伏玉筍，唐金輝

（1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2. 系統(tǒng)控制與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240； 3. 上海工業(yè)智能管控工程技術(shù)研究中心，上海 200240）

0 引言

工業(yè)4.0[1-4]旨在提高工業(yè)生產(chǎn)和物流的通用性、靈活性、成本效率、資源效率以及質(zhì)量等，這主要是無處不在且功能強(qiáng)大的連接和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)促成的，該系統(tǒng)以靈活、安全和一致的方式將人、機(jī)器、產(chǎn)品和各種其他設(shè)備互連。未來的智能工廠將不再是靜態(tài)的順序生產(chǎn)系統(tǒng)，而是以靈活、模塊化的生產(chǎn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為特征。這包括更多的移動(dòng)和多功能生產(chǎn)資產(chǎn)及強(qiáng)大而高效的無線通信和本地化服務(wù)。

目前，工業(yè)中使用的絕大多數(shù)通信技術(shù)仍然是有線的。其中包括各種專用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（如SERCOS、PROFINET和EtherCAT）和現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS、CC-Link和CAN）[5-7]，這些通信技術(shù)用于在自動(dòng)化系統(tǒng)中互連傳感器、執(zhí)行器和控制器。無線通信主要用于特殊應(yīng)用和場(chǎng)景，如在流程工業(yè)中，或用于將標(biāo)準(zhǔn)IT硬件連接到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和類似的非關(guān)鍵應(yīng)用。一方面，過去不需要無線連接，生產(chǎn)設(shè)施相對(duì)靜態(tài)且持久；另一方面，大多數(shù)現(xiàn)有無線技術(shù)無法滿足工業(yè)應(yīng)用的苛刻要求，特別是在端到端時(shí)延、通信服務(wù)可用性、抖動(dòng)和確定性方面。然而，隨著工業(yè)4.0和5G的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象可能會(huì)發(fā)生根本性的變化，因?yàn)橹挥袩o線連接才能提供未來工廠所需要的靈活性、移動(dòng)性、多功能性和人體工程學(xué)。因此，5G可能會(huì)極大地推動(dòng)商品在整個(gè)生命周期內(nèi)的生產(chǎn)、運(yùn)輸和服務(wù)方式的革命。

5G提供了一種高度靈活和可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于連接任何人、事、地點(diǎn)。因此，隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高，5G的能力遠(yuǎn)超移動(dòng)寬帶。特別地，5G以前所未有的可靠性和極低的時(shí)延支持通信和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接，這為許多垂直領(lǐng)域（包括汽車、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、能源和制造業(yè)）的新應(yīng)用鋪平了道路。特別是在制造業(yè)，隨著無線連接、邊緣計(jì)算或網(wǎng)絡(luò)切片等相關(guān)構(gòu)建模塊進(jìn)入未來的智能工廠，5G可能會(huì)產(chǎn)生重要影響[8-17]。

智能工廠在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到了很大發(fā)展和深入探索。國(guó)內(nèi)外的典型智能工廠服務(wù)提供商開發(fā)了各類有針對(duì)性的解決方案[8-9]。從發(fā)展趨勢(shì)來看，智能工廠的構(gòu)建仍依托工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、軟/硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)。智能工廠需求強(qiáng)勁、增長(zhǎng)迅速，是未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，是智能制造的基石。但是，智能工廠的發(fā)展仍處于早期階段，其整體系統(tǒng)極其復(fù)雜。連接是智能工廠的基礎(chǔ)，先有大連接才有大數(shù)據(jù)，才有智能。網(wǎng)絡(luò)是連接的載體。截至目前，5G（包括邊緣計(jì)算）和智能工廠的結(jié)合也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在機(jī)器視覺檢測(cè)、精準(zhǔn)遠(yuǎn)程操控、現(xiàn)場(chǎng)輔助裝配、智能理貨物流、無人巡檢安防等方面獲得了一系列的應(yīng)用成果[4,7,17]。盡管5G已經(jīng)在多個(gè)工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用，但這些場(chǎng)景普遍存在控制流程簡(jiǎn)單、時(shí)延及抖動(dòng)要求低等問題，且這些工業(yè)場(chǎng)景簡(jiǎn)單，有利于無線信號(hào)的覆蓋與傳播。如何將5G滲透到時(shí)延及抖動(dòng)要求高的運(yùn)動(dòng)控制和環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)場(chǎng)景中，仍需要工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的共同努力，包括產(chǎn)業(yè)生態(tài)和商業(yè)模式上的成熟與清晰。5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)亟須突破并進(jìn)入工業(yè)最底部、最基礎(chǔ)層面的主流應(yīng)用。未來隨著進(jìn)一步發(fā)展，5G將有望激活更深層面的創(chuàng)新：從局部或車間產(chǎn)線改造到高度柔性和智能應(yīng)用、云邊端協(xié)同、算網(wǎng)融合與算力動(dòng)態(tài)遷移，從非實(shí)時(shí)到軟實(shí)時(shí)、硬實(shí)時(shí)再到同步實(shí)時(shí)，一網(wǎng)到底，完成5G全連接工廠的普及化。

