从需求和要求两角度分析5G工业应用

刘 丹，魏剑嵬，赵艳领，王麟琨

(机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055)

0 引言

5G移动通信技术由于超高带宽、超低时延和超广连接的技术特点，可以满足数字化生活、数字化工业、数字化社会等对于强大通信网络的广泛需求。特别是在当前新一代信息技术与工业制造业融合引发的智能制造/工业4.0的新制造模式变革下，5G作为重要的赋能技术，受到各界的广泛关注和推广应用。目前，5G工业应用率先集中在增强移动带宽的应用场景，利用5G在无线、大带宽方面的优势，已经在视觉检测、工业增强现实(augmented reality,AR)/虚拟现实(virtual reality，VR)、远程操控、远程运维、智能物流等应用方面取得成功案例。但是，5G在底层实时控制、机器对机器(machine-to-machine,M2M)通信等方面的应用还处于研究试验阶段。

然而，任何信息领域的网络通信技术从来都不是直接“拿来”在工业中应用的。工业对于安装在生产现场的通信网络具有特殊要求，由此产生了现场总线、工业以太网、工业无线网络等工业专用网络技术。因此，本文深入分析了5G与工业应用 “相互成就”的关系：首先，阐明工业为何需要5G，以及在技术上还有哪些特殊要求；其次，基于5G的技术特点和组网关键技术，分析其对于工业应用的天然适应性；然后，介绍几种典型的5G工业应用场景，以及各自对5G网络服务质量的性能指标要求；最后，提出当前为实现大规模5G工业应用还需考虑及迫切解决的问题。

1 工业对于新型通信技术的需求与要求

1.1 工业应用需求

随着新一代信息技术与先进制造技术的不断融合应用，工业应用对网络技术提出了新的需求，主要包括以下4个方面。

①泛在感知互联的需求：工厂生产需采集大量的生产绩效、质量检测、设备状态等现场数据，以及人、机、料、法、环等制造资源，实现互联互通。

②采用无线通信的需求：旋转类机械装备、老旧工厂升级改造、生产现场距离过远，以及高温、高湿、高腐等恶劣环境等不适合使用有线网络的生产场景。

③柔性制造的需求：个性化定制要求生产线支持柔性制造，可根据订单变化在生产线上快速增加、移除、重组制造装备。这要求现场网络支持灵活多变的组网。

④智能化应用的需求：远程诊断、预测性维护等智能化工业应用需求不断涌现，现场设备上云已成“刚需”。

因此，基于以上需求分析，亟需一种可以满足全部需求的新型网络技术。5G的技术特点使其能够很好地满足这些新需求。

1.2 工业应用要求

对于工业生产现场使用的通信网络，其性能存在更严格的要求[1-2]。

①实时性(real-time)：系统在限定的时间内能够对外界事件作出处理与响应。

②确定性(deterministic)：通信系统的端到端传输延迟具有最大限值。

③可用性(availability)：事物在预定时间或时间间隔内执行所要求功能的能力。

④可靠性(reliability)：报文/消息在可接受时延内完整无损地到达目的地的能力。

正是由于这些更严格要求，使得工业中必须使用特定的专用网络而非办公网络。例如：工业以太网(又称实时以太网)基于IEEE 802.3，工业无线网基于IEEE 802.15.4或IEEE 802.11。这些工业通信网络修改了媒体访问控制(media access control,MAC)层协议，或在其上增加一些确保实时性、确定性、可靠性等协议内容。

此外，IEC 61784-2[3]实时以太网行规中规定了评估工业以太网的性能指标，主要包括以下几项。

①交付时间：信息从源节点到目的节点的传输时间。

②端节点数：一个控制网络支持的最大节点数。

③基本网络拓扑：星型、环型、线型。

④实时(real time,RT)吞吐量：每秒链路上通过RT数据的总字节数。

⑤非RT带宽：链路上用于非RT通信的带宽百分比。

⑥时间同步精度：任意两个节点时钟之间的最大偏差。

⑦非时基同步精度：任意两个节点间周期性行为的最大抖动。

⑧冗余恢复时间：从一次故障到完全正常工作的最大恢复时间。

不同应用领域和应用场景的性能指标要求不同。虽然IEC 61784-2规定的这些指标是针对工业以太网的，但同样适用于对现场总线、工业无线等工业通信网络的性能评估测试。5G是否适合工业应用、适合哪些应用领域和应用场景，同样也需通过这些指标进行评估测试。

