5G技术在工业互联网领域的应用

5G技术在工业互联网领域的应用

李杨明

华信咨询设计研究院有限公司 浙江省 杭州市 310052

摘要：5G的全称为第五代移动通信技术，是指在全球范围内，移动通信技术已经发展到了第五代阶段，它是在4G技术基础上的进一步优化和扩展。当前4G已经很难满足互联网技术发展和规模扩大的需求，而新一代5G技术能为其发展提供充分的技术支持，因此5G技术将在今后的信息时代起到极为关键的作用。文中首先阐述了5G的概念，然后对工业互联网进行了基本介绍，最后，文中对5G应用于工业互联网的必要性与优势、挑战以及推动策略与突破口进行了重点研究、分析与总结。

关键词：5G；工业互联网；智能制造；移动通信；物联网

引言

2021年10月18日，习近平总书记在主持中共中央政治局第三十四次集体学习时强调，要站在统筹中华民族伟大复兴战略全局和世界百年未有之大变局的高度，统筹国内国际两个大局、发展安全两件大事，充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合，赋能传统产业转型升级，催生新产业新业态新模式，不断做强做优做大我国数字经济。“十四五”规划提出，推进产业数字化转型，在重点行业和区域建设若干国际水准的工业互联网平台和数字化转型促进中心。

1、5G技术及工业互联概述

5G具有大容量、高速率、低延时和高移动性等特性。5G系统能够提供每平方千米超百万个设备的连接支持，为万物互联提供通信基础。5G系统将实现10Gb/s的峰值速率，可满足工业客户对于高速数据的采集、传输需求。5G系统将提供不到1ms的理想延时和5～10ms的典型端到端延时，从而支撑工业场景下的一部分实时应用。5G系统最高可以支持每小时500km移动场景下的用户通信，从而适应快速移动环境下通信日益增加的趋势。相比4G以及更早的通信技术，5G技术具有显著优势。在数据传输方面，5G具有更高的速率、更短的延时和更远的传输距离，5G支持10Gb/s～20Gb/s的峰值速率和1Gb/s的用户体验速率，时延低至1ms，传输距离长达2km。在系统效率和容量方面，5G具有更低的功耗与运营成本，更高的频谱利用率和信息利用率，并且支持更多用户。

工业互联网（Industrial Internet），也称为工业物联网或IIoT，是一个开放的、全球化的工业网络，将人、数据和机器进行连接，将工业、技术和互联网深度融合。工业互联网是以工业企业为主体，以工业互联网平台为载体，通过网络技术、大数据、云计算、人工智能等新一代数字技术与工业技术的深度融合，规模化供给智能服务与产品，推动工业企业向数字化、网络化、智能化转型，是建设现代化经济体系、实现高质量发展和塑造全球产业竞争力的核心载体，是第四次工业革命的关键支撑。“网络是基础、平台是核心、安全是保障”被视为工业互联网体系架构中的三大要素。

2、5G应用于工业互联网的必要性和优势

工厂内网通信涉及固定设备和移动设备，如注塑机、冲压机、机械臂、AGV等。大部分设备有线网络或Wi-Fi网络部署到车间和机台，但因为工厂的车间面积大，结构复杂，设备分散，布线难度大，成本高，耗时长，迫切需要更加可靠便捷的通信方式解决设备联机问题。目前工业界采用的无线通信协议众多，如短距无线（蓝牙、Zigbee）、工业专用无线（如Wireless HART）、3G/4G蜂窝无线、Wi-Fi等，这些协议各有不足且相对封闭，设备互联互通较难，制约了设备上云。同时，由于Wi-Fi受机器磁场干扰存在丢包和通信不稳定的情况，这一情况也需要改善。因此，借助5G技术的推广，能找到实时性更高、更可靠、更灵活、维护性更好、成本更低的工厂网络部署方案。

5G具备感知泛在、连接泛在、智能泛在等优势，有望成为工业互联网的网络及技术底座，5G相对于其他无线通信协议优势显著。①5G抗干扰能力更强，Wi-Fi使用公用频段导致抗干扰能力差；5G使用运营商独有频段具备更高的安全性和可靠性。②5G能够承载高并发大数据量业务，Wi-Fi信道少，资源有限；5G具备大带宽特性。③5G能够保证超低时延及更广覆盖，Wi-Fi时延不稳定，用户增多导致时延增大；5G网络可通过行业定制化降低时延，增加覆盖能力。④5G可以实现快速切换保障数据可靠传输，针对快速移动场景，Wi-Fi连接下无法进行切换，5G网络可以实现数据切换。

