5G-ACIA | 5G互联工业和自动化白皮书【四】

导读：2019年11月19日工信部发布了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，为了结合IOT 3000开源数字孪生项目应用5G，特别翻译ZVEI发布的5G互联工业白皮书，分四次发布，这是第四部分。

除了5G为工业4.0带来的极具前景的机遇外，还必须应对某些重大挑战，以释放5G的全部潜力。下面将更详细地概述其中一些挑战。

挑战1：影响5G标准化的时机

尽管可以预见5G将广泛支持制造业的各种用例，但与5G相关的标准化机构和制造业尚未形成完全统一的联盟。电信供应商和移动网络运营商应在支持5G的制造解决方案上与制造业紧密合作。随着3GPP版本15的发布，首个5G标准已于2018年6月冻结。它主要关注eMBB服务。垂直特定的服务（如URLLC）将在版本16中得到增强，该版本有望于2019年底之前完成，此后还将发布版本17。因此，为指导5G系统设计，使工业领域的需求和要求得到充分满足，从工业领域向3GPP第16版投入的时间不多。

挑战2：如何发展5G以支持制造业？

制造业必须将其需求转达給5G社区（如3GPP、ETSI等），并与之合作，制定技术解决方案，以适当满足这些需求。在3GPP中，通过“垂直域自动化通信”（CAV）（3GPP TR 22.804）和“5G中的局域网支持”（3GPP TR 22.821）的研究项目，已经向考虑工业领域用例和需求迈出了第一步。然而，对于OT行业的许多参与者来说，直接参与相关的标准化机构可能是一个挑战。因此，在实际的标准化组之外，存在一个合适的平台/组织，在该标准/组中，关于相关用例和要求的不同观点将是预先排列的。这样一个平台/组织还可以支持制定适当的技术概念的解决方案，并应该高度关注工业领域。

挑战3：频谱和运营商模型

合适频谱的可用性是为工业应用部署5G服务的重要方面。为了满足极其苛刻的延迟和可靠性要求，可授权的频谱是首选。可能存在访问许可频谱的替代方法，例如通过区域许可或从（全国）移动网络运营商处转租，这些方法都有其优点和缺点。重要的是，要找到合适的频谱使用选项和运营商类型，其中要考虑到工业领域的特定要求，并未成功实现5G在工业中取得成功奠定了坚实的基础。这就要求所有利益相关者之间进行有建设性的讨论，包括工厂所有者、移动完了运营商、监管机构和技术提供商。

挑战4：安全与保障

必须针对5G保护下的工业（实时）应用程序的需求研究当前的安全体系结构和解决方案。必须制定清晰的安全政策，包括对5G基础架构可以在多大程度上支持安全关键型工业应用的全面分析。必须找出差距，并调整/扩展现有的体系结构和解决方案，直到满足安全性和保障性的要求。

挑战5：支持5G的工业组件

诸如机器和机器人等工业组件与智能手机等现有的移动设备有很大的不同。目前，5G在制造业的考虑主要集中在网络方面。然而，了解具有5G功能的工业设备的含义也很重要。例如，与工业组件相比，连接模块的升级频率可能更高。此外，5G系统必须与其它现有通信技术（如工业以太网系统或现场总线）紧密兼容。因此，从一开始就应该清楚地考虑无缝的集成和迁移路径。此外，由于工业机械通常会长期使用，因此对于通信服务和5G组件（例如相应的5G芯片组）所需支持也存在特定要求。

挑战6：建立通用语言

制造生态系统将从传统装置（包括：组件提供商、机器制造商、系统集成商、认证机构等）扩展到涵盖整个ICT领域，包括电信供应商和运营商、电子行业（芯片提供商）和IT领域（例如云计算）。5G在制造业中的整体成功很大程度上取决于整个生态系统中各参与者之间的紧密合作。然而，每个行业都有自己的术语和概念结构。为了使所有受影响的行业顺利、高效地合作，面临的主要挑战之一是它们共同开发一种通用语言。

挑战7：测试床和试验

从概念到实操、从研究实验室到商业市场，基于5G的与制造业相关的技术都需要基于整个生态系统的紧密协作，对测试平台/跟踪活动进行充分的验证。因此，来自不同行业的参与者必须开发新的知识库，例如，通过通用测试床和扩展的现场试验。

挑战8：无线接入及核心网络中5G连接的透明度

现有的蜂窝网络（2G、3G、4G）没有标准化的方法，工业应用可以访问小区中的无线通信的诊断信息，所连接的骨干网上进行网络连接等。然而，5G必须提供关于连接性、服务水平的透明诊断信息，E2E性能等，并向第三方公开此信息。这对于实时监控网络性能以及在出现连接问题时进行有效的根本原因分析，是至关重要的。

5G与前几代移动网络之间的主要区别之一，是5G对机器通信和物联网的高度重视，这为许多不同垂直领域中的众多新用例和应用铺平了道路。这些领域包括汽车、医疗保健、农业和能源领域，尤其是工业制造和生产。

