行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)白皮書

1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250029 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)概述 1 HYPERLINK l _TOC_250028 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)內(nèi)涵及特征 2 HYPERLINK l _TOC_250027 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)發(fā)展背景 2 HYPERLINK l _TOC_250026 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)需求與價值定位 3 HYPERLINK l _TOC_250025 國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 4 HYPERLINK l _TOC_250024 新型無源通信 4 HYPERLINK l _TOC_250023 新型短距通信 5 HYPERLINK l _TOC_250022 確定性網(wǎng)絡(luò) 6 HYPERLINK l

2、_TOC_250021 高精度室內(nèi)定位 6 HYPERLINK l _TOC_250020 毫米波通信 7 HYPERLINK l _TOC_250019 中低速通信 7 HYPERLINK l _TOC_250018 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)組成 8 HYPERLINK l _TOC_250017 融合運營商能力的行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)總體架構(gòu) 8 HYPERLINK l _TOC_250016 新型無源通信 9 HYPERLINK l _TOC_250015 新型無源通信概念 9 HYPERLINK l _TOC_250014 新型無源通信方案整體框架及關(guān)鍵技術(shù)點 10 HYPERLINK l _TOC_250

3、013 分布式 RFID 創(chuàng)新方案與運營商網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方式 10 HYPERLINK l _TOC_250012 新型無源通信方案未來的發(fā)展方向 11 HYPERLINK l _TOC_250011 新型短距通信技術(shù) 11 HYPERLINK l _TOC_250010 確定性網(wǎng)絡(luò) 14 HYPERLINK l _TOC_250009 確定性網(wǎng)絡(luò)概述 14 HYPERLINK l _TOC_250008 確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 14 HYPERLINK l _TOC_250007 演進(jìn)趨勢 18 HYPERLINK l _TOC_250006 高精度室內(nèi)定位 19 HYPERLINK l _TOC_2

4、50005 高精度定位的概念和整體技術(shù)框架、技術(shù)點 19 HYPERLINK l _TOC_250004 高精度定位和運營商 5G 的整合方式 21 HYPERLINK l _TOC_250003 高精度定位未來的發(fā)展方向 22 HYPERLINK l _TOC_250002 毫米波通信 23 HYPERLINK l _TOC_250001 5G 毫米波通信方案概述及關(guān)鍵技術(shù)點 23 HYPERLINK l _TOC_250000 5G 毫米波通信方案與運營商網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方式 245G 毫米波通信方案應(yīng)用簡述 255G 毫米波通信方案未來的發(fā)展方向 27中低速通信 28中低速物聯(lián)網(wǎng)概述 28AFH

5、 技術(shù) 29低功耗功率控制技術(shù) 29時間同步技術(shù) 30行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)字孿生 31行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)字孿生的意義 31行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)成 33行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)典型應(yīng)用場景 34工程機(jī)械制造 34礦山行業(yè) 36電力行業(yè) 37鋼鐵行業(yè) 40智慧樓宇 41智慧港口 43醫(yī)療養(yǎng)老 45行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望 48縮略語 50附錄 1.參考文獻(xiàn) 53附錄 2.聯(lián)合編寫單位及作者 54行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)概述行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)內(nèi)涵及特征根據(jù) ISO 對行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的定義，行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)是行業(yè)現(xiàn)場端側(cè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的統(tǒng)稱，它們連接行業(yè)現(xiàn)場末端的各類終端、機(jī)器、傳感器和系統(tǒng)，滿足行業(yè)現(xiàn)場對傳感、數(shù)據(jù)、定位、控制、管理等多樣業(yè)務(wù)需求。

6、常見的行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)包括工業(yè)以太網(wǎng)（EtherNet/IP、ProfiNet、EtherCAT 等），現(xiàn)場總線（ProfiBus、CC-Link、CAN 等），Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee 等短距離通信技術(shù)，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio， LoRa）、SigFox 等低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)，以及時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（Time SensitiveNetwork， TSN）、毫米波、無源射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）、超寬帶（Ultra-Wide

7、 Band,UWB）等通信技術(shù)。圖 1-1 行業(yè)網(wǎng)絡(luò)框架(ISO 23247)行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)發(fā)展背景隨著 5G 技術(shù)全球商用以及智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)迎來空前的市場需求，也引發(fā)了行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，進(jìn)一步倍增了行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的迫切性。智能化生產(chǎn)，催生了設(shè)備信息采集、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、設(shè)備健康管理、基于視覺的表面缺陷檢測、工業(yè)機(jī)器人智能分揀、機(jī)器人及無人小車（Automated Guided Vehicle，AGV）應(yīng)用、遠(yuǎn)程輔助等典型應(yīng)用場景，對行業(yè)現(xiàn)場的傳感、數(shù)據(jù)、定位、控制、管理等提出了較高需求；同時，不同行業(yè)的特殊應(yīng)用場景，比如地下礦井、

8、核電站、車間、煉化廠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及數(shù)據(jù)采集、抗電磁干擾，工廠內(nèi)極限數(shù)量的設(shè)備連接等，也對行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)提出新課題，需要針對性的解決這些難題。眾所周知，相對 4G 技術(shù)，對企業(yè)（To Business,2B）業(yè)務(wù)是 5G 技術(shù)的主要應(yīng)用場景， 5G 大帶寬、低時延、大連接的特性，實現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)快速傳輸和服務(wù)上云，使企業(yè)的現(xiàn)場生產(chǎn)管理、上下游供應(yīng)鏈打通、企業(yè)間協(xié)同合作，以及企業(yè)與客戶定制化需求與服務(wù)延伸成為可能，為企業(yè)的管理、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)打開了巨大空間。這也相應(yīng)要求企業(yè)行業(yè)現(xiàn)場必須打破以前“黑盒”和“盲啞”的狀態(tài)，企業(yè)行業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備、機(jī)器和系統(tǒng)能夠更加透明和智能，需要提供更加豐富和強(qiáng)大的網(wǎng)

9、絡(luò)接入技術(shù)。在 2021 年 1 月，工信部印發(fā)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2023 年)中明確的提出，加快工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造。支持工業(yè)企業(yè)對工業(yè)現(xiàn)場“啞設(shè)備”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力改造，支撐多元工業(yè)數(shù)據(jù)采集。提升異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互通能力，推動工業(yè)設(shè)備跨協(xié)議互通。這些任務(wù)和目標(biāo)的完成，也都強(qiáng)力的推進(jìn)行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的研究和發(fā)展。行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)需求與價值定位行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要考慮行業(yè)現(xiàn)場現(xiàn)有系統(tǒng)和設(shè)備的“利舊”性。在現(xiàn)有的行業(yè)現(xiàn)場，設(shè)備之間通過工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、WLAN、藍(lán)牙等方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備專用程度高、網(wǎng)絡(luò)化改造成本大，企業(yè)對投入產(chǎn)出效益較為敏感，不可能完全舍棄現(xiàn)在系統(tǒng)

