xiàn)高質量發(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)革命的關鍵支撐。

“網(wǎng)絡是基礎、平臺是核心、安全是保障”被視為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構中的三大要素[6]。

4.1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構模型

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是四層架構模型，各層次從下至上分別為感知識別層、網(wǎng)絡連接層、平臺匯聚層和數(shù)據(jù)分析層[7]。感知識別層是基礎，用于智能物體的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡連接層是神經(jīng)，作用是數(shù)據(jù)傳輸；平臺匯聚層是大腦，負責存儲來自感知識別層的數(shù)據(jù)并提供強大的算力；數(shù)據(jù)分析層是核心，它利用平臺匯聚層提供的計算資源，對感知識別層采集的大量智能物體數(shù)據(jù)進行分析（主要采用機器學習算法）。

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設施、是必然的發(fā)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(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)基礎概念的普及并邁入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用推廣階段，且對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心理念、最終目標、發(fā)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(fā)展基礎、優(yōu)勢和短板上存在差異，因此針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的具體應用和實踐形成了不同的發(fā)展策略和應用模式[8]。

（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、高校及研究所技術改革創(chuàng)新、相關產(chǎn)業(yè)及用戶積極應用與推進的共同助力下，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)標準不完善等問題。

（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(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：數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。數(shù)字化是指使用數(shù)字化技術促進生產(chǎn)過程中各單元之間的協(xié)調與配合；網(wǎng)絡化是指通過網(wǎng)絡技術實現(xiàn)萬物互聯(lián)；智能化是指對海量數(shù)據(jù)進行分析，并利用分析得到的結果優(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)領域使用自動化技術的部分。

工業(yè)自動化于二戰(zhàn)時期提出，指對工廠中的機器設備進行自動化、聯(lián)網(wǎng)化改造，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，通過內部軟件操縱機器產(chǎn)線，使機器設備取代人工進行大規(guī)模、重復性勞動，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)更多的是解決供應鏈、生產(chǎn)制造、銷售環(huán)節(jié)的基礎性技術、流程性技術和模式性問題。

4.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實時系統(tǒng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與實時系統(tǒng)的結合，是產(chǎn)業(yè)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(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(jīng)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(tǒng)是一種必須在規(guī)定時間內完成計算并給出正確結果的計算機系統(tǒng)，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(yè)互聯(lián)網(wǎng)應當和實時系統(tǒng)相結合。

5 5G應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

5.1 5G應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的必要性和優(yōu)勢

5G應用于工業(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(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、遠程控制、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、業(yè)務連續(xù)性等要求，助力未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化。只有5G技術才能夠對其發(fā)展予以支持，只有將5G移動通信技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行深度聯(lián)合，才能使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更上一層樓[9]。另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來 5G 技術落地的重要應用場景之一，應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)才能更好地體現(xiàn)5G的價值。

5.1.1 實現(xiàn)實時監(jiān)測與控制

借助5G技術能夠實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(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 增強穩(wěn)定性

5G技術能夠改善網(wǎng)絡狀況，從而有效減少因網(wǎng)絡狀況不佳而導致工業(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 實現(xiàn)全面互聯(lián)互通

應用5G技術有利于實現(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)務多樣性等特點，可使得海量設備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，從而極大地擴展其覆蓋范圍和規(guī)模；另一方面，5G能夠滿足高質量、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(jié)省了時間和人力。傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡具有一定的延時性，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(chǎn)的關鍵是實現(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)絡技術，能夠靈活調整、重組生產(chǎn)線，實現(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 推動智能服務轉型

將5G技術應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以創(chuàng)造出預測性維護、B2C定制等新的智能服務模式，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行分析，實時、動態(tài)地預測客戶的進一步需求，根據(jù)預測結果對產(chǎn)品進行個性化優(yōu)化；另外，利用5G技術，還可以讓客戶參與到產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)過程中，為客戶帶來高度個性化的產(chǎn)品和服務體驗[4]。

5.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合機理

數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化是工業(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)絡化，5G的uRLLC場景能夠為工業(yè)網(wǎng)絡提供高可靠、低時延的支撐，5G的網(wǎng)絡切片技術使工業(yè)網(wǎng)絡能夠根據(jù)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(wǎng)的負載，提高了網(wǎng)絡的運營質量和效率；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)典型應用場景

5.3.1 云AR/VR

工業(yè)AR/VR對通信網(wǎng)絡性能要求極高，為實現(xiàn)無延時的用戶體驗，工業(yè)網(wǎng)絡的雙向傳輸延時不能超過10 ms。只有將5G與工業(yè)網(wǎng)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(wǎng)絡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果。

云端機器人對網(wǎng)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100 ms；再者是高帶寬的要求，每個云端機器人應獲得至少10 Gb/s的帶寬。