本文綜述了5G使能未來工廠的基本能力，并總結(jié)了相關(guān)的用例和需求，分析說明了主要構(gòu)建模塊，5G使能未來智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示，介紹了目前的研究工作進(jìn)展以及一些尚未解決的主要挑戰(zhàn)。

圖1 5G使能未來智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)

1 5G工廠通信網(wǎng)絡(luò)需求

互聯(lián)互通是推動(dòng)工業(yè)環(huán)境中數(shù)字化和產(chǎn)品服務(wù)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。工業(yè)4.0的目標(biāo)是將當(dāng)今的工廠改造成智能連接的生產(chǎn)信息系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的運(yùn)行遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工廠的物理邊界。未來的工廠利用“信息物理系統(tǒng)”和物聯(lián)網(wǎng)解決方案在工業(yè)過程中智能集成。5G網(wǎng)絡(luò)可以在這種集成中發(fā)揮關(guān)鍵的支持作用，提供可編程技術(shù)平臺(tái)，能夠以無處不在的方式連接各種各樣的設(shè)備，未來工廠不同應(yīng)用領(lǐng)域與不同用例的映射關(guān)系見表1[13]，典型工業(yè)自動(dòng)化用例和性能需求見表2[13,18-19]。

必須說明的是，工廠的無線電傳播環(huán)境可能與5G系統(tǒng)其他應(yīng)用領(lǐng)域的情況大不相同，其典型特征是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)周圍的大量通常為金屬的物體引起的非常豐富的多徑，以及由電機(jī)、電弧焊等引起的潛在高干擾。工廠5G通信網(wǎng)絡(luò)需求的主要挑戰(zhàn)和特殊性有以下幾個(gè)方面[10]。

· 可用性。高可用性意味著終端用戶可以始終使用該服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建必須確保停機(jī)時(shí)間幾乎為零，并且可以控制任何系統(tǒng)維護(hù)，從而保證最大可用性。這可能包括魯棒的解決方案和關(guān)鍵元件的冗余結(jié)構(gòu)。

· 可靠性?？煽啃允侵冈陬A(yù)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以高成功概率傳輸一定業(yè)務(wù)量的能力。它需要足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量及強(qiáng)大的切換功能。

· 互聯(lián)互通。5G系統(tǒng)必須支持與現(xiàn)有（主要是有線）連接基礎(chǔ)設(shè)施的無縫集成。例如，5G應(yīng)允許在同一機(jī)器或生產(chǎn)線中靈活地將5G系統(tǒng)與其他（有線）技術(shù)相結(jié)合。非公共網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)之間的互通也是一種重要的能力。

· 工業(yè)級(jí)服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)質(zhì)量包括吞吐量、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等。許多應(yīng)用需要工業(yè)級(jí)服務(wù)質(zhì)量，在端到端時(shí)延、通信服務(wù)可用性、抖動(dòng)和確定性方面有嚴(yán)格的要求。

· 安全性。很多應(yīng)用對(duì)安全性（尤其是可用性、數(shù)據(jù)完整性和保密性）和隱私有嚴(yán)格的要求。5G工廠網(wǎng)絡(luò)需要提供完整的端到端安全，以確保信息、基礎(chǔ)設(shè)施和人員免受威脅。

· 適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。不僅存在單一類別的用例，而且存在許多不同類別的用例，具有各種各樣的需求，因此需要5G系統(tǒng)有高適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。

· 長(zhǎng)生命周期。生產(chǎn)設(shè)施的使用壽命通常較長(zhǎng)，可能為20年甚至更長(zhǎng)。因此，5G通信服務(wù)和組件的長(zhǎng)期可用性至關(guān)重要。

表1 未來工廠不同應(yīng)用領(lǐng)域與不同用例的映射關(guān)系[13]

表2 典型工業(yè)自動(dòng)化用例和性能需求[13,18-19]

此外，5G系統(tǒng)應(yīng)能夠支持實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在出現(xiàn)問題時(shí)采取快速、自動(dòng)化的措施，并進(jìn)行有效的根因分析，以避免生產(chǎn)過程出現(xiàn)任何可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失的意外中斷。特別是在涉及第三方網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的情況下，需要準(zhǔn)確的服務(wù)等級(jí)協(xié)定（service level agreement，SLA）監(jiān)控，作為違反SLA時(shí)可能發(fā)生的責(zé)任糾紛的基礎(chǔ)。

2 彈性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G為網(wǎng)絡(luò)切片提供端到端支持，提供彈性云原生核心網(wǎng)，支持基于3個(gè)主要業(yè)務(wù)類型，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）、超可靠低時(shí)延通信（ultra-reliable an2 low-latency communication，URLLC）和大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine-type communication，mMTC）[20]。

