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深度分析：5G技术对我国未来发展的重要性

作者: 阅读数： 76 发布日期： 2020-04-16

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来源：工业智能化 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;日前，华为的创始人任正非在接受媒体的采访时表示：“学技术的超前研究不代表社会需求已经产生。如果社会需求没有发展到我们想象的程度，我们投入进去意义就没有那么大，因此，5G可能被炒作过热，我不认为现在5G有这么大的市场空间，因为需求没有完全产生。如果说无人驾驶需要5G，现在能有几台车在无人驾驶？其实轮船、飞机等已经实现了无人驾驶，但是如果飞行员不上飞机，乘客敢上飞机吗？就是这个道理。系统工程不是有一个喇叭口就能解决的问题。”即便如任正非所说的，5G作为4G的延伸，在当前确有可能被业界过分地炒作了；但中、美、日、韩和欧盟等国家（区域性组织）都投入了不少的资源以研发5G。　　对一个国家而言，5G真有那么重要吗？有业者以为，5G将推动全人类更快地步入第四次工业革命的时代。迄今为止，人类先后经历了三次工业革命。而前三次工业革给世界带来的变革，亦让人们明白了一个真理，那就是谁在科技、制造等技术革命中占得了先机，谁就能成为世界上的强国。　　第一次工业革命，源起于英国，发生在18世纪60年代至19世纪40年代，以人类发明并广泛地应用蒸汽机为标志。在第一次工业革命的时代，机器取代了人力，大规模的工厂化劳动取代了个体工场的手工劳动，从而史无前例地解放了人类的生产力，从根本上颠覆了传统的生产方式，同时还改变了社会的生产关系。当时，英国凭借这场工业革命，成为了世界上最强的国家。　　第二次工业革命，发生在19世纪70年代至20世纪初，以人类发明了电流磁效应、电磁感应以及直流发电机为先导。伴随着人类的科学技术不断地取得重大的突破，电灯、电车、电钻、电焊机等电气产品如雨后春笋般问世，汽车、柴油机、内燃机车、远洋轮船、飞机以及新兴的通讯工具和化学工业等也迅速发展起来，这在很大的程度上解决了人们的出行和通讯不便等问题，人类从“蒸汽机的时代”进入到了“电气化的时代”。第二次工业革命几乎是在西方几个发达国家同时进行的。　　第三次工业革命，开始于20世纪50年代中期并至今，以人类发明和应用电子计算机、生物工程、空间技术等为主要的标志，涉及到了新材料、新能源、信息技术、生物技术、海洋技术等。第三次工业革命有许多且重大的成果并没有直接作用于人们的日常生活，而是将人类带向了更高级的文明。　　第一次工业革命，让人类步入到机械化的时代；第二次工业革命，让人类步入到电气化的时代；第三次工业革命，让人类步入信息化的时代；而第四次工业革命，将会让人类进入到前所未遇的时代、即智能化的时代。事实上，中国的“中国制造2025”、美国的“AMP”、德国的“工业4.0”都统称为第四次工业革命，中、美、德等国都是在利用科技上的突破，尤其重大的突破来发展经济产业。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006387717951.png" title="1587006387717951.png" alt="image.png"/>　　第四次工业革命的时代，制造业将转向服务化，这是趋势。像今天的淘宝电商模式会被市场淘汰；企业内部各环节的信息将实现无缝连接，以利于自身的生产效率进一步提高和为客户提供个性化的定制生产；企业将从过去“以产品为中心”向“以产品服务为中心”转变。而第四次工业革命要全方位、最大化地给人类创造出价值，显然离不开网络。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006408916872.png" title="1587006408916872.png" alt="image.png"/><img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006426825788.png" title="1587006426825788.png" alt="image.png"/>　　　　5G对于第四工业革命的意义在哪里？网络上有一篇文章，其中有这样一段文字：“高性能的无线网络连接工厂内的海量传感器、机器人和信息系统，连接产生的海量数据、优质数据不断“喂食”人工智能，并将分析、决策反馈至工厂。同时，5G广覆盖的物联网络覆盖全球，连接广泛分布或跨区域的商品、客户和供应商等，保持对整个产品生命周期的全连接。总之，未来的工厂是数字虚拟和物理现实相融合，ICT技术与现代制造业相融合，以提高工业生产的灵活性、可追溯性、多功能性和生产效率，为制造业开辟新的商业模式。工厂内部和外部之间的界限也越来越模糊，工厂不再是独立的封闭实体，而是庞大的价值链和生态系统的一部分，这就是所谓的‘虚拟工厂’。”新空口（NR）、网络切片和边缘计算是驱动第四次工业革命的，三大具关键性的5G技术。1. 