赛迪智库:5G 专网在工业互联网中的应用(附下载)

赛迪智库:5G 专网在工业互联网中的应用

 

报告目录:

一、5G 在工业互联网中的应用

(一)5G 专网的推动因素
(二)5G 性能适用于多种工业应用

二、5G 专网部署模式

三、工业互联网中的5G 创新

(一)3GPP 支持工业互联网的举措
(二)采用5G 多点协作技术,实现高可靠性
(三)时间敏感网络可满足低时延性
(四)5G 新无线电技术实现精确定位

四、5G 专网频谱

(一)工业互联网的频谱可选方案
(二)用于5G 专用的免授权频谱(NR-U)
(三)共享频谱的协调使用
(四)企业专用频谱

五、结论

 

报告要点:

2019 年可以说是5G 元年,不仅是基于C 端消费的5G 应用开始出现,而且也引发人们对5G 在B 端特别是工业领域的应用充满期待。今年7 月,美国咨询机构Heavy Reading 携手高通公司发布《5G 专网在工业互联网中的应用》白皮书,系统描述了5G 专网的特点,讨论了5G专网的关键问题,提出了5G 专网的部署模式,重点分析了5G 专网的频谱分配方式,以期为5G 在方兴未艾的工业互联网建设与应用分享技术资讯和部署资源。赛迪智库信息化与软件产业研究所对该白皮书进行了编译,期望对我国有关部门有所借鉴。

 

内容精选:

5G 专网部署模式

移动网络技术几乎都由获许可的公共运营商部署和运营。专网是对这种机构的重大变革。关于哪一方应该设计、部署、运营和拥有专网是一个存在争议的问题。5G 专网(在3GPP 术语中称为非公共网络)有两种基本形式。Heavy reading 预计市场将采用这两种方案:

  • 不依赖获许可的公共运营商或广域网的独立专网。可以选择是否与公共网络整合。
  • 与公共网络一起使用的专网。可进行各种级别的整合。

在物理部署方面,术语“专网”是指专用于企业的无线电网络、核心网络和资源传输网络,甚至是由企业控制的网络。这通常意味着不管哪一方负责日常管理,网络设备都将部署在客户的经营场所。

专网对于关键工业设施运营技术(OT)尤其重要,因为停机、服务降级或安全漏洞等事故可能对企业经营和安全造成灾难性后果。该专网模式如图2 所示。

图:独立的5G专网

图3 是与公共网络更紧密整合的5G 专网模式。这种方式下,无线接入网(RAN)、网关、本地服务和防火墙都部署在专用区域,但控制基础设施(即用户数据库、策略服务器、IP 多媒体子系统[IMS]等)由公共运营商托管。原则上,在公共网络和专网切换时,这种安排更易于策略维护和用户配置文件维护。

图:与运营商网络整合的专网

工业互联网中的5G 创新
对于5G 的设计而言,信息物理系统和工业互联网应用的要求至关重要。自技术研发工作开展以来,3GPP 就发布了相关开发规范。图4 是5G 系统的部分主要功能,可为工业用户提供5G专网。

图:工业互联网的5G 新无线电功能

采用5G 多点协作技术,实现高可靠性。根据TS22.104 描述,某些工业应用需要99.9999%的可靠性和亚毫秒无线延迟,而使用传统无线技术很难满足这些要求。例如,利用时域和频域提高可靠性的程度是有限的。时域的有限性是因为对低延迟的要求不允许重传丢帧;频域的有限性是因为金属物体等障碍物在某种程度上可能会影响所有频带。为此,相关人员提出了一种解决方案,即利用空间分集和多点协作(CoMP)增强5G 无线连接的可靠性。多点协作技术通常会增加无线系统的容量,但这一技术可用于实现更高的可靠性。多点协作技术可使用多个传输接收点(TRP),协调用户设备(如机器人或自动导引运输车)与网络之间的并行数据流,从而将大大提高数据包的到达率。使用具有多个传输接收点的多点协作提高可靠性的原理如图5 所示。

图:使用空间分集(多点协作)提高可靠性

时间敏感网络可满足低时延性。通过移动无线网络传输时间敏感网络(TSN)的能力,有望成为5G 发展的主要技术成就之一。时间敏感网络是电气与电子工程师协会(IEEE)制定的标准,旨在通过标准以太网网络实现可靠传递消息。时间敏感网络是网络第二层上的技术,通过集中管理和协调调度以确保实时应用的可靠性能。这种性能对包括航空航天、汽车、运输、公用事业和制造业在内的许多行业都至关重要。因此,时间敏感网络很可能成为实时工业网络的基线网络技术。

图:5G 系统中的时间敏感网络

5G 专网频谱
共享频谱的协调使用。根据定义,免授权频谱是共享频谱。功率限制(通常为低功率)和基于竞争的“先听后说”机制可控制其他用户干扰。当频谱的竞争用户有限时,基于竞争的系统效果最佳;但当用户很多时,终端用户性能和频谱效率都会受到影响。这些负面影响可通过一些方案予以弥补(尤其是网络设计),但对于严格要求可靠性的工业应用来说仍具有挑战性。

其中一种拟议解决方案:以互利方式同步访问网络通话时间,既具有免授权频谱的优势(即所有企业都可使用),又能解决共享难题。与空间共享(多点协作)相结合,该方案还可增加容量并使服务质量可预测,从而使免授权频谱更适合工业用户,以及超高可靠低时延通信服务。

该协调共享方案需要不受现有规则限制的新频谱,5GHz 频段并不符合这一要求。美国正在探索一个有趣的选择:6GHz 频段。联邦通信委员会(FCC)计划将6GHz 频段作为免授权频谱使用。其中一种提议认为应在6GHz 的一部分频段中进行时间同步共享,而其余部分则使用原有方式共享(即与5GHz 的共享方式类似),如图7 所示。在该种共享模式中,如果有多个用户使用同步共享频带部分(如两个工业互联网用户),可利用时间同步进行协调。

图:时间同步共享,提高效率和可靠性

 

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