10、和技術(shù)，現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)必須基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行逐步改良。從智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用來看目前行業(yè)現(xiàn)場對確定性數(shù)據(jù)傳輸、廣泛的設(shè)備信息采集、高精度室內(nèi)定位、高速率數(shù)據(jù)上傳、極限數(shù)量設(shè)備連接等技術(shù)存在迫切需求，比如，工業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程控制要求時延在 1-10ms，遠(yuǎn)程作業(yè)中超高清機(jī)器視覺的數(shù)據(jù)上傳帶寬要求在 500Mbps 以上，機(jī)器人、AGV 導(dǎo)航或機(jī)器臂操控精度希望精確到厘米級，工廠內(nèi)同時連接的 AGV 或傳感器數(shù)量上萬等，這些應(yīng)用場景是企業(yè)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案中的重點需求和難點問題，也成為當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)首當(dāng)其沖需要解決的問題。5G 作為蜂窩移動通信技術(shù)具有高速率、大帶寬、廣覆蓋的典型特點

11、，可以遠(yuǎn)距離、高速率的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云和業(yè)務(wù)上云，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)智能協(xié)同，為智能生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入和傳輸提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。根據(jù)當(dāng)前智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)現(xiàn)狀和上述發(fā)展需求，可以將 5G 與行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)相結(jié)合，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，針對行業(yè)現(xiàn)場對低時延、高可靠性、高精度定位、低功耗、抗干擾等功能的極致需求，用 5G 橋接各類行業(yè)現(xiàn)場的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，打造集成了短距、無源、TSN、毫米波、定位等技術(shù)的一體化行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)，支持企業(yè)對行業(yè)現(xiàn)場的“啞設(shè)備”進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力改造，支撐多元工業(yè)數(shù)據(jù)采集，促進(jìn)多網(wǎng)并存，提升異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互通能力，降低網(wǎng)絡(luò)無線化改造門檻，形成貼近行業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)

12、的 5G+工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)整體解決方案，實現(xiàn)信息技術(shù)（Internet Technology，IT）網(wǎng)絡(luò)與運營技術(shù)（Operation Technology, OT）網(wǎng)絡(luò)融合，更好的滿足智能制造新需求。國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀針對當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)場最迫切的低時延、高可靠性、高精度定位、低功耗、抗干擾等問題，新型無源通信、新型短距通信、確定性網(wǎng)絡(luò)、高精度室內(nèi)定位、毫米波通信、中低速通信等技術(shù)成為行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)的研究熱點。新型無源通信RFID 技術(shù)可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)和特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，在倉儲物流、資產(chǎn)盤點、智能巡檢領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用。RFID 的產(chǎn)業(yè)鏈主要由

13、芯片設(shè)計、標(biāo)簽封裝、讀寫設(shè)備的設(shè)計和制造、系統(tǒng)集成、中間件、應(yīng)用軟件等環(huán)節(jié)組成。目前 RFID 產(chǎn)業(yè)主要集中在 RFID 技術(shù)應(yīng)用比較成熟的歐美市場。飛利浦、西門子、ST、TI 等半導(dǎo)體廠商基本壟斷了 RFID 芯片市場；IBM、HP、微軟、SAP、Sybase、Sun等國際巨頭占據(jù)了 RFID 中間件、系統(tǒng)集成研究的位置；Alien、Intermec、Symbol、 Transcore、Matrics、Impinj 等公司則提供 RFID 標(biāo)簽、天線、讀寫器等產(chǎn)品及設(shè)備。RFID讀寫器設(shè)計與制造的發(fā)展趨勢向多功能、多接口、多制式、并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式方向發(fā)展。新型無源 RFID

14、 技術(shù)，著力研究 RFID 激勵和通信功能分離技術(shù)，解決復(fù)雜的干擾對消及通信距離近的難題，降低 RFID 讀寫器復(fù)雜度和成本，提升通信距離，實現(xiàn)無源 RFID 與 5G組網(wǎng)覆蓋。新型短距通信Wi-Fi、藍(lán)牙是目前工廠內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的兩種短距無線通信技術(shù)，其共同點是部署和維護(hù)成本低，但通信距離有限，穩(wěn)定性、組網(wǎng)能力、安全性較差，功耗較大。在國際 Wi-Fi 聯(lián)盟的推動下，Wi-Fi 技術(shù)每 4-5 年實現(xiàn)一次迭代升級，最新的 Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)于 2018 年推出市場。在 Wi-Fi 6 標(biāo)準(zhǔn)中，正交頻分多址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Acc

15、ess,OFDMA)技術(shù)、多用戶-多輸入多輸出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)技術(shù)分別在頻率空間和物理空間上提供多路并發(fā)技術(shù)支持，顯著提升網(wǎng)絡(luò)整體性能與速度，降低網(wǎng)絡(luò)時延，優(yōu)化用戶體驗。BSS 著色機(jī)制可降低同頻道干擾，有效提升頻譜資源利用效率。Wi-Fi 6 標(biāo)準(zhǔn)還通過引入目標(biāo)喚醒時間(Target Wake Time， TWT)技術(shù)降低終端設(shè)備功耗，有利于 Wi-Fi 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用推廣。藍(lán)牙技術(shù)版本由美國藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟制定并發(fā)布，自 1999 年以來總共發(fā)布了 12 個版本，每一代藍(lán)牙版本都會在傳輸速度、傳輸

16、距離、穩(wěn)定性、安全性等方面得到提升； 2016 年推出的藍(lán)牙 5.0，傳輸速度提升兩倍達(dá)到 48Mbps，有效傳輸距離提升四倍達(dá)到 300M，支持室內(nèi)定位導(dǎo)航，實現(xiàn) Mesh 組網(wǎng)功能，目前已經(jīng)發(fā)展到 5.2 版本。新型短距通信技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，2020 年成立的“星閃聯(lián)盟”正在主導(dǎo)制定 SparkLink短距通信技術(shù)，通過將網(wǎng)元分為 G 和T 兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，T 節(jié)點是普通的末端網(wǎng)元，G 節(jié)點負(fù)責(zé)局部短距通信域中各 T 節(jié)點的通信調(diào)度和數(shù)據(jù)透傳，從而實現(xiàn)微秒級低時延、抗突發(fā)干擾等功能，并推動 SparkLink 技術(shù)和 5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，構(gòu)建公、專網(wǎng)一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。確定性網(wǎng)絡(luò)通信的確定性在

17、工業(yè)領(lǐng)域是一個廣泛的需求，5G 技術(shù)和確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合成為業(yè)界研究熱點。5G 技術(shù)本身為了實現(xiàn)超可靠低時延（Ultra Reliable Low Latency Communication， uRLLC）場景的低時延需求，3GPP 在 R15 階段定義，以 5QI 為基礎(chǔ)框架，配合支持靈活的幀結(jié)構(gòu)、支持更小的調(diào)度周期 Mini-Slot、靈活的物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH) 配置以及采用邊緣計算技術(shù)將用戶面功能 (User Plane Function,UPF)用戶面功能下沉到用戶側(cè)；在 R16 階段，3GPP 又進(jìn)一步提出