4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)旨在滿足傳統(tǒng)移動(dòng)寬帶服務(wù)的需求。該體系架構(gòu)由大量粗粒度網(wǎng)元組成，這些網(wǎng)元點(diǎn)到點(diǎn)接口相連，相當(dāng)靜態(tài)、過于復(fù)雜，無法滿足各種垂直用例所需要的靈活性、彈性和可擴(kuò)展性。為了以最低的復(fù)雜性和成本滿足這些用例的多樣化需求，3GPP定義了一個(gè)全新的系統(tǒng)架構(gòu)[20-22]。5G支持使用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software 2efine2 network，SDN）等技術(shù)。5G系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的一些主要原則和概念是：控制與用戶面分離（control an2 user plane separation，CUPS）、模塊化設(shè)計(jì)、基于服務(wù)的體系架構(gòu)、最小化接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的依賴、統(tǒng)一的身份認(rèn)證框架、能力開放等，助力于實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)切片、獨(dú)立的可擴(kuò)展性、演進(jìn)和靈活的部署（如集中式或分布式），融合統(tǒng)一不同的接入方式。

網(wǎng)絡(luò)彈性能力能夠以自動(dòng)方式適應(yīng)負(fù)載變化，以便可用資源在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都盡可能緊密和高效地匹配需求，從而獲得彈性增益，如圖2所示[23]。彈性維度包括計(jì)算性、編排驅(qū)動(dòng)性和切片感知性。

圖2 彈性增益

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片（network slice）是一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于定義的業(yè)務(wù)目的或客戶，由一起配置的所有必需網(wǎng)絡(luò)資源組成。它包括切片管理模塊創(chuàng)建、更改和刪除。網(wǎng)絡(luò)切片有[24]以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

· 關(guān)注點(diǎn)分離；

· 不同的用例和需求；

· 相同功能的多個(gè)實(shí)例化；

· 減少上市時(shí)間（time to market，TTM）。

端到端網(wǎng)絡(luò)切片是5G架構(gòu)的基石，支持多種5G服務(wù)。它允許運(yùn)營(yíng)商為特定的需求和功能提供專用的邏輯/虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有自己獨(dú)特的屬性。基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)，物理基礎(chǔ)設(shè)施從邏輯網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中抽象出來[25-26]。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可能有自己的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議和安全設(shè)置。

端到端網(wǎng)絡(luò)切片將包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)，可能還包括傳輸網(wǎng)絡(luò)。eMBB、URLLC和mMTC切片可以在單個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施上獨(dú)立支持[21]。eMBB切片對(duì)帶寬有很高的要求，并將由能夠進(jìn)行高計(jì)算的物理基礎(chǔ)設(shè)施支持。在過程控制和虛擬或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中，URLLC對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延高度敏感，因此移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile e2ge computing，MEC）應(yīng)靠近用戶，以提供較短的往返時(shí)間。mMTC切片向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)包很少，但需要大容量來注冊(cè)數(shù)百萬個(gè)設(shè)備。因此，這允許將較低的計(jì)算物理資源用于該切片，從而降低總體運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

經(jīng)濟(jì)定價(jià)、預(yù)測(cè)和魯棒性方法已被應(yīng)用于解決切片資源管理中的許多問題。切片資源管理中的模型分類如圖3所示[27-34]，如經(jīng)濟(jì)定價(jià)分類基于價(jià)格的設(shè)置方式，即基于市場(chǎng)的定價(jià)、博弈論和拍賣的定價(jià)及網(wǎng)絡(luò)效用最大化（network utility maximization，NUM）的定價(jià)。對(duì)這些不同模型的選擇，依賴于服務(wù)的目的及商業(yè)模式確定。

圖3 切片資源管理中的模型分類[27-34]

2.2 非公共網(wǎng)絡(luò)

與向公眾提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)不同，5G非公共網(wǎng)絡(luò)（non-public network，NPN，有時(shí)也稱為專用網(wǎng)絡(luò)）向明確定義的用戶組織或組織提供5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G非公共網(wǎng)絡(luò)部署在組織定義的場(chǎng)所，如校園或工廠。非公共網(wǎng)絡(luò)有以下幾個(gè)要求[35-36]。

· 高質(zhì)量的服務(wù)要求。

· 高安全性要求，由專用安全憑據(jù)滿足。

· 與其他網(wǎng)絡(luò)隔離，以作為防止公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)故障的一種形式。此外，出于性能、安全、隱私的原因，隔離可能是必須的。

· 非公共網(wǎng)絡(luò)也使得對(duì)可用性、維護(hù)和操作

的責(zé)任界定變得更加容易。

5G產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟（5G Alliance for Connecte2 In2ustries an2 Automation，5G-ACIA）描述了4種NPN部署場(chǎng)景，并給出了NPN和公共陸地移動(dòng)網(wǎng)（public lan2 mobile network，PLMN）之間的部署關(guān)系[37]。為了支持5G系統(tǒng)垂直行業(yè)化部署，3GPP定義了公網(wǎng)融合（虛擬專網(wǎng)和混合專網(wǎng)）和獨(dú)立專網(wǎng)兩種部署模式[38-39]，并描述了5G系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方面的增強(qiáng)功能及兩種模式下的終端配置和網(wǎng)絡(luò)選擇。5G系統(tǒng)提供終端接入控制，支持垂直行業(yè)對(duì)獨(dú)立資源的需求，實(shí)現(xiàn)公私網(wǎng)業(yè)務(wù)互通。這些不同的部署方式，需要從技術(shù)性能、靈活性與可擴(kuò)展性、安全性、部署簡(jiǎn)單性、運(yùn)維與管理簡(jiǎn)單性、資源與成本效率等維度進(jìn)行考量選擇[38]。

