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终于,R16标准冻结,5G与工业互联网紧密结合的大幕正式拉开

2020-07-05 09:43 物女心经
关键词:5G工业互联网

导读:为什么R16标准如此重要?我们知道,5G有3个典型的应用场景,分别是增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和超可靠低延迟通信(uRLLC)。在这些应用场景中,最具挑战性的就是对于超高可靠、超低时延场景uRLLC的支持,这是5G走入万物互联阶段必须具备的网络基石。

本周有两条绝对不容错过的重大新闻,一个是线上展会“GSMA·万物生晖”正式开幕,来自世界各地的行业领袖,针对5G、人工智能、大发快三等前沿趋势展开讨论,观看之后收获颇多。

另一个是5G又有了新的实质性进展,7月3日晚间23点,国际标准组织3GPP(第三代移动通信合作伙伴计划)宣布R16标准正式冻结,业内翘首以盼的里程碑事件终于完成。

R16标准在网络能力扩展、潜力挖掘以及降低运营成本等方面,做出了诸多改进:包括对超可靠低延迟通信(uRLLC)的增强、对垂直行业和局域网服务的支持、蜂窝大发快三的支持与扩展、增强V2X车联网(Vehicle to Everything)的支持、5G定位和定位服务、5G卫星接入、无线和有线融合增强、增强网络切片、支持无线NR-U免许可频谱设计等。

为什么R16标准如此重要?

你肯定知道,5G有3个典型的应用场景,分别是增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和超可靠低延迟通信(uRLLC)。

在这些应用场景中,最具有挑战性的就是对于超高可靠、超低时延场景uRLLC的支持,这是5G走入万物互联阶段必须具备的网络基石。无论是工业场景还是自动驾驶的汽车,都不允许通信产生任何中断或者延迟,否则后果难以设想。

正是因为uRLLC对于5G的发展有着非比寻常的深刻意义,它是5G面向关键性任务提供通信服务的场景,所以3GPP花费了大量时间论证其中的很多技术细节。

全面增强落地的uRLLC正是R16标准的“当家花旦”。这一标准的冻结,意味着5G有能力对于垂直行业进行更好的支持,主要应用包括无人驾驶汽车、工业互联网与智能化制造协同、交通安全和控制、远程医疗与手术等。可以说,R16的冻结预示着5G即将与垂直行业重度融合。

因此本篇文章将结合这两个重大事件,为你呈现如下内容:

5G如何解决超高可靠、超低时延这对矛盾?

R16的冻结,打开了怎样的市场空间?

哪些接踵而来的变化正在路上?

01、uRLLC,既要熊掌、也要鱼肉

4G技术可以实现低于100ms的网络传输时延,这对于消费互联网的应用通常是绰绰有余,但对于工业场景的关键性任务而言,却远远不够。

垂直行业的很多应用场景都要求uRLLC在保障低时延的同时,提供端到端的传输安全性,以及99.999%的传输可靠性。

不过,超高可靠和超低时延这两者,本身就是一组悖论,就像我们在进行新冠核酸检测时,既要保证超高的检测准确性,又要保证超快的检测效率。它们是一种矛盾的组合体,分别完成已经是巨大的挑战,更别提还得“花开两朵,一起美丽”。

那么5G究竟是如何解决这组矛盾的?在《果壳中的5G》一书中,作者祝刚以深入浅出的语言给出了相当精彩的解读,此处援引书中的内容。

先来看5G传输过程中产生的时延,主要由3个部分构成:(1)无线接入部分的传输时间、(2)核心网部分的传输时间,以及(3)应用服务的响应时间。

为了降低无线接入部分的传输时间,5G的最基本逻辑是设法消除数据传输过程中的等待。

这个过程很像高铁的调度机制。如果把无线传输信道比喻成列车,数据包看作旅客,数据包需要等待它的列车进站,才能找到座位坐下,开始传输行程。旅客数量多的时候,即便是具有紧急任务的数据包,也得排队等待前面的旅客上车了之后才能就坐。

为了解决这个问题,聪明的5G采取了很多措施。第一是缩短发车时间。车次多了、间隔短了,旅客就会更快的上车。第二是取消了对号入座的限制。列车进站之后,只要有空座就可以上车,旅客也就可以更快的开启行程。

这里描述的方法,有个专业的名称:OFDM,多载频调制机制。5G的脑洞没有边界,减低时延的方法不止OFDM这一种。核心网部分的传输时间、以及应用服务的响应时间的缩减,也有很多办法,篇幅所限,咱们就不再展开。

接着再来看5G如何解决传输可靠性的问题。为了解决这个问题,5G采取了一个称为HARQ,混合自动重传请求的机制。这项技术是5G实现超高可靠和超低时延传输的关键。

在无线情况下,任何微小的环境扰动都有可能造成数据接收的错误,形成传输失败或者数据丢失。以前解决这个问题的思路是检测校验码,一旦发现数据包存在错误,就自动要求发送方重新传送数据包,而这个错误的数据包就被扔掉了。

HARQ的思路是,错误的数据包不被扔掉,因为其中还包含了一部分正确的信息。等着与下一次接收的数据包对比,就像组合一块块拼图一样,多个错误的数据包也可以组合形成正确的信息。这样一方面降低了等待完美无缺的数据包造成的时延,另一方面这种相互弥补的方式还提升了传输的可靠性。

总体而言,uRLLC不是依靠某一种单独的技术就可以全面实现,而是靠网络各个环节的一致努力,才能达到5G对于超高可靠、超低时延的兼顾,实现既要熊掌、又要鱼肉的承诺。