18、 uRLLC 低時延增強(qiáng)解決方案，采用上行免授權(quán)配置、HARQ 反饋增強(qiáng)、支持時間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN 和 5G 網(wǎng)絡(luò)對接。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是一種基于 IEEE 802.1 的實時以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它可以確保信息在固定且可預(yù)測的時間內(nèi)從一個點移動到另一點，其低抖動、低延時、確定性傳輸?shù)奶攸c，能滿足對傳輸可靠性和時延有較高要求的應(yīng)用場景。5G+TSN 能解決網(wǎng)絡(luò)傳輸層的確定性統(tǒng)一通信問題，可通過 5G NR 無線替代或延長工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化。在 R17 階段開始，3GPP 已經(jīng)開始定義在外部無TSN 網(wǎng)絡(luò)的情況下，5G 系統(tǒng)可獨立部署，實現(xiàn)確定性通信。這將進(jìn)一步增強(qiáng)在行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)獨

19、立部署 5G 的靈活性和適用性。5G 將會持續(xù)完善的確定性通信網(wǎng)絡(luò)在獨立部署場景的能力。OPC 基金會推出的新一代 OPC 統(tǒng)一架構(gòu)（OPC Unified Architecture，OPC UA）標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了工業(yè)協(xié)議層的互操作接口，能解決泛在工業(yè)協(xié)議業(yè)務(wù)層在語義層互聯(lián)互通的問題，進(jìn)一步提升設(shè)備間的互操作性，5與 TSN、OPC UA 結(jié)合，就可以打通從通信到應(yīng)用的互通，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)研究熱點。高精度室內(nèi)定位高精度室內(nèi)定位技術(shù)在員工管理、物資監(jiān)管、遠(yuǎn)程監(jiān)控、機(jī)器導(dǎo)航上有廣泛的應(yīng)用需求，目前應(yīng)用較多的是基于藍(lán)牙和 UWB 的定位技術(shù)。藍(lán)牙定位一般采用三角定位法，只要有三個 Beacon 信標(biāo)設(shè)備，就

20、能計算出位置，精度可以達(dá)到米級。UWB 定位利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進(jìn)行通訊，利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置，UWB 的定位精度可達(dá)到 0.1m-0.5m。毫米波通信毫米波通信具備頻率高、波長短、可靠性高、方向性好等特點，主要應(yīng)用場景集中在 5G網(wǎng)絡(luò)中的小基站間替代光纖回傳，熱點地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸覆蓋，設(shè)備之間的高清視頻大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。毫米波通信系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)主要為大規(guī)模天線和波束賦形技術(shù)、波束管理技術(shù)、傳播特性和穿透損耗機(jī)理等。毫米波波段的波長遠(yuǎn)小于傳統(tǒng) 6GHz 以下頻段，相應(yīng)天線的尺寸也較小，更適合在移動設(shè)備上配備毫米波的天線陣列，為基于毫米波

21、通信提供了廣闊的應(yīng)用前景。中低速通信中低速物聯(lián)網(wǎng)泛指下行傳輸速率在 10Mbps 以內(nèi)，上行傳輸速率在 5Mbps 以內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)連接。目前已廣泛應(yīng)用的既包括工作在授權(quán)頻譜的 NB-IoT、Cat.1、基于 LTE 演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(LTE enhanced MTO,eMTC)等，也包括工作在非授權(quán)頻譜的 BLE、ZigBee、LoRa和 Sigfox 等。運營商主導(dǎo)的工作在授權(quán)頻段的移動物聯(lián)網(wǎng)從 2G 時代開始就已經(jīng)萌芽。隨之，一系列針對傳輸速率、覆蓋、容量等進(jìn)行了專門優(yōu)化的低功耗廣域網(wǎng)（LPWA，Low Power Wide Area）通信技術(shù)應(yīng)運而生，如工作在授權(quán)頻段的 NB-IoT、eM

22、TC 等，它們具有低功耗、大連接、低成本等特性，能大幅縮減網(wǎng)絡(luò)布建成本，帶動智慧城市、資產(chǎn)追蹤、共享經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速落地。另一方面，工作在非授權(quán)頻譜的 BLE、ZigBee、LoRa 和 Sigfox、Z-Wave 等已經(jīng)在不同的行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，這些通信技術(shù)在覆蓋能力、安全保障等方面普遍存在缺陷。未來有機(jī)會與 5G 等蜂窩網(wǎng)絡(luò)在可靠性、低功耗、數(shù)據(jù)同步等方面加強(qiáng)協(xié)同，進(jìn)一步提高遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃?。行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)組成融合運營商能力的行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)總體架構(gòu)5G 廣泛賦能傳統(tǒng)行業(yè)的同時，也對網(wǎng)絡(luò)的能力下沉、時延、定位、可靠性等提出了更高的要求，5G 需與連接行業(yè)業(yè)務(wù)和應(yīng)用觸手的行業(yè)現(xiàn)

23、場網(wǎng)結(jié)合，從而在各個行業(yè)場景中發(fā)揮更大的作用和價值。行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)包括行業(yè)現(xiàn)場接入網(wǎng)和行業(yè)現(xiàn)場核心網(wǎng)兩大部分。行業(yè)現(xiàn)場接入網(wǎng)可橋接異構(gòu)的行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，如無源通信、短距通信、藍(lán)牙、TSN 等，行業(yè)現(xiàn)場核心網(wǎng)主要指部署在行業(yè)現(xiàn)場邊緣側(cè)的 UPF，進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，處理 5G 上傳的現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整體現(xiàn)場網(wǎng)的管理。行業(yè)現(xiàn)場接入網(wǎng)有五大核心技術(shù)，包括 5G+確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、5G+新型短距通信、5G+新型無源通信、5G+毫米波、5G+UWB/藍(lán)牙高精定位。其中 5G+新型無源通信采取激勵和通信分離的系統(tǒng)架構(gòu)，標(biāo)簽激勵采用射頻通信，控制指令下發(fā)和信息回傳均采用 5G，提升了 RFID 組網(wǎng)性能，實現(xiàn)資產(chǎn)管理

24、等場景下信息的高可靠、高效讀??；5G+新型短距通信基于全新的無線空口設(shè)計，在實現(xiàn)點對點通信的同時，可滿足超低時延、高可靠、精同步、高并發(fā)、高效率和高安全等需求；5G+確定性網(wǎng)絡(luò)兼具確定性網(wǎng)絡(luò)和 5G 的優(yōu)勢，在滿足通信高可靠與確定性要求的同時，解決了現(xiàn)場布線問題；5G+UWB/藍(lán)牙高精定位可在保障大帶寬、低時延、廣連接網(wǎng)絡(luò)能力的同時，解決傳統(tǒng)利用信號載波強(qiáng)度定位的精度低，對環(huán)境適應(yīng)性差等問題，滿足垂直行業(yè)設(shè)備協(xié)同工作、遠(yuǎn)程控制、移動設(shè)備軌跡跟蹤等場景中高精度定位的需求；5G+毫米波可在保障區(qū)域覆蓋的同時實現(xiàn)重點區(qū)域的定點覆蓋，提升上行傳輸能力、增加可靠性、安全性。行業(yè)現(xiàn)場核心網(wǎng)利用部署在行業(yè)現(xiàn)

