陳圣晟，朱惠招

（1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長沙 410000；2.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

近年來，全球5G通信技術(shù)取得了重大突破。5G通信技術(shù)帶來了嶄新的用戶體驗(yàn)，信息傳輸穩(wěn)定、流暢，具有很高的應(yīng)用價(jià)值[1]。要使5G通信技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，需要重視其關(guān)鍵技術(shù)的使用，包括無線傳輸技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用在不同領(lǐng)域，助力通信公司實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)作。

1 5G通信技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 高速度

隨著每一代移動(dòng)通信技術(shù)的更迭，給用戶帶來了不同的感受，最直接的感受則是移動(dòng)通信技術(shù)速度的提升。相較于3G和4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)速度更快，最快可達(dá)10 Gb/s，下載一部超清電影只需幾秒，大大提升了用戶體驗(yàn)[2]。

1.2 低時(shí)延

3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延約為100 ms，4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為20～80 ms，5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為1～10 ms?；诘蜁r(shí)延這一要求，可以將5G通信技術(shù)應(yīng)用到更多的場景中，例如無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化的高可靠連接等。正常情況下，人與人之間進(jìn)行信息交流時(shí)可以接受140 ms的時(shí)延，不會(huì)影響交流效果，但對于無人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等場景來說，這種時(shí)延無法接受。5G對于時(shí)延的終極要求是1 ms，甚至更低，可以有效滿足無人駕駛和工業(yè)自動(dòng)化的高可靠連接需求[3,4]。

1.3 萬物互聯(lián)

5G移動(dòng)通信技術(shù)可以將人、數(shù)據(jù)、事物等充分連接，支持百億甚至千億級的海量傳感器接入到5G網(wǎng)絡(luò)中。大量智能硬件進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)中，能夠滿足大部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接需求[5]。與此同時(shí)，5G通信技術(shù)將賦予連接設(shè)備新的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理和智能化的相關(guān)功能。

1.4 提升用戶體驗(yàn)

5G通信技術(shù)的高效利用建立在技術(shù)人員明確的系統(tǒng)性認(rèn)知基礎(chǔ)上，梳理應(yīng)用場景、應(yīng)用流程、應(yīng)用環(huán)節(jié)注意事項(xiàng)，對于提升技術(shù)針對性和有效性有很大的助力作用。與前4代通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在連續(xù)廣域覆蓋、低延時(shí)、低功耗、大連接以及高容量等方面，進(jìn)一步滿足了“三網(wǎng)合一”和物聯(lián)網(wǎng)對于數(shù)據(jù)信息交互的要求，通信服務(wù)的速度和質(zhì)量相較之前都出現(xiàn)了質(zhì)的提升[6]。傳統(tǒng)通信技術(shù)受限于網(wǎng)絡(luò)自身架構(gòu)，通信速度不斷下降，特別是如辦公區(qū)、商場、體育場等人員密集區(qū)域，用戶的體驗(yàn)感較差[7]。5G通信技術(shù)可以在人員密集地區(qū)提供高容量熱點(diǎn)服務(wù)，持續(xù)提升通信服務(wù)能力，降低數(shù)據(jù)延遲，帶給用戶流暢的上網(wǎng)體驗(yàn)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

2 5G通信技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

通過大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)，有效縮短數(shù)據(jù)延時(shí)，提升數(shù)據(jù)無線傳輸能力，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和時(shí)效性，最終為用戶提供滿意的通信服務(wù)。大規(guī)模MIMO技術(shù)的主要特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)無線信號的同步收發(fā)，數(shù)據(jù)信息不論是接收還是傳輸，都獲得了明顯的提升。

大規(guī)模MIMO技術(shù)有助于打造高效的通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在不增加頻譜寬度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展信道容量，從而提高通信系統(tǒng)信道容量的利用率。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)在頻譜帶寬方面存在顯著缺陷，大規(guī)模MIMO技術(shù)針對性地改善了這些缺陷和問題，在控制成本的前提下獲取更加穩(wěn)定的通信質(zhì)量。大規(guī)模MIMO技術(shù)與有源天線技術(shù)的結(jié)合應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整，在垂直方向上利用天線單元組合和科學(xué)編碼實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波束賦形。有源天線與大規(guī)模MIMO技術(shù)的聯(lián)合可以進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)接收和傳輸，數(shù)據(jù)通信的范圍也可以進(jìn)一步擴(kuò)大，為基站建設(shè)和維護(hù)提供保障[8]。

