《5G互联工业和自动化白皮书）前面两个部分介绍了工业互联网领域应用5G和工业场景的需求两个部分，本文介绍基本的5G系统结构以及实现5G系统的高性能关键技术。
（一）基本的5G系统架构
5G系统的主要功能领域是访问、传输、管理、云服务和应用，包括网络功能和第三方应用。传统上，接入、传输和管理一直是蜂窝行业的关键领域。
云服务及其应用是传统的信息技术领域，已经逐渐成为蜂窝系统不可分割的一部分。接入域支持远程站点和设备/装置之间的连接。传输网络通过猪肝节点互联互通，主干节点将信息从接入节点传送到数据中心，在数据中心存储大部分数据并管理网络。
智能工厂场景的示例性5G系统架构如下图所示，它说明5G可以提供工厂内部和与其他工厂的通信。
支持5G的智能工厂场景
5G系统包括控制平面和数据平面。大多数控制平面智能（移动性管理、会话管理等）位于数据中心，而大多数数据平面智能则位于接入网络，例如调度、QoS、多用户）。
与TSN相似的是，5G网络包含一个管理和应用程序域，该域可能部分运行在云技术上。5G系统中的网络管理实体自动化并管理一系列生命周期管理过程。
此外，它们协调由应用程序、云、传输和访问资源组成的复杂动态系统。
最后，应用程序（包括许多网络应用程序）可以在云环境中运行（访问节点中的专用功能除外）。应用程序可以是逻辑上集中的，也可以是分布式的，这取决于需求。
5G可以被描述为模块化通信系统，具有内置的隐私和安全性，这是建立在云方法上，并且可以灵活地配置，以满足不同的服务需求。
（二）5G关键技术
下文简要概述了每种基本5G服务的一些主要关键技术，例如URLLC、eMBB和mMTC。此外，还简要介绍了其它重要方面，例如移动性、QoS、安全性和切片。
超可靠的低延迟通信的延迟和可靠性（URLLC）
对于URLLC，5G的第一个版本已经具有在5G无线电接口上实现1毫秒延迟和99.999%可靠性的能力。例如，允许在特定限制时间内可靠地传输大小仅为几个字节的小数据包，而这正是闭环控制应用所要求的。
通过引入短传输时隙来实现低延迟通信，从而允许更快的上行链路和下行链路传输。通过灵活的调整来减少传输持续时间和间隔，既减少了空中等待时间，又减少了等待下一个传输机会时引起的发射延迟。
例如，通过使用鲁棒的调制和编码方案（MCS）和分集/冗余技术，可以实现高可靠性。使用已知的信道编码方案，例如3GPP Release 15中用于数据信道的Turbo码或低密度奇偶校验码（LDPC），以及用于控制信道的截尾卷积码（tail-biting convolutional）、Reed-Müller码或极化码（Polar codes），预计将进一步改进以满足智能工厂的需求。
而冗余可以通过诸如多天线、频率或时间分集等各种方式提供。
另一种可能的分机技术是通过多载波或多个传输点的多连接，其中设备通过多个频率载波连接到无线网络。
3GPP中定义了多种多样的连接性。虽然这些特性以前侧重于通过聚合所使用的不同载波的资源来提高用户吞吐量，但近来的重点已转移到提高传输可靠性上。
eMBB的数据速率
对于eMBB，5G将支持在下行20Gb/s和上行10Gb/s的峰值速率。如此高的数据速率主要是由高达400MHz的系统带宽，加上使用大量天线的大规模MIMO和更高的调制阶数（例如256 QAM或更高版本）来实现的。
5G打算支持从低于1GHz到高达86GHz的载波频率上运行，并支持可豁免频谱中的操作。尤其在高于6Ghz的相当高的载波频率上，仍然有很大一部分频谱可用。
然而，必须考虑到，在如此高频率下的传播条件可能是相当具有挑战性的，因为信号很容易被墙壁甚至人体阻挡。
mMTC的低复杂度、电池寿命、覆盖率和设备密度
对于mMTC的使用，5G的连接密度将远远超过每平方公里一千万台设备的要求，覆盖范围提高20dB（耦合损耗为164dB），电池寿命超过10年。
