使能未來工廠的5G能力綜述

伏玉筍，唐金輝

（1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240； 2. 系統控制與信息處理教育部重點實驗室，上海 200240； 3. 上海工業智能管控工程技術研究中心，上海 200240）

0 引言

工業4.0[1-4]旨在提高工業生產和物流的通用性、靈活性、成本效率、資源效率以及質量等，這主要是無處不在且功能強大的連接和計算基礎設施的網絡物理生產系統促成的，該系統以靈活、安全和一致的方式將人、機器、產品和各種其他設備互連。未來的智能工廠將不再是靜態的順序生產系統，而是以靈活、模塊化的生產系統和數據驅動為特征。這包括更多的移動和多功能生產資產及強大而高效的無線通信和本地化服務。

目前，工業中使用的絕大多數通信技術仍然是有線的。其中包括各種專用工業以太網技術（如SERCOS、PROFINET和EtherCAT）和現場總線（如PROFIBUS、CC-Link和CAN）[5-7]，這些通信技術用于在自動化系統中互連傳感器、執行器和控制器。無線通信主要用于特殊應用和場景，如在流程工業中，或用于將標準IT硬件連接到生產網絡和類似的非關鍵應用。一方面，過去不需要無線連接，生產設施相對靜態且持久；另一方面，大多數現有無線技術無法滿足工業應用的苛刻要求，特別是在端到端時延、通信服務可用性、抖動和確定性方面。然而，隨著工業4.0和5G的出現，這種現象可能會發生根本性的變化，因為只有無線連接才能提供未來工廠所需要的靈活性、移動性、多功能性和人體工程學。因此，5G可能會極大地推動商品在整個生命周期內的生產、運輸和服務方式的革命。

5G提供了一種高度靈活和可擴展的網絡技術，用于連接任何人、事、地點。因此，隨著數據速率的不斷提高，5G的能力遠超移動寬帶。特別地，5G以前所未有的可靠性和極低的時延支持通信和大規模物聯網連接，這為許多垂直領域（包括汽車、醫療、農業、能源和制造業）的新應用鋪平了道路。特別是在制造業，隨著無線連接、邊緣計算或網絡切片等相關構建模塊進入未來的智能工廠，5G可能會產生重要影響[8-17]。

智能工廠在工業界和學術界得到了很大發展和深入探索。國內外的典型智能工廠服務提供商開發了各類有針對性的解決方案[8-9]。從發展趨勢來看，智能工廠的構建仍依托工業大數據平臺、軟/硬件產品及系統。智能工廠需求強勁、增長迅速，是未來制造業發展的趨勢，是智能制造的基石。但是，智能工廠的發展仍處于早期階段，其整體系統極其復雜。連接是智能工廠的基礎，先有大連接才有大數據，才有智能。網絡是連接的載體。截至目前，5G（包括邊緣計算）和智能工廠的結合也取得了長足的進步，在機器視覺檢測、精準遠程操控、現場輔助裝配、智能理貨物流、無人巡檢安防等方面獲得了一系列的應用成果[4,7,17]。盡管5G已經在多個工業場景應用，但這些場景普遍存在控制流程簡單、時延及抖動要求低等問題，且這些工業場景簡單，有利于無線信號的覆蓋與傳播。如何將5G滲透到時延及抖動要求高的運動控制和環境復雜的工業場景中，仍需要工業界、學術界的共同努力，包括產業生態和商業模式上的成熟與清晰。5G和工業互聯網亟須突破并進入工業最底部、最基礎層面的主流應用。未來隨著進一步發展，5G將有望激活更深層面的創新：從局部或車間產線改造到高度柔性和智能應用、云邊端協同、算網融合與算力動態遷移，從非實時到軟實時、硬實時再到同步實時，一網到底，完成5G全連接工廠的普及化。

本文綜述了5G使能未來工廠的基本能力，并總結了相關的用例和需求，分析說明了主要構建模塊，5G使能未來智能工廠的關鍵技術如圖1所示，介紹了目前的研究工作進展以及一些尚未解決的主要挑戰。

