“5G+工业互联网”通信网络架构及关键技术概述

“5G+工业互联网”通信网络架构及关键技术概述

张波

中电科普天科技股份有限公司西安分公司 陕西 西安710075

摘要：通信网络作为“5G+ 工业互联网”的重要信息基础设施，为工业生产、企业园区、运营管理等提供了可靠、高效、灵活的服务。5G  与工业互联网的融合不仅加快了数字化社会、智慧化社会的建设，同时也将推动各项产业升级与行业转型，为社会经济发展注入新动能。

关键词：5G；工业互联网；通信网络

1绪论

我国新一轮科技革命持续加速，产业变革深入推进，科技与产业的深度融合推动了生产方式优化、商业模式创新和产业结构升级。5G是新一代信息通信技术的代表，工业互联网是制造业转型的重要动力。“5G+工业互联网”将加速制造业数字化、网络化、智能化转型，产生的辐射带动和叠加倍增效应在助力制造强国建设的同时，还将为中国经济发展注入新动能[1]。工业互联网旨在使人、物料、机器、车间、企业等各要素实现泛在互联，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，提高生产效率、改进生产方式、创新应用模式、优化产业生态。5G的高速率、低时延和大连接有助于充分释放工业互联网的潜能，工业互联网的诸多垂直行业和应用场景也为5G开辟了广阔的市场空间。目前，工厂主要使用的通信方式仍然是有线网络，如以太网、现场总线等，无线网络只应用于某些特殊环境中。但随着柔性生产、个性化定制等新型生产模式的兴起以及物料搬运、自动质检、远程维护等新兴生产应用的普及，传统固定产线生产模式被逐渐解构，无线网络为产线扩展、移动设备接入提供了更大的灵活性，同时避免了线体缠绕、线体长度不足等问题，能有效满足工厂的实际生产需要。不同的工业场景对无线网络的需求不同，例如，控制类应用要求网络低时延和高可靠，数据采集类应用要求网络能够承载大量接入设备，视频监测类应用需要网络具有较高上行带宽等，这些都对无线网络提出了更高的要求。而5G网络特性高度契合工业生产，既能适应产线调整和移动机器人、自动导引车等移动设备的需要，为工厂设备和传感器的大量无线数据传输提供支持，又能克服传统无线网络速率慢、抗干扰能力差等弱点，极大地提升了无线网络在工业中的应用价值，推动传统制造业实现变革。

2“5G+工业互联网”通信网络架构及关键技术分析

2.1MIMO 无线信息技术

该技术与其他技术的区别主要表现在速度方面，MIMO 的时效性更强，因此更加实用，能够将无线通信网络的效果发挥到极致。然而，随着 5G 网络应用范围逐渐扩大，MIMO 技术已经无法满足飞速变化的通信环境需求，亟需技术层面以及原理层面的创新。大规模MIMO 技术应运而生，相较于传统 MIMO，新兴技术的系统容量被扩充到 5G 网络的等级，且去除了大量用户端更新中的冗杂步骤，能够将更多的精力放在配置系统资源方面。但另一方面，新型大规模 MIMO 技术也存在缺陷，这主要表现在随着技术创新，其天线数量会大幅度增加，这导致该技术对施工单位的线路布置存在较高的要求，一旦布局出现问题，就会威胁信号的稳定度，严重的甚至会导致信号传输丢失，因此很少被应用到关机技术当中。由于用户所处的领域不同，对网络的应用方向也存在较大差别，这就让社会各界对无线通信网络提出了不同的要求。其中，部分用户需要低频段无线通信，这可能会导致低频段网络超负荷，严重威胁网络信号传输的稳定性。这时，大规模 MIMO 技术就能够有效稳定高频段网络，增加频道资源利用率，有效降低了无线通信网络的运行压力[2]。