新空口　　这里指的是5G的无线连接能力，众所周知，5G定义了eMMB、URLLC和mMTC三大场景，eMMB指高速率连接，URLLC指超低时延超可靠连接，mMTC指超大规模连接，工业4.0里，这三大场景均将应用到。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006466299054.png" title="1587006466299054.png" alt="image.png"/>　　我们以未来工厂的四大典型连接：移动机器人、工厂自动化、新的人机界面和物流为例，来看一看它们如何对应5G的三大场景。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006481213239.png" title="1587006481213239.png" alt="image.png"/>　　移动机器人　　移动机器人属于“柔性工厂”的范畴，所谓柔性工厂，指可以自由的移动机器设备、自由的重装生产工具，以保证工厂可以迅速且低成本地在不同种类的产品生产线之间转换生产，快速适应改变。　　要实现柔性工厂，需用无线连接来替换工厂内现有的有线连接，只有摆脱了有线的束缚，才可以自由的设计、操作和升级互联的机器设备和机器人。　　但是，众所周知，通常无线连接的稳定性逊于有线连接，因此，这就需要——超高可靠超低延迟的无线连接，即5G的URLLC场景。　　工厂自动化　　在自动化工厂内部，为了提高生产线的效率，需对各个子部件进行实时监控，对生产的产品质量进行实时测量，乃至对生产线进行实时优化，这就要求具有超低时延超高可靠的无线连接，同时，视觉控制机器人手臂、3D模型传送、远程数字工厂等应用需要高可靠的高带宽通信，因此，这就需要同时支持mMTC、eMMB和URLLC三大场景。　　新的人机界面（HMI）　　早期的人机界面是指工业控制设备中的一些串口通信，比如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等都可以连接HMI，来实现人机交互功能。　　未来的人机界面应用将发生颠覆性的改变，其借助工业智能与大数据的融合，使可穿戴工业设备、增强现实（AR）在人机融合中扮演重要角色，比如让工人们穿上机器人外骨骼装备，利用“可穿戴工业设备+AR技术”，将信息与真实世界场景融为一体，随时捕捉信息、接收云端指令和操作协助等，这需要网络支持eMMB和URLLC两大场景。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006508242393.png" title="1587006508242393.png" alt="image.png"/>　　物 流　　在物流方面，从智能仓库管理到物流配送，均需要广覆盖、深覆盖、低功耗、大连接、低成本的5G物联网连接，这对应了5G的mMTC场景。　　此外，虚拟工厂的端到端整合跨越产品的整个生命周期，要连接分布广泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和广覆盖的5G物联网，这也对应了5G的mMTC场景。　　企业内部/企业之间的横向集成也需要无所不在的、无缝的5G联网。“随时随地设计，随时随地生产”是智能工厂的雄心壮志，进而要求网络必须适应即时变化的容量和移动性要求，乃至能灵活融合各种不同的无线接入技术，因此，5G网络的包容性和支持业务的多样性不可或缺。　　综上，未来工厂离不开5G的连接能力，但5G网络要一张网络支持eMMB、URLLC和mMTC三大场景，离不开另一大关键技术——网络切片。,2. 网络切片　　我们应该不止一次解释过网络切片。所谓网络切片，就是将一张物理网络切成多张相互独立的、逻辑的切片子网络，这些“切片网络”共享物理基础设施，分别提供不同的服务类型，应对不同的场景。<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006559364420.png" title="1587006559364420.png" alt="image.png"/>　　　　我们经常把4G网络比喻为高速交通系统，你可以把5G网络切片比喻为一个城市综合交通系统，有公路、地铁、轻轨、BRT，还有人行道、自行车道等等，不同的交通系统应对人们不同的需求。　　要创建和管理网络切片，需要NFV和SDN两大技术。　　NFV，即网络功能虚拟化，其构架在横向分为三层：物理资源层、虚拟化层和服务层，纵向是NFV管理编排（MANO）层。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006543289191.png" title="1587006543289191.png" alt="image.png"/>　　NFV构架　　物理资源层指底层的计算、存储、网络等物理资源。　　虚拟化层是指用于部署和执行网络功能的一组虚拟资源，它通过对底层物理资源虚拟化，以虚拟机（VM）的形式共享底层物理资源，一个虚拟机可包含一定数量的计算和存储资源。　　服务层由一系列由虚拟资源构建的VNF（虚拟网络功能单元）组成，VNF可以理解为是对应网络中现有物理网元的模块化的软件功能实体。　　