Industrial IoT Networks Powered by 5G New Radio

Amitava Ghosh, Rapeepat Ratasuk and Anil M. Rao

Nokia Bell Labs，美国伊利诺伊州内珀维尔

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由工业物联网（IIoT）引发的第四次工业革命（工业4.0）将通过新型数字服务提供商市场实现可观的收入增长。IIoT革命的主要技术推动力将包括：1)无需线缆并支持时间同步操作的5G无线融合自动化协议，2)用于实现安全且可扩展本地计算的私有边缘云，3)应用于IIoT网络的深度切片，可实现用一个基础架构支持多方，4)支持机器学习（ML）的自动化操作，用以监控、预测并优化IIoT网络。此外，IIoT网络在连接性和设备数量方面均可扩展，并借助LTE和5G NR的关键特性如URLLC、mMTC、5G定位、TSC及一定程度的eMBB，为所有工业应用提供最佳性能。

本文中，我们将首先阐述IIoT的概要、用例和要求。其次我们将探讨URLLC（超可靠低时延通信）在NR（新空口）中的应用基础，这点在3GPP Rel-15中有涉及，主要目的是为了支持IIoT。然后我们会介绍Rel-16中IIoT的几个相关功能，例如URLLC增强、NR定位和TSC（时间敏感通信），还有计划将在Rel-17中推出的NR变体版本NR-Light。NR-Light旨在解决NR eMBB（增强型移动宽带）、URLLC或mMTC（海量机器通信）无法满足的用例。最后，我们将借助5G NR的关键功能URLLC和TSC来展示一家仿真室内工厂的系统性能。

由5G网络支持的IIoT将为OEM厂商和网络运营商创造新价值，并实现可观的收入增长。IIoT能基于共享的弹性虚拟可扩展基础架构，通过工业自动化提高效率。它将由5G NR的关键功能驱动，如URLLC、5G定位、TSC以及一定程度的eMBB。IIoT也会采用针对LTE的MTC技术，也即增强型MTC（eMTC）和窄带物联网（NB-IoT）。3GPP Rel-15标准中阐述了URLLC的基础。随着关于前文这些功能的后续3GPP标准（Rel-16和Rel-17）的颁布，IIoT网络将得到进一步完善。^1-2

IIoT用例及要求

图1展示了具备相应5G技术特性的工业4.0用例。工业4.0两个主要的垂直行业是制造业和运输/物流业。对于未来的工厂而言，在提高生产率的同时也要注意提高安全性和成本效益；必须实现流程自动化，同时最大化生产运行时间以减少业务中断，从而取得更高的效率、竞争力和投资价值。与此同时，还需要降低碳排放并节约能源。为了实现上述目标，会引入产品的大规模个性化、为生产灵活性而实施的基于AI技术的自动检测、监测及分析、以及使供应链可快速重配置的数字价值链平台。未来运输/物流行业的目标是利用现有基础架构来提高吞吐量、消除寄递损耗和运输时延，并确保IT基础架构和控制系统具有弹性。为此，运输/物流行业将会大量应用AI控制的自动引导车（AGV）来实现最大吞吐量、弹性和安全控制系统，还有大型仪表，从而将碳足迹降至最低。

5G NR在eMBB、URLLC和mMTC这三个最主要的应用领域为工业4.0创造了新的价值。表1列举了一家典型工厂厂房在可靠性、时延、数据速率和连接密度方面的要求。同时，它还写明了满足用例要求所需的不同5G技术。

诺基亚在其于芬兰奥卢举办的5G“未来工厂”中为我们拉开了工业4.0的序幕。³这一预生产设施采用了诺基亚的专用无线网络和边缘云来实现工厂内外所有资产的安全连接。

URLLC基础

3GPP为URLLC用例制定了两个关键要求⁴：1、目标用户的平均时延为下行0.5ms、上行0.5ms，2、32字节数据包可靠性达99.999%，用户时延为1ms。URLLC同时要求极高的可靠性和极低的时延，非常难满足。不过，如表1所示，许多IIoT用例不需要兼具高可靠和低时延。为此，3GPP Rel-15已经分别指定了两个物理层