2.2毫米波无线通信技术

该技术波长较短且波束较窄，但传输频率密集，有着较强的方向性，更主要的是其具备更宽的频谱。从波长方面来看，其短波的特点有效规避了 MIMO 技术的主要问题，即大规模天线的应用，只需要很小的占地空间即可发挥自身作用，操作方法也较为简单，只需要技术人员采用正确的手段设置天线方位即可。同时，天气变化对毫米波技术的影响非常小，一般不会因极端天气而出现通信信道关闭的状况，因此稳定性也远超同类型技术。该技术主要被应用于多媒体领域内用户，能够满足用户对业务的要求。毫米波的缺陷主要表现在以下几个方面：1. 毫米波很容易被固体物阻挡，因此无法使用在建筑密集地区，建筑物的遮挡会阻碍信息传输，需要设计人员根据施工地点的实际情况，并结合系统设计方案对施工进行规划。2. 毫米波的传输路径上存在非常大的自由空间，信号在其中的动作可能会导致信号弱化，这会让用户无法控制信号的接收质量。3. 与建筑物相同，高大植被以及雨水也会吸收毫米波，这就对技术人员的环境敏感度提出了更高的要求。

2.3 5G+AR

AR为一种极其特殊的学科，主要表现为人工智能和人机交互的整合，能够及时展开相应的计算，由此增加对应的图像.视频等技术，然后将其看成是把真实世界与虚拟世界进行整合的技术，通过AR的有效应用能够使得相当空间里的实体信息借助计算机模拟之后进行叠加，并且把一些虚拟的信息运用到真实的世界里，却可以被人类感官所感知，最终能够带来相应的感官体验。现今，AI技术已经得到了很好的应用，主要应用到了工业制造的各个环节里，在这之中主要表现为AI在线监测等，借助展开相应的AI远程协助，在后台专家能够借助语音、视频等从而展开相应的工作，这样可以促使现场人员及专家实现零距离交流，大大促使工业设施的价值得到体现。

2.4 5G+VR

在具体应用VR技术时，能够构建出相应的计算机仿真系统，并通过计算机的扎实应用从而生成出相应的模拟环境，这样用户便可以沉浸到该环境里，借助虚拟技术从而实现对生活里数据的应用，借助计算机的信号从而促使其和不同设施进行连接，就能可以让客户感受到对应的信息，且借助三维模型进行表达。现今，在工业互联网里主要应用模拟培训等场景，而VR虚拟装配则是必要的构成，能够在设计接口等方面实现能效的表达，借助VR培训能够呈现出更多的优点，主要是会比过去的培训工作更为扎实，且可以在第一时间进行反馈，而且和教科书进行对比的话，其会表达的更为直观且可以获取到更多的信息。通过VR虚拟展厅的有效应用，能够实现对产品的展示，这样可以足不出户便可以得到临场的体验。

基于 5G 的 Cloud VR，结合眼球跟踪渲染技术、GPU 定点渲染、LED 高 PPD 屏幕技术，VR 终端可以完全实现无线化和轻量化:由于云端内容与无线VR直连,不能被本地复制,进一步保护了内容版权:用户互动数据传输到云端并进行计算，再反馈回本地终端，大大降低VR 的成本。

2.5 切片网络架构

基于 5G SA 架构，采用虚拟化和软件定义网络技术，可以让运营商在一个物理网终上切分出多个虚拟的、专用的、隔离的、按需定制的端到端网络，每个网络切片从接入网、传输网到核心网，实现逻辑上的隔离，从而灵活适配冬种类型的业务要求，实现一网多用，不需要为每一个服务重复建设一个专用网络，极大降低成本。

3结束语

5G不仅提供了网络连接，还为大数据、云计算、人工智能等技术充分赋能，助力新一代信息技术的聚合创新，解决工厂数字化转型过程中的难点和痛点，加速科技与制造业的深度耦合，为数字化转型注智赋能，推动制造业高质量发展。

参考文献

[1]刘佳乐.5G+工业互联网综述[J].物联网技术,2021,11(12):53-58.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2021.12.014.

[2]肖斌,欧炳强,程俊,郭智英.5G+工业互联网数字新基建的应用浅析[J].广西通信技术,2021(03):23-27.