5G对工业物联网(IIoT)应用的支持——移动云端、区块链及人工智能（终）

摘要：工业物联网(IIoT)具有特殊的通信需求，包括高可靠性、低延迟、灵活性和安全性。5G移动技术本能地提供了这些功能，使其成为支持工业物联网(IIoT)场景的成功候选。本文的目的是基于这两个领域的初始需求和承诺，识别当前与5G工业物联网相关的研究挑战和解决方案。本文的研究方法遵循以下步骤:调查研究现状，比较结果以确定进一步的挑战，并为每个研究领域的经验教训作出结论。这些领域包括IIoT应用及其需求;移动云端;后端性能调优;网络虚拟化;还有安全，IIoT的区块链，5G的人工智能支持，以及私有园区网络。除了调查当前的挑战和解决方案外，本文还旨在对这些领域(与5g支持的IIoT相关)进行有意义的比较，从而得出当前研究的不足之处。

接上文：5G对工业物联网(IIoT)应用的支持——移动云端、区块链及人工智能（二十一）

11.3 5G对业务的影响

5G的新用例目前正给服务提供商、设备制造商和整个行业带来压力。很明显，2G-3G和4G网络主要是为用户设计的。当然，大量的机器也作为终端设备连接到这些网络。5G提供的几乎未被开发的资源很可能被机器利用。这些用例可以是最简单的家用电器、汽车，当然还有复杂的工业机器人。硬实时连接= 当传感器到机器的延迟小于1毫秒时将被几个用例使用，然而大多数情况下不是人类应用程序。有了5G，我们将能够实现实时生产监控，了解我们正在订购的设备的当前状态，或预计生产的时间，并拥有来自全球任何地方的适当访问权。它还促进了实时业务的发展和服务的进步，其中精度具有巨大的业务重要性。总而言之，这意味着5G的普及将有利于整个经济。

为了了解确切的经济影响，我们必须研究这个行业的哪些部分受到了影响，影响到什么程度。关于这一现象有许多研究，当然每年都会更新或修订。根据爱立信发布的一份研究报告，预计到2026年，ICT玩家的5G产业数字化收入将达到1.3万亿美元。

在最突出的领域中，能源和公用事业占19%，工业生产占18%，值得关注的是占8%的汽车工业。就工业网络而言，工厂自然是主要的利益相关者。5G和物联网的短期影响预计在1.2万亿至3.7万亿美元之间。当然，这包括利用5G的其他高影响领域，如互联城市和车辆。

11.4 私有园区网络——工业4.0的新可能性

工业4.0的到来和发展代表了历史上类似于以往工业革命的复兴。工业1.0的革命是使用复杂的机器使工作更容易、更快，替代手工劳动。1784年第一次工业革命的主要发明是蒸汽和诸如织布机之类的链传动设备。第二次工业革命发生在19世纪70年代，大规模生产第一次出现，发展了大规模生产的技术和使能功能，如在传送带上组装，或工作流程是否总是由一个人或一小群人完成。第三次工业革命可以追溯到1969年，当时微电子技术带来了一个新的技术阶段。基于程序代码，一机器能够执行几个操作和工作流程来代替复杂的手工工作。该程序只加载一次，并根据各种传入信息非常精确地执行。第四次工业革命正在进行，生产线和机器人变得更加智能。我们能够创造机器人下载和使用程序，这意味着相同的生产线可以适应工业需要非常快的。作为一个高级示例，在一分钟内，工作站生成A类的车，而在另一分钟内，它可以创建B类的车。为了实现这一点，所有的设备都需要重新配置制造过程，并且必须连接成信息物理系统。

为了满足工业4.0标准和用例的要求，需要一个独特的网络，它可以是一个具有严格服务保障的蜂窝网络，可以是全球/国家基础设施的一部分，也可以是企业专用的私有园区网。随着用例的发展，需要系统的发展和持续的改进。对于开发的服务如何满足期望和用户需求的持续反馈也是有价值的。基于这些考虑，网络解决方案可能具有以下特点:

? 基于最新标准的解决方案:新的5G标准和架构为构建高度灵活的网络提供了机会。有些服务可以在一小部分网络元素上运行。因此，我们只能利用一小部分网络资源来满足基本的服务需求。这允许根据个别客户的需求设计服务和实现。通过标准和接口的互操作性，系统将能够协作并提供高质量的体验。

