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摘要：虽然当前5G+工业互联网仍存在一些问题和挑战，但是5G技术本身也在不断地发展和完善中。5G+工业互联网正在从点状示范应用逐步向面状应用和系统应用发展。这一过程需要产业生态圈内各类企业协同合作，共同发现产业需求、创新应用和交付项目，探索并践行商业模式，以实现5G+工业互联网的良性发展。本文就5G内网下的工业互联网展开了相关探究。
关键词：5G内网；工业互联网；5G技术
引言：
工业制造是中国经济发展和参与大国竞争的基石，也是振兴实体经济的重要抓手。工业互联网则是实现工业全系统、全产业链、全价值链连接和支撑工业智能化发展的关键基础设施，是新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态和应用模式，是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体。工业互联网作为关键基础设施、全新工业生态和新型应用模式，其精髓及优势在于规模化的资源调度与共享。
1 工业互联网对5G内网的需求
当前工厂的网络架构一般分成IT网络和OT网络，OT系统比较封闭，与IT系统存在隔离。若要实现工厂的智能化，所有设备要能连接到一个IT和OT完全融合的网络上，实现直接的互通互联。工厂有特殊的工况环境，如高温、高湿、噪声、粉尘，工业内网的网络连接数量多、带宽大、移动性强、稳定性要求高。柔性制造对机械设备的移动性提出了要求，生产线不再是一成不变，而是要快速转产，工厂内网要能自适应这种频繁变更。有线网络当然是一个选择，但综合布线的条件在工厂内有很大制约，并且无线场景的需求越来越多，这一张融合的内网不仅要承载不同的系统信息，还要实现不同的服务质量，并且要综合考虑灵活性、成本、通用性，这样的网络可选项并不多。现有工控网络如现场总线、工业以太网、工业无线等在移动性、易部署性等方面不能满足智能制造的通信需求。5G内网能够更好地满足工业应用对可靠性、连接密度、QoS和定位精度等多方面高性能的要求。
2 工业网络面临的问题和挑战
当前，工业网络仍面临诸多问题，这主要体现在以下3个方面：（1）不够开放和友好，这是由传统工业厂家的格局和市场来决定的。大多数的工业协议都是封闭化的结构设计，拥有严格控制的对外接口。（2）不够弹性和灵活，扩展和调整的难度比较大。（3）不适应业务发展的需要，部署和运维的成本比较高。由于工业网络涉及到有线和各类无线，加之在现场都有应用，所以它难以融合新技术的变革，对现有技术和架构产生了很大的阻碍影响。在无线网络方面，现有工业无线网络尚存在以下几个方面的挑战：（1）可靠性和稳定性。工业场合对可靠性和稳定性的要求比较高，而无线传输的可靠性、稳定性与有线的方式相比还不具备突出优势。（2）刷新速度。工业系统对刷新速度要求比较高，而无线通信较难实现高速刷新，同时难以实现大量终端的同时在线连接。（3）网络安全。无线网络被入侵和干扰的风险较高，网络安全得不到保障。（4）传感器无线供电。虽然无线网络缩短了通信的线路，但是仍解决不了供电线的问题。对传感器进行无线供电目前仍是一个无法产业化的问题。（5）无线工业领域协议及标准。有线领域的标准协议历经几十年才被逐渐规范，在无线工业领域，这些协议又被重新定义一遍。（6）电磁辐射和干扰。由于很多无线网络会产生电磁辐射，在面向特殊行业（石油、井工矿等）时，必须考虑防爆和隔爆的特殊要求。
3 我国5G在工业领域应用特点和优势
除了人们熟知的3个特点之外，5G在工业领域的几个比较重要特征包括：
3.1 网络切片
网络切片是5G网络不同于其他网络的一个重要的特征，也就是说，一张物理网络可以虚拟出不同的子网络，以满足工业领域不同业务的应用场景要求。整个5G网络还支持端到端的编排管理，可以根据不同的业务要求进行弹性扩张或者收缩。
3.2 工业领域的超可靠低时延通信（URLLC）