25、場邊緣側(cè)的 UPF 網(wǎng)元對本地數(shù)據(jù)進(jìn)行分流和本地處理，滿足行業(yè)客戶數(shù)據(jù)不出場、超低時延等需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理和結(jié)果反饋整個過程終結(jié)于本地?；诤诵木W(wǎng) UPF 的業(yè)務(wù)感知能力可以進(jìn)一步加強(qiáng) UPF 本身甚至現(xiàn)場接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)調(diào)度效率。此外，3GPP 在 R16 中定義了 5G-LAN 組網(wǎng)功能，通過核心網(wǎng)即可支持行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的層二組網(wǎng)而無需額外的網(wǎng)關(guān)路由設(shè)備。行業(yè)用戶除了對現(xiàn)場網(wǎng)一網(wǎng)收編、數(shù)據(jù)不出場等需求，對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運維也提出了更高需求。目前，行業(yè)現(xiàn)場場景復(fù)雜，普遍存在網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、定制化現(xiàn)象，傳統(tǒng)網(wǎng)管和代維團(tuán)隊無法滿足行業(yè)網(wǎng)絡(luò)的運維和管理需求。行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)中的基于數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通過信息

26、建模、智能運維、數(shù)字孿生現(xiàn)場網(wǎng)服務(wù)平臺可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視、可管、可控，降低駐場運維成本，提升行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)服務(wù)效率。圖 2-1 行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)新型無源通信新型無源通信概念大多工廠都有物料資產(chǎn)定期盤點需求，而當(dāng)前的管理手段還非常原始，有少數(shù)企業(yè)嘗試用 RFID 來做盤點，比如在出入庫環(huán)節(jié)自動盤點，但實際使用讀取性能較差、不能規(guī)模推廣應(yīng)用。新型無源通信創(chuàng)新方案的基本思路是打破傳統(tǒng) RFID 對標(biāo)簽的激勵和通信一體化架構(gòu)，采取激勵和通信分離的系統(tǒng)架構(gòu)，提升 RFID 組網(wǎng)性能，實現(xiàn)工業(yè)場景下高可靠讀取。這個方案有 2 個特點：標(biāo)簽側(cè)是直接使用商用 RFID 標(biāo)簽，可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)上快速切入商用落實；網(wǎng)絡(luò)側(cè)

27、運用蜂窩 5G 的上下行解耦、多天線等創(chuàng)新思想，提升傳統(tǒng) RFID 組網(wǎng)性能。新型無源通信方案整體框架及關(guān)鍵技術(shù)點傳統(tǒng) RFID 讀寫器是收發(fā)一體架構(gòu)，需要進(jìn)行干擾對消，因此距離近，成本高。分布式 RFID 將標(biāo)簽的激活和通信分離，避免復(fù)雜的干擾對消，可以降低 Helper 成本，同時提升 Receiver 的讀取性能。圖 2-2 增強(qiáng)型 RFID 框架圖分離架構(gòu)創(chuàng)新方案已在汽車工廠和物流倉庫完成系統(tǒng)性測試驗證，突破行業(yè)應(yīng)用中讀的全、讀的快、定位準(zhǔn)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)需求?；?Receiver 多天線、及多 Helper 協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)出入庫 99.99%的讀取成功率。在出入庫多道口場景，一

28、個 Receiver 可以攜帶多個 Helper，通過標(biāo)簽被 Helper 激活的時間先后關(guān)系，可以做到出入庫方向 99%的判斷準(zhǔn)確率。并且由于 Receiver 可以對多個 Helper 協(xié)同管理調(diào)度，在實際商用部署中，無需在出入庫道口安裝屏蔽門，也可有效解決多道口之間的標(biāo)簽信息串讀問題。分布式 RFID 創(chuàng)新方案與運營商網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方式新型無源通信方案可以很好的與室內(nèi)蜂窩小基站結(jié)合。分離后，Receiver 的接收靈敏度可以到-105dBm，在工廠室內(nèi)場景實際測試距離 20-30 米，和蜂窩小基站覆蓋相當(dāng)。 Receiver 在硬件上與遠(yuǎn)端射頻單元(Pico Remote Radio Unit

29、,pRRU)集成，作為其中一個原子能力，供 pRRU 站點和傳輸資源，降低企業(yè)網(wǎng)路部署成本，一張網(wǎng)實現(xiàn)人的連接和物的連接。新型無源通信方案未來的發(fā)展方向新型無源通信未來發(fā)展方向?qū)氖覂?nèi)走向室外，使室外桿站甚至宏站擁有無源物聯(lián)能力，成為 5G 海量機(jī)器類通信(Massive Machine Type of Communication，mMTC)下一跳。技術(shù)上，關(guān)鍵是突破遠(yuǎn)距離無源通信，如距離能做到 100 米以上，支持溫濕度傳感，就可以使能室外廣域很多行業(yè)應(yīng)用。遠(yuǎn)距離無源通信的實現(xiàn)則需要設(shè)計新型無源標(biāo)簽，相比 NB-IOT，新型無源標(biāo)簽最大的特征是免電池，成本也較 NB 終端降低 1 個數(shù)量級。

30、新設(shè)計空口波形和協(xié)議，將無源空口成為 5G 網(wǎng)絡(luò) NR 空口的一個部分，在時頻資源調(diào)度上做切片，拿出部分子載波做無源物聯(lián)業(yè)務(wù)。室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）、傳輸?shù)忍幚碣Y源與其他業(yè)務(wù)共享，也無需新增核心網(wǎng)網(wǎng)元，通過軟升級實現(xiàn)標(biāo)簽的認(rèn)證、安全等功能。圖 2-3 新設(shè)計無源標(biāo)簽與 NB-IOT 功耗與成本比較這類室外無源物聯(lián)的典型應(yīng)用場景包括電力、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。電力需要實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，診斷故障與健康監(jiān)測，在接頭等位置溫度監(jiān)測，防火災(zāi)故障，在電網(wǎng)運行環(huán)境，無源物聯(lián)更安全。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵是，需要對生長環(huán)境的信息感知互聯(lián)，也只有無源免電池才能做到可拋

31、棄，滿足環(huán)保要求。新型短距通信技術(shù)短距無線通信泛指在較小的區(qū)域內(nèi)（通常小于 100 米）提供點對點的無線通信，是典型的行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，主要用于設(shè)備間的小范圍互連，具有部署簡單、成本低等優(yōu)勢。隨著智能泛在連接的快速發(fā)展，智能汽車、智能制造等場景對大帶寬、抗干擾、高可靠通信已經(jīng)提出了極致性能需求，然而現(xiàn)有的傳統(tǒng)短距通信技術(shù)多采用非授權(quán)頻段，并受限于基于競爭的資源分配機(jī)制，頻段干擾嚴(yán)重且無法保障信道資源的高穩(wěn)定性，難以實現(xiàn)微秒級低時延、抗突發(fā)干擾等特性。在此背景下，“星閃聯(lián)盟”在 2020 年 9 月份發(fā)起成立，致力于推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代短距通信技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的全球化。圖 2-4 現(xiàn)有短