2 5G对工业应用的适应性

2.1 5G技术特点

5G技术是现有4G技术的延伸，比4G具有更高速率、更大带宽、更短时延。国际电信联盟(international telecommunication union，ITU)规定了5G的关键指标，即ITU-T目标值。

5G关键指标如表1所示。

表1 5G关键指标Tab.1 Key indicators of 5G

按照5G 超高带宽、超低时延和超广连接的特点，ITU规定了5G的三大应用场景，具体如下。

①增强移动宽带(enhance mobile broadband，eMBB)：在现有4G移动宽带业务场景基础上的大流量移动宽带业务提升，聚焦对带宽有极高需求的业务，例如高清视频、VR/AR等，满足数字化生活的应用需求。

②超高可靠超低时延通信(ultra-reliable low latency communication，uRLLC) ：聚焦对时延极其敏感的业务，例如自动驾驶/辅助驾驶、工业远程控制等，满足数字化工业的应用需求。

③大规模机器类通信(massive machine type communication，mMTC) ：针对大规模物联网传感与数据采集业务，例如智慧城市、环境监测、智能农业等，满足数字化社会的应用需求。

5G在垂直行业和工业细分领域的各种应用场景，最终都可归结到上述三大应用场景。

在此网络架构基础上，采用模块化功能设计模式，并通过“功能组件”的组合，构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。

2.2 5G网络逻辑架构

为适应多应用场景并满足灵活多变的业务发展需求，5G网络应更加融合、开放、灵活。因此，5G网络采用网络功能虚拟化和软件定义架构，并按照逻辑功能划分为接入面、转发面和控制面[4]。5G网络逻辑架构如图1所示。

图1 5G网络逻辑架构Fig.1 5G network logical architecture

①接入面：引入多站点协作、多连接机制、多制式融合技术，构建灵活的接入网拓扑。

②转发面：具备分布式数据转发和处理功能，提供丰富的业务链处理能力。

③控制面：基于集中式网络控制功能，实现网络功能虚拟化、软件化、可重构，支持网络能力开放。

在此网络架构基础上，采用模块化功能设计模式，并通过“功能组件”的组合，构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。

2.3 5G对工业的适应性

5G 网络组网具有如下特征[5]：控制面和转发面分离，网络功能虚拟化，灵活的网络业务流程，多网多制式融合，本地化缓存/处理/转发，灵活组网等。

这些特征依赖相对应的技术，包括5G网络逻辑架构设计、软件定义网络(software defined network，SDN)、网络功能虚拟化(network function virtualization，NFV)、网络切片、移动边缘计算(mobile edge computing，MEC)等。

这些关键技术适应智能制造对工业网络的新需求，例如个性化定制柔性制造对于灵活组网的需求、不同应用数据传输对于通信资源可重构调度的需求、多类型业务对于特定服务质量(quality of service，QoS)的需求，以及工控网络与互联网融合集成对于信息安全的更高需求等。

5G关键技术对于这些工业应用需求的适应性如表2所示。

表2 5G关键技术对工业应用需求的适应性Tab.2 Adaptability of 5G key technologies to industrial application demand

3 5G工业应用典型场景

3.1 5G工业应用场景分析

3GPP从应用需求角度分析了典型工业应用案例的性能指标范围及其对于5G应用场景的诉求[6]。典型工业应用案例的性能指标如表3所示。其中，周期时间是指用于实时控制或数据采集的重复性数据传输的周期，抖动是指报文(数据)到达目的地的实际时间与理想时间之间的偏差。这两个时间指标直接反映工业通信的实时性和确定性。