为了确保电信行业完全实现和利用5G的功能，需要紧密协作。只有新兴的新生态系统中的所有相关参与者齐心协力，才能充分发挥5G的全部潜力。对于工业领域尤其如此，其特点是具有大量潜在的用例，这些用例具有潜在的高要求和通用要求以及特定的一般条件。

但是，由于工业领域只是5G众多新的潜在应用领域之一，因此在相关社区和组织中赢得强有力的声音就显得尤为重要了。

下文简要介绍了利用5G在工业领域中的优势的许多关键前提条件。这尤其包括一致的标准化线路图和兼容的法规环境，使ICT和OT行业能够有效地协同工作。

标准化

- 协作标准化包括涉及ICT和OT参与者的统一路线图，必须保证产品的及时可用性。

从那时起，由于工业OT和ICT几乎是两个相互分离的市场领域，因此各自的标准化路线图甚至相关负责标准化团体和组织还没有达成完全一致。

此外，负责5G标准化的3GPP组织将从业界利益相关者的支持中受益，以便充分了解他们的要求和5G的潜在技术含义。

最后，要解决棕色用地场景并支持工业专用网络概念，需要将3GPP与工业标准化通信技术相集成，如其它标准化组织（如IEEE或IEC）所定义。

因此，需要ICT与工业OT参与者和组织之间的紧密协作和协调。

5G-CAIA正在支持3GPP和其它相关标准化机构（例如ETSI）的工作，并正在推动协调文稿的准备工作，例如3GPP技术规范组SA（服务和系统方面）。

尽管某些功能在版本15中已可用，但在3GPP版本16中将更全面地解决工业领域的特殊利益。图8显示了3GPP标准化（版本15和16）和5G部署的路线图。但是，这可能会发生变化。“Early Drop”标记的是发行版15的早期版本，并未最终冻结，但具有足够稳定性以允许进行初始产品开发和部署，例如用于大型体育赛事。

5G-ACIA准备支持此过程。在5G-ACIA中，所有工作组将在其特定范围内处理标准化问题，并将监控所有相关的标准化活动（例如3GPP SA和RAN, IEEE, ETSI, IEC）。

5G标准化时间表（蓝色）和部署（绿色）

光谱

- 5G需要仔细选择频谱使用以满足工业需求。

未经许可的频谱子啊工业应用中的使用将无法满足更苛刻的质量要求，例如：延迟和可靠性。因此，尚未充分实现无线技术在工业中的全部潜力。

为了满足工业应用的需求，有几种频谱使用选项或这些选项的组合-都有各自的优点和缺点。包括以下内容：

• 本地专用工业网络的专用频谱可以通过本地专用分配或从国家移动运营商转租。

• 使用诸如网络切片之类的专用技术，以便在移动运营商许可的频谱的基础上建立专用虚拟网络。

• 必须考虑到工业用例的特殊要求，开发并实施一系列频谱使用方案。

5G-ACIA已经在研究这些主题，并正在支持ITU-R流程和国家监管活动，同时也在推广适当的频谱使用选项和角色模型。

网络中立性和网络切片工程

- 必须以公平和透明的方式使用连通性作为互联行业的关键推动力。

随着连接性成为工业数字化的关键推动力，对连接服务的公平、透明的访问成为接受5G的先决条件。净中立性政策必须考虑到特定于行业的要求，例如在延迟和可靠性方面，这一点很重要。此外，网络切片的使用应包含在监管框架中，该框架应支持对具有快速变化要求的工业级服务和创新的使用。

5G-ACIA通过在所有相关利益相关方之间讨论网络切片、角色模型和整体5G概念，并为相关标准化和监管机构、政府机构等提供联合意见，来解决这个问题。

产品资质

- 必须定义并实施针对工业用5G产品的高效及时的认证流程。

工业用例，尤其是安全方面的关键应用，涵盖了一系列用于管理所用设备的具体要求和法规。然而，ICT行业通常不处理此类要求和法规。为了保证5G可以用于这些工业应用，并支持ICT和OT组件的互操作性，设备必须符合相应的法规要求。必须及时定义和实施提供所需配置文件、性能验证和认证的有效流程。

5G-ACIA指定了一个工作组，即第五工作组（WG5）来解决这个问题。该工作组将组织产品鉴定、互操作试验和一致性测试。

工业4.0和制造业将从5G通信技术中受益匪浅。

本文概述了各种有前景的用例，其中有一些各有不同的需求，并且通常具有挑战性。本文描述了5G网络的关键技术，他们是在工业4.0部署中实现5G的潜在候选者。但是，尽管5G对于工业领域的好处可能会显现出来，但仍然必须应对同等规模的挑战。这不仅适用于跨行业交流、交互、协调、标准化和监管方面的挑战。

尤其重要的是，应进一步促进ICT行业与制造业之间的相互理解。这是建立5G互联工业和自动化联盟（5G-ACIA）的原因之一。联盟的目标是确保5G在工业4.0领域最终获得巨大成功。