32、距通信技術(shù)無法滿足新場景下低時延、高可靠等要求星閃聯(lián)盟主導(dǎo)制定的短距通信技術(shù)（下稱 SparkLink 技術(shù)）基于全新的無線空口設(shè)計，預(yù)期可以更好地支持超低時延、高可靠、精同步、高并發(fā)、高效率和高安全等，滿足智能制造、智能汽車、智能家居、智能終端等場景下確定性服務(wù)質(zhì)量保障業(yè)務(wù)的需求。具體來說， SparkLink 利用創(chuàng)新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入極簡協(xié)議棧和跨層透傳機(jī)制，基于業(yè)務(wù)特性使能半持續(xù)調(diào)度，實現(xiàn)單向用戶面?zhèn)鬏敃r延小于 20us，是目前業(yè)界唯一能達(dá)到 100us 以下傳輸時延的無線技術(shù)。同時，引入先進(jìn)的信道編解碼技術(shù)Polar 和 RS，針對隨機(jī)干擾和突發(fā)干擾進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合物理層快速反饋重傳機(jī)

33、制和靈活的干擾偵聽避讓機(jī)制，實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境下的高可靠傳輸。SparkLink 技術(shù)還引入基于管理節(jié)點的時分雙工，通過同步序列和資源映射優(yōu)化，實現(xiàn)中低信噪比下仍小于 1us 的同步精度，有效支持高同步要求的業(yè)務(wù)需求。此外，還基于 OFDMA 接入方式，引入非競爭接入機(jī)制和更精細(xì)化的資源映射和指示方式，實現(xiàn)對于多路并發(fā)業(yè)務(wù)的高效支持。此外，SparkLink 還引入對于多天線、多載波和高階調(diào)制方式的支持，進(jìn)一步提高單位帶寬的利用效率，同時基于精同步能力和優(yōu)化的信道劃分方案，使得密集部署場景下信道利用率顯著提升。中國移動正在推動新短距技術(shù)和 5G 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議融合方案。在 SparkLink 技術(shù)和

34、 5G 網(wǎng)絡(luò)融合部署方案中，G 節(jié)點（管理節(jié)點）作為一個路由/橋接節(jié)點將 T 節(jié)點（通信節(jié)點）與5G 網(wǎng)絡(luò)鏈接起來，5G 核心網(wǎng)透過協(xié)議適配層可感知所有T 節(jié)點的設(shè)備狀態(tài)，包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)信息、流量使用等，此外 T 節(jié)點不需要做蜂窩網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)鑒權(quán)。數(shù)據(jù)格式方面，系統(tǒng)通過層二中繼的方式，在數(shù)據(jù)鏈路層以上做適配層，定義數(shù)據(jù)面和控制面協(xié)議的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)集，可部署在邊緣 UPF、歸屬用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server,HSS)等位置，實現(xiàn)現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)上云，并實現(xiàn) 5G 網(wǎng)絡(luò)對 SparkLink 短距通信域中G 節(jié)點和T 節(jié)點的可達(dá)，可管理、可配置。圖 2-5 5G 與短距通

35、信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合框架圖5G 與短距通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合，將助推公、專網(wǎng)一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的緊密融合和更高效便捷的網(wǎng)絡(luò)運維。SparkLink 和 5G 網(wǎng)絡(luò)的融合不僅能掃除 5G 覆蓋盲區(qū)，推動短距通信和廣域通信的融合，還能進(jìn)一步帶動“端邊網(wǎng)云”等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)傳輸和智能業(yè)務(wù)的承載，促進(jìn)增強(qiáng)移動通信技術(shù)與垂直行業(yè)的深度融合，助力 CHBN 各領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。作為端到端通信的末端神經(jīng)，新一代短距通信技術(shù)將是未來柔性網(wǎng)絡(luò)的重要體現(xiàn)，是空天地一體化的關(guān)鍵組成部分。發(fā)展短距通信技術(shù)，將會對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)服務(wù)能力進(jìn)行彌補(bǔ)和擴(kuò)展，滿足垂直行業(yè)在生產(chǎn)運營中對通信連接靈活、動態(tài)、

36、快速部署的需求。為滿足未來柔性網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)需求，建議在下一代物聯(lián)網(wǎng)通信體系中統(tǒng)籌考慮短距通信技術(shù)，提前布局標(biāo)準(zhǔn)和專利，更好地滿足未來CHBN 多場景通信需求。確定性網(wǎng)絡(luò)確定性網(wǎng)絡(luò)概述現(xiàn)場網(wǎng)確定性網(wǎng)絡(luò)是指能保證業(yè)務(wù)的確定性帶寬、時延、抖動、丟包率指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)。這里的確定性是指指標(biāo)可預(yù)期，比如確定性時延 10ms，時延的抖動在10s。對確定性網(wǎng)絡(luò)的需求在工業(yè)通信領(lǐng)域廣泛存在。傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場總線技術(shù)如 ProfiBus、CAN、CC-Link、Lonworks，或者工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)如 EtherNet/IP、Profinet、 EtherCAT、PowerLink 等都在一定程度上解決了該問題。

37、但因通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)多而雜，導(dǎo)致彼此之間通信兼容性不佳，技術(shù)實現(xiàn)封閉，可復(fù)用性較差，制約了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的發(fā)展，并導(dǎo)致工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署成本長期居高不下。此外，有線的連接方式，也存在場景應(yīng)用有限等問題。支持超低時延、高可靠通信的 5G 技術(shù)的出現(xiàn)，為工業(yè)領(lǐng)域提供了新的通信選擇。如果現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)能兼具有線確定性網(wǎng)絡(luò)和 5G 的優(yōu)勢，滿足通信高可靠與確定性要求的同時，解決現(xiàn)場布線問題，那么長期困擾工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的問題將迎刃而解。如何將 5G 技術(shù)和確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合成為業(yè)界研究熱點，5G+TSN 實現(xiàn)端到端的確定性是當(dāng)前的一個重要技術(shù)方向。確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)3GPP R16 定義的TSN Bridge 架構(gòu)利用

38、 5G 高精度時鐘授時技術(shù)，通過核心網(wǎng)解決 5G和 TSN 網(wǎng)絡(luò)銜接問題。同時，5G 空口 URLLC 系列技術(shù)、承載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化技術(shù)等逐步增強(qiáng)空口以及承載網(wǎng)的時延確定性，也是未來 5G+TSN 組網(wǎng)的重要組成部分。下面章節(jié)分別具體介紹現(xiàn)場網(wǎng)確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。確定性 5G +TSN 網(wǎng)橋技術(shù)為滿足無線接入網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)用TSN 技術(shù)的確定性工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求，3GPP R16 已經(jīng)考慮并定義了 5G 系統(tǒng)作為TSN 邏輯網(wǎng)橋的架構(gòu)，完成與 TSN 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與互聯(lián)。利用 5G延展現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)既有的TSN 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。5G TSN 邏輯網(wǎng)橋架構(gòu)如下圖所示：圖 2-6 3GPP 定義的TSN 邏輯網(wǎng)橋系統(tǒng)