2.3 5G局域網(wǎng)

如前面所述，工業(yè)自動(dòng)化對(duì)低時(shí)延、高可靠性和消息的確定性傳遞有嚴(yán)格的要求。此外，提供5G局域網(wǎng)（local area network，LAN）類型的服務(wù)，可以增強(qiáng)工廠部署的現(xiàn)有BLAN和/或固定LAN，也可以作為替代LAN技術(shù)，消除對(duì)其他BLAN和固定LAN部署的需求[40]。為了達(dá)到嚴(yán)格的時(shí)延和抖動(dòng)要求，數(shù)據(jù)包路由在開放系統(tǒng)互聯(lián)（open system interconnection，OSI）參考模型第2層（以太網(wǎng)）而不是OSI第3層（IP）完成。其他重要要求（如通信服務(wù)可用性和可靠性）需要考慮額外的設(shè)計(jì)，如冗余方案以實(shí)現(xiàn)極高的通信服務(wù)可用性。

2.4 邊緣計(jì)算

將用戶界面的網(wǎng)元和業(yè)務(wù)處理能力下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流量的分布式本地處理，避免了流量的過度集中，從而大大降低了對(duì)核心機(jī)房和集中網(wǎng)關(guān)的要求。同時(shí)，邊緣計(jì)算縮短了回傳網(wǎng)絡(luò)的距離，減少了端到端的傳輸時(shí)延和用戶數(shù)據(jù)包的抖動(dòng)，使得超低時(shí)延業(yè)務(wù)的部署成為可能。

在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初，3GPP就包括對(duì)邊緣計(jì)算部署場(chǎng)景的支持。5G中集成MEC的架構(gòu)如圖4所示[42]，基于服務(wù)化架構(gòu)的3GPP 5G系統(tǒng)顯示在左側(cè)，而MEC系統(tǒng)架構(gòu)顯示在右側(cè)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（European Telecommunications Stan2ar2s Institute，ETSI）定義了7種場(chǎng)景：智能視頻加速業(yè)務(wù)場(chǎng)景、視頻流分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)場(chǎng)景、密集計(jì)算輔助、MEC企業(yè)部署、車聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)場(chǎng)景[41]。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要通過以下方面支持邊緣計(jì)算[20,43-45]。

· UPF重新選擇。在協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol 2ata unit，PDU）會(huì)話建立期間，SMF將選擇適當(dāng)?shù)腢PF。在PDU會(huì)話的生存期內(nèi)，UPF可以根據(jù)用戶的位置而改變。

· 本地路由和流量控制?；谏闲墟溌贩诸惼鳎╱plink classifier，UL CL）和IPv6多宿主等技術(shù)，一些流量可以被過濾以轉(zhuǎn)移到本地MEC資源（稱為“對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的本地訪問”），而其余流量可以通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問。

圖4 5G中集成MEC的架構(gòu)[42]

· 會(huì)話和服務(wù)連續(xù)性。建立PDU會(huì)話時(shí)，它將與3種潛在業(yè)務(wù)連續(xù)性（session an2 service continuity，SSC）模式之一相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性場(chǎng)景的連續(xù)性。

· AF影響流量路由。通過直接或NEF與PCF通信，MEC應(yīng)用功能可以影響流量通過網(wǎng)絡(luò)的路由方式。

· 網(wǎng)絡(luò)能力開放。PCF可以直接或通過NEF與AF交換網(wǎng)絡(luò)能力信息影響MEC的運(yùn)行。

· 服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）和計(jì)費(fèi)。PCF可以為與MEC相關(guān)的PDU會(huì)話提供QoS和計(jì)費(fèi)規(guī)則。這確保與MEC相關(guān)的用戶面流量得到正確的QoS處理，并因此適當(dāng)計(jì)費(fèi)。

· 本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（local area 2ata network, LADN）。5G支持LADN連接，適用于特定地理區(qū)域。

對(duì)于工廠來說，可能的應(yīng)用包括實(shí)時(shí)控制、云控制自動(dòng)導(dǎo)引車（automate2 gui2e2 vehicle, AGV）、機(jī)器視覺質(zhì)量檢測(cè)、智能安全等[4,7,17,46-47]。