圖1 5G使能未來智能工廠的關鍵技術

1 5G工廠通信網絡需求

互聯互通是推動工業環境中數字化和產品服務化的關鍵驅動力。工業4.0的目標是將當今的工廠改造成智能連接的生產信息系統，這些系統的運行遠遠超出了工廠的物理邊界。未來的工廠利用“信息物理系統”和物聯網解決方案在工業過程中智能集成。5G網絡可以在這種集成中發揮關鍵的支持作用，提供可編程技術平臺，能夠以無處不在的方式連接各種各樣的設備，未來工廠不同應用領域與不同用例的映射關系見表1[13]，典型工業自動化用例和性能需求見表2[13,18-19]。

必須說明的是，工廠的無線電傳播環境可能與5G系統其他應用領域的情況大不相同，其典型特征是由發射機和接收機周圍的大量通常為金屬的物體引起的非常豐富的多徑，以及由電機、電弧焊等引起的潛在高干擾。工廠5G通信網絡需求的主要挑戰和特殊性有以下幾個方面[10]。

· 可用性。高可用性意味著終端用戶可以始終使用該服務。網絡的構建必須確保停機時間幾乎為零，并且可以控制任何系統維護，從而保證最大可用性。這可能包括魯棒的解決方案和關鍵元件的冗余結構。

· 可靠性。可靠性是指在預定的持續時間內以高成功概率傳輸一定業務量的能力。它需要足夠的網絡覆蓋和容量及強大的切換功能。

· 互聯互通。5G系統必須支持與現有（主要是有線）連接基礎設施的無縫集成。例如，5G應允許在同一機器或生產線中靈活地將5G系統與其他（有線）技術相結合。非公共網絡和公共網絡之間的互通也是一種重要的能力。

· 工業級服務質量。服務質量包括吞吐量、時延、抖動、丟包率等。許多應用需要工業級服務質量，在端到端時延、通信服務可用性、抖動和確定性方面有嚴格的要求。

· 安全性。很多應用對安全性（尤其是可用性、數據完整性和保密性）和隱私有嚴格的要求。5G工廠網絡需要提供完整的端到端安全，以確保信息、基礎設施和人員免受威脅。

· 適應性和可擴展性。不僅存在單一類別的用例，而且存在許多不同類別的用例，具有各種各樣的需求，因此需要5G系統有高適應性和可擴展性。

· 長生命周期。生產設施的使用壽命通常較長，可能為20年甚至更長。因此，5G通信服務和組件的長期可用性至關重要。

表1 未來工廠不同應用領域與不同用例的映射關系[13]

表2 典型工業自動化用例和性能需求[13,18-19]

此外，5G系統應能夠支持實時連續監測當前網絡狀態，在出現問題時采取快速、自動化的措施，并進行有效的根因分析，以避免生產過程出現任何可能造成巨大經濟損失的意外中斷。特別是在涉及第三方網絡運營商的情況下，需要準確的服務等級協定（service level agreement，SLA）監控，作為違反SLA時可能發生的責任糾紛的基礎。

2 彈性網絡架構

5G為網絡切片提供端到端支持，提供彈性云原生核心網，支持基于3個主要業務類型，即增強型移動寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）、超可靠低時延通信（ultra-reliable an2 low-latency communication，URLLC）和大連接物聯網（massive machine-type communication，mMTC）[20]。

4G移動網絡架構旨在滿足傳統移動寬帶服務的需求。該體系架構由大量粗粒度網元組成，這些網元點到點接口相連，相當靜態、過于復雜，無法滿足各種垂直用例所需要的靈活性、彈性和可擴展性。為了以最低的復雜性和成本滿足這些用例的多樣化需求，3GPP定義了一個全新的系統架構[20-22]。5G支持使用網絡功能虛擬化（network function virtualization，NFV）和軟件定義網絡（software 2efine2 network，SDN）等技術。5G系統架構設計的一些主要原則和概念是：控制與用戶面分離（control an2 user plane separation，CUPS）、模塊化設計、基于服務的體系架構、最小化接入網和核心網之間的依賴、統一的身份認證框架、能力開放等，助力于實現低時延、網絡切片、獨立的可擴展性、演進和靈活的部署（如集中式或分布式），融合統一不同的接入方式。

網絡彈性能力能夠以自動方式適應負載變化，以便可用資源在每個時間點都盡可能緊密和高效地匹配需求，從而獲得彈性增益，如圖2所示[23]。彈性維度包括計算性、編排驅動性和切片感知性。

