5G如何解決傳輸可靠性的問題？

導(dǎo) 讀

為什么R16標(biāo)準(zhǔn)如此重要？我們知道，5G有3個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，最具挑戰(zhàn)性的就是對(duì)于超高可靠、超低時(shí)延場(chǎng)景uRLLC的支持，這是5G走入萬物互聯(lián)階段必須具備的網(wǎng)絡(luò)基石。

本周有兩條絕對(duì)不容錯(cuò)過的重大新聞，一個(gè)是線上展會(huì)“GSMA·萬物生暉”正式開幕，來自世界各地的行業(yè)領(lǐng)袖，針對(duì)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿趨勢(shì)展開討論，觀看之后收獲頗多。

另一個(gè)是5G又有了新的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，7月3日晚間23點(diǎn)，國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP（第三代移動(dòng)通信合作伙伴計(jì)劃）宣布R16標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)，業(yè)內(nèi)翹首以盼的里程碑事件終于完成。

R16標(biāo)準(zhǔn)在網(wǎng)絡(luò)能力擴(kuò)展、潛力挖掘以及降低運(yùn)營成本等方面，做出了諸多改進(jìn)：包括對(duì)超可靠低延遲通信（uRLLC）的增強(qiáng)、對(duì)垂直行業(yè)和局域網(wǎng)服務(wù)的支持、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的支持與擴(kuò)展、增強(qiáng)V2X車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to Everything）的支持、5G定位和定位服務(wù)、5G衛(wèi)星接入、無線和有線融合增強(qiáng)、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)切片、支持無線NR-U免許可頻譜設(shè)計(jì)等。

為什么R16標(biāo)準(zhǔn)如此重要？

你肯定知道，5G有3個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（uRLLC）。

在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，最具有挑戰(zhàn)性的就是對(duì)于超高可靠、超低時(shí)延場(chǎng)景uRLLC的支持，這是5G走入萬物互聯(lián)階段必須具備的網(wǎng)絡(luò)基石。無論是工業(yè)場(chǎng)景還是自動(dòng)駕駛的汽車，都不允許通信產(chǎn)生任何中斷或者延遲，否則后果難以設(shè)想。

正是因?yàn)閡RLLC對(duì)于5G的發(fā)展有著非比尋常的深刻意義，它是5G面向關(guān)鍵性任務(wù)提供通信服務(wù)的場(chǎng)景，所以3GPP花費(fèi)了大量時(shí)間論證其中的很多技術(shù)細(xì)節(jié)。

全面增強(qiáng)落地的uRLLC正是R16標(biāo)準(zhǔn)的“當(dāng)家花旦”。這一標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，意味著5G有能力對(duì)于垂直行業(yè)進(jìn)行更好的支持，主要應(yīng)用包括無人駕駛汽車、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能化制造協(xié)同、交通安全和控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療與手術(shù)等。可以說，R16的凍結(jié)預(yù)示著5G即將與垂直行業(yè)重度融合。

因此本篇文章將結(jié)合這兩個(gè)重大事件，為你呈現(xiàn)如下內(nèi)容：

5G如何解決超高可靠、超低時(shí)延這對(duì)矛盾？

R16的凍結(jié)，打開了怎樣的市場(chǎng)空間？

哪些接踵而來的變化正在路上？

uRLLC，既要熊掌、也要魚肉

4G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低于100ms的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，這對(duì)于消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用通常是綽綽有余，但對(duì)于工業(yè)場(chǎng)景的關(guān)鍵性任務(wù)而言，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

垂直行業(yè)的很多應(yīng)用場(chǎng)景都要求uRLLC在保障低時(shí)延的同時(shí)，提供端到端的傳輸安全性，以及99.999%的傳輸可靠性。

不過，超高可靠和超低時(shí)延這兩者，本身就是一組悖論，就像我們?cè)谶M(jìn)行新冠核酸檢測(cè)時(shí)，既要保證超高的檢測(cè)準(zhǔn)確性，又要保證超快的檢測(cè)效率。它們是一種矛盾的組合體，分別完成已經(jīng)是巨大的挑戰(zhàn)，更別提還得“花開兩朵，一起美麗”。

那么5G究竟是如何解決這組矛盾的？在《果殼中的5G》一書中，作者祝剛以深入淺出的語言給出了相當(dāng)精彩的解讀，此處援引書中的內(nèi)容。

先來看5G傳輸過程中產(chǎn)生的時(shí)延，主要由3個(gè)部分構(gòu)成：（1）無線接入部分的傳輸時(shí)間、（2）核心網(wǎng)部分的傳輸時(shí)間，以及（3）應(yīng)用服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。

為了降低無線接入部分的傳輸時(shí)間，5G的最基本邏輯是設(shè)法消除數(shù)據(jù)傳輸過程中的等待。

這個(gè)過程很像高鐵的調(diào)度機(jī)制。如果把無線傳輸信道比喻成列車，數(shù)據(jù)包看作旅客，數(shù)據(jù)包需要等待它的列車進(jìn)站，才能找到座位坐下，開始傳輸行程。旅客數(shù)量多的時(shí)候，即便是具有緊急任務(wù)的數(shù)據(jù)包，也得排隊(duì)等待前面的旅客上車了之后才能就坐。