每平方公里的设备数量是通过使用有效的信令来实现的。覆盖范围的扩展（比4G好20dB）是通过对发送信息进行时间重复以及减少有效频率带宽来实现的。
通过限制传输带宽（达到1MHz或更小）、峰值速率（几百kb/s）和输出功率（20dBm），可以实现较低的设备复杂度和成本（小于几美元）。此外，使用半双工传输来避免双工滤波器。最终，通过延长不连续接收时间来延长设备的睡眠模式，可以实现较长的电池寿命（5-10年）。
移动性
在某些使用案例中，诸如自动驾驶车辆，具有安全功能的移动机器人和移动控制面板，要求无缝移动以实现可靠的操作和普遍的连接性。
5G具有强大的移动性机制，能够在各种情况下，例如不同的小区、高速设备和异构传播环境中，支持跨网络的无缝移动性。
程序是由网络配置的，允许对性能进行细粒度的控制。将设备同时连接到多个基站的多连接性，可以进一步提高移动性能。
服务质量
流量分类和优先级排序是工业网络的重要要求。5G提供了一种灵活的QOS框架，可以支持在同一网络上具有一定QoS要求的业务流。
3GPP中的流量分类规则最近得到了增强，增加了以太网帧头，以便更好地支持工业网络中使用的协议（参见3GPP TS 23.501）。
安全
5G包括强大的E2E安全性。特别是，支持设备和网络之间的相互认证。所有传输的数据在设备和网络之间加密E2E。5G还支持具有可扩展认证协议（EAP）和强加密的灵活认证框架，同时满足严格的延迟要求。
网络切片
传统的电信系统已经建立在物理实体删个，为所有类型的服务提供一个单一的网络；这个网络已经被静态地配置而不灵活地用于服务提供。
虽然通过QoS方法可以区分服务，但是没有严格的性能保证，特别是对于关键服务类型。网络切片的概念是5G的一个重要的新特性，它使得基于通用物理基础架构的用例能够满足多种需求。
尤其是网络切片允许建立多个逻辑/虚拟网络来处理不同的用例，这些逻辑网络在公共物理基础架构上同时运行。根据特定垂直行业的用例需求，可以使用有保证的SLA定制不同的逻辑网络。此类逻辑网络在5G术语中称为网络切片。
如前所述，3GPP版本15考虑了三种基本服务类型，即eMBB、mMTC和URLLC。
切片可以用作以最佳且理想的方式分离这些服务的方式：例如：可以为每个服务设置单独的网络切片。在性能方面（例如延迟、吞吐量、可用性、弹性、可靠性），每个切片可以很好地满足不同用例的要求。
工业应用场景的5G网络切片
除了满足性能要求外，网络切片还可以解决制造用例的功能需求，例如安全性。例如，可以使用更高级和自定义的安全保护机制设计网络切片，这可能与其它网络切片中使用的机制有很大不同。
此外，为了实现高度隔离，可以将专用资源专门分配给网络切片，而无需与其它网络切片共享。
最后，网络切片可以解决不同制造用例的操作需求。
不同的工业应用可能有不同的监测和数据收集要求。此外，一个工厂可以动态地承载其自身的生产负载及其客户的生产负载；因此，可以为其客户使用的特定网络切片定制收费/计费机制。为了实现这一愿景，网络切片是一个E2E系统架构解决方案，应用于每个5G域，即访问、传输、云等。
一个片可能是一个工厂内的纯本地切片（如“切片B”），但也可能包括公共网络，例如用于连接两个不同工厂（如“切片C”）或用于建立倒运的连接（如“切片A”）。
5G网络切片提供的服务奖改变制造业的传统工程方法，因为它将允许按需动态工程解决方案，从灵活地重新配置自适应及其到通过提供确定性、安全性和可扩展性的设备、机器和系统，以及可靠的连接。网络切片还可以扩展到单个工厂之外，因为它允许在全球范围内进行跨工厂通信。
沈阳凯林科技成立于2013年。专注于全息互动显示设备研发和3D视觉创意设计。主要经营3D建模、3D动画设计、VR仿真开发、3D工业数字孪生、倾斜摄影3D建模、医学影像3D重建、风扇屏游戏互动开发、庆典活动的裸眼3d全息屏幕大屏租赁。作为国内研发实力最强、技术储备最为雄厚的商业全息显示方案供应商，涵盖了多种显示方案和应用领域。用创新改变视觉效果，红狐视觉视觉为多彩地球助力百度账号名称：长江工资