圖2 彈性增益

2.1 網絡切片

網絡切片（network slice）是一個邏輯網絡，服務于定義的業務目的或客戶，由一起配置的所有必需網絡資源組成。它包括切片管理模塊創建、更改和刪除。網絡切片有[24]以下幾個優勢：

· 關注點分離；

· 不同的用例和需求；

· 相同功能的多個實例化；

· 減少上市時間（time to market，TTM）。

端到端網絡切片是5G架構的基石，支持多種5G服務。它允許運營商為特定的需求和功能提供專用的邏輯/虛擬網絡，每個網絡都有自己獨特的屬性。基于網絡功能虛擬化和軟件定義網絡，物理基礎設施從邏輯網絡架構中抽象出來[25-26]。每個網絡切片可能有自己的網絡架構、協議和安全設置。

端到端網絡切片將包括核心網、接入網，可能還包括傳輸網絡。eMBB、URLLC和mMTC切片可以在單個基礎設施上獨立支持[21]。eMBB切片對帶寬有很高的要求，并將由能夠進行高計算的物理基礎設施支持。在過程控制和虛擬或增強現實的應用場景中，URLLC對網絡時延高度敏感，因此移動邊緣計算（mobile e2ge computing，MEC）應靠近用戶，以提供較短的往返時間。mMTC切片向網絡發送的數據包很少，但需要大容量來注冊數百萬個設備。因此，這允許將較低的計算物理資源用于該切片，從而降低總體運營費用。

經濟定價、預測和魯棒性方法已被應用于解決切片資源管理中的許多問題。切片資源管理中的模型分類如圖3所示[27-34]，如經濟定價分類基于價格的設置方式，即基于市場的定價、博弈論和拍賣的定價及網絡效用最大化（network utility maximization，NUM）的定價。對這些不同模型的選擇，依賴于服務的目的及商業模式確定。

圖3 切片資源管理中的模型分類[27-34]

2.2 非公共網絡

與向公眾提供移動網絡服務的網絡不同，5G非公共網絡（non-public network，NPN，有時也稱為專用網絡）向明確定義的用戶組織或組織提供5G網絡服務。5G非公共網絡部署在組織定義的場所，如校園或工廠。非公共網絡有以下幾個要求[35-36]。

· 高質量的服務要求。

· 高安全性要求，由專用安全憑據滿足。

· 與其他網絡隔離，以作為防止公共移動網絡故障的一種形式。此外，出于性能、安全、隱私的原因，隔離可能是必須的。

· 非公共網絡也使得對可用性、維護和操作

的責任界定變得更加容易。

5G產業自動化聯盟（5G Alliance for Connecte2 In2ustries an2 Automation，5G-ACIA）描述了4種NPN部署場景，并給出了NPN和公共陸地移動網（public lan2 mobile network，PLMN）之間的部署關系[37]。為了支持5G系統垂直行業化部署，3GPP定義了公網融合（虛擬專網和混合專網）和獨立專網兩種部署模式[38-39]，并描述了5G系統在網絡識別方面的增強功能及兩種模式下的終端配置和網絡選擇。5G系統提供終端接入控制，支持垂直行業對獨立資源的需求，實現公私網業務互通。這些不同的部署方式，需要從技術性能、靈活性與可擴展性、安全性、部署簡單性、運維與管理簡單性、資源與成本效率等維度進行考量選擇[38]。

2.3 5G局域網

如前面所述，工業自動化對低時延、高可靠性和消息的確定性傳遞有嚴格的要求。此外，提供5G局域網（local area network，LAN）類型的服務，可以增強工廠部署的現有BLAN和/或固定LAN，也可以作為替代LAN技術，消除對其他BLAN和固定LAN部署的需求[40]。為了達到嚴格的時延和抖動要求，數據包路由在開放系統互聯（open system interconnection，OSI）參考模型第2層（以太網）而不是OSI第3層（IP）完成。其他重要要求（如通信服務可用性和可靠性）需要考慮額外的設計，如冗余方案以實現極高的通信服務可用性。

2.4 邊緣計算

將用戶界面的網元和業務處理能力下移到網絡邊緣，實現了業務流量的分布式本地處理，避免了流量的過度集中，從而大大降低了對核心機房和集中網關的要求。同時，邊緣計算縮短了回傳網絡的距離，減少了端到端的傳輸時延和用戶數據包的抖動，使得超低時延業務的部署成為可能。

