隨著5G第一版本標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，全球各國都將5G商用部署提上議程，5G愿景中所描繪的未來美好的信息化生活正在從夢想走向現(xiàn)實(shí)。和以往移動(dòng)通信系統(tǒng)換代聚焦提升個(gè)體消費(fèi)者信息服務(wù)能力不同，5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)θ鐣?huì)生產(chǎn)和生活以及各行業(yè)互聯(lián)需求的全面廣度覆蓋，構(gòu)建萬物互聯(lián)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合所形成的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展必需的信息基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析的基礎(chǔ)，引領(lǐng)工業(yè)制造領(lǐng)域的智能控制、運(yùn)營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式的變革。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備差異大，網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)可選范圍廣?，F(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)主要針對工業(yè)領(lǐng)域的特定場景進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然可以滿足局部特定性能要求，但是由于存在跨域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與無縫互操作難，以及多連接統(tǒng)一控制調(diào)度弱等方面的局限性，無法全面滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)將持續(xù)發(fā)展，R16版本標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)啟動(dòng)，R16將重點(diǎn)提升對垂直行業(yè)應(yīng)用的功能和組網(wǎng)支持，未來將激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署動(dòng)力，全面提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的泛在連接和轉(zhuǎn)發(fā)性能，構(gòu)建工業(yè)場景下局域和廣域一致性組網(wǎng)和運(yùn)營的通信基礎(chǔ)設(shè)施。

5G標(biāo)準(zhǔn)化整體情況

5G設(shè)計(jì)旨在滿足未來多樣性業(yè)務(wù)和部署場景所需的多樣性靈活性接入和組網(wǎng)部署需求。未來十年移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可能會(huì)爆炸性增長，預(yù)計(jì)將有千倍的容量以及超高速率傳輸需求；物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型豐富多樣，連接數(shù)量巨大，業(yè)務(wù)特征也差異明顯，將形成大連接數(shù)量和極端業(yè)務(wù)指標(biāo)的需求。

ITU最終確定了5G三大類應(yīng)用場景和技術(shù)指標(biāo)。三大場景包括：應(yīng)用于移動(dòng)個(gè)人消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場景（eMBB）；應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的大連接物聯(lián)網(wǎng)場景（mMTC）；應(yīng)用于高性能物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延高可靠場景（uRLLC）。三大場景共包括8個(gè)指標(biāo)（見表1），其中eMBB重點(diǎn)關(guān)注6個(gè)指標(biāo)，mMTC重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)指標(biāo)，uRLLC則強(qiáng)調(diào)傳輸時(shí)延指標(biāo)。

表1? ITU制定的5G系統(tǒng)性能指標(biāo)

3GPP計(jì)劃通過R15和R16兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)，滿足ITU全部應(yīng)用場景和技術(shù)指標(biāo)需求，其中R15為5G基礎(chǔ)版本，重點(diǎn)支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)和基本的低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)，R16為5G增強(qiáng)版本，將支持更豐富的物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)。當(dāng)前，R15標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)并具備基本部署條件，3GPP正全面進(jìn)入R16時(shí)間窗口，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的接入組網(wǎng)業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能，空口技術(shù)增強(qiáng)是這一版本的工作重點(diǎn)，表2整理了3GPP R16以后已有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化立項(xiàng)。

表2? 3GPP工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

與面向個(gè)體消費(fèi)者的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同樣是復(fù)合場景，例如一個(gè)工廠的環(huán)境包括數(shù)據(jù)交互、傳感器信息采集和設(shè)備高精度控制等具體應(yīng)用場景。從接入側(cè)看，不同應(yīng)用場景對空口的需求不同，導(dǎo)致接入技術(shù)多樣化，而不同的行業(yè)門類的連接需求增加了上層應(yīng)用平臺(tái)收斂的復(fù)雜度，因此，5G網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)統(tǒng)一接入調(diào)度和應(yīng)用策略控制的核心功能，未來5G網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建高性能、靈活可配的廣域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，全面提升面向未來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營能力，支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目綜述

參考表1，3GPP系統(tǒng)架構(gòu)針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要包括新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和新型組網(wǎng)模式3個(gè)方面。其中，R15版本重點(diǎn)完成了新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)功能的標(biāo)準(zhǔn)化，功能增強(qiáng)和新型組網(wǎng)屬于R16工作內(nèi)容，計(jì)劃在2019年6月完成標(biāo)準(zhǔn)化工作。

基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

R15版本核心網(wǎng)引入IT的“微服務(wù)”理念。如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)中的元素被定義為一些由服務(wù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)功能，這些功能可以被部署在任何合適的地方，通過統(tǒng)一的接口調(diào)用框架為其它許可的網(wǎng)絡(luò)功能提供服務(wù)。這種架構(gòu)模式可以便捷地聚合網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建服務(wù)切片，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)虛擬化和軟件技術(shù)，向第三方開放網(wǎng)絡(luò)定制與功能編排能力。

