5G for Industry 4.0: Enabling Features, Deployment Options and Test Considerations

Jessy Cavazos，是德科技

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随着5G对工业领域的渗透以及在全球范围内获得越来越多的支持，蜂窝技术不再局限于传统的消费类应用。法、德、日、英四国已经为专用网络分配了5G频谱，另外还有12个国家也在考虑积极跟进¹。

最近几年，制造业花费了巨大投入来定义实现工业4.0所需的使用场景。^2-4 在当前新阶段的工业革命中，许多激动人心的应用将会受益于5G，这包括：

·         先进的预测性维护，最大可减少9%的设备停机风险。

·         精准监控，利用无线连接的传感器扩大机器的动作范围。

·         增强现实技术和远程专家支持，可让用户远程执行特定任务，从而减少25%的设备停机风险。

·         远程机器人控制——对运行于远端高性能计算环境下的机器人的控制逻辑。

·         自动导航小车（AGV）和自动移动机器人（AMR）——5G可以支持它们在非结构化环境下运行。

各个行业机构都在努力定义5G在工业中的使用场景，而站在最前沿的便是5G互联工业和自动化联盟（5G-ACIA）。^5,6 这些使用场景对于确立5G性能目标关系重大。第三代合作伙伴计划（3GPP）针对5G发布的第一个标准版本主要侧重于消费类业务，但后续的版本针对工业领域提供了一些特定功能（图1）。最新制订完成的第16版强化了低时延功能。第17版则将推动5G与时间敏感网络（TSN）的集成，这是实现工厂自动化的关键赋能要素。

超高可靠性低时延通信（URLLC）功能在3GPP第15版中首次提出，并在第16版中进一步扩展。高可靠性离不开冗余。5G技术使用多个天线和双重连接来确保连接稳定可靠。低时延功能的重点在于，通过良好的5G接口设计实现超快速传输。第16版引入了一些新功能（例如抢占和免授权传输）来提高5G的时延性能（图2）。抢占功能允许中断低优先级流量的传输，而优先传输高优先级流量。这一功能在通信堆栈的底层实现，可以得到更高效的高层服务品质。在传统通信基础设施中，用户设备需要经过信令握手方可进行传输，免授权传输则无需经过这一步骤。设备只要可用就能传输数据。

5G的高数据吞吐量对于很多工业应用来说也非常重要，特别是需要传输即时视频流的远程专家支持和AGV（图3）。5G之所以能够提供如此高的吞吐量，得益于大规模多路输入多路输出（MIMO）技术、高阶调制技术以及更大的带宽。大规模MIMO允许众多天线单元同时发送数据；高阶调制支持在现有频谱中编码传输更多比特；而更高的频段则提供了更大的频谱带宽。

此外，5G通过海量机器类通信（mMTC）为许多工业应用的实际实施创造了机会。例如，机器学习（ML）和人工智能（AI）使预防性维护应用成为可能。数据量及数据的多样性直接影响到机器学习和人工智能算法的有效性，因此，制造商希望通过众多传感器来收集数据（图4）。另外，摆脱电缆的束缚也使得灵活性进一步提高。可以将传感器部署到生产线各处，甚至可以构建“数字孪生”设备，让制造能力再上一个新台阶。

在工厂环境中部署5G可以采取多种形式，包括专用的独立非公共网络（NPN）和涉及网络运营商的各种混合模型（图5）。网络运营商可以通过实施网络切片，将非公共网络托管在公共服务所使用的同一个物理基础设施上。依据“网络切片”原理，运营商可以对网络进行切片和切块，从而为特定客户提供定制业务。有些混合模型共享的是无线接入网基础设施，而不是共享边缘计算基础设施。所有选择都会对数据隐私和业务管理产生影响。选择哪种部署方式，需要根据您的使用场景和业务策略来决定。前面提到过，有几个国家已经为工业用途预留了专用的频谱。许多其他国家也在考虑为工业用途实施频谱接入模型。以德国为例，已有40多家企业和机构获得了工业用频谱。频谱可用性也让业界越来越重视NPN。

工业5G网络的部署主要涉及到用一个复杂的系统来替换昂贵的有线通信基础设施，这个系统需要各种基础设施组件的配合才能顺利工作。在整个系统生命周期中，测试成为不可或缺的一环（图6）。在应用层面，部署之前针对安全性和性能进行测试至关重要。在基础设施的新功能上线之前，需要执行不同类型的流量、网络和设备仿真，以避免将来出现问题。在把新设备添加到系统中之前，自动化测试是一个关键步骤。您必须做好预案，以便在设计和规划阶段进行覆盖范围规划和频谱清除。此外，取决于您的使用场景，您需要考虑进行信道测量和仿真，做到对未来的网络性能胸有成竹。

在部署和验收过程中，需要使用工业流量对各种应用和网络负载场景进行网络压力测试，以确保网络部署成功。您还应考虑仿真各种网络减损情况，从而了解不同条件下的应用性能。在将新设备连接到网络上之前，我们强烈建议您对新设备或新的设备类型展开安全一致性和性能测试。

在系统生命周期中的运行和优化阶段，频谱和网络分析、故障诊断和优化成为不可或缺的任务。同时，您还需要一个解决方案来持续地监测关键性能指标（KPI）和服务水平。许多5G工业使用场景具有极其重要的意义，这就要求必须监测端到端时延和安全性指标的KPI，以确保实施成功。

5G与以往任何一代蜂窝技术都不一样。它的功能特性更加丰富，性能更是远超前几代标准，因此蕴含着巨大的工业应用潜力。虽然5G会给工业领域带来翻天覆地的变革，但同时也会带来许多挑战，为此我们必须要有深厚的无线通信技术能力，勇敢迎接挑战。对于设计和测试工程师来说，一段激动人心的旅程已经起航，你们准备好了吗？