2.2 超密集組網(wǎng)技術(shù)

超密集組網(wǎng)技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)路徑是增加基站密度，為了提升頻率復(fù)用效率，技術(shù)人員必須要做好各類通信基站的部署，形成系統(tǒng)完備的通信機(jī)制。超密集組網(wǎng)的核心技術(shù)是無線物理層技術(shù)和虛擬層技術(shù)，細(xì)分下去又涵蓋編碼技術(shù)、多址技術(shù)等。

無線物理層技術(shù)的主要作用機(jī)理是提升網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)強(qiáng)度，減少甚至消除網(wǎng)絡(luò)的盲點(diǎn)，能夠提升5G通信的頻譜帶寬使用率。無線物理層技術(shù)通過構(gòu)造立體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有效擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，滿足不同場景用戶的各種通信需求，有效增強(qiáng)系統(tǒng)容量。

虛擬層技術(shù)的主要任務(wù)是虛擬處理多層網(wǎng)絡(luò)。通過單層實(shí)體網(wǎng)絡(luò)，單層實(shí)體基站以宏基站作為虛擬網(wǎng)絡(luò)的主要平臺(tái)進(jìn)一步搭建虛擬平臺(tái)，以指令形式控制虛擬層。實(shí)體層控制平臺(tái)是實(shí)體站，負(fù)責(zé)有效管理各類傳輸數(shù)據(jù)。通過虛擬層技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控單載波和多載波，從而動(dòng)態(tài)管控5G通信過程。通信公司利用虛擬層技術(shù)可以全面了解用戶的通信需求，針對通信業(yè)務(wù)類別和發(fā)展方向變化調(diào)配現(xiàn)有資源，有效避免資源分布不均的問題，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)，提高用戶的體驗(yàn)感[9]。

2.3 SDN技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的虛擬化，創(chuàng)新Emulex網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。SDN技術(shù)利用分離路由器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和指令轉(zhuǎn)發(fā)功能，一方面有效降低了5G通信結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，另一方面提升了5G通信技術(shù)的自我決策和自我管理能力。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)模式下，技術(shù)人員要先掌握業(yè)務(wù)需求后再展開上線部署工作，一旦用戶業(yè)務(wù)需求需要調(diào)整，技術(shù)人員就要重新整合、修訂相關(guān)設(shè)備參數(shù)。由于需要處理和修訂的設(shè)備較多，包括交換機(jī)、路由器、防火墻等，導(dǎo)致修訂工作量較大、周期較長，工作難度和負(fù)荷高居不下，嚴(yán)重影響到業(yè)務(wù)辦理成本和業(yè)務(wù)辦理效率。SDN技術(shù)的應(yīng)用可以有效避免上述問題，通過技術(shù)手段快速修改路由器相關(guān)參數(shù)，提升通信質(zhì)量和通信靈活性。

2.4 NFV技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)通過對IT的虛擬化處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)整合，避免硬件體量過大給日常設(shè)備管理帶來困擾。NFV技術(shù)的框架是成品（Off The Shelf，OTS）大型共享服務(wù)器，其依托于虛擬機(jī)技術(shù)開展各種部署工作，主要特點(diǎn)為技術(shù)成本較低、靈活性較高。當(dāng)業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)變化時(shí)，依托NFV技術(shù)可以快速調(diào)整相關(guān)設(shè)備參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變效率大幅提升。在NFV技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)相互配合的共同作用下，能夠在獨(dú)立的物理服務(wù)器上部署結(jié)構(gòu)，有效降低了運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)部署效率，有助于及時(shí)排查和解決故障問題，為通信系統(tǒng)的整體升級優(yōu)化創(chuàng)造積極條件[10]。

3 5G通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

該項(xiàng)目是中國電信與三花控股集團(tuán)有限公司聯(lián)合開發(fā)的“1（5G定制化工專用網(wǎng)絡(luò)）+2（核心云端、邊緣云）+2（工業(yè)互聯(lián)App）”模式云-網(wǎng)-邊一體化工業(yè)互聯(lián)的未來智慧工廠，如圖1所示。