為了解決這個(gè)問題，聰明的5G采取了很多措施。第一是縮短發(fā)車時(shí)間。車次多了、間隔短了，旅客就會(huì)更快的上車。第二是取消了對(duì)號(hào)入座的限制。列車進(jìn)站之后，只要有空座就可以上車，旅客也就可以更快的開啟行程。

這里描述的方法，有個(gè)專業(yè)的名稱：OFDM，多載頻調(diào)制機(jī)制。5G的腦洞沒有邊界，減低時(shí)延的方法不止OFDM這一種。核心網(wǎng)部分的傳輸時(shí)間、以及應(yīng)用服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間的縮減，也有很多辦法，篇幅所限，咱們就不再展開。

接著再來看5G如何解決傳輸可靠性的問題。為了解決這個(gè)問題，5G采取了一個(gè)稱為HARQ，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求的機(jī)制。這項(xiàng)技術(shù)是5G實(shí)現(xiàn)超高可靠和超低時(shí)延傳輸?shù)年P(guān)鍵。

在無線情況下，任何微小的環(huán)境擾動(dòng)都有可能造成數(shù)據(jù)接收的錯(cuò)誤，形成傳輸失敗或者數(shù)據(jù)丟失。以前解決這個(gè)問題的思路是檢測(cè)校驗(yàn)碼，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包存在錯(cuò)誤，就自動(dòng)要求發(fā)送方重新傳送數(shù)據(jù)包，而這個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包就被扔掉了。

HARQ的思路是，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包不被扔掉，因?yàn)槠渲羞€包含了一部分正確的信息。等著與下一次接收的數(shù)據(jù)包對(duì)比，就像組合一塊塊拼圖一樣，多個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包也可以組合形成正確的信息。這樣一方面降低了等待完美無缺的數(shù)據(jù)包造成的時(shí)延，另一方面這種相互彌補(bǔ)的方式還提升了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

總體而言，uRLLC不是依靠某一種單獨(dú)的技術(shù)就可以全面實(shí)現(xiàn)，而是靠網(wǎng)絡(luò)各個(gè)環(huán)節(jié)的一致努力，才能達(dá)到5G對(duì)于超高可靠、超低時(shí)延的兼顧，實(shí)現(xiàn)既要熊掌、又要魚肉的承諾。

重新審視工業(yè)的底層思維

5G的推進(jìn)力度和速度都是空前的，里程碑式事件接踵而來。

7月2日，中興通訊與浙江聯(lián)通合作，完成5G非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)NSA & SA的雙模共建共享商用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)單個(gè)5G基站同時(shí)支持NSA & SA兩種模式，并同時(shí)支持聯(lián)通和電信用戶接入，成功驗(yàn)證了5G網(wǎng)絡(luò)共建共享的能力。

根據(jù)賽迪整理的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)在2035年，5G對(duì)各個(gè)行業(yè)的支持產(chǎn)出中，制造業(yè)領(lǐng)域的支持產(chǎn)出遙遙領(lǐng)先，超過3000億元。

根據(jù) ABI Research 與愛立信在研究報(bào)告 UNLOCKING THE VALUE OF INDUSTRY 4.0，《解鎖工業(yè)4.0的價(jià)值》中的分析，到2024年左右，工業(yè)有線與無線的連接數(shù)量將發(fā)生逆轉(zhuǎn)，更多工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通信將由無線承載。

根據(jù)報(bào)告中公布的數(shù)據(jù)，目前全球有630余萬家制造企業(yè)，這些企業(yè)中的無線連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量將在8年內(nèi)增長36倍，并在2030年實(shí)現(xiàn)100倍的增長。新增節(jié)點(diǎn)所連接的大部分是新型設(shè)備，包括升級(jí)版的AGV搬運(yùn)機(jī)器人（或者叫AMR自主移動(dòng)機(jī)器人）、與操作員緊密配合工作的協(xié)同機(jī)器人Cobots、AR智能眼鏡等。

不僅是無線與有線的連接地位有可能發(fā)生反轉(zhuǎn)，5G還有可能帶來一系列的轉(zhuǎn)變。

首先，5G為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引入了前所未有的靈活性。

以前，生產(chǎn)流程的改變是制造企業(yè)非常畏懼的事情。企業(yè)所有的生產(chǎn)單元都通過信息化系統(tǒng)緊密耦合在一起，任何改變都會(huì)對(duì)其他流程產(chǎn)生可見的或者不可見的影響。

現(xiàn)在，隨著定制化生產(chǎn)的推進(jìn)，企業(yè)的生產(chǎn)流程不得不適應(yīng)“逆向”思維，不僅工廠內(nèi)的很多機(jī)器人、物料小車、生產(chǎn)線的工件是移動(dòng)的，就連生產(chǎn)線本身也有可能是可以移動(dòng)的，5G成為了非常適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高可靠、低時(shí)延要求的備選無線網(wǎng)絡(luò)之一。