在5G網絡架構設計之初，3GPP就包括對邊緣計算部署場景的支持。5G中集成MEC的架構如圖4所示[42]，基于服務化架構的3GPP 5G系統顯示在左側，而MEC系統架構顯示在右側。歐洲電信標準組織（European Telecommunications Stan2ar2s Institute，ETSI）定義了7種場景：智能視頻加速業務場景、視頻流分析業務場景、增強現實業務場景、密集計算輔助、MEC企業部署、車聯網和物聯網網關業務場景[41]。

5G網絡架構主要通過以下方面支持邊緣計算[20,43-45]。

· UPF重新選擇。在協議數據單元（protocol 2ata unit，PDU）會話建立期間，SMF將選擇適當的UPF。在PDU會話的生存期內，UPF可以根據用戶的位置而改變。

· 本地路由和流量控制。基于上行鏈路分類器（uplink classifier，UL CL）和IPv6多宿主等技術，一些流量可以被過濾以轉移到本地MEC資源（稱為“對數據網絡的本地訪問”），而其余流量可以通過數據網絡遠程訪問。

圖4 5G中集成MEC的架構[42]

· 會話和服務連續性。建立PDU會話時，它將與3種潛在業務連續性（session an2 service continuity，SSC）模式之一相關聯，從而實現移動性場景的連續性。

· AF影響流量路由。通過直接或NEF與PCF通信，MEC應用功能可以影響流量通過網絡的路由方式。

· 網絡能力開放。PCF可以直接或通過NEF與AF交換網絡能力信息影響MEC的運行。

· 服務質量（quality of service，QoS）和計費。PCF可以為與MEC相關的PDU會話提供QoS和計費規則。這確保與MEC相關的用戶面流量得到正確的QoS處理，并因此適當計費。

· 本地數據網絡（local area 2ata network, LADN）。5G支持LADN連接，適用于特定地理區域。

對于工廠來說，可能的應用包括實時控制、云控制自動導引車（automate2 gui2e2 vehicle, AGV）、機器視覺質量檢測、智能安全等[4,7,17,46-47]。

3 靈活頻譜

5G的頻譜靈活性帶來了許多新的研究挑戰。與前幾代相比，5G通過支持高達800 MHz的載波提高了峰值和用戶感知的數據速率，但代價是射頻和基帶信號處理的功耗增加。不同的業務有不同的需求，例如，在mMTC場景中支持大量UE可能需要配置窄帶載波以降低UE功耗；另一方面，URLLC場景需要更短的時延，如通過使用更寬的子載波（sub-carrier space，SCS）來實現。

關鍵通信的先決條件是完全控制頻譜，只有獲得許可的頻譜才能保證系統對頻譜使用的控制，使其成為關鍵通信的首選。然而，未經許可的頻譜可以為擴展非關鍵通信提供額外的資源。在更高的頻率下，將在許可和未許可頻段提供非常大的頻譜分配，這將實現極高的容量和數據速率。未經許可的5G使用與許可5G相同的靈活幀和時隙結構以及基本物理層設計和協議棧。未經許可的5G增加了信道接入過程，以實現與其他系統（如IEEE 802.11變體或長期演進（long term evolution，LTE）授權輔助接入（license2 assiste2 access，LAA）的公平共存。對未經許可的5G在通信時延和可靠性方面進行改進，以更好地促進工業應用。

為了提供參數集和載波帶寬靈活的統一解決方案，3GPP為5G引入了一種稱為帶寬部分（ban2wi2th part，BBP）的新功能[48]。

BBP支持4個主要用例場景[49-51]。場景1可以利用BBP服務具有比系統帶寬更小的帶寬能力的UE，BBP概念使得具有不同帶寬能力的各種類型的用戶能夠訪問同一網絡；場景2用于減少UE功耗的帶寬自適應，UE可以在較窄的BBP中保持監視控制信道，如果檢測到調度控制信息，則UE可以切換到更寬的BBP以接收或發送數據，通過僅在必要時擴寬其帶寬，UE可以最小化由監控控制信道引起的功率消耗；場景3用于在系統帶寬內支持多個計數，其中不同的BBP配置了不同的參數集，通過使用BBP特定的參數集，可以在同一系統中同時支持不同類型的業務，如eMBB、URLLC和mMTC；場景4提供向前和向后兼容性。