3 靈活頻譜

5G的頻譜靈活性帶來了許多新的研究挑戰(zhàn)。與前幾代相比，5G通過支持高達(dá)800 MHz的載波提高了峰值和用戶感知的數(shù)據(jù)速率，但代價(jià)是射頻和基帶信號(hào)處理的功耗增加。不同的業(yè)務(wù)有不同的需求，例如，在mMTC場(chǎng)景中支持大量UE可能需要配置窄帶載波以降低UE功耗；另一方面，URLLC場(chǎng)景需要更短的時(shí)延，如通過使用更寬的子載波（sub-carrier space，SCS）來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵通信的先決條件是完全控制頻譜，只有獲得許可的頻譜才能保證系統(tǒng)對(duì)頻譜使用的控制，使其成為關(guān)鍵通信的首選。然而，未經(jīng)許可的頻譜可以為擴(kuò)展非關(guān)鍵通信提供額外的資源。在更高的頻率下，將在許可和未許可頻段提供非常大的頻譜分配，這將實(shí)現(xiàn)極高的容量和數(shù)據(jù)速率。未經(jīng)許可的5G使用與許可5G相同的靈活幀和時(shí)隙結(jié)構(gòu)以及基本物理層設(shè)計(jì)和協(xié)議棧。未經(jīng)許可的5G增加了信道接入過程，以實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)（如IEEE 802.11變體或長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）授權(quán)輔助接入（license2 assiste2 access，LAA）的公平共存。對(duì)未經(jīng)許可的5G在通信時(shí)延和可靠性方面進(jìn)行改進(jìn)，以更好地促進(jìn)工業(yè)應(yīng)用。

為了提供參數(shù)集和載波帶寬靈活的統(tǒng)一解決方案，3GPP為5G引入了一種稱為帶寬部分（ban2wi2th part，BBP）的新功能[48]。

BBP支持4個(gè)主要用例場(chǎng)景[49-51]。場(chǎng)景1可以利用BBP服務(wù)具有比系統(tǒng)帶寬更小的帶寬能力的UE，BBP概念使得具有不同帶寬能力的各種類型的用戶能夠訪問同一網(wǎng)絡(luò)；場(chǎng)景2用于減少UE功耗的帶寬自適應(yīng)，UE可以在較窄的BBP中保持監(jiān)視控制信道，如果檢測(cè)到調(diào)度控制信息，則UE可以切換到更寬的BBP以接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，通過僅在必要時(shí)擴(kuò)寬其帶寬，UE可以最小化由監(jiān)控控制信道引起的功率消耗；場(chǎng)景3用于在系統(tǒng)帶寬內(nèi)支持多個(gè)計(jì)數(shù)，其中不同的BBP配置了不同的參數(shù)集，通過使用BBP特定的參數(shù)集，可以在同一系統(tǒng)中同時(shí)支持不同類型的業(yè)務(wù)，如eMBB、URLLC和mMTC；場(chǎng)景4提供向前和向后兼容性。

4 超可靠低時(shí)延通信

從表1和表2可以看出，滿足表中的全部要求是非常有挑戰(zhàn)的。目前3GPP評(píng)估結(jié)論是：3GPP Release 16物理層滿足99.999 9%的要求，對(duì)于更高的要求并未評(píng)估，預(yù)計(jì)需要使用高層的復(fù)用技術(shù)來滿足。端到端通信模型抽象示例如圖5所示[13]，可基于端到端視角，而不是僅僅考慮物理鏈路的改進(jìn)提升，而是需要從邏輯鏈路出發(fā)，研究合適的關(guān)鍵技術(shù)及其組合。

URLLC解決方案是端到端、全系統(tǒng)的，可以分為低時(shí)延、高可靠及時(shí)延和可靠性約束，如何最大化系統(tǒng)效率這3部分，URLLC關(guān)鍵技術(shù)和解決方案總體如圖6所示[52]。涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是新型幀結(jié)構(gòu)、物理層信道性能增強(qiáng)、靈活架構(gòu)、資源管理、端到端的多路徑分集等[52-70]。

對(duì)于超可靠低時(shí)延通信，文獻(xiàn)[52]有詳細(xì)的論述，需要強(qiáng)調(diào)是，圖6如同提供了工具箱，具體選擇什么工具、網(wǎng)絡(luò)如何部署，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)目標(biāo)確定，如以低時(shí)延和可靠性作為約束條件、以資源或者成本最小化求最優(yōu)解[52]。此外，除了通信中的邏輯鏈路冗余，還可以考慮通信和應(yīng)用功能中的邏輯鏈路都冗余的方案。

5 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

全連接工廠將依賴云技術(shù)及基于以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network，TSN）和無線5G的互聯(lián)互通。工廠中的業(yè)務(wù)包括彈性業(yè)務(wù)和確定性業(yè)務(wù)。彈性業(yè)務(wù)有長(zhǎng)尾，但確定性業(yè)務(wù)沒有尾，彈性業(yè)務(wù)和確定性業(yè)務(wù)的時(shí)延特性對(duì)比如圖7所示。周期性、確定性通信業(yè)務(wù)是超低時(shí)延業(yè)務(wù)的代表性示例，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制業(yè)務(wù)中。

圖5 端到端通信模型抽象示例[13]

圖6 URLLC關(guān)鍵技術(shù)和解決方案總體[52]