在4G基礎(chǔ)上，5G架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制、轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)的分離。在控制平面，5GC可提供異構(gòu)接入技術(shù)統(tǒng)一的接入、安全和簽約管理服務(wù)框架；在轉(zhuǎn)發(fā)平面，5GC支持轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)下沉，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流按應(yīng)用策略分流，實(shí)現(xiàn)邊緣、數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算節(jié)點(diǎn)間按需互聯(lián)；5G網(wǎng)絡(luò)引入計(jì)算和存儲(chǔ)相互分離的思想，5GC還引入實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可選功能，為網(wǎng)絡(luò)功能提供統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索功能。

圖1 ?5GC服務(wù)化架構(gòu)

面向低時(shí)延高可靠的5G網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)

R16版本的uRLLC功能增強(qiáng)聚焦回傳網(wǎng)絡(luò)可靠性的增強(qiáng)，不涉及空口和相關(guān)協(xié)議的改動(dòng)或終端冗余機(jī)制。

除了用戶面功能（UPF）下沉，5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的主要技術(shù)包括：RAN-CN業(yè)務(wù)流時(shí)延監(jiān)控；切換過程中的時(shí)延和抖動(dòng)優(yōu)化；Resume過程中源/目NG-RAN節(jié)點(diǎn)間的路徑優(yōu)化。

5G核心網(wǎng)采用的提升可靠性技術(shù)包括：基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（RAN和CN）冗余或傳輸層冗余的網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化；切換后GBR業(yè)務(wù)快速恢復(fù)；提高UE移動(dòng)性過程下的業(yè)務(wù)連續(xù)性，以及QoS監(jiān)控輔助的uRLLC業(yè)務(wù)控制。

垂直行業(yè)私網(wǎng)組網(wǎng)

R16垂直行業(yè)私網(wǎng)的研究范圍包括：非公眾網(wǎng)絡(luò)（NPN）、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和5G局域網(wǎng)（5G-LAN）。NPN和TSN架構(gòu)如圖2所示。

NPN使得垂直行業(yè)參與并定制的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式成為可能，R16標(biāo)準(zhǔn)明確了獨(dú)立和非獨(dú)立兩種組網(wǎng)模式，并定義了對應(yīng)的標(biāo)識(shí)機(jī)制。獨(dú)立組網(wǎng)將是一個(gè)完全獨(dú)立部署的5G網(wǎng)絡(luò)，包括基站、核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)，服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和云化組網(wǎng)將大大降低5G網(wǎng)絡(luò)部署的門檻，提升按需自建網(wǎng)絡(luò)的可行性。非獨(dú)立組網(wǎng)將作為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的一部分進(jìn)行部署，例如垂直行業(yè)可以將自己的業(yè)務(wù)平臺(tái)和接入站點(diǎn)連接到運(yùn)營商的PLMN網(wǎng)絡(luò)（通常是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片），相關(guān)的移動(dòng)性、會(huì)話資源和數(shù)據(jù)流管理將使用運(yùn)營商提供的服務(wù)。

TSN是一種傳輸時(shí)延有界、低傳輸抖動(dòng)和低丟包率的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)。對于TSN的全局時(shí)鐘控制和傳輸調(diào)度功能而言，5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)TSN網(wǎng)橋，支持時(shí)延敏感傳輸調(diào)度的特定QoS要求。

5G局域網(wǎng)支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并通過5G SMF與UPF的交互實(shí)現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。5G局域網(wǎng)組管理的能力可以通過網(wǎng)絡(luò)開放功能（NEF）供業(yè)務(wù)平臺(tái)使用。

圖2 ?NPN和TSN架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化后續(xù)工作

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展的必然趨勢，工業(yè)企業(yè)、運(yùn)營商、設(shè)備商等產(chǎn)業(yè)界企業(yè)紛紛開展工業(yè)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景及相關(guān)技術(shù)研究，而5G網(wǎng)絡(luò)依靠多接入、廣覆蓋、高性能以及豐富的網(wǎng)絡(luò)控制和組網(wǎng)方案等優(yōu)勢功能，正在逐漸成為工業(yè)企業(yè)優(yōu)先考慮的部署選擇。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，5G核心網(wǎng)將沿著服務(wù)化和云化的方向演進(jìn)，容納更廣泛的接入場景，進(jìn)一步提升低時(shí)延高可靠接入RAN-CN交互效率，以優(yōu)化切換時(shí)延和降低抖動(dòng)影響，引入人工智能等新的使能技術(shù)優(yōu)化資源調(diào)度和組網(wǎng)運(yùn)維，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)功能與垂直行業(yè)平臺(tái)間的深度融合、“云-邊”協(xié)同和能力開放，推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域向全面數(shù)字化、信息化和聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)“萬物智聯(lián)”的宏大愿景。