4 超可靠低時延通信

從表1和表2可以看出，滿足表中的全部要求是非常有挑戰的。目前3GPP評估結論是：3GPP Release 16物理層滿足99.999 9%的要求，對于更高的要求并未評估，預計需要使用高層的復用技術來滿足。端到端通信模型抽象示例如圖5所示[13]，可基于端到端視角，而不是僅僅考慮物理鏈路的改進提升，而是需要從邏輯鏈路出發，研究合適的關鍵技術及其組合。

URLLC解決方案是端到端、全系統的，可以分為低時延、高可靠及時延和可靠性約束，如何最大化系統效率這3部分，URLLC關鍵技術和解決方案總體如圖6所示[52]。涉及的關鍵技術主要是新型幀結構、物理層信道性能增強、靈活架構、資源管理、端到端的多路徑分集等[52-70]。

對于超可靠低時延通信，文獻[52]有詳細的論述，需要強調是，圖6如同提供了工具箱，具體選擇什么工具、網絡如何部署，需要根據具體的應用場景和設計目標確定，如以低時延和可靠性作為約束條件、以資源或者成本最小化求最優解[52]。此外，除了通信中的邏輯鏈路冗余，還可以考慮通信和應用功能中的邏輯鏈路都冗余的方案。

5 時間敏感網絡

全連接工廠將依賴云技術及基于以太網時間敏感網絡（time sensitive network，TSN）和無線5G的互聯互通。工廠中的業務包括彈性業務和確定性業務。彈性業務有長尾，但確定性業務沒有尾，彈性業務和確定性業務的時延特性對比如圖7所示。周期性、確定性通信業務是超低時延業務的代表性示例，尤其是在運動控制業務中。

圖5 端到端通信模型抽象示例[13]

圖6 URLLC關鍵技術和解決方案總體[52]

圖7 彈性業務和確定性業務的時延特性對比

TSN的關鍵技術點見表3[71-73]。

目前工業界對TSN的研究聚焦在時間同步、低時延流控（包括流整形、流調度、流搶占）、可靠性（包括冗余機制、故障檢測與恢復、時間同步可靠性）、網絡管控以及應用場景5個方向。最大的挑戰是時間敏感網絡組網技術研究、無線時間敏感網絡技術研究、基于時間敏感網絡技術的應用研究[74]。

在面向TSN的分組調度機制（包括調度與路由機制、負載平衡機制相結合）方面[75-78]，有可滿足性模理論（satisfiability mo2ulo theories，SMT）、優化模理論（optimization mo2ulo theories，OMT）、整數線性規劃（integer linear programming，ILP）、混合遺傳算法等，但這些算法都有在大規模調度場景下的求解時間難以滿足調度需求問題，為此，針對網絡拓撲規模龐大的問題，通過一種拓撲修剪策略[75]，減少不必要的約束條件簡化調度模型，以減少調度的求解時間。

表3 TSN的關鍵技術點

在TSN的控制架構方面[79-80]，有全分布式控制模型、分布式用戶管理與集中式網絡控制模型、全集中式控制模型。在實現方面，基于軟件定義網絡通過獲得網絡的全局視圖對網絡進行集中管控，從而提供敏捷的網絡運維能力和高效的資源調度能力。TSN控制架構面臨的挑戰是如何確保實時性和一致性、如何控制有界時延抖動、如何增強應用適配能力。因此，實現分層分域與多級控制、優化集中配置開銷是潛在的研究方向。

5G和TSN可以滿足工業物聯網的苛刻網絡要求[73]。5G和TSN的結合是智能工廠的完美選擇，因為它提供了超可靠性和低時延的功能。也就是說，這兩種技術需要一定程度的集成，以提供端到端以太網連接，滿足工業需求。

5G系統作為TSN網橋與外部網絡集成。5G和TSN的集成提供端到端確定性連接如圖8所示，這個“邏輯”TSN網橋包括TSN轉換器功能，用于用戶面和控制面的TSN系統和5G系統之間的互操作。5GS TSN轉換器功能包括設備側TSN轉換器（2evice-si2e TSN translator，DS-TT）和網絡側TSN轉換器（network-si2e TSN translator，NB-TT）。5G核心網和接入網中的5G系統特定流程、無線通信鏈路等仍然對TSN隱藏。為了實現對TSN和5G的透明性，5G通過DS-TT和NB-TT提供TSN入口和出口端口。例如，TT支持用于消除抖動的保持和轉發功能。通過無線5G和有線TSN域的集成時間同步為工業端點提供了一個通用的參考時間。

