基于5G網絡的工業互聯網應用研究

向濤

【摘要】? ? 隨著5G時代的到來，借助于5G eMBB、mMTC、uRLLC的應用場景，5G網絡將全面使能工業互聯網，加速推動多產業互聯網化融合。本文首先介紹了工業互聯網的體系架構和網絡需求，然后分析了5G網絡的關鍵技術和應用場景，最后研究了工業互聯網中的5G應用。

【關鍵詞】? ? 5G網絡? ? 工業互聯網? ? 關鍵技術? ? 應用場景

引言

工業互聯網是全球工業系統與高級計算、分析、傳感技術及互聯網的高度融合，是工業生產與互聯網技術相互結合的新型工業架構。對標德國的“工業4.0”、美國的“工業互聯網”，中國2015年5月出臺《中國制造2025》，制定了“三步走”發展戰略，旨在打造工業互聯網平臺，拓展“智能+”，為制造業轉型升級賦能。工業互聯網的發展依賴于高速發達的互聯網技術，5G通信在工業領域的行業應用前景廣闊。4G改變生活，5G改變社會。2019年是5G通信的元年，中國已發放5G商用牌照，實行“政府引導、企業主導、共建共享”的建設模式;各大運營商正搶跑5G網絡建設，采取“宏微協同、室內外協同”的組網方式，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了質的提升，主要面向萬物互聯、超低延時、超高速等場景，不僅能夠推動消費互聯網的發展，而且為工業互聯網的發展帶來了機遇。

一、工業互聯網體系架構

工業互聯網是基于全面互聯而形成數據驅動的智能網絡，網絡、數據、安全是工業和互聯網兩個視角的共性基礎和支撐。工業互聯網通過系統構建網絡、平臺、安全三大功能體系，打造人、機、物全面互聯的新型網絡基礎設施，形成智能化生產、個性化定制、網絡化協同、服務化延伸等諸多新模式新業態。

工業互聯網的基礎是網絡體系，通過網絡聯接、標識解析、邊緣計算等關鍵技術實現智能物體泛在互聯和全生命周期深度互聯;核心是平臺體系，通過構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系，支撐制造資源實現泛在連接、彈性供給、高效配置等;保障是安全體系，通過增強設備、網絡、控制、應用和數據的安全保障能力，識別和抵御安全威脅，化解各種安全風險。

要全面實現工業互聯網，需要滿足企業應用的高安全性、超可靠、低時延、大連接和個性化的需求，以及IT（信息技術）與OT（操作技術）兼容的要求，需要開發對工業互聯網優化的ICT技術（信息通信技術）;同時，系統需要具備智能感知、泛在連通、數字建模、實時分析、精準控制和迭代優化等基本特征。

為推動工業互聯網快速健康有序地發展，需要在5G、IPv6、時間敏感網絡（TSN）、軟件定義網絡（SDN）、確定性網絡（DetNet）、低功耗無線網絡、工業無源光纖網絡（PON）、工業無線等重點領域加快技術標準及產業布局。

二、 5G關鍵技術及應用場景

5G不僅僅是一次信息通信技術的升級換代，更是一場影響深遠的全方位變革，將從支撐移動互聯網向支撐全行業數字化、網絡化和智能化轉變。5G無線和網絡的一些關鍵技術特性十分切合工業互聯網的應用需求，能夠促進工業、交通、金融等垂直行業迅速轉型升級。

2.1? 5G關鍵技術

（1）低時延高可靠。5G可通過Minislot、上行免授權、大子載波間隔和FDD傳輸等技術為工業物聯網提供超低時延，網絡具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數密度指標要求，實現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%的業務可靠性保證。

（2）MEC技術。MEC（邊緣計算）是通過一種將計算應用、數據和服務的控制從某些中心節點（核心）帶到另一個連接物理世界的互聯網末端（邊緣）的云計算系統優化方法。MEC能夠對數據進行快速處理和本地存儲，滿足業務高速率、低時延的運行要求，提升數據絕對私密性，降低工業終端計算能力要求，更好地支撐工業互聯網大量本地業務的實時智能化處理與執行，滿足網絡的實時需求。

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

通過NFV和SDN技術結合可實現網絡切片，將運營商的物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每一個虛擬網絡根據不同的服務需求，比如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分，以靈活的應對不同的網絡應用場景，資源可以充分靈活共享，實現新業務的快速開發和部署。

2.2? 5G應用場景

3GPP定義了5G三大應用場景：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大容量物聯網）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、更強的穩定性和更多的用戶支持，5G網絡能夠靈活地支撐工業互聯網的多業務場景。

三、工業互聯網5G應用

無線接入網避免了有線接入網鋪設線纜和設置保護設施等操作，5G可大幅降低工廠內網絡部署和維護成本，網絡部署快，增強現場設備的移動性，提高生產線的靈活性，可根據產品生產需求對生產線進行靈活的重構，實現柔性生產;但是，工業互聯網對于底層智能網絡的帶寬、時延、智能程度等有著很高的要求，5G網絡能夠為工業生產提供高效率、高質量、低成本的網絡連接。

（1）工業自動化控制。工業自動化控制分為設備內部控制、線體內及設備間控制、整個車間內生產控制，通過對工業設備及傳感器數據的計算、分析，實現工業生產參數和生產流程的自動化控制。利用5G網絡高覆蓋、高可靠性、大容量通信和靈活部署的特性，能夠實現工廠內網絡的無盲區覆蓋、無縫集成和異網融合，以提高生產效率和生產質量。