表3 典型工业应用案例的性能指标Tab.3 Performance indicators of typical industrial applications

表3(续)

当前，5G已经开展的工业应用场景主要分为两大类：一类是在工厂车间内，5G与视觉检测、视频监控、自动导引车(automated guided vehicle，AGV)、工业机器人等现场生产设备相结合，利用5G大带宽、低时延的数据传输和基于云平台的数据分析，实现产品检测、生产与环境监控、物料配送、预测性维护等智能制造应用；另一类是在港口、矿山、石化管道、电力输送等室外开阔场景，5G与无人机、挖掘机、工业机器人、运输车等工业设备相结合，利用5G的无线通信、大带宽数据传输和远程的操控平台，实现环境监控、设备远程遥控与巡检、物流运输调度等远距离操控作业。在这些应用场景中，上行数据主要包括从终端(设备)上传至云端的视频图像、测量数据、设备状态数据等，下行数据主要包括从云端下传至终端(设备)的配置参数、优化控制和操作指令等。因此，上行数据和下行数据传输对于带宽、时延的要求不同。表4给出了几个当前典型的5G工业应用场景，以及这些场景对于时延、数据速率关键指标的要求[7-9]。

表4 典型工业应用场景及相应需求Tab.4 Typical industrial application scenarios and corresponding requirements

3.2 5G工业应用网络部署

不同于4G，5G不仅可提供“尽力而为”的移动宽带服务，还可通过网络切片技术，使运营商按照与用户约定的SLA为其提供关于时延、移动性、可靠性、带宽等网络性能的差异化定制。其实质就是用户需求与网络能力的“对接”。第三代合作计划(3rd generation partnership project,3GPP)定义了网络切片的SLA要求，网络切片SLA的部分关键属性如表5所示。

5G工业应用网络部署，一般需要制造企业用户、移动通信运营商、咨询机构(如需要)和设备供应商共同完成。用户了解自己的生产制造工艺，可与咨询机构一起提出网络通信需求，并建成后运行维护工厂内的5G网络。运营商按需部署宏基站、微基站和MEC，划分网络切片。

咨询机构跨界连接工业和5G，提供5G与工厂内其他网络系统的集成解决方案。设备供应商提供5G模组、5G通信模块、5G与其他工业协议适配器、5G集成网关等。

表5 网络切片SLA的部分关键属性Tab.5 Partial key attributes of network slicing SLA

用户和运营商的5G工业应用网络部署过程如图2所示。

图2 5G工业应用网络部署过程Fig.2 5G industrial application network deployment process

4 结论

智能制造/工业4.0对工业网络提出了更多、更高的要求，除了满足原来的工业自动化控制外，还有更大量甚至海量的现场数据要直接上传到边缘侧和云端。个性化定制柔性制造要求网络能够支持即插即用的组网方式，机器视觉和VR/AR等新兴技术应用使得生产现场还要实时传送大带宽数据，给IT/OT融合也带来了更多的信息安全风险。这些给工业通信网络带来了新的需求。5G超高带宽、超低时延和超广连接的技术特点与灵活可重构的组网能力，使其能够很好地满足工业通信的新需求。

当前，在国家政策的大力倡导下，“5G+工业互联网”创新应用如火如荼地展开，业界也将二者视为推动制造业数字化转型升级的重要手段。然而，目前5G工业应用场景还是以政府项目支持的试点示范为主，距离企业内生动力产生的大规模应用，在技术上和经济上还存在一些问题亟待解决。

从技术角度，5G技术引入工业，可能为企业带来新的安全问题和更多对数据存储、传输、计算的要求。因此，还需对5G网络在实际工业应用场景中的实时性、确定性、安全性等性能进行专业的测试验证。从经济角度来看，目前5G核心器件和通信模组还未形成大规模产业化，导致市场供应不足而硬件成本较高，而且企业专网又是运行在运营商公网之上，大量设备的5G通信成本对于企业用户而言也是必须要考虑的额外开销。

5G在工业应用无论为5G还是为工业，都带来了新的机遇与挑战，需要OT领域和IT领域共同协作实现。