39、架構(gòu)圖為了實現(xiàn) 5G TSN 邏輯網(wǎng)橋和TSN 網(wǎng)絡(luò)的對接，5G 系統(tǒng)擴(kuò)展了如下 3 個功能模塊：DS-TT終端側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（Device-side TSN translator），用于連接終端側(cè)的 TSN 系統(tǒng)。NW-TT網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（Network-side TSN translator），用于連接網(wǎng)絡(luò)側(cè)的 TSN 系統(tǒng)。TSN AFTSN 的應(yīng)用功能（Application Function），用于連接 TSN 網(wǎng)絡(luò)的CNC 控制器。此外，為了實現(xiàn) 5G TSN 邏輯網(wǎng)橋的功能，5G 系統(tǒng)需要支持如下關(guān)鍵技術(shù)：第一，5G 系統(tǒng)需要為TSN 業(yè)務(wù)提供其所需的超高精度時間同步能力

40、。整個 E2E 5G 系統(tǒng)可以視為 IEEE 802.1AS “時間感知系統(tǒng)”，UE/DS-TT 和 UPF/NW-TT 需要支持 IEEE 802.1AS 操作，實現(xiàn)與DN 網(wǎng)絡(luò)的 TSN GM 間的 TSN 時間同步。此外，5G gNB 和 UPF間也需要提供基于 5G 系統(tǒng)時鐘的高精度時間同步。第二，5G 網(wǎng)絡(luò)需要為 TSN 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供確定性低時延流調(diào)度能力，包括：無線資源的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，UE/DS-TT 和UPF/NW-TT 基于IEEE 802.1Qbv 標(biāo)準(zhǔn)定義的流調(diào)度能力等。第三，5G 系統(tǒng)需要與TSN 網(wǎng)絡(luò)間協(xié)同交互，實現(xiàn) 5G 系統(tǒng)作為TSN 邏輯網(wǎng)橋的配置和管理等功

41、能，包括：UE/DS-TT 和 UPF/NW-TT 需要支持 LLDP 協(xié)議進(jìn)行鏈路發(fā)現(xiàn)，5G 系統(tǒng)通過TSN AF 向CNC 上報 5G 網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息、及接收CNC 對 5G 系統(tǒng)的路徑編排與預(yù)留等。同時，5G 作為一種的確定性網(wǎng)絡(luò)，也可以直接作為現(xiàn)場網(wǎng)的接入技術(shù)。為了進(jìn)一步提升確定性，增加應(yīng)用范圍，3GPP 的 R17 版本正在定義無需外部的 TSN 網(wǎng)絡(luò)，5G 可以獨自提供確定性網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。預(yù)計在后續(xù)的 R18 中，3GPP 將進(jìn)一步增強(qiáng)獨立的確定性網(wǎng)絡(luò)功能。這對于進(jìn)一步簡化行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供了強(qiáng)力的支撐。2.4.2.1 確定性 5G 空口 URLLC 技術(shù)憑借靈活的幀結(jié)構(gòu)、M

42、ini-Slot、上行免授權(quán)調(diào)度和 PDCP duplication 等關(guān)鍵技術(shù)保障， 5G 定義的超高可靠超低時延的業(yè)務(wù)場景下，網(wǎng)絡(luò)性能空口時延與可靠性大幅改進(jìn)。5G 為了實現(xiàn)低時延高可靠，對空口幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用參數(shù)可靈活配置統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)技術(shù)（Unified Frame Structure,UFS），一方面通過減少 TTI 長度、降低CP 長度、增加子載波間隔、改進(jìn)調(diào)度流程、降低調(diào)度時延應(yīng)對低時延高可靠業(yè)務(wù)，另一方面又可以針對不同頻段、場景和信道環(huán)境，選擇不同的參數(shù)進(jìn)行配置，如帶寬、子載波間隔、循環(huán)前綴、傳輸時間間隔和上下行配比，滿足時延方面的需求或者帶寬方面的需求。圖 2-7 統(tǒng)一幀

43、結(jié)構(gòu)時隙結(jié)構(gòu)上使用 Mini-Slot 時隙架構(gòu)，其上下行不一致，下行可以在（2,4,7）個 OFDM符號上任意配置，上行可以在 1-13 個符號中任意配置，這樣以更少的符號數(shù)為調(diào)度單元，盡可能短的時間內(nèi)保證物理層的迅速響應(yīng)，實現(xiàn)更小調(diào)度粒度，減少調(diào)度符號數(shù)目，實現(xiàn)快速傳輸，從而降低時延，增加可靠性。同時上下幀調(diào)度使用快速接入免授權(quán)調(diào)度，避免采用調(diào)度申請請求和調(diào)度許可，快速接入信道，降低時延。圖 2-8 Mimi-Slot 時隙結(jié)構(gòu)上行免授權(quán)調(diào)度，提供了一種基于非動態(tài)授權(quán)的傳輸方式，通過激活上行配置的周期性授權(quán)，并基于此授權(quán)配置可進(jìn)行多次上行傳輸。上行免授權(quán)調(diào)度對于時延敏感業(yè)務(wù)以及控制信息開銷

44、方面均有所幫助。在 NR 協(xié)議中，進(jìn)行了 2 種上行免授權(quán)傳輸配置類型的定義，稱之為 Type-1 與 Type-2。Type-1 的方式通過 RRC 信令配置周期、頻域資源、時域偏置、調(diào)制編碼等參數(shù)。而終端設(shè)備，接收到 RRC 信令后，隨即根據(jù)時域偏置進(jìn)行授權(quán)配置的激活。而Type-2 的方式同樣通過 RRC 信令進(jìn)行周期的配置，而通過 PDCCH 激活指示的傳輸參數(shù)與授權(quán)配置。PDCP duplication，即將 PDCP packet 復(fù)制到不同載波的 RLC 實體，通過不同的空口發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，在不增加時延的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高可靠性。3GPP R15 標(biāo)準(zhǔn)已支持PDCP Duplic

45、ation 功能，但僅支持 2 個副本。R16 標(biāo)準(zhǔn)提案中建議支持 4 個副本。在對時延要求較高的場景下，可以提高傳輸可靠性。2.4.2.3 確定性業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載技術(shù)承載針對行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)TSN 類業(yè)務(wù)承載互聯(lián)的需求，支持TSN+確定性網(wǎng)絡(luò)承載方案，即 UNI 側(cè)接入 TSN 類確定性現(xiàn)場網(wǎng)業(yè)務(wù)流量，將承載網(wǎng)虛擬成 TSN 虛擬網(wǎng)橋提供確定性精準(zhǔn)連接。承載網(wǎng)可以在 Detnet 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和模型中采用不同的連接技術(shù)提供精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接（如圖所示），從應(yīng)用角度精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接等同于虛擬的“光纖”連接，轉(zhuǎn)發(fā)時延和抖動是確定性的。圖 2-9 承載確定性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與模型示意圖精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接支持從網(wǎng)絡(luò) L1-L3 提供不同