圖7 彈性業(yè)務(wù)和確定性業(yè)務(wù)的時(shí)延特性對(duì)比

TSN的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)見表3[71-73]。

目前工業(yè)界對(duì)TSN的研究聚焦在時(shí)間同步、低時(shí)延流控（包括流整形、流調(diào)度、流搶占）、可靠性（包括冗余機(jī)制、故障檢測(cè)與恢復(fù)、時(shí)間同步可靠性）、網(wǎng)絡(luò)管控以及應(yīng)用場(chǎng)景5個(gè)方向。最大的挑戰(zhàn)是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究、無線時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用研究[74]。

在面向TSN的分組調(diào)度機(jī)制（包括調(diào)度與路由機(jī)制、負(fù)載平衡機(jī)制相結(jié)合）方面[75-78]，有可滿足性模理論（satisfiability mo2ulo theories，SMT）、優(yōu)化模理論（optimization mo2ulo theories，OMT）、整數(shù)線性規(guī)劃（integer linear programming，ILP）、混合遺傳算法等，但這些算法都有在大規(guī)模調(diào)度場(chǎng)景下的求解時(shí)間難以滿足調(diào)度需求問題，為此，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模龐大的問題，通過一種拓?fù)湫藜舨呗訹75]，減少不必要的約束條件簡(jiǎn)化調(diào)度模型，以減少調(diào)度的求解時(shí)間。

表3 TSN的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

在TSN的控制架構(gòu)方面[79-80]，有全分布式控制模型、分布式用戶管理與集中式網(wǎng)絡(luò)控制模型、全集中式控制模型。在實(shí)現(xiàn)方面，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)通過獲得網(wǎng)絡(luò)的全局視圖對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管控，從而提供敏捷的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維能力和高效的資源調(diào)度能力。TSN控制架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)是如何確保實(shí)時(shí)性和一致性、如何控制有界時(shí)延抖動(dòng)、如何增強(qiáng)應(yīng)用適配能力。因此，實(shí)現(xiàn)分層分域與多級(jí)控制、優(yōu)化集中配置開銷是潛在的研究方向。

5G和TSN可以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的苛刻網(wǎng)絡(luò)要求[73]。5G和TSN的結(jié)合是智能工廠的完美選擇，因?yàn)樗峁┝顺煽啃院偷蜁r(shí)延的功能。也就是說，這兩種技術(shù)需要一定程度的集成，以提供端到端以太網(wǎng)連接，滿足工業(yè)需求。

5G系統(tǒng)作為TSN網(wǎng)橋與外部網(wǎng)絡(luò)集成。5G和TSN的集成提供端到端確定性連接如圖8所示，這個(gè)“邏輯”TSN網(wǎng)橋包括TSN轉(zhuǎn)換器功能，用于用戶面和控制面的TSN系統(tǒng)和5G系統(tǒng)之間的互操作。5GS TSN轉(zhuǎn)換器功能包括設(shè)備側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（2evice-si2e TSN translator，DS-TT）和網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN轉(zhuǎn)換器（network-si2e TSN translator，NB-TT）。5G核心網(wǎng)和接入網(wǎng)中的5G系統(tǒng)特定流程、無線通信鏈路等仍然對(duì)TSN隱藏。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)TSN和5G的透明性，5G通過DS-TT和NB-TT提供TSN入口和出口端口。例如，TT支持用于消除抖動(dòng)的保持和轉(zhuǎn)發(fā)功能。通過無線5G和有線TSN域的集成時(shí)間同步為工業(yè)端點(diǎn)提供了一個(gè)通用的參考時(shí)間。

5G URLLC功能與TSN功能非常匹配。這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)可以組合和集成[52]，以提供端到端的確定性連接，如輸入/輸出（I/O）設(shè)備及其控制器之間的連接，這些設(shè)備可能位于工業(yè)自動(dòng)化的邊緣云中。集成包括對(duì)必要的基本橋接功能和TSN附加組件的支持。

圖8 5G和TSN的集成提供端到端確定性連接

6 工業(yè)垂直業(yè)務(wù)安全

5G架構(gòu)和技術(shù)的演進(jìn)帶來了新的威脅。4G中的基本安全機(jī)制在5G中被重用，但是需要一個(gè)新的身份驗(yàn)證框架來適應(yīng)這種變化。與4G相比，5G的安全性在以下幾個(gè)方面得到了增強(qiáng)[81-97]：

· 增強(qiáng)的國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（international mobile subscriber i2entity，IMSI）隱私（通過空口加密的用戶身份）；

· 統(tǒng)一認(rèn)證框架和接入無關(guān)認(rèn)證；

· 主認(rèn)證；

· 二次認(rèn)證；

· 加強(qiáng)家鄉(xiāng)控制；

· RAN安全性（用戶平面完整性保護(hù)）； · 基于服務(wù)架構(gòu)的安全性；

· 網(wǎng)絡(luò)切片安全；

· 垂直業(yè)務(wù)的增強(qiáng)功能；

· 支持256位密鑰。

垂直市場(chǎng)業(yè)務(wù)的安全性有以下幾個(gè)重要支持點(diǎn)：

· 可擴(kuò)展認(rèn)證協(xié)議（extensible authentication protocol，EAP）支持統(tǒng)一身份驗(yàn)證框架；