其次，5G讓我們更好的從無效成本COI的視角量化損失。

ABI Research曾經(jīng)對(duì)位于德國與韓國的代表性汽車、電子和零部件制造企業(yè)進(jìn)行了綜合性的運(yùn)營評(píng)估，測(cè)算了企業(yè)使用5G等無線通信方案之后，在ROI和COI方面的數(shù)據(jù)改進(jìn)。

過去我們常常重視ROI而忽視COI。ROI是一種有效的財(cái)務(wù)工具，可以量化資金、設(shè)備、工具和人力投入有效性；COI則評(píng)估了效率低下和意外停機(jī)對(duì)運(yùn)營流程的影響，并量化了機(jī)會(huì)成本。應(yīng)用5G等技術(shù)之后，效果十分明顯：毛利平均提升8.9%，COI普遍降低8.3%。

最后，5G讓通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營者從電信運(yùn)營商，有機(jī)會(huì)擴(kuò)展到云計(jì)算服務(wù)提供商、系統(tǒng)集成商，甚至是有實(shí)力的傳統(tǒng)企業(yè)。

不僅IT巨頭微軟通過收購 Affirmed Networks 和 Metaswitch Networks 積極部署相關(guān)技術(shù)，其中最著名的一次豪賭來自日本的電子商務(wù)公司樂天（Rakuten），該公司于2017年宣布建設(shè)自己的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并積極使用云原生等技術(shù)，而非專有硬件部署5G，極大的降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

總之，5G讓我們意識(shí)到，在萬物互聯(lián)的時(shí)代，決策的內(nèi)容不僅限于一個(gè)公式內(nèi)需要考慮的各種變量，還要重新考慮公式本身的合理性。

HMS Networks 公司在名為 On enabling 5G for factories and sorting the question of ownership，“為工廠啟用5G并解決與其相關(guān)的所有權(quán)問題”博客中提到，在未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，各個(gè)構(gòu)成部分的關(guān)系和相互作用將會(huì)越來越深刻，越來越復(fù)雜，我們目前對(duì)于工廠的看法有可能需要徹底改寫。

5G帶來的變化近在眼前

5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合正在逐步落地，從目前的進(jìn)展來看，主要有三個(gè)層面：

1. 邊緣智能：5G有利于就近提供算力，提高數(shù)據(jù)處理性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

2. 無線下沉：5G逐步下沉與TSN、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等融合，促進(jìn)PLC、DCS等工業(yè)控制器通信能力的提升，讓機(jī)器之間的互通更加扁平化。

3. 應(yīng)用升級(jí)：利用5G搭建更寬、更廣、更快和更可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)利用云端的超強(qiáng)計(jì)算能力和AI技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，可以打造云邊端一體化的工業(yè)大腦。

我們分別結(jié)合幾個(gè)實(shí)際例子說明。

邊緣智能方面，高通公司宣布推出的全球首個(gè)支持5G和AI的機(jī)器人平臺(tái)RB5是代表之一。

該平臺(tái)由大量硬件、軟件和開發(fā)工具組成，可以幫助開發(fā)者和制造商打造下一代具備高算力、低功耗的機(jī)器人和無人機(jī)。高通將提供視覺、傳感器、電機(jī)控制、工業(yè)和通信夾層板，用于擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

無線下沉方面，典型的案例是利爾達(dá)攜手華為，發(fā)布了“5G+PLC工業(yè)控制”解決方案。

該方案可以在此前基礎(chǔ)上，將體積和重量均減少至原來的5%，大大降低了設(shè)備對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景的要求，幫助企業(yè)快速落地應(yīng)用。

應(yīng)用升級(jí)方面，華為聯(lián)合百度在GSMA萬物生暉在線展會(huì)中，發(fā)布的《5G+AI 智能工業(yè)視覺解決方案白皮書》非常經(jīng)典。

白皮書認(rèn)為，5G+AI的工業(yè)視覺解決方案，通過端+ 5G網(wǎng)絡(luò)+ 邊緣云+ 云服務(wù)的協(xié)作，讓工廠質(zhì)量檢查和缺陷識(shí)別更加高效和簡便。

R16標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，標(biāo)志著5G第一個(gè)演進(jìn)版本標(biāo)準(zhǔn)完成。

在中國移動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)專家看來，R16標(biāo)準(zhǔn)不僅增強(qiáng)了5G的功能，讓5G進(jìn)一步走入各行各業(yè)并催生新的數(shù)字生態(tài)產(chǎn)業(yè)，還更多兼顧了成本、效率、效能等因素，使通信基礎(chǔ)投資發(fā)揮更大的效益，進(jìn)一步助力社會(huì)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字轉(zhuǎn)型。

R16標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，實(shí)現(xiàn)了5G從“能用”到“好用”。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，引入新技術(shù)支持1微秒同步精度、0.5-1毫秒空口時(shí)延、“6個(gè)9”可靠性和靈活的終端組管理，最快可實(shí)現(xiàn)5毫秒以內(nèi)的端到端時(shí)延和更高的可靠性，提供支持工業(yè)級(jí)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。

工信部部長苗圩曾在一次接受采訪時(shí)提到：5G未來20%是用于人與人通信，80%用于物與物通信。
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