圖1 “1+2+2”智慧工廠架構(gòu)圖

通過5G個(gè)性化工業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，以數(shù)字孿生模型，將分散的人、機(jī)器和設(shè)備連接到邊緣側(cè)，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的充分結(jié)合。同時(shí)，在邊緣部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和核心云端的支持下實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)的應(yīng)用開發(fā)和建設(shè)。專用5G定制網(wǎng)如圖2所示。

圖2 專用5G定制網(wǎng)

三花控股集團(tuán)有限公司為全球領(lǐng)先的冷暖轉(zhuǎn)換、溫度控制類產(chǎn)品及解決方案供應(yīng)商，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，再加上公司業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，目前面臨許多挑戰(zhàn)。以三花控股集團(tuán)有限公司熱泵總為例，一條生產(chǎn)線要收集多種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這種情況下對上行并發(fā)寬帶速度的要求越來越高。目前，我國對汽車工業(yè)的節(jié)能和減排有嚴(yán)格的規(guī)定，需要企業(yè)不斷優(yōu)化生產(chǎn)，減少碳排放，從而使企業(yè)能夠滿足相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。三花控股集團(tuán)有限公司在2021年平均每月要新增4條生產(chǎn)線，且因產(chǎn)品更新速度較快，產(chǎn)線調(diào)整平均一個(gè)月要進(jìn)行2次，需要高效的方法來節(jié)約線路。

基于此，三花控股集團(tuán)有限公司建立了一套產(chǎn)品全生命周期采集分析的IT系統(tǒng)和大容量、無線化、低時(shí)延的信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效應(yīng)對目前出現(xiàn)的各類問題。

在5G定制專網(wǎng)下沉的用戶面功能（User Plane Function，UPF）側(cè)部署移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）資源，主要包括邊緣節(jié)點(diǎn)、邊緣應(yīng)用和邊緣設(shè)備。平臺(tái)邊緣側(cè)的智能網(wǎng)關(guān)支持以容器的形式將邊緣應(yīng)用快速部署到邊緣節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過將邊緣應(yīng)用程序上傳到平臺(tái)，在平臺(tái)上創(chuàng)建邊緣應(yīng)用，然后將邊緣應(yīng)用部署到倉庫節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，支持對應(yīng)用進(jìn)行版本升級、卸載、監(jiān)控以及日志采集，具體功能包括上傳容器鏡像、部署容器應(yīng)用、升級容器應(yīng)用以及監(jiān)控容器應(yīng)用等。

構(gòu)建基于5G的“工業(yè)網(wǎng)關(guān)+下沉UPF工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)+應(yīng)用系統(tǒng)”體系，端側(cè)和網(wǎng)側(cè)部署5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)，提供多種工業(yè)通信接口和協(xié)議，向下接入各種現(xiàn)場設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，向上通過5G模組接入5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線覆蓋，并將UPF下沉至園區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地處理，滿足安全要求的同時(shí)，降低業(yè)務(wù)時(shí)延。平臺(tái)側(cè)和應(yīng)用側(cè)在MEC上部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)終端管理和多數(shù)據(jù)融合。

此項(xiàng)目將UPF下沉至三花控股集團(tuán)有限公司工業(yè)園區(qū)，在園區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，同時(shí)新增車間產(chǎn)線應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、移動(dòng)辦公場景。在UPF側(cè)部署邊緣云MEC，同時(shí)在云端和邊緣云分別部署工業(yè)互聯(lián)平臺(tái)和全域性溯源系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。一是有效加快產(chǎn)線的上線時(shí)間；二是降低數(shù)據(jù)遺失造成的報(bào)廢，報(bào)廢比率由1%降低至0.3%；三是縮短生產(chǎn)的時(shí)間，從25 s減少到21 s；四是減少CO2的排放量，滿足“雙碳”策略的要求，全年減排414 t。

4 結(jié) 論

5G通信技術(shù)具有高速度、低時(shí)延、低功耗以及萬物互聯(lián)等特點(diǎn)，可以應(yīng)用到更多的場景中，為用戶帶來更好的體驗(yàn)。要想在各類場景中發(fā)揮5G通信技術(shù)的優(yōu)勢，需要對5G通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有效構(gòu)建5G通信技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)。通過分析中國電信集團(tuán)有限公司與三花控股集團(tuán)有限公司聯(lián)合開發(fā)的“1+2+2”模式云-網(wǎng)-邊一體化工業(yè)互聯(lián)的未來智慧工廠，給未來5G通信技術(shù)的運(yùn)用帶來了更多的啟發(fā)。