以上三层由MANO负责编排管理，MANO根据需求分配资源，为NF（网络功能）配置物理和虚拟资源。　　NFV负责各种网元的虚拟化，它将传统电信设备软硬件解耦，而SDN主要负责将每一个网络节点的控制面和数据面分离，并将控制面抽取出来组成一个独立的、集中的控制器（SDNController），这个控制器相当于网络的中枢大脑，它从更高的层次俯视整个网络，并下发指令统一管理网络中的多层转发，控制信令不再是口口相传，而是集中智能管理。打个比方，如果把网络比喻为人体，人身上的眼、耳、鼻、手、足等这些人体器官对应不同的NF（网络功能），那么，SDN就相当于大脑，控制各个器官协调工作。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006576410859.png" title="1587006576410859.png" alt="image.png"/>　　网络切片原理　　基于NFV/SDN技术，一张5G物理网络“切”成多个逻辑网络，服务于工业4.0的不同场景。　　网络切片还有一个关键特征——端到端的QoS保障。传统的无线服务主要以“尽力而为”的方式提供，每个人共享网络和无线资源，但工业应用要求更严苛的QoS（网络服务质量），网络切片不但能提供端到端的QoS保障，还能隔离不同服务，满足未来工厂不同的服务需求。请加微信公众号：工业智能化(robotinfo) 马云都在关注　　当运营商为工业4.0创建了个性化的网络切片之后，每个网络切片满足不同的用例和行业特定需求，这就打开了全新的、定制化的网络切片即服务（NSaaS）的服务模式，也未来传统制造商向综合产品服务提供商转型，引入新的商业模式和商业生态奠定了基础。我们将看到未来更多的网络切片、网络子切片应用于工业4.0。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006610577610.png" title="1587006610577610.png" alt="image.png"/>　　以上关于网络切片的介绍有点抽象，我们来举一个应用案例。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006628328947.png" title="1587006628328947.png" alt="image.png"/>　　以定制化制药为例。假设某家制药厂在全球分布有10家分厂，每一家分厂内的制药流程都是一样的，即通过控制安装在机器手臂上移液器来分配药品的药物成分。与以往制药过程不同，现在叫“定制化制药”，即根据不同类型的患者来分配药物成分的类型和数量，为此，这10家分厂均要通过5G网络连接到云端，云端存储海量的患者信息数据，并通过大数据分析和人工智能确定针对不同类型患者的药物成分，在生产过程中机器手臂需实时通过5G网络连接到云端，并根据云端的指令实时的进行配药。　　这一案例对应了5GURLLC场景，需依靠具备端到端QoS保障的5G网络切片才能实现。同时，在生产过程中工人们利用可穿戴设备、AR技术等新的人机界面（HMI）来监视生产过程，并实时增强显示来自云端的视频，以及生产线上安装无数传感器来实现自动化流程等，这些场景还需要其他的5G网络切片来实现。　　为了保障端到端的QoS，在应对工业4.0中的超低时延超高可靠场景时，另一大关键技术非常重要——边缘计算。3. 边缘计算　　边缘计算指将云端的计算和存储能力下沉到网络边缘，使之更接近用户端，不仅可降低网络时延和负荷，还能基于本地部署新的应用。　　<img src="/Uploads/Editor/2020-04-16/1587006647863598.png" title="1587006647863598.png" alt="image.png"/>　　边缘计算是工业4.0的基石，也是催化剂，主要表现在以下几个方面：　　低时延　　边缘计算部署在本地，意味着可提供超低时延，非常适合于工厂自动化环境，这不必多言。低时延的另一大好处是可以激发出创新应用，比如我们前面讲的利用新的人机界面引入异地协同增强现实等。　　安全性　　工业4.0通过网络将工厂内的机器、资产等连接，并通过网络连接到外部云端，这提高了工厂灵活性和自动化水平，但这也意味着受到网络攻击的可能性更大，而边缘计算将尽可能多的数据存储和处理于边缘，不必发送到云端，可降低安全风险。　　集成性　　边缘计算不仅无需将所有数据发送到远端云，它还能在本地与工厂车间的数据、ERP系统等无云集成，从而实现工厂纵向集成。　　低成本　　智能制造从联网的传感器中收集、分析数据，并作出实时决策和预测性维护，这些数据量越来越大，给数据传输、计算、存储都带来了巨大的成本压力，边缘计算可智能收集数据，过滤无用数据，从而降低成本。　　此外，未来工厂的一些设备功能可以通过虚拟实体的方式部署于边缘计算，进一步提升工厂灵活性和可扩展性。 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 免责声明：本文系网络转载或改编，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除。&nbsp;