3、5G+工业互联网发展面临的难题与挑战

3.1、投资成本高，能耗大

5G网络的基础投资成本较高，主要体现在单一设备模组的采购、应用成本高，影响5G技术的全面应用，是5G技术发展过程中的关键挑战之一。5G网络在数据高速传输过程中会产生大量能耗，如何降低运行过程中的能耗是急需解决的问题。

3.2、需求缺乏拉动力，供给规模不强

业务需求是5G+工业互联网应用与发展的根本驱动力，但目前市场上仍缺乏对5G+工业互联网的显著需求。造成这种需求缺乏的原因主要有如下3个方面：（1）我国企业的信息化、数字化水平总体偏低，不具备应用5G+工业互联网的基础条件；（2）目前尚未找到与5G强绑定的代表性工业应用场景；（3）5G的性价比较低，5G目前的发展和应用都还处于起步阶段，带来的性能提升并不明显，而5G的部署和应用成本、复杂性却很高。

目前5G+工业互联网的供给规模性总体来说并不强，其原因主要体现在4个方面：（1）5G部署和运营成本高，导致网络布设和应用较慢；（2）商业模式和赢利点尚不清晰；（3）同时具备IT技术和工业业务背景知识的复合型人才缺乏，导致技术与业务协同的难度较大；（4）不同行业领域的应用场景差异较大，根据不同的场景建立不同的专用网络难度高且可复制性差。

3.3、高频段资源应用问题，技术不完善

基于5G的工业互联网在通信过程中需要大量高频段资源，如何开发高频段的资源以满足其需求是一大挑战。目前，5G还未能完全满足工业领域对现场通信的实时性、可用性、安全性（功能安全和信息安全）、抗干扰等方面的要求。在安全性方面，5G网络和工业互联网的网络架构较为开放，且在数据传输过程中涉及大量数据、覆盖范围较广，因此安全问题是一大挑战。必须要保证在传输过程中数据不会损失或缺少，同时也要保证设备在应用过程中的用户隐私安全等。

4、5G+工业互联网推动策略与突破口

5G成为工业互联网的核心组成部分，正在催生更多的需求和服务，5G在工业互联网领域的应用值得期待。

当前我国5G技术发展仍处于起步阶段，业界要在打造低时延、高可靠、高安全的无线网络方面继续努力，同时还要探索良好的商业模式。目前，5G在柔性制造场景中得到了广泛的应用，包括传感器、机械臂、装配车间等都得到了良好的推广和应用，但是仍需进一步推进。

5G应用也面临不少挑战。过去，无线网络主要做的是人与人之间的信息接收，而工业互联网时代，则是面向机器的自主感知，这两者的差别是巨大的。

当前我国工业互联网的发展还存在较大发展空间。从网络层面上看，无线感知和控制、通信仍是分离的。未来的工业应用场景，尤其是人工智能、自动驾驶、区块链、物联网等技术的应用，对时间敏感提出了新的要求，需要云、边、端的算力资源支撑计算密集型业务的实时高效处理。

工业互联网的信道建设也是应该关注的重点。工业互联网的建设要充分考虑工厂和普通环境的差异。工厂环境中往往布满金属反射体，机器会受电磁干扰，从而影响生产装配。与此同时，信道本身的特点、穿透损耗增加、反射强度增加、电磁噪声等也会给生产带来影响。因此，业界要关注工业互联网的信道建设，尤其要关注路径损耗、阴影衰落和参数。

传统的满足人与人之间通信需求的协议，不再适用于工业互联网的发展。传统的通信协议主要是基于人与人之间的沟通场景，这种协议在机器时代是不适用的，业界需要变革协议方式。在这个过程中，尤其需要关注一些难点，比如传统的架构层级是固化的，层级高、流程长、核心网时延大等特点为改造带来了很大的挑战。同时感知、通信、控制各波段是分离的，今天面向工业互联网的建设需要，时序问题需要重新考虑，要进行有效的感知、排序。这需要变通我们的架构以及交互协议，需要传感一体化的网络，这是未来很好的方向。

结束语

总之，对于未来的技术演进，业界要合力打造“感-传-算-用”一体化的无线网络架构，以及可灵活配置、可信的交互协议，满足工业互联网安全、可靠、确定时序的要求，让5G和工业互联网更好地为各行各业的数字化转型赋能。

参考文献：

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[3]余鸿婷,张昌福,李凌.浅谈5G在工业互联网领域应用现状及有效对策[J].中国信息化,2020(06):69-70.