如何让5G设备更适用于工业场景中？12月20日，中国工程院院士邬贺铨在中国无线电大会上，从工业互联网中5G专网主要设备的改进，到频率利用的优化等多个方面，提出了自己的建议。
工业5GCPE：要指定专用频段
工业互联网中5G的关键网元，包括5GCPE(客户前端设备)、5G云化PLC(可编程逻辑控制器)、5G云化基站、5GUPF(核心网的用户面功能)、5G边缘计算等。由此形成5G局域网和5G核心网控制面。
邬贺铨说，5GCPE前端设备对许多人来说并不陌生，但这个设备在工业场景中与在消费场景中会有一些不同。一是CPE和手机相比，同样是网络终端，CPE并不像手机那样要实现多频多模，但很可能需要具备D2D（设备到设备）的能力，甚至会要求大带宽，需要用到宽带载波聚合的技术；二是CPE所用的芯片在工艺、功耗、成本上的要求没有手机那么苛刻，但同时对环境的温度、湿度等工作条件，以及控制能力、能够连接的终端数量又要比普通手机严格得多。从这些要求看，5G的CPE既是一个物联网模组，也是一个5G的工业网关。
5GCPE可以把基站的5G信号作为中继接力进行放大，可以连接多个生产装备、仪器仪表，通过CPE可以把网络转换成工业以太网、WiFi以及5G局域网。CPE还可以连接工厂的末端设备，对所连接的大量设备做路由管理、提供边缘计算的功能，还可以集成PLC等等，它具有开放编程的能力，可以方便第三方的应用。
目前5G工业CPE的发展也面临一些难点和挑战。因为工作环境的温度、湿度要求高，抗电磁干扰、抗震、防爆要求严格，工作寿命要求长，而且要免维护，所以器件的成本高，影响了5G在工业场景的推广普及。
邬贺铨建议，对5G工业CPE指定专用的频段，避免终端的多频多模情况。简化对CPE的要求，还可以把5GCPE与WiFi结合，通过WiFi连接多个生产装备、仪器仪表，然后在5GCPE上复用，可以降低5GCPE的应用成本。
5GUPF：与边缘计算结合发挥更大作用
在5G工业互联网中，UPF（用户功能面）是一个很重要的网元。得益于5G基于服务的核心网架构体系（SBA），5G实现了网络功能的服务化。5G核心网将用户面和控制面做了功能的分离，加强了用户面的功能，这一功能单独呈现为UPF网元。UPF处于无线接入网与数据网之间，可以实现用户面数据传输的封装和解封，并且作为数据的会话锚点，UPF可以提供移动性支持。
邬贺铨说，UPF可以分级建设，企业级的UPF可以下沉到网络边缘。利用IPv6的多归属特性，UPF可以识别经过它的数据包，知道一个数据包的目的地是在企业本地还是外网。利用这个功能，UPF可以帮助企业实现数据不出企业网络、敏感数据不在外网落地的设计。而且通过UPF的本地分流，可以实现驻地网的超低时延、超高带宽和安全性需求。
UPF和边缘计算（MEC）紧密相关，UPF也可以看作是边缘计算的一个网元。边缘计算本身承载了通信技术类业务和第三方信息技术类业务。UPF可以与MEC分开建设，其中UPF的作用是承载NFV（网络功能虚拟化）电信云；边缘计算相对应的是提供第三方IT服务支撑的IT云。UPF和MEC也可以集成，将他们所对应的两个云合在一起，这就意味着接入云会变得复杂：需要NFV电信云扩展包括支持IT云的容器、编排、边缘AI、GPU/FPGA视频加速以及异构计算处理等能力。
5G基站：进一步强化云能力
5G用于工业的基站与面向消费网、公众通信网上的基站会有所不同，更强调云化的能力。其实5G基站体系本身就是云化的体系，利用5G可以把BBU（基带处理单元）和AAU（有源天线单元）分离，多个BBU可以云化为BBU池。用于工业的5G基站可以下沉到企业中，通过进一步加强云化的能力，实现对5G网络资源的灵活利用。