46、特性的連接技術(shù)，包括以太網(wǎng) L1 層硬隔離 TDM 的 ITU-T MTN 技術(shù)，L2 層以太網(wǎng)軟隔離的PWE3 仿真技術(shù)，L3 層IP Qos 保障技術(shù)等。不同的連接技術(shù)可以提供不同的隔離特性，轉(zhuǎn)發(fā)時延和抖動特性以及可靠性等。用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)的差異化需求選擇合適的連接技術(shù)，其選擇過程可以通過智能化管控自動完成。精準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)連接同時支持精準(zhǔn)質(zhì)量指標(biāo)檢測功能，具備實時檢測連接的丟包、時延和抖動等關(guān)鍵指標(biāo)，保障連接質(zhì)量并簡化運維。承載網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是支持現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)綜合承載的基礎(chǔ)能力，基于統(tǒng)一的承載網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，針對行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的差異化承載需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片，為行業(yè)應(yīng)用提供合適的網(wǎng)絡(luò)資源保障，進(jìn)而為行業(yè)應(yīng)用要

47、求的確定性承載提供有保障的虛擬專網(wǎng)服務(wù)。演進(jìn)趨勢5G 與 TSN 解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸層的確定性統(tǒng)一通信問題，OPC 基金會推出的新一代 OPC標(biāo)準(zhǔn) OPC UA（Unified Architecture，統(tǒng)一架構(gòu)），則統(tǒng)一了工業(yè)協(xié)議層的互操作接口，使信息在任何時間，任何地點對每個授權(quán)的應(yīng)用，每個授權(quán)的人員都可用；OPC UA 這種功能獨立于制造廠商的原始應(yīng)用，編程語言和操作系統(tǒng)，解決泛在工業(yè)協(xié)議業(yè)務(wù)層互聯(lián)互通問題。5G 與TSN、OPC UA 組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設(shè)備廠商的完整的工業(yè)通信解決方案。隨著 5G 和TSN 產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，該方案將有望逐漸成為工業(yè)現(xiàn)場通信的最佳實踐。高

48、精度室內(nèi)定位高精度定位的概念和整體技術(shù)框架、技術(shù)點現(xiàn)場網(wǎng)采用的傳統(tǒng)的定位方式一般是利用信號載波強(qiáng)度，即 RSSI（Received Signal Strength Indication）來做三角定位，其特點是精度低，對環(huán)境適應(yīng)性差，但實現(xiàn)相對簡單，比如基于 Wi-Fi 信號 RSSI，或是基于藍(lán)牙 iBeacon 信號 RSSI 的，精度為 1/3 或者 1/4 基站間距的粗略定位。過去一段時間，工業(yè)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部對人員，可移動資產(chǎn)和設(shè)備檢測和控制的需求越來越多。產(chǎn)業(yè)界發(fā)展出對高精電子圍欄，高精度軌跡，三維定位的幾類高精定位需求。針對這些需求業(yè)界發(fā)展出了兩種技術(shù)方向：UWB(Ultra-WideBa

49、nd)UWB 是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或皮秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz 量級的帶寬。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。實驗室理想情況可以實現(xiàn) 10cm 左右的高精度定位，實際環(huán)境精度能達(dá)到亞米級。UWB 定位系統(tǒng)框架如下：圖 2-10 UWB 定位系統(tǒng)架構(gòu)圖每個定位標(biāo)簽以 UWB 脈沖重復(fù)不間斷的廣播發(fā)送數(shù)據(jù)幀到

50、周圍的基站；每個定位基站利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀到達(dá)接收器天線的時間；定位引擎參考標(biāo)簽發(fā)送過來的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，確定標(biāo)簽達(dá)到不同定位基站之間的時間差，利用ToF 或者TDoA 算法來計算標(biāo)簽位置。藍(lán)牙以藍(lán)牙為代表，基于天線陣列的角度定位(AoA/AoD)，是基于收發(fā)信號之間角度測量的高精度定位方案。根據(jù)基站或終端上特殊設(shè)計的天線陣列(ULA 均勻線陣, UCA 均勻圓陣, URA 均勻方陣)上不同天線鏈路上的相位差，基于相位 MUSIC 算法計算得到信號收發(fā)端之間的相對角度，理想情況下精度也可以做到亞米級。得益于藍(lán)牙產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，基于藍(lán)牙角度定位在一定精度范圍內(nèi)更具有成本優(yōu)勢

51、。藍(lán)牙高精度定位系統(tǒng)的框架跟 UWB 類似，唯一的區(qū)別是最終位置的解算是通過不同基站產(chǎn)生的角度信息，而不是 UWB 里使用的時間信息。集成藍(lán)牙定位技術(shù)的室內(nèi)分布系統(tǒng)如圖 1 所示，包括藍(lán)牙室分天線、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、室分設(shè)備管理平臺、室內(nèi)定位能力平臺和室內(nèi)定位業(yè)務(wù)平臺圖 2-11 集成藍(lán)牙定位技術(shù)的室內(nèi)分布系統(tǒng)圖高精度定位和運營商 5G 的整合方式5G 技術(shù)大大提升了移動網(wǎng)絡(luò)性能，提供大帶寬、低時延、廣連接的網(wǎng)聯(lián)能力，為垂直行業(yè)的數(shù)字化提供必要的技術(shù)保障，藍(lán)牙、UWB 高精度定位可以達(dá)到厘米級別定位精度，結(jié)合現(xiàn)場網(wǎng)對于通訊和定位精度的需求，5G 融合高精度室內(nèi) UWB、藍(lán)牙 AoA 等室內(nèi)定位解決方案

52、應(yīng)運而生。本方案主要考慮定位基站與 5G 分布式皮基站結(jié)合共同部署，定位基站復(fù)用 5G 皮基站的站址資源、供電資源和傳輸資源，同時結(jié)合邊緣計算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)先技術(shù)，提供亞米級定位精度，滿足智慧園區(qū)、交通樞紐、工業(yè)智能制造、大型展館等室內(nèi)場景下的各種定位業(yè)務(wù)需求。5G 融合 UWB/藍(lán)牙 AoA 定位方案定位基站連接 5G 智能室分的級聯(lián)口，提供定位基站設(shè)備的供電，同時 UWB/藍(lán)牙 AoA 基站的數(shù)據(jù)經(jīng)過 5G 智能室分系統(tǒng)（BBU、PB 和PRRU），最終傳輸?shù)讲渴鹪?MEC 上定位解算服務(wù)。該系統(tǒng)融合由硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層四部分組成。5G 融合 UWB/藍(lán)牙 AOA 定位融

53、合方案組網(wǎng)架構(gòu)如圖所示：圖 2-12 5G 融合 UWB/藍(lán)牙 AOA 組網(wǎng)架構(gòu)高精度定位未來的發(fā)展方向多種定位技術(shù)相互融合5G NR 一開始就提出了定位場景和需求，在 3GPP R16 中制定了室內(nèi) 3m 室外 10m 級的定位標(biāo)準(zhǔn)，R17 會提出小于 30cm 的定位規(guī)格，只是實現(xiàn)的難度和芯片成熟度顯著高于當(dāng)前 UWB 實現(xiàn)。未來也可能將 UWB 具有的納秒或皮秒級以下的極窄脈沖應(yīng)用在 5G 或者 6G上，使其具備高精度定位的能力。隨著 5G 產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展，未來可能在特定場景下使用特定定位技術(shù)，以延伸高精度定位的適用區(qū)域，降低用戶整體覆蓋成本，比如室內(nèi)通過 UWB 定位，室外基于基站或

