基于5G确定化网络的行业应用研究

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

问:5G+工业互联网如何赋能产业创新?

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5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

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5G赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,开启一个全连接的新时代。与此同时,千行百业多种多样的业务需求场景,也为5G个性化的网络定制能力带来巨大挑战,5G确定化网络应运而生,并成为近年来业界关注与发展的焦点之一[1-2]。5G确定化网络指在一个网络域内,借助移动边缘计算、网络切片和时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)等多种关键技术,可以为承载业务提供确定化业务保障能力的网络,该确定化业务保障能力涵盖时延、时延抖动和丢包率等关键QoS指标体系[1]。

01 工业互联网及其体系架构

很高兴回答这个问题,众所周知今年被外界公认为“5G元年”,随着5G商用时代的到来,民众对5G可能给未来生活带来的改变也是充满期待。可能普通人短时间内还不太容易立刻感受到5G给日常生活带来的改变。但是在工业领域,5G已经开始明显地改造“中国制造”。

本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手,分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求,并重点提出了确定化网络实现架构和关键技术,并通过部分典型案例加以呈现。

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

如今中国已经拥有全球最大的工业体系,但不得不承认的是,在发展质量和竞争能力上,我们与美德等发达国家还存在一定差距。而5G时代的到来,给了中国工业加速赶超的机会。

1 5G特点与能力

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

5G的独特性能让工业互联网催生了新动能,解决了过去4G、光纤通信在工业制造现场不能解决的问题,让工业制造数字孪生成为可能。例如,5G的超低时延,让工业体系里的高精度远程控制、自动驾驶和机器人协同成为可能;5G的超高带宽,催生出视频安防、视觉智能和在线质检等新功能;5G的超大容量,又带动了智能物流、移动巡检的发展;而5G的边缘计算,则让工业系统里如同科幻版的增强现实/虚拟现实、预测式维护变成现实。

5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统,在传输速率和资源利用率等方面较4G系统获得大幅提升。用户在享受更高、更快、更丰富的体验的同时,也对网络速率和时延等性能指标提出更高的要求[3]。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

未来5G的场景应用要注重在第二产业,积极推进5G网络在工业互联网的场景应用。因为制造业对于一个国家有着极其重要的意义,制造业要是落后了,将会在未来的国际竞争中处于劣势。工业互联网作为基础设施,它的需求是低时延、高可靠、广覆盖。

5G网络的增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量连接,构建了5G与垂直行业实现万物互联全连接愿景的特性,如表1所示。一方面,5G技术凭借虚拟化架构的引入,实现转发面与控制面的彻底分离,通过网络切片和边缘计算技术使得面向行业的可定制化网络构建成为可能,实现业务的快速上线和更极致的用户体验,使能垂直行业应用的开放和发展;另一方面,相对于4G“尽力而为”的网络特性,5G大带宽(0~10 Gb/s)、低时延(1~100 ms)和高可靠性(0~99.999 9%)等能力,为网络性能配置提供了灵活的配置空间,从而满足车联网、工业互联网和智能电网等行业网络的不同需求[4]。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

所以从网络的角度看,网络和5G技术要分开,将来很多垂直行业的工厂可以建立自己的5G网络。

随着移动通信网络的快速研究与发展,不同行业用户对网络确定化需求日益高涨,特别是在智能电网和工业互联网等面向于低时延和高可靠性的垂直应用领域,对网络提出了更加严格的时延、抖动、丢包率和可靠性等承载需求,这种随网络指标的严格要求促使5G确定化网络应运而生,并成为业界关注的重点。

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

谢谢邀请。

目前,电子电气工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)和互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)已提出确定性网络技术。IEEE 802.1工作组(Work Group,WG)致力于时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)的标准化,时间敏感网络是当前实现确定性网络的技术方向,通过IEEE 802.1AS时钟同步、IEEE 802.1Qcc流预留、IEEE 802.1Qch循环排队等技术保障物理层和链路层的确定性时延;IETF的DetNet(Deterministic Network)工作组专注于网络层(L3)及更高层次的广域确定性网络技术。此外,5G标准化工作组已将目标定为总时延1 ms或更低,应用层的开放通信平台OPC UA(Object linking and embedding for Process Control Unified Architecture)也在积极寻求与TSN的结合,确定性网络的发展充满了机遇与挑战,是未来真正实现5G产业繁荣的基础,也是5G使能千行百业的重要抓手[2]。

两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

2 典型应用场景

三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一,不仅在学术领域有广阔的研究空间,而且在产业化方面也有巨大的市场前景,因此,研究其在特定场景下具体需求对确定化网络的发展落地具有重要意义。本节将主要分析确定化网络的4个典型应用场景,并介绍每个场景下对网络能力的具体需求。

四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

01 工业互联网及其体系架构

2.1智能电网

图片 35G将成为未来工厂的中枢神经,为工业生产带来颠覆性的变化。

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

智能电网是智慧能源的基本保障,是推动我国经济社会协调、可持续发展进程的重要物质基础。基于现有电网业务作“从主干向末端延伸”式的5G应用,如配网差动保护、毫秒级精准负荷控制对通信的可靠性、低时延、大带宽、安全防护有着迫切需求,5G技术为这些业务的推广应用提供了基础。智能电网中具有潜在需求和典型代表意义的应用场景对5G网络性能指标的要求如表2~表4所示。

02 5G由浅入深赋能工业互联网

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

2.2 工业互联网

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

工业互联网通过智能机器间的连接并最终将人机连接,结合软件和大数据分析,重构全球工业、激发生产力。工业互联网涉及机械、船舶、飞机制造、电力等较多的工业领域,应用广泛。如飞机制造领域,通过5G+8K视频检测生产安装缺陷,使用5G+AR辅助飞机装配,有效提高飞机生产研制效率,该场景对5G网络时延、带宽和安全性等性能指标都提出了较为严格的要求。

工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此,工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会(ZVEI)基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

工业互联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表5所示。

图片 41. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

2.3 智慧医疗

工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络,占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响,很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比,存在协议众多,标准缺失,难以互联互通等弊端。

借助5G网络的毫秒级别的低时延、Gb/s级别的高速率,并充分利用5G 移动通信网络提供的移动边缘计算能力,可以为医疗行业提供低时延、高可靠的边缘云技术服务,实现个性化的便利智慧医疗。

传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

目前,医疗行业的相关业务比较全面地覆盖了5G的三大应用场景。例如,增强型移动宽带场景应用主要有5G急救车,通过广域连续覆盖的5G网络实现现场高清视频、病患体征及病情等关键生命信息的实时回传,辅助后台指挥中心的指挥调度;同时,通过可穿戴设备对病患及高危人群的体征数据进行全天候不间断的检测与分析,建立用户的体征档案,实现对所患疾病的早发现、早治疗。低时延、高可靠场景主要应用有院内无线监护、远程监测及远程手术等对低时延有较高要求的场景。针对当前存在的院内医疗设备种类多、管理监控不便、设备间数据难以共享等问题,海量机器连接场景则可以提供统一接入方式,实现院内医疗设备统一管理与数据互联。

5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性,令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%,但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年,工业通信连接中无线连接占比将达58%,其中5G将发挥重要作用。

智慧医疗场景中的远程诊断、远程示教等高价值应用业务对5G网络服务能力的要求如表6所示。

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