邬贺铨表示，加强云化包括三个方面，一是5G基站本身的云化，除了AUU单元，其他的硬件设备可以变成通用的服务器和相应的软件，实现NFV能力；二是基站可以集成5G核心网的部分功能，包括UPF的功能，实现扁平化和降低时延；三是5G基站可以集成云化的PLC，能够同时管理多个PLC，以内生的工控能力解决行业定制化和规模化之间的矛盾，提升部署效率。
5G云化基站在性能需求上也有别于公众通信的基站，例如要提升从设备向基站上传数据的能力，甚至要达到Gbps级别的传输；例如大连接，可以支持上百万个传感器联网；例如低时延，在企业网应用中需要端到端的低时延，需要网络扁平化，要支持D2D（设备到设备）的直接通信。
在工业场景中，5G云化基站还能够提供精准的定位，在企业网可能只有单基站的情况下，需要通过AP点和定位参考信号等技术共同实现更精准、快速的定位。在可靠性上，也要考虑到企业网中可能只有一个5G基站的场景，要采用多信道冗余或者对信令信道、重要的数据信道采用预定的载频等各种方式，提升5G基站的性能。
频谱管理：对工业互联网应用划出专用授权频段
5G的授权频段在企业网的使用模式中，有一种是中小企业可以用网络切片的方式使用公众通信网，而且向运营商租用基站和下沉到企业的UPF，核心网控制面还在运营商那里。与消费市场中在5GTDD模式中下行容量高于上行容量不同，企业应用的需求有的正相反，要求上行容量高于下行容量。而在运营商同一个网络载体上，如果采用不同的上下行配置，信道之间会产生干扰，需要采用更多技术手段来应对。
邬贺铨建议无线管理部门对工业互联网的应用挂出专用的授权频段，工业企业可以用，运营商也可以用这个频段避免跟公众通信业务间的干扰，而且5G的工业互联网应用不必再按多频多模的配置，可以显著降低成本。
最近，工信部已给中国上海商飞发放了第一张企业5G专网的频率许可，-MHz和24.75-25.15GHz为工业无线专用的频段。目前美国的5G专网频率是3.55GHz~3.7GHz，英国是3.7~4.2GHz、24.25~26.5GHz,德国是3.7~3.8GHz、24.25~27.5GHz,日本是4.6~4.8GHz、28.2~29.1GHz,韩国是4.72~4.82GHz、28.9~29.5GHz。
邬贺铨表示，5G还可以使用免授权的频率，一种是授权辅助接入模式，可以通过载波聚合，将授权与非授权的频段合起来用，也可以采用双连接。授权的频段传送控制信号，做可靠性更高的移动性管理，免授权的频段承载载频、承载数据，运营商可以采用授权辅助接入模式解决目前5G系统授权频段资源不足的问题；另一种模式是在工业互联网的场景中，对上行链路使用授权的频谱，下行链路使用免授权的频谱；还有一种模式是独立的免授权，上下行信令、数据都在免授权频段上，这种模式因为发射功率受限、不适用于大区组网，只适用于垂直行业的企业园区、专网，尤其适合在干扰比较少的室内网络。
在免授权频谱分配中，2.5GHz范围内，全球几乎都一样，有83.5MHz宽的免授权频谱。在5G频段里有MHz是全球几乎相同的，即5.15~5.35GHz。在5.47~5.85GHz期间，不同国家可能采用不同的授权频段。
“实际上在5GHz和6GHz的免授权频段，5G免授权频率的使用模式与WiFi6/WiFi7是处于竞争关系，有比较多的干扰限制。”邬贺铨说，“与WiFi6、WiFi7相比，5G采用非授权、免授权频段是基于蜂窝结构的5GNR技术，有端到端的QoS措施，支持网络切片、信号精确定位等，但也面临一些挑战，例如要满足免授权频谱对发射功率的要求；要满足最大信道占用时间、信道占用带宽、信道监测机制的要求。”对5G来说，在非授权、免授权频段，要遵守相应的机制，这同时也会限制5G的能力发挥。
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作者丨刘晶
编辑丨徐恒
美编丨马利亚
监制丨连晓东