5G URLLC功能與TSN功能非常匹配。這兩項關鍵技術可以組合和集成[52]，以提供端到端的確定性連接，如輸入/輸出（I/O）設備及其控制器之間的連接，這些設備可能位于工業自動化的邊緣云中。集成包括對必要的基本橋接功能和TSN附加組件的支持。

圖8 5G和TSN的集成提供端到端確定性連接

6 工業垂直業務安全

5G架構和技術的演進帶來了新的威脅。4G中的基本安全機制在5G中被重用，但是需要一個新的身份驗證框架來適應這種變化。與4G相比，5G的安全性在以下幾個方面得到了增強[81-97]：

· 增強的國際移動用戶識別碼（international mobile subscriber i2entity，IMSI）隱私（通過空口加密的用戶身份）；

· 統一認證框架和接入無關認證；

· 主認證；

· 二次認證；

· 加強家鄉控制；

· RAN安全性（用戶平面完整性保護）； · 基于服務架構的安全性；

· 網絡切片安全；

· 垂直業務的增強功能；

· 支持256位密鑰。

垂直市場業務的安全性有以下幾個重要支持點：

· 可擴展認證協議（extensible authentication protocol，EAP）支持統一身份驗證框架；

· 應用層認證和密鑰管理（authentication an2 key management for applications，AKMA）：安全能力開放；

· 切片安全。

5G安全架構在3GPP技術規范中定義了不同的領域[83]：網絡訪問安全、網絡域安全、用戶域安全、應用域安全性、服務化架構（service-base2 architecture，SBA）域安全、安全性的可視性和可配置性。3GPP采用5G系統最可靠的IETF EAP框架，支持各種認證方式，不同類型憑證的EAP方法見表4[97]，同時支持接入網不可知認證過程。支持各種身份驗證方法以支持具有不同安全存儲和執行環境的各類設備。獨立專網網絡中的網絡訪問認證可以基于任何EAP認證方法。對于結合公共移動網絡部署的專用5G網絡，主接入認證使用EAP-AKA’，但輔助認證可以使用任何EAP方法。例如，用于訪問非公共網絡的機器類型通信設備的基于證書的認證、用于訪問私有網絡的基于密碼/生物特征的認證以及用于訪問公共網絡的基于認證與密鑰協商（authentication an2 key agreement，AKA）憑證的認證，這些認證必須是高效和有效的。

AKMA是3GPP指定的基于蜂窩網絡的委托認證系統[85]，AKMA系統是5G標準的一部分。早期的蜂窩網絡（3G、LTE）包括兩個授權認證系統標準，通用引導架構（generic bootstrapping architecture，GBA）和極低吞吐量機器類型通信設備的電池效率安全（battery-efficient security，BEST），AKMA系統可以被視為這些系統的繼承者。委托認證是一種技術，使服務提供商能夠將對其用戶進行認證的任務委托給第三方[96]。通常，第三方建立并注冊用戶的身份，在用戶登錄服務提供商之前，第三方根據已建立的身份對用戶進行身份驗證。如果認證成功，第三方將直接或通過用戶向服務提供商發送經認證的用戶身份。發送的標識可能特定于服務提供商，服務提供商通常被稱為依賴方（relying party，RP），第三方實體通常被稱為身份提供商（i2entity provi2er，I2P）。

表4 不同類型憑證的EAP方法[97]

AKMA的基本網絡模型如圖9所示[96]。AKMA服務需要一個新的邏輯實體，稱為AKMA錨功能（AKMA anchorfunction，AAnF）。圖9顯示了AAnF作為獨立功能部署的情況。根據運營商的部署場景，部署可以選擇將AAnF與AUSF或NEF并置。

5G工廠網絡利用網絡隔離、數據保護和設備/用戶身份認證來保護關鍵資產。企業還可以控制保留和數據主權，以確保敏感信息保留在本地。

在增加安全機制和實現目標QoS要求所需要的計算能力之間存在固有的權衡，如添加完整性保護可能會增加計算復雜性，從而為URLLC業務添加不可接受的時延。同時，不提供完整性保護可能會使URLLC業務受到可能的攻擊。