54、者差分GPS 定位。又比如：飛行時間和天線陣的結(jié)合，雖然還沒看到商業(yè)產(chǎn)品，但一些芯片廠家已經(jīng)在硬件上預(yù)留了能力，未來可以通過信號飛行時間和角度信息結(jié)合進(jìn)行位置解算，比起僅適用飛行時間或者僅適用角度信息，定位系統(tǒng)的精度，抖動會變得更小，對環(huán)境和適應(yīng)性變得更強(qiáng)。業(yè)務(wù)層上GIS 技術(shù)和高精度定位結(jié)合當(dāng)前做高精度定位的廠商通常不具有地圖技術(shù)，定位應(yīng)用的前端界面簡單依賴定位引擎的計算結(jié)果進(jìn)行位置映射。在處理偶發(fā)的點位跳動，道路附著，軌跡美化方面有著先天的不足。參考室外 GPS 定位產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，高精度定位產(chǎn)業(yè)后續(xù)的發(fā)展一定離不開室內(nèi)高精地圖技術(shù)的發(fā)展與融合。毫米波通信5G 毫米波通信方案概述及關(guān)鍵技術(shù)

55、點5G 毫米波通信方案概述和中低頻段相比，5G 毫米波具備多個突出優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得 5G 毫米波備受業(yè)界關(guān)注，被認(rèn)為是用戶體驗革命性提升和各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵使能技術(shù)。也是行業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)的迫切需求之一5G 毫米波技術(shù)的最重要的優(yōu)勢，是頻率資源豐富、帶寬極大。5G 毫米波之所以受到重視，是因為其相較于 5G Sub-6 GHz 頻段（FR1）具有更豐富的頻譜資源（如圖 1 所示），是 5G 網(wǎng)絡(luò)提供千兆連接能力的主要方式，是實現(xiàn) 5G 最初愿景的有力保證。毫不夸張地說，要達(dá)到 5G 最高速率要求，就必須使用 5G 毫米波頻段。圖 2-13 5G 毫米波頻譜資源5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)可輕易實現(xiàn) Gbp

56、s 級別的峰值吞吐率。比如在 26 GHz 頻段內(nèi)分配連續(xù)800MHz 頻譜，采用四個單載波 200MHz 實現(xiàn)載波聚合傳輸（4*200MHz），基于 3GPP標(biāo)準(zhǔn)可用的信道寬度和調(diào)制方式，結(jié)合先進(jìn)的天線設(shè)計和射頻處理技術(shù)，在 DDDSU 幀結(jié)構(gòu)下，5G 毫米波系統(tǒng)最高可獲得 13 Gbps 的峰值數(shù)據(jù)吞吐率。5G 毫米波通信方案關(guān)鍵技術(shù)點1) 大規(guī)模陣列天線技術(shù)結(jié)合5G 毫米波的頻段高、波長短，使得其在設(shè)計和部署上有空間優(yōu)勢，非常適合與大規(guī)模陣列天線技術(shù)（Massive MIMO）相結(jié)合，提升波束賦形增益，增強(qiáng)性能并降低干擾。大規(guī)模陣列天線技術(shù)通過波束賦形，利用信號疊加提高增益，可在單根天線

57、功率很低的情況下，依然提供很好的信號質(zhì)量。由于波長較短，5G 毫米波設(shè)備的天線陣列可在有限尺寸空間內(nèi)放置更多天線陣子，特別是 5G 毫米波基站的天線陣子數(shù)量可以達(dá)到 256、512 甚至更多，因此無論上行下行均可獲得極大波束賦形增益。2）靈活的波束管理方案波束管理方案包括波束搜索、波束跟蹤以及波束切換等，使 5G 毫米波系統(tǒng)能在信號阻擋的情況下迅速捕捉新波束并動態(tài)地實施波束切換。受益于大規(guī)模陣列天線和波束賦形技術(shù)，5G 毫米波信號通信距離大幅增強(qiáng)，可以用于短距傳輸和室內(nèi)熱點覆蓋之外的更多場景。5G 毫米波通信方案與運營商網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方式5G 毫米波由于高頻段帶來的傳播特性決定其不適合連續(xù)組網(wǎng)，因此

58、必然會面臨與 Sub-6 GHz 共存的問題，主要的問題是如何進(jìn)行協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和靈活的業(yè)務(wù)負(fù)載分擔(dān)。目前的主流演進(jìn)路線是DC 和CA。相對來講DC 的方式更易實現(xiàn)，終端支持難度稍低，而CA 的方式效率更高，實現(xiàn)更深層級的協(xié)同。因此，如果是僅僅是增加容量的熱點區(qū)域，使用 DC 就可以滿足要求。面向長期演進(jìn)，且對下行覆蓋連續(xù)性有一定要求，可以考慮使用 CA 方案。5G 毫米波與 Sub-6 GHz 的共存的另一個技術(shù)挑戰(zhàn)是 5G 毫米波與 5G Sub-6 GHz 在載波聚合場景下的同步問題。由于通信器件的硬件差別，5G 毫米波與 5G Sub-6 GHz 載波的定時很容易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致載波聚合

59、系統(tǒng)的同步出現(xiàn)問題。目前，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)已針對非同步的載波聚合系統(tǒng)帶來的問題進(jìn)行優(yōu)化。另外，在 5G 通信系統(tǒng)中，5G 中低頻和 5G 毫米波基站通常會出現(xiàn)同站共存，終端也會同時支持 5G 中低頻和 5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)。不同系統(tǒng)共存的物理限制，比如空間限制，散熱等，也是毫米波與 Sub-6 GHz 系統(tǒng)共存的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。比如， 5G 終端既需要支持 5G 網(wǎng)絡(luò)上的毫米波信號，也需要支持 5G 中低頻信號。然而，中低頻信號傳輸較長波長， 與 5G 毫米波無法使用一個天線覆蓋，因此，為了 5G 中低頻和 5G 毫米波的共存，終端需要安裝多組不同功能的天線。而如何放置 5G 天線，使其適合移動設(shè)備，

60、平衡有限的物理空間和保證不同信號的覆蓋需求，又不影響彼此的性能，成為新的設(shè)計挑戰(zhàn)。5G 毫米波通信方案應(yīng)用簡述根據(jù) 3GPP TR 38.913 定義，與高頻段應(yīng)用相關(guān)的幾個場景分別為：室內(nèi)熱點、密集城區(qū)、宏覆蓋、高速鐵路接入與回傳以及衛(wèi)星擴(kuò)展到地面。國外當(dāng)前應(yīng)用比較成熟的是美國和韓國的熱點覆蓋和 FWA（固定無線接入）的應(yīng)用方案。典型熱點應(yīng)用場景圖 2-14 熱點覆蓋應(yīng)用場景FWA 應(yīng)用場景圖 2-15FWA 場景示意圖企業(yè)園區(qū)專網(wǎng)通過和邊緣計算、人工智能等前沿技術(shù)結(jié)合，5G 毫米波在大帶寬網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加豐富多樣的增值服務(wù)，可以為像園區(qū)、廠區(qū)、碼頭、港口等覆蓋區(qū)域提供定制化的園區(qū)服務(wù)。 圖