5.3.3 無人駕駛

5G網(wǎng)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(fā)生事故的風險。

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(chǎn)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(shù)較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以利用遠程控制系統(tǒng)把設備的狀態(tài)及環(huán)境情況實時傳輸?shù)娇刂浦行?，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(tǒng)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(fā)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(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)融合應用雖然對工業(yè)轉型升級起到重要作用，且應用前景廣闊，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現(xiàn)大規(guī)模推廣落地。

5.4.1 投資成本高

5G網(wǎng)絡的基礎投資成本較高，主要體現(xiàn)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(fā)展過程中的關鍵挑戰(zhàn)之一[10]。

5.4.2 能耗大

5G網(wǎng)絡在數(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)務需求是5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用與發(fā)展的根本驅動力，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，不具備應用5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎條件；

（2）目前尚未找到與5G強綁定的代表性工業(yè)應用場景；

（3）5G的性價比較低，5G目前的發(fā)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(guī)模不強

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[11]，其原因主要體現(xiàn)在4個方面：

（1）5G部署和運營成本高，導致網(wǎng)絡布設和應用較慢；

（2）商業(yè)模式和贏利點尚不清晰；

（3）同時具備IT技術和工業(yè)業(yè)務背景知識的復合型人才缺乏，導致技術與業(yè)務協(xié)同的難度較大；

（4）不同行業(yè)領域的應用場景差異較大，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(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 技術不完善

目前，5G還未能完全滿足工業(yè)領域對現(xiàn)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[12]。

在安全性方面，5G網(wǎng)絡和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡架構較為開放，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(yōu)于4G，可靠性達99.999%，這意味著5G能夠達到≥99.999%的網(wǎng)絡可獲得性和數(shù)據(jù)連接可靠性，即網(wǎng)絡需在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，將數(shù)據(jù)包發(fā)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(tǒng)在某段時間內出錯，無法完全達到實時系統(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）增強發(fā)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(yè)企業(yè)進行數(shù)字化改造，為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在企業(yè)融合與應用方面奠定基礎。

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)一批技術和模式領先的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)供應商以在這些企業(yè)中推廣和幫助落地實施數(shù)字化、信息化改造，從而增強我國企業(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、智能化基礎較扎實的企業(yè)，則采用重量級重點應用改造策略，即根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略，重點對其開展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）加強技術研發(fā)和標準制定

聯(lián)合工業(yè)各領域龍頭企業(yè)、通信企業(yè)和科研機構等合作開展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術、產(chǎn)品、應用等的研發(fā)工作，并共同推進5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)業(yè)生態(tài)

構建政府機構、各行業(yè)企業(yè)、科研機構及學校和相關產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟組織共同參與、共同促進5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)至關重要。

5.5.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)突破口

（1）數(shù)字孿生

數(shù)字孿生能夠實現(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，從而促進智能制造和5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設。

（2）TSN（時間敏感網(wǎng)絡）

“確定性時延”是未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)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(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時傳輸技術，是確定性時延的主要標準成果[13]，是由IEEE 802.1標準構成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層標準，它在傳統(tǒng)以太網(wǎng)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。

5G TSN是當前的研究熱點，包含對5G無線網(wǎng)和核心網(wǎng)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)5G TSN性能，以及如何融合工業(yè)以太網(wǎng)TSN和5G TSN，以提供端到端TSN的性能保證[13]。

另外，隨著時間敏感網(wǎng)絡技術的不斷完善和產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，在工業(yè)領域實際應用全面鋪開的過程中，時間敏感網(wǎng)絡將與OPC UA、邊緣計算等技術融合部署，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)網(wǎng)絡的創(chuàng)新重構提供強大的技術支撐[14]。

（3）MEC（邊緣計算）

5G+MEC相比其他網(wǎng)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(yōu)勢，它能在很大程度上促進工業(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)的典型應用場景，這些應用場景均對低時延、大帶寬、高可靠性和數(shù)據(jù)的安全隱私性有較高要求，如遠程駕駛、遠程控制、AR遠程協(xié)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(yè)場景提供更高質量、更強確定性的網(wǎng)絡。同時，“5G+MEC+行業(yè)智能化應用”的新技術和新網(wǎng)絡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[15]。

（4）OPC UA

工業(yè)界OT和IT融合是技術發(fā)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(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)和運營商產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。5G的應用使全球移動數(shù)據(jù)流量呈倍速增長，對移動大數(shù)據(jù)進行分析可以對5G網(wǎng)絡的發(fā)展起到優(yōu)化和強化作用，如優(yōu)化網(wǎng)絡體系架構設計、提升運維效率、提升服務體驗等[16]。

5.5.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時性要求解決方案

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡服務質量較高。根據(jù)馬君顯教授題為《5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合中的時間相關問題》的報告，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實時性需求可通過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)還需要進一步提高響應速度才能滿足工業(yè)應用的實時性要求。

6 結 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，并總結了一些有利于其進一步發(fā)展和應用的推動策略和關鍵技術。