【假一罚四】5GtoB从理论到实践

序 一

2022年是5G商用的第三年，是年4月我国5G用户数量已达4.13亿户，占移动通信用户总量的24.83%。5G提升了移动通信的宽带下载速率，2021年年底我国移动宽带用户平均下载速率达到59.34 Mbps，接近同期固网用户平均下载速率（66.55 Mbps），5G用户下载速率达到146.34 Mbps，为同期4G用户下载速率（36.33 Mbps）的4倍左右，但这并未体现5G速率的真正水平，5G的超宽带、广覆盖、低时延、大连接的优势目前尚未充分发挥。一方面，在消费互联网中的应用，因缺乏超高清视频内容而难以体现与4G的差异，5G虽拥有VR/AR可消耗超宽带，但因鲜有相应节目，也没有成熟方便的头盔而难以打开局面。另一方面，产业互联网被视为互联网的“下半场”，5G的关键性能指标（KPI）是面向产业互联网应用而设计的，但原有工业企业的工控系统标准碎片化、协议欠开放等，抬高了5G的进入门槛，在消费互联网中行之有效的5G网络架构、终端功能、业务应用、商业模式等很难直接搬到产业互联网中，虽然现在5G已经在机器视觉和远程控制等方面有一些应用，但其在工业的应用尚未形成体系，在产业链的核心环节还未发挥显著作用。
从5GtoC到5GtoB，不仅是应用领域的扩展，而且是能力的提升。消费互联网用户的应用基本是共性的，但产业互联网的应用个性化明显，一些应用对性能有很高的要求。通常，5GtoC的超宽带主要指下行带宽，而5GtoB应用要求高达Gbps级的大上行带宽；5GtoC应用的低时延主要指空中接口的时延，但5GtoB应用期待端到端低时延，甚至要求确定性时延；5GtoC利用多基站可实现室内外高精度定位，但5GtoB应用希望在单基站环境下也能实现高精度定位，而且需要快速响应；5GtoC基于多基站协同就可提供足够的可靠性，但5GtoB的一些应用场景可能只有单基站信号可用，其产业应用甚至需要99.9999%的超高可靠性保证；5GtoB比5GtoC有更高的网络与信息安全要求，其中企业对内部数据的保护更为敏感；5GtoB在扩展物联网的应用方面更能体现大连接的需要，会用到接入回传一体化（IAB）和终端间直接通信（D2D）等技术。虽然5GtoB有很多严格的要求，但其应用场景与5GtoC相比也有很多特殊性，可以用来对网络架构进行改进。例如，5GtoB的核心网下沉，甚至其基站可集成部分核心网功能，从而使得网络扁平化，有利于低时延的实现；与5GtoC终端相比，对于5GtoB终端，通常对其功耗和多频多模通用性并无强制要求，而更看重其连接设备的数量与覆盖范围，计算、存储和可编程能力，嵌入边缘计算和智联网功能，以及更严格的工作环境和防爆等本安要求，如果5GtoB能集成PLC等工控设备的功能而成为新型工控网关，就可实现IT与OT融合，从而解决标准不兼容的难题，并进一步简化企业网的层级；与5GtoC的应用关注切换、漫游和信道效益及计费管理相比，5GtoB 将可靠性摆在信道的经济效益之上，可以多信道冗余并发甚至永远在线以确保安全可靠。可以说，5GtoB是针对产业应用的特点与要求而对现有5G与企业网技术结合的一次影响深远的变革，为5G与IPv6、云计算、人工智能等技术融合开创新空间，是互联网“下半场”的技术突破口。
本书以5GtoB为主题，结合华为在推动5G行业应用的实践与体会，从创新链、产业链和行业应用等方面多层次地介绍了5GtoB的理论与实践，案例丰富、内容新颖、深入浅出、实用性强，是少有的专注于5GtoB的5G论著，同时还兼具教学用书与工程技术参考书的作用，对推动5G创新与行业应用有重要参考意义。由于5GtoB的应用现在还处于起步阶段，不同企业的体量与数字化基础千差万别，从数字化、网络化到智能化和低碳化有多维度的要求，数字化转型不仅需要技术创新，还将面临管理创新与流程再造的挑战，随着应用的广度与深度拓展，可以说需要更多的创新，而本书难以全面涉及，期待本书起到抛砖引玉的作用，以鼓励更多科技工作者投身到5GtoB的研究开发和应用推广中。

中国工程院院士 邬贺铨 
2022年5月

序 二

移动通信系统标准从1G到5G、从模拟系统到数字系统、从窄带语音业务到宽带移动互联业务的发展过程中，5G是第一个真正意义上面向行业应用的移动通信系统。如果说从1G到4G，全球电信行业还是在孜孜以求地修建信息高速公路，提高移动通信的带宽和覆盖能力，降低移动通信成本，那么5G标准从3GPP Rel-15开始，在其制定的过程中首先考虑的是如何满足千行百业应用的综合业务需求。不论是最初的eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、URLLC（超高可靠低时延通信），还是5.5G增加了UCBC（上行超宽带）、RTBC（实时宽带交互）、HCS（通信感知融合）的六边形，无一不体现出新一代移动通信系统面向行业应用可灵活定制的发展趋势。
5G to Business（5GtoB）不仅意味着移动通信系统要按照行业应用的需求灵活定制，也给各个行业应用本身的发展带