02、重新审视工业的底层思维

5G的推进力度和速度都是空前的,里程碑式事件接踵而来。

7月2日,中兴通讯与浙江联通合作,完成5G非独立组网和独立组网NSA & SA的双模共建共享商用验证,实现单个5G基站同时支持NSA & SA两种模式,并同时支持联通和电信用户接入,成功验证了5G网络共建共享的能力。

根据赛迪整理的数据显示,预计在2035年,5G对各个行业的支持产出中,制造业领域的支持产出遥遥领先,超过3000亿元。

根据 ABIResearch 与爱立信在研究报告UNLOCKING THE VALUE OF INDUSTRY 4.0,《解锁工业4.0的价值》中的分析,到2024年左右,工业有线与无线的连接数量将发生逆转,更多工业领域的数据通信将由无线承载。

根据报告中公布的数据,目前全球有630余万家制造企业,这些企业中的无线连接节点数量将在8年内增长36倍,并在2030年实现100倍的增长。新增节点所连接的大部分是新型设备,包括升级版的AGV搬运机器人(或者叫AMR自主移动机器人)、与操作员紧密配合工作的协同机器人Cobots、AR智能眼镜等。

不仅是无线与有线的连接地位有可能发生反转,5G还有可能带来一系列的转变。

首先,5G为工业互联网引入了前所未有的灵活性。

以前,生产流程的改变是制造企业非常畏惧的事情。企业所有的生产单元都通过信息化系统紧密耦合在一起,任何改变都会对其他流程产生可见的或者不可见的影响。

现在,随着定制化生产的推进,企业的生产流程不得不适应“逆向”思维,不仅工厂内的很多机器人、物料小车、生产线的工件是移动的,就连生产线本身也有可能是可以移动的,5G成为了非常适合工业互联网高可靠、低时延要求的备选无线网络之一。

其次,5G让我们更好的从无效成本COI的视角量化损失。

ABI Research曾经对位于德国与韩国的代表性汽车、电子和零部件制造企业进行了综合性的运营评估,测算了企业使用5G等无线通信方案之后,在ROI和COI方面的数据改进。

过去我们常常重视ROI而忽视COI。ROI是一种有效的财务工具,可以量化资金、设备、工具和人力投入有效性;COI则评估了效率低下和意外停机对运营流程的影响,并量化了机会成本。应用5G等技术之后,效果十分明显:毛利平均提升8.9%,COI普遍降低8.3%。

最后,5G让通信网络的运营者从电信运营商,有机会扩展到云计算服务提供商、系统集成商,甚至是有实力的传统企业。

不仅IT巨头微软通过收购 Affirmed Networks 和 Metaswitch Networks 积极部署相关技术,其中最著名的一次豪赌来自日本的电子商务公司乐天(Rakuten),该公司于2017年宣布建设自己的移动通信网络,并积极使用云原生等技术,而非专有硬件部署5G,极大的降低了网络的建设成本。

总之,5G让我们意识到,在万物互联的时代,决策的内容不仅限于一个公式内需要考虑的各种变量,还要重新考虑公式本身的合理性。

HMSNetworks 公司在名为On enabling 5G for factories and sorting the question of ownership,“为工厂启用5G并解决与其相关的所有权问题”博客中提到,在未来的工业互联网中,各个构成部分的关系和相互作用将会越来越深刻,越来越复杂,我们目前对于工厂的看法有可能需要彻底改写。

03、5G带来的变化近在眼前

5G与工业互联网的融合正在逐步落地,从目前的进展来看,主要有三个层面:

1. 边缘智能:5G有利于就近提供算力,提高数据处理性能,实现设备的实时响应。

2. 无线下沉:5G逐步下沉与TSN、工业互联网等融合,促进PLC、DCS等工业控制器通信能力的提升,让机器之间的互通更加扁平化。

3. 应用升级:利用5G搭建更宽、更广、更快和更可靠的通信基础设施,同时利用云端的超强计算能力和AI技术对海量数据进行分析和学习,可以打造云边端一体化的工业大脑。

我们分别结合几个实际例子说明。

边缘智能方面,高通公司宣布推出的全球首个支持5G和AI的机器人平台RB5是代表之一。

该平台由大量硬件、软件和开发工具组成,可以帮助开发者和制造商打造下一代具备高算力、低功耗的机器人和无人机。高通将提供视觉、传感器、电机控制、工业和通信夹层板,用于扩展系统功能。

无线下沉方面,典型的案例是利尔达携手华为,发布了“5G+PLC工业控制”解决方案。

该方案可以在此前基础上,将体积和重量均减少至原来的5%,大大降低了设备对于应用场景的要求,帮助企业快速落地应用。

应用升级方面,华为联合百度在GSMA万物生晖在线展会中,发布的《5G+AI 智能工业视觉解决方案白皮书》非常经典。

白皮书认为,5G+AI的工业视觉解决方案,通过端+ 5G网络+边缘云+云服务的协作,让工厂质量检查和缺陷识别更加高效和简便。

----写在最后----

R16标准的冻结,标志着5G第一个演进版本标准完成。

在中国移动的标准专家看来,R16标准不仅增强了5G的功能,让5G进一步走入各行各业并催生新的数字生态产业,还更多兼顾了成本、效率、效能等因素,使通信基础投资发挥更大的效益,进一步助力社会经济的数字转型。

R16标准的冻结,实现了5G从“能用”到“好用”。面向工业互联网应用,引入新技术支持1微秒同步精度、0.5-1毫秒空口时延、“6个9”可靠性和灵活的终端组管理,最快可实现5毫秒以内的端到端时延和更高的可靠性,提供支持工业级时间敏感网络。

工信部部长苗圩曾在一次接受采访时提到:5G未来20%是用于人与人通信,80%用于物与物通信。本周,5G与工业互联网紧密结合的大幕终于正式拉开。