· 應(yīng)用層認(rèn)證和密鑰管理（authentication an2 key management for applications，AKMA）：安全能力開放；

· 切片安全。

5G安全架構(gòu)在3GPP技術(shù)規(guī)范中定義了不同的領(lǐng)域[83]：網(wǎng)絡(luò)訪問安全、網(wǎng)絡(luò)域安全、用戶域安全、應(yīng)用域安全性、服務(wù)化架構(gòu)（service-base2 architecture，SBA）域安全、安全性的可視性和可配置性。3GPP采用5G系統(tǒng)最可靠的IETF EAP框架，支持各種認(rèn)證方式，不同類型憑證的EAP方法見表4[97]，同時(shí)支持接入網(wǎng)不可知認(rèn)證過程。支持各種身份驗(yàn)證方法以支持具有不同安全存儲(chǔ)和執(zhí)行環(huán)境的各類設(shè)備。獨(dú)立專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)訪問認(rèn)證可以基于任何EAP認(rèn)證方法。對(duì)于結(jié)合公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)部署的專用5G網(wǎng)絡(luò)，主接入認(rèn)證使用EAP-AKA’，但輔助認(rèn)證可以使用任何EAP方法。例如，用于訪問非公共網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器類型通信設(shè)備的基于證書的認(rèn)證、用于訪問私有網(wǎng)絡(luò)的基于密碼/生物特征的認(rèn)證以及用于訪問公共網(wǎng)絡(luò)的基于認(rèn)證與密鑰協(xié)商（authentication an2 key agreement，AKA）憑證的認(rèn)證，這些認(rèn)證必須是高效和有效的。

AKMA是3GPP指定的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的委托認(rèn)證系統(tǒng)[85]，AKMA系統(tǒng)是5G標(biāo)準(zhǔn)的一部分。早期的蜂窩網(wǎng)絡(luò)（3G、LTE）包括兩個(gè)授權(quán)認(rèn)證系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，通用引導(dǎo)架構(gòu)（generic bootstrapping architecture，GBA）和極低吞吐量機(jī)器類型通信設(shè)備的電池效率安全（battery-efficient security，BEST），AKMA系統(tǒng)可以被視為這些系統(tǒng)的繼承者。委托認(rèn)證是一種技術(shù)，使服務(wù)提供商能夠?qū)?duì)其用戶進(jìn)行認(rèn)證的任務(wù)委托給第三方[96]。通常，第三方建立并注冊(cè)用戶的身份，在用戶登錄服務(wù)提供商之前，第三方根據(jù)已建立的身份對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證。如果認(rèn)證成功，第三方將直接或通過用戶向服務(wù)提供商發(fā)送經(jīng)認(rèn)證的用戶身份。發(fā)送的標(biāo)識(shí)可能特定于服務(wù)提供商，服務(wù)提供商通常被稱為依賴方（relying party，RP），第三方實(shí)體通常被稱為身份提供商（i2entity provi2er，I2P）。

表4 不同類型憑證的EAP方法[97]

AKMA的基本網(wǎng)絡(luò)模型如圖9所示[96]。AKMA服務(wù)需要一個(gè)新的邏輯實(shí)體，稱為AKMA錨功能（AKMA anchorfunction，AAnF）。圖9顯示了AAnF作為獨(dú)立功能部署的情況。根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的部署場(chǎng)景，部署可以選擇將AAnF與AUSF或NEF并置。

5G工廠網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)隔離、數(shù)據(jù)保護(hù)和設(shè)備/用戶身份認(rèn)證來保護(hù)關(guān)鍵資產(chǎn)。企業(yè)還可以控制保留和數(shù)據(jù)主權(quán)，以確保敏感信息保留在本地。

在增加安全機(jī)制和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)QoS要求所需要的計(jì)算能力之間存在固有的權(quán)衡，如添加完整性保護(hù)可能會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜性，從而為URLLC業(yè)務(wù)添加不可接受的時(shí)延。同時(shí)，不提供完整性保護(hù)可能會(huì)使URLLC業(yè)務(wù)受到可能的攻擊。

7 定位

高精度定位正成為未來工廠的關(guān)鍵[98-104]，原因在于，對(duì)移動(dòng)設(shè)備和移動(dòng)資產(chǎn)的跟蹤對(duì)于改進(jìn)流程和提高工業(yè)環(huán)境中的靈活性變得越來越重要。定位性能需求見表5，列出了水平和垂直精度、可用性、頭向、定位時(shí)延和UE移動(dòng)速度的典型場(chǎng)景和相應(yīng)的高定位要求。

圖9 AKMA的基本網(wǎng)絡(luò)模型[96]

表5 定位性能需求[12]

5G中有定位參考信號(hào)（positioning reference signal，PRS）用于定位，并對(duì)上行探測(cè)參考信號(hào)（soun2ing reference signal，SRS）進(jìn)行了一些增強(qiáng)。5G接入支持的標(biāo)準(zhǔn)定位方式見表6[105-106]。