? 无限的数据消耗:除了5G，工业设备将不会与IP服务世界有其他连接，因此它们需要一个无限的数据订阅包。当然，这些资源将以有限的数据速率可用，这对于每个用例都是惟一的。

? 特定用例的专用广播、核心和IP资源:对于这些需求，显然需要专用广播、核心网络元素和IP资源。专用意味着，除其他事项外，服务仅可以由在此网络上授权的设备使用。

? 使用服务级别协议进行服务分离的QoS:为了接收适当的QoS，必须提供用于用例的有保证的SLA。人们期望机器人能不断地交流。因此，在机器类型的通信中，基于人类周期日常活动的繁忙时间解释不太可能出现。因此，在计算SLA、QoS和容量管理时，必须考虑到所有设备都在持续使用分配的资源。

? 目标:一个规划的私有园区网可以被认为是完整的，如果它实现了用例设定的目标，并且能够持续地确保它们。基本参数是吞吐量、延迟、高传输速率以及极高的可靠性和可用性(99.999%到99.999999%)。另一方面，在工业网络的当前状态下，这些还没有被很好地定义。

11.5 私有园区网络的研究空白

? 无线电接入网(RAN):公开的研究材料很少包含关于如何通过无线覆盖工业区的信息。虽然关于工业区域WiFi覆盖的研究有多种，但遗憾的是，这些研究几乎没有涉及到蜂窝覆盖的案例研究。工业现场的测量标准化机构提供了很大的反馈。很明显，在一个制造商的环境中，不同的钻孔、切割、压合和焊接机器都在工作，而无线电干扰很难通过理论方法进行精确建模。为了得到合适的基准数据，必须进行多方位的测量执行和分析。此外，TSN的出现是一个令人兴奋的方向，但需要进一步研究其实际的、可扩展的可行性。

? 网络切片:尽管网络切片的理论非常丰富，但是在这个阶段，关于实际实现和来自行业反馈的信息非常少。有必要检查这些终端和标准是如何工作的，以及它们是否符合工业部门的需要。

? 核心网络编排:很明显，系统和体系结构需要根据相关工业企业的需要进行设计。要做到这一点，首先需要映射传输技术参数，这些参数大部分是客户不知道的，然后建立相应的网络。虽然这类方法的理论研究已经存在，但还需要详细阐述。

? 网络与服务监控:工业移动网络的生命周期未知。私有园区网络将以一种相对封闭和安全的方式运行，终端设备必须对联网人员开放以供监督。人们对这里所涉及的过程和任务有更深入的理解是至关重要的，同时需要探索这个领域中主动维护的可能性。

12.结论:整合的挑战和研究空白

5G对工业物联网支持的主要挑战可以分为以下几类。

? 证明QoS指标满足现实生活中的需求:延迟、抖动、丢失、吞吐量和可用性，以及这些指标的可靠性;

? 各种网络元素和网络段的互操作性;一致性测试;

? 符合保安规定及处理私隐问题;

? 可扩展性:同时满足高密度、大规模物联网和URLLC标准;

? 提供有效的设备到设备解决方案，不仅是设备到云;

? 利用多址边缘计算的能力，换句话说，移动边缘云;

? 高效、经济的NFV和SDN解决方案;

? 大规模部署、网络和终端运营和维护;

? 标准化将更快，创建牢固的接口以及允许进化;

? 利用新兴技术，如分布式账本和智能服务契约，为多方利益相关者提供灵活、安全、可靠的数据管理;

? 利用人工智能技术解决网络、服务和资源管理方面的挑战;

? 部署专用园区网络。

本文通过不同章节总结了“经验教训”和“研究空白”，总结了5G支持的工业物联网挑战、解决方案和研究空白相关的主要信息。

（全文完）

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我是您身边的区块链研究员，如果您有志于区块链或者交易技术的学习，欢迎和我交流。微信：chanhai13。更多文章请添加微信公众号：链学园。原文名称： 5G support for Industrial IoT Applications— Challenges, Solutions, and Research gaps

作者：Pal Varga, Jozsef Peto

原创翻译：区块链研究员（区块链Robin）

英文源自Budapest University，译文有编辑及删减，如有侵权，请联系译者删除。

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编译者/作者：区块链研究员

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