（一）基本的5G系统架构
5G系统的主要功能领域是访问、传输、管理、云服务和应用，包括网络功能和第三方应用。传统上，接入、传输和管理一直是蜂窝行业的关键领域。
云服务及其应用是传统的信息技术领域，已经逐渐成为蜂窝系统不可分割的一部分。接入域支持远程站点和设备/装置之间的连接。传输网络通过猪肝节点互联互通，主干节点将信息从接入节点传送到数据中心，在数据中心存储大部分数据并管理网络。
智能工厂场景的示例性5G系统架构如下图所示，它说明5G可以提供工厂内部和与其他工厂的通信。
支持5G的智能工厂场景
5G系统包括控制平面和数据平面。大多数控制平面智能（移动性管理、会话管理等）位于数据中心，而大多数数据平面智能则位于接入网络，例如调度、QoS、多用户）。
与TSN相似的是，5G网络包含一个管理和应用程序域，该域可能部分运行在云技术上。5G系统中的网络管理实体自动化并管理一系列生命周期管理过程。
此外，它们协调由应用程序、云、传输和访问资源组成的复杂动态系统。
最后，应用程序（包括许多网络应用程序）可以在云环境中运行（访问节点中的专用功能除外）。应用程序可以是逻辑上集中的，也可以是分布式的，这取决于需求。
5G可以被描述为模块化通信系统，具有内置的隐私和安全性，这是建立在云方法上，并且可以灵活地配置，以满足不同的服务需求。
（二）5G关键技术
下文简要概述了每种基本5G服务的一些主要关键技术，例如URLLC、eMBB和mMTC。此外，还简要介绍了其它重要方面，例如移动性、QoS、安全性和切片。
超可靠的低延迟通信的延迟和可靠性（URLLC）
对于URLLC，5G的第一个版本已经具有在5G无线电接口上实现1毫秒延迟和99.999%可靠性的能力。例如，允许在特定限制时间内可靠地传输大小仅为几个字节的小数据包，而这正是闭环控制应用所要求的。
通过引入短传输时隙来实现低延迟通信，从而允许更快的上行链路和下行链路传输。通过灵活的调整来减少传输持续时间和间隔，既减少了空中等待时间，又减少了等待下一个传输机会时引起的发射延迟。
例如，通过使用鲁棒的调制和编码方案（MCS）和分集/冗余技术，可以实现高可靠性。使用已知的信道编码方案，例如3GPP Release 15中用于数据信道的Turbo码或低密度奇偶校验码（LDPC），以及用于控制信道的截尾卷积码（tail-biting convolutional）、Reed-Müller码或极化码（Polar codes），预计将进一步改进以满足智能工厂的需求。
而冗余可以通过诸如多天线、频率或时间分集等各种方式提供。
另一种可能的分机技术是通过多载波或多个传输点的多连接，其中设备通过多个频率载波连接到无线网络。
3GPP中定义了多种多样的连接性。虽然这些特性以前侧重于通过聚合所使用的不同载波的资源来提高用户吞吐量，但近来的重点已转移到提高传输可靠性上。
eMBB的数据速率
对于eMBB，5G将支持在下行20Gb/s和上行10Gb/s的峰值速率。如此高的数据速率主要是由高达400MHz的系统带宽，加上使用大量天线的大规模MIMO和更高的调制阶数（例如256 QAM或更高版本）来实现的。
5G打算支持从低于1GHz到高达86GHz的载波频率上运行，并支持可豁免频谱中的操作。尤其在高于6Ghz的相当高的载波频率上，仍然有很大一部分频谱可用。
然而，必须考虑到，在如此高频率下的传播条件可能是相当具有挑战性的，因为信号很容易被墙壁甚至人体阻挡。
mMTC的低复杂度、电池寿命、覆盖率和设备密度
对于mMTC的使用，5G的连接密度将远远超过每平方公里一千万台设备的要求，覆盖范围提高20dB（耦合损耗为164dB），电池寿命超过10年。
每平方公里的设备数量是通过使用有效的信令来实现的。覆盖范围的扩展（比4G好20dB）是通过对发送信息进行时间重复以及减少有效频率带宽来实现的。