5G支持使用上述定位方法中的多種方法進(jìn)行混合定位。例如，多RTT可與OTDOA和/或UTDOA結(jié)合使用，以克服基站之間同步不確定性的影響。還支持使用上述定位方法中的一種或多種方法的獨(dú)立模式（如自主、無網(wǎng)絡(luò)協(xié)助）。

表6 5G接入支持的標(biāo)準(zhǔn)定位方式

5G定位的優(yōu)勢(shì)[107-110]是更高的載波頻率、大信號(hào)帶寬、大量天線、D2D通信和網(wǎng)絡(luò)密度。大信號(hào)帶寬允許在時(shí)間上更好地解析無線信道，因此，可更準(zhǔn)確地估計(jì)多徑分量，尤其是其信號(hào)傳播時(shí)延，可減少由多徑偏差引起的定位誤差。使用更高的載波頻率，特別是毫米波，會(huì)增加視距接收條件的概率，因?yàn)槿魏畏且暰鄺l件都可能被阻擋，降低了非直達(dá)偏差導(dǎo)致定位錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。此外，更高的頻率和大規(guī)模MIMO方案允許通過天線陣列的波束圖更精確地跟蹤各個(gè)終端。

根據(jù)克拉美羅下界（Cramer-Rao lower boun2s，CRLB）分析，到達(dá)時(shí)間（time of arrival，TOA）測(cè)量值的方差下限為[113]：

其中，B是帶寬，單位為Hz；Fc是中心頻率，單位為Hz；SNR是信號(hào)帶寬上的信噪比，Ts是信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。其表明較高的頻率和信號(hào)帶寬可以提高TOA測(cè)量精度。 為了評(píng)估5G定位技術(shù)的性能，以下指標(biāo)適用。

·

水平精度：計(jì)算的水平位置與UE的實(shí)際水平位置之間的差。

· 垂直精度：計(jì)算的垂直位置和UE的實(shí)際垂直位置之間的差值。

· 時(shí)延：包括更高層和物理層時(shí)延。

· 網(wǎng)絡(luò)效率：PRS/SRS資源利用率是用于評(píng)估網(wǎng)絡(luò)效率的指標(biāo)。

· 設(shè)備效率：UE功耗可以被視為5G定位評(píng)估的起點(diǎn)。

物理層時(shí)延、UE功耗、可擴(kuò)展性/容量、網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜性、可用性、UE和gNB復(fù)雜性可被視為5G定位解決方案的重要設(shè)計(jì)因素。部署額外的無線電信標(biāo)，如使用近距離定位技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可以顯著提高室內(nèi)和室外的定位性能。

8 結(jié)束語(yǔ)

5G專網(wǎng)的部署方式有虛擬專網(wǎng)、混合專網(wǎng)和獨(dú)立專網(wǎng)模式，也涉及與之關(guān)聯(lián)的MEC和UPF的關(guān)系與部署位置等問題。這些不同的部署方式選型時(shí)，需要從實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景與需求出發(fā)，考慮如下評(píng)價(jià)體系[111-113]。

· 性能類指標(biāo)體系，如帶寬、時(shí)延/有界時(shí)延、抖動(dòng)/確定性、丟包率、同步精度、連接數(shù)、可用性、定位精度等。

· 安全類指標(biāo)體系，如設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全。更進(jìn)一步，需要考慮彈性能力（即容錯(cuò)性、容侵性和可恢復(fù)性）和可信執(zhí)行環(huán)境（即軟硬件運(yùn)行系統(tǒng)環(huán)境）。

· 運(yùn)維類指標(biāo)體系，如實(shí)時(shí)連續(xù)的可管理、可監(jiān)測(cè)、可控制。更進(jìn)一步，也包括智能化問題定界。

· 其他指標(biāo)體系，如成本與不同系統(tǒng)融合等。

工業(yè)4.0和制造業(yè)將從5G通信技術(shù)中受益。本文綜述了在工業(yè)4.0部署中實(shí)現(xiàn)5G的潛在候選關(guān)鍵技術(shù)。然而，盡管5G在工業(yè)領(lǐng)域可能帶來巨大的好處，但同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)，這不僅包括工業(yè)用例的功能需求對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)技術(shù)可行性，也包括跨行業(yè)溝通、互動(dòng)、協(xié)調(diào)、標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)管方面的挑戰(zhàn)。尤其重要的是，需要持續(xù)不斷促進(jìn)信息和通信技術(shù)行業(yè)與制造業(yè)之間的相互理解。

為了確保電信行業(yè)充分理解和考慮特定垂直行業(yè)的特定需求和要求，垂直行業(yè)充分實(shí)現(xiàn)和利用5G的能力，所有相關(guān)參與者之間需要密切合作，5G反映的是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，包括運(yùn)營(yíng)技術(shù)（operating technology，OT）行業(yè)、信息和通信技術(shù)（information an2 communication technology，ICT）行業(yè)和學(xué)術(shù)界的所有相關(guān)者群體。