目前，R16标准已经被冻结，URLLC标准在原有的增强移动宽带（eMBB）的基础上，时延得到了进一步降低。在eMBB场景下跨核心网网元时，整个端到端时延在理想情况下为20ms左右。即使是单向的控制指令，从云端发到终端，时延也需要6ms左右。在URLLC标准出来之后，整个端到端时延可以达到5ms。如果单向地从云端向终端发射指令，时延可以小于1ms。URLLC奠定了5G在工业领域应用的地位。
3.3 时延抖动和确定性
与其他消费领域应用不同，工业领域应用要求不仅时延要低，还要保证时延的确定性，即同样一个指令，这次1ms送达，下次还要1ms送达，而不是这次1ms送达，下次20ms才送达。这是因为时延抖动和不确定性将对工业领域的生产造成很大影响，甚至可能会造成灾难性的事故[1]。通过5G面向传输隧道时间标签技术和控制技术，可以把时延抖动控制到微秒级，以保证报文次序的收发，这对工业现场网络是非常重要的。
4 基于5G内网的工业互联网应用模式
5G网络核心网采用服务化架构（SBA，Service Based Architecture），并且提供了网络切片功能，这使得5G内网的建设模式多样，比较灵活。
4.1 网络切片虚拟内网是指通过网络切片技术在公网上虚拟出一个逻辑隔离的内网，不同于VPN技术，切片内网是从CT角度，从接入网、承载网和核心网打通了整个链条的专用通道，安全性和QoS大大提高[2]。在接入网，切片技术可以分配公网用户和内网用户频谱资源，并调整用户优先级；在核心网，控制面与用户面也使用切片技术做隔离。这样就保证了端到端全链条的逻辑隔离，降低传输时延的同时，保证内网数据安全。
4.2 UPF下沉内网UPF（User Plane Function，用户面）下沉内网是指将核心网的UPF下沉到工业企业，接入网侧与公网用户共享，但部分无线频率为内网独占。在接入网，基站由运营商建设，公网与内网用户共用，考虑工业园区公众用户密度不高，可以划分部分公网无线频率给内网独占，保证互不干扰[3]。在核心网，控制面由内网和公网用户共享，但做了逻辑隔离，使两方数据不互通，用户面已下沉至工业企业内，企业内的数据只经过本地UPF，数据不出厂，内网数据传输可靠。同时保证公网用户的数据不经过企业UPF，直接进入公网核心网。
4.3 5GC（5G Core Network，5G核心网）下沉内网是指将整个核心网（包括控制面和用户面）完全下沉至工业企业，由于5G无线频段属于授权频段，基站一般与公网用户共享，划分部分频率为内网独占[4]。在接入网，与UPF下沉内网相同，公网专网用户的频率占比可视实际情况而定；在核心网，内网用户的信令信息和数据信息都经由独占频率接入本地5GC，实现卡号、数据、应用的所有信息都完全不出厂。同时保障了工业企业内的公网用户使用体验，公网用户经公网频率进入公网5GC，不会与5G内网发生交互。
结束语：
总之，工业互联网是新兴的IT技术、新一代的CT技术和工业自动化OT技术融合的制造新生态，是当前促进工业发展的重要手段。世界各制造大国都根据自身发展，提出了产业升级的方向，工业互联网作为中国制造业转型的有力抓手，应用前景广阔。随着工厂向柔性化智能化方向发展，5G作为工厂内网的一种选择优势渐显。工厂内搭建5G内网是IT、OT、CT融合的有力切入点，是5G用于垂直行业的重要抓手。5G能够满足大部分的工业通信需求，为工业通信提供了一个有效的可选项。5G凭借eMBB、uRLLC、mMTC的优异性能，为万物互联打造了良好的网络基础，辅以垂直行业应用，为工业互联网打通供产销全要素提供了支撑。
参考文献：
[1]刘多.推动5G与工业互联网融合发展[J].互联网天地，2019（12）：2-5.
[2]刘洋，安岗.工业互联网融合5G网络切片技术演进发展浅析[J].信息通信技术，2019，13（S1）：27-31+56.
[3]杨鑫，时晓厚，沈云，熊小敏，段惠斌，朱雪田.5G工业互联网的边缘计算技术架构与应用[J].电子技术应用，2019，45（12）：25-28+33.
[4]杜加懂.5G与工业互联网融合应用的思考[J].信息通信技术与政策，2019（11）：45-47.