通过限制传输带宽（达到1MHz或更小）、峰值速率（几百kb/s）和输出功率（20dBm），可以实现较低的设备复杂度和成本（小于几美元）。此外，使用半双工传输来避免双工滤波器。最终，通过延长不连续接收时间来延长设备的睡眠模式，可以实现较长的电池寿命（5-10年）。
移动性
在某些使用案例中，诸如自动驾驶车辆，具有安全功能的移动机器人和移动控制面板，要求无缝移动以实现可靠的操作和普遍的连接性。
5G具有强大的移动性机制，能够在各种情况下，例如不同的小区、高速设备和异构传播环境中，支持跨网络的无缝移动性。
程序是由网络配置的，允许对性能进行细粒度的控制。将设备同时连接到多个基站的多连接性，可以进一步提高移动性能。
服务质量
流量分类和优先级排序是工业网络的重要要求。5G提供了一种灵活的QOS框架，可以支持在同一网络上具有一定QoS要求的业务流。
3GPP中的流量分类规则最近得到了增强，增加了以太网帧头，以便更好地支持工业网络中使用的协议（参见3GPP TS 23.501）。
安全
5G包括强大的E2E安全性。特别是，支持设备和网络之间的相互认证。所有传输的数据在设备和网络之间加密E2E。5G还支持具有可扩展认证协议（EAP）和强加密的灵活认证框架，同时满足严格的延迟要求。
网络切片
传统的电信系统已经建立在物理实体删个，为所有类型的服务提供一个单一的网络；这个网络已经被静态地配置而不灵活地用于服务提供。
虽然通过QoS方法可以区分服务，但是没有严格的性能保证，特别是对于关键服务类型。网络切片的概念是5G的一个重要的新特性，它使得基于通用物理基础架构的用例能够满足多种需求。
尤其是网络切片允许建立多个逻辑/虚拟网络来处理不同的用例，这些逻辑网络在公共物理基础架构上同时运行。根据特定垂直行业的用例需求，可以使用有保证的SLA定制不同的逻辑网络。此类逻辑网络在5G术语中称为网络切片。
如前所述，3GPP版本15考虑了三种基本服务类型，即eMBB、mMTC和URLLC。
切片可以用作以最佳且理想的方式分离这些服务的方式：例如：可以为每个服务设置单独的网络切片。在性能方面（例如延迟、吞吐量、可用性、弹性、可靠性），每个切片可以很好地满足不同用例的要求。
工业应用场景的5G网络切片
除了满足性能要求外，网络切片还可以解决制造用例的功能需求，例如安全性。例如，可以使用更高级和自定义的安全保护机制设计网络切片，这可能与其它网络切片中使用的机制有很大不同。
此外，为了实现高度隔离，可以将专用资源专门分配给网络切片，而无需与其它网络切片共享。
最后，网络切片可以解决不同制造用例的操作需求。
不同的工业应用可能有不同的监测和数据收集要求。此外，一个工厂可以动态地承载其自身的生产负载及其客户的生产负载；因此，可以为其客户使用的特定网络切片定制收费/计费机制。为了实现这一愿景，网络切片是一个E2E系统架构解决方案，应用于每个5G域，即访问、传输、云等。
一个片可能是一个工厂内的纯本地切片（如“切片B”），但也可能包括公共网络，例如用于连接两个不同工厂（如“切片C”）或用于建立倒运的连接（如“切片A”）。
5G网络切片提供的服务奖改变制造业的传统工程方法，因为它将允许按需动态工程解决方案，从灵活地重新配置自适应及其到通过提供确定性、安全性和可扩展性的设备、机器和系统，以及可靠的连接。网络切片还可以扩展到单个工厂之外，因为它允许在全球范围内进行跨工厂通信。
沈阳凯林科技成立于2013年。专注于全息互动显示设备研发和3D视觉创意设计。主要经营3D建模、3D动画设计、VR仿真开发、3D工业数字孪生、倾斜摄影3D建模、医学影像3D重建、风扇屏游戏互动开发、庆典活动的裸眼3d全息屏幕大屏租赁。作为国内研发实力最强、技术储备最为雄厚的商业全息显示方案供应商，涵盖了多种显示方案和应用领域。用创新改变视觉效果，红狐视觉视觉为多彩地球助力百度账号名称：长江工资
