5G愿景中的未来美好信息化生活正在从梦想走向现实

随着5G第一版本标准冻结，全球各国都将5G商用部署提上议程，5G愿景中所描绘的未来美好的信息化生活正在从梦想走向现实。和以往移动通信系统换代聚焦提升个体消费者信息服务能力不同，5G系统设计转向对全社会生产和生活以及各行业互联需求的全面广度覆盖，构建万物互联的信息基础设施。

工业互联网是新一代网络信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的技术体系和产业生态，是工业智能化发展必需的信息基础设施。网络互联是工业互联网全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析的基础，引领工业制造领域的智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。

工业互联网涉及的网络互联设备差异大，网络连接技术可选范围广。现有的各种网络连接技术主要针对工业领域的特定场景进行设计，虽然可以满足局部特定性能要求，但是由于存在跨域数据转发与无缝互操作难，以及多连接统一控制调度弱等方面的局限性，无法全面满足工业互联网的发展需求。

5G移动通信系统标准将持续发展，R16版本标准化工作已经启动，R16将重点提升对垂直行业应用的功能和组网支持，未来将激发工业互联网的部署动力，全面提升工业互联网的泛在连接和转发性能，构建工业场景下局域和广域一致性组网和运营的通信基础设施。

5G标准化整体情况

5G设计旨在满足未来多样性业务和部署场景所需的多样性灵活性接入和组网部署需求。未来十年移动数据业务可能会爆炸性增长，预计将有千倍的容量以及超高速率传输需求；物联网业务类型丰富多样，连接数量巨大，业务特征也差异明显，将形成大连接数量和极端业务指标的需求。

ITU最终确定了5G三大类应用场景和技术指标。三大场景包括：应用于移动个人消费互联网的增强移动宽带场景（eMBB）；应用于物联网的大连接物联网场景（mMTC）；应用于高性能物联网的低时延高可靠场景（uRLLC）。三大场景共包括8个指标（见表1），其中eMBB重点关注6个指标，mMTC重点关注2个指标，uRLLC则强调传输时延指标。

表1  ITU制定的5G系统性能指标

3GPP计划通过R15和R16两个版本的标准，满足ITU全部应用场景和技术指标需求，其中R15为5G基础版本，重点支持增强移动宽带业务和基本的低时延高可靠业务，R16为5G增强版本，将支持更丰富的物联网和低时延高可靠业务。当前，R15标准已经冻结并具备基本部署条件，3GPP正全面进入R16时间窗口，面向工业互联网的接入组网业务需求、网络架构和功能，空口技术增强是这一版本的工作重点，表2整理了3GPP R16以后已有的工业互联网相关的标准化立项。

表2  3GPP工业互联网相关标准

与面向个体消费者的移动互联网对应，工业互联网同样是复合场景，例如一个工厂的环境包括数据交互、传感器信息采集和设备高精度控制等具体应用场景。从接入侧看，不同应用场景对空口的需求不同，导致接入技术多样化，而不同的行业门类的连接需求增加了上层应用平台收敛的复杂度，因此，5G网络将承担统一接入调度和应用策略控制的核心功能，未来5G网络将构建高性能、灵活可配的广域网络基础设施，全面提升面向未来的网络运营能力，支持工业互联网应用创新。

工业互联网相关5G网络标准项目综述

参考表1，3GPP系统架构针对工业互联网的标准化工作主要包括新型网络架构、增强的网络功能和新型组网模式3个方面。其中，R15版本重点完成了新型网络架构和基础功能的标准化，功能增强和新型组网属于R16工作内容，计划在2019年6月完成标准化工作。

基于服务的网络架构

R15版本核心网引入IT的“微服务”理念。如图1所示，系统架构中的元素被定义为一些由服务构成的网络功能，这些功能可以被部署在任何合适的地方，通过统一的接口调用框架为其它许可的网络功能提供服务。这种架构模式可以便捷地聚合网络功能，构建服务切片，结合互联网虚拟化和软件技术，向第三方开放网络定制与功能编排能力。

在4G基础上，5G架构实现控制、转发与数据的分离。在控制平面，5GC可提供异构接入技术统一的接入、安全和签约管理服务框架；在转发平面，5GC支持转发网关下沉，业务数据流按应用策略分流，实现边缘、数据中心和云计算节点间按需互联；5G网络引入计算和存储相互分离的思想，5GC还引入实现非结构化数据存储的可选功能，为网络功能提供统一的结构化/非结构化的数据存储和检索功能。

图1  5GC服务化架构

面向低时延高可靠的5G网络功能增强

R16版本的uRLLC功能增强聚焦回传网络可靠性的增强，不涉及空口和相关协议的改动或终端冗余机制。

除了用户面功能（UPF）下沉，5G核心网实现低时延的主要技术包括：RAN-CN业务流时延监控；切换过程中的时延和抖动优化；Resume过程中源/目NG-RAN节点间的路径优化。

5G核心网采用的提升可靠性技术包括：基于网络节点（RAN和CN）冗余或传输层冗余的网络可靠性优化；切换后GBR业务快速恢复；提高UE移动性过程下的业务连续性，以及QoS监控辅助的uRLLC业务控制。

垂直行业私网组网

R16垂直行业私网的研究范围包括：非公众网络（NPN）、时间敏感网络（TSN）和5G局域网（5G-LAN）。NPN和TSN架构如图2所示。

NPN使得垂直行业参与并定制的移动通信网络的组网模式成为可能，R16标准明确了独立和非独立两种组网模式，并定义了对应的标识机制。独立组网将是一个完全独立部署的5G网络，包括基站、核心网和业务平台，服务化网络架构和云化组网将大大降低5G网络部署的门槛，提升按需自建网络的可行性。非独立组网将作为运营商网络的一部分进行部署，例如垂直行业可以将自己的业务平台和接入站点连接到运营商的PLMN网络（通常是一个网络切片），相关的移动性、会话资源和数据流管理将使用运营商提供的服务。

TSN是一种传输时延有界、低传输抖动和低丢包率的高质量网络实时传输技术。对于TSN的全局时钟控制和传输调度功能而言，5G网络是一个TSN网桥，支持时延敏感传输调度的特定QoS要求。

5G局域网支持在一组接入终端间构建二层转发网络，并通过5G SMF与UPF的交互实现终端组内数据交换和用户面路径选择。5G局域网组管理的能力可以通过网络开放功能（NEF）供业务平台使用。

图2  NPN和TSN架构

工业互联网标准化后续工作

工业互联网已成为产业升级发展的必然趋势，工业企业、运营商、设备商等产业界企业纷纷开展工业领域的网络应用场景及相关技术研究，而5G网络依靠多接入、广覆盖、高性能以及丰富的网络控制和组网方案等优势功能，正在逐渐成为工业企业优先考虑的部署选择。

按照标准规划，5G核心网将沿着服务化和云化的方向演进，容纳更广泛的接入场景，进一步提升低时延高可靠接入RAN-CN交互效率，以优化切换时延和降低抖动影响，引入人工智能等新的使能技术优化资源调度和组网运维，强化网络功能与垂直行业平台间的深度融合、“云-边”协同和能力开放，推动工业领域向全面数字化、信息化和联网化转型，实现全社会“万物智联”的宏大愿景。