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5G与工业4.0到底有什么关系

2018/5/10    来源:食品科学与技术    作者:佚名      
关键字:5G  工业4.0  
5G将加速第四次工业变革并已上升为国家战略地位,它们之间到底有啥关系?

    物流

    在物流方面,从智能仓库管理到物流配送,均需要广覆盖、深覆盖、低功耗、大连接、低成本的5G物联网连接,这对应了5G的mMTC场景。

    此外,虚拟工厂的端到端整合跨越产品的整个生命周期,要连接分布广泛的已售出的商品,也需要低功耗、低成本和广覆盖的5G物联网,这也对应了5G的mMTC场景。

    企业内部/企业之间的横向集成也需要无所不在的、无缝的5G联网。“随时随地设计,随时随地生产”是智能工厂的雄心壮志,进而要求网络必须适应即时变化的容量和移动性要求,乃至能灵活融合各种不同的无线接入技术,因此,5G网络的包容性和支持业务的多样性不可或缺。

    综上,未来工厂离不开5G的连接能力,但5G网络要一张网络支持eMMB、URLLC和mMTC三大场景,离不开另一大关键技术——网络切片。

    网络切片

    我们应该不止一次解释过网络切片。所谓网络切片,就是将一张物理网络切成多张相互独立的、逻辑的切片子网络,这些“切片网络”共享物理基础设施,分别提供不同的服务类型,应对不同的场景。

网络切片

图7 网络切片

    我们经常把4G网络比喻为高速交通系统,你可以把5G网络切片比喻为一个城市综合交通系统,有公路、地铁、轻轨、BRT,还有人行道、自行车道等等,不同的交通系统应对人们不同的需求。

    要创建和管理网络切片,需要NFV和SDN两大技术。

    NFV,即网络功能虚拟化,其构架在横向分为三层:物理资源层、虚拟化层和服务层,纵向是NFV管理编排(MANO)层。

NFV构架

图8 NFV构架

    物理资源层指底层的计算、存储、网络等物理资源。

    虚拟化层是指用于部署和执行网络功能的一组虚拟资源,它通过对底层物理资源虚拟化,以虚拟机(VM)的形式共享底层物理资源,一个虚拟机可包含一定数量的计算和存储资源。

    服务层由一系列由虚拟资源构建的VNF(虚拟网络功能单元)组成,VNF可以理解为是对应网络中现有物理网元的模块化的软件功能实体。

    以上三层由MANO负责编排管理,MANO根据需求分配资源,为NF(网络功能)配置物理和虚拟资源。

    NFV负责各种网元的虚拟化,它将传统电信设备软硬件解耦,而SDN主要负责将每一个网络节点的控制面和数据面分离,并将控制面抽取出来组成一个独立的、集中的控制器(SDN Controller),这个控制器相当于网络的中枢大脑,它从更高的层次俯视整个网络,并下发指令统一管理网络中的多层转发,控制信令不再是口口相传,而是集中智能管理。打个比方,如果把网络比喻为人体,人身上的眼、耳、鼻、手、足等这些人体器官对应不同的NF(网络功能),那么,SDN就相当于大脑,控制各个器官协调工作。

网络切片原理

图9 网络切片原理

    基于NFV/SDN技术,一张5G物理网络“切”成多个逻辑网络,服务于工业4.0的不同场景。

    网络切片还有一个关键特征——端到端的QoS保障。传统的无线服务主要以“尽力而为”的方式提供,每个人共享网络和无线资源,但工业应用要求更严苛的QoS(网络服务质量),网络切片不但能提供端到端的QoS保障,还能隔离不同服务,满足未来工厂不同的服务需求。

    当运营商为工业4.0创建了个性化的网络切片之后,每个网络切片满足不同的用例和行业特定需求,这就打开了全新的、定制化的网络切片即服务(NSaaS)的服务模式,也未来传统制造商向综合产品服务提供商转型,引入新的商业模式和商业生态奠定了基础。我们将看到未来更多的网络切片、网络子切片应用于工业4.0。

网络切片即服务(NSaaS)

图10 网络切片即服务(NSaaS)

    以上关于网络切片的介绍有点抽象,我们来举一个应用案例。

    以定制化制药为例。假设某家制药厂在全球分布有10家分厂,每一家分厂内的制药流程都是一样的,即通过控制安装在机器手臂上移液器来分配药品的药物成分。与以往制药过程不同,现在叫“定制化制药”,即根据不同类型的患者来分配药物成分的类型和数量,为此,这10家分厂均要通过5G网络连接到云端,云端存储海量的患者信息数据,并通过大数据分析和人工智能确定针对不同类型患者的药物成分,在生产过程中机器手臂需实时通过5G网络连接到云端,并根据云端的指令实时的进行配药。

    这一案例对应了5G URLLC场景,需依靠具备端到端QoS保障的5G网络切片才能实现。同时,在生产过程中工人们利用可穿戴设备、AR技术等新的人机界面(HMI)来监视生产过程,并实时增强显示来自云端的视频,以及生产线上安装无数传感器来实现自动化流程等,这些场景还需要其他的5G网络切片来实现。

责任编辑:程玥
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