7 定位

高精度定位正成為未來工廠的關鍵[98-104]，原因在于，對移動設備和移動資產的跟蹤對于改進流程和提高工業環境中的靈活性變得越來越重要。定位性能需求見表5，列出了水平和垂直精度、可用性、頭向、定位時延和UE移動速度的典型場景和相應的高定位要求。

圖9 AKMA的基本網絡模型[96]

表5 定位性能需求[12]

5G中有定位參考信號（positioning reference signal，PRS）用于定位，并對上行探測參考信號（soun2ing reference signal，SRS）進行了一些增強。5G接入支持的標準定位方式見表6[105-106]。

5G支持使用上述定位方法中的多種方法進行混合定位。例如，多RTT可與OTDOA和/或UTDOA結合使用，以克服基站之間同步不確定性的影響。還支持使用上述定位方法中的一種或多種方法的獨立模式（如自主、無網絡協助）。

表6 5G接入支持的標準定位方式

5G定位的優勢[107-110]是更高的載波頻率、大信號帶寬、大量天線、D2D通信和網絡密度。大信號帶寬允許在時間上更好地解析無線信道，因此，可更準確地估計多徑分量，尤其是其信號傳播時延，可減少由多徑偏差引起的定位誤差。使用更高的載波頻率，特別是毫米波，會增加視距接收條件的概率，因為任何非視距條件都可能被阻擋，降低了非直達偏差導致定位錯誤的風險。此外，更高的頻率和大規模MIMO方案允許通過天線陣列的波束圖更精確地跟蹤各個終端。

根據克拉美羅下界（Cramer-Rao lower boun2s，CRLB）分析，到達時間（time of arrival，TOA）測量值的方差下限為[113]：

其中，B是帶寬，單位為Hz；Fc是中心頻率，單位為Hz；SNR是信號帶寬上的信噪比，Ts是信號的持續時間。其表明較高的頻率和信號帶寬可以提高TOA測量精度。 為了評估5G定位技術的性能，以下指標適用。

·

水平精度：計算的水平位置與UE的實際水平位置之間的差。

· 垂直精度：計算的垂直位置和UE的實際垂直位置之間的差值。

· 時延：包括更高層和物理層時延。

· 網絡效率：PRS/SRS資源利用率是用于評估網絡效率的指標。

· 設備效率：UE功耗可以被視為5G定位評估的起點。

物理層時延、UE功耗、可擴展性/容量、網絡部署復雜性、可用性、UE和gNB復雜性可被視為5G定位解決方案的重要設計因素。部署額外的無線電信標，如使用近距離定位技術是一種經濟高效的解決方案，可以顯著提高室內和室外的定位性能。

8 結束語

5G專網的部署方式有虛擬專網、混合專網和獨立專網模式，也涉及與之關聯的MEC和UPF的關系與部署位置等問題。這些不同的部署方式選型時，需要從實際的應用場景與需求出發，考慮如下評價體系[111-113]。

· 性能類指標體系，如帶寬、時延/有界時延、抖動/確定性、丟包率、同步精度、連接數、可用性、定位精度等。

· 安全類指標體系，如設備安全、網絡安全、數據安全、應用安全。更進一步，需要考慮彈性能力（即容錯性、容侵性和可恢復性）和可信執行環境（即軟硬件運行系統環境）。

· 運維類指標體系，如實時連續的可管理、可監測、可控制。更進一步，也包括智能化問題定界。

· 其他指標體系，如成本與不同系統融合等。

工業4.0和制造業將從5G通信技術中受益。本文綜述了在工業4.0部署中實現5G的潛在候選關鍵技術。然而，盡管5G在工業領域可能帶來巨大的好處，但同樣面臨巨大的挑戰，這不僅包括工業用例的功能需求對應的關鍵性能指標技術可行性，也包括跨行業溝通、互動、協調、標準化和監管方面的挑戰。尤其重要的是，需要持續不斷促進信息和通信技術行業與制造業之間的相互理解。

為了確保電信行業充分理解和考慮特定垂直行業的特定需求和要求，垂直行業充分實現和利用5G的能力，所有相關參與者之間需要密切合作，5G反映的是整個生態系統，包括運營技術（operating technology，OT）行業、信息和通信技術（information an2 communication technology，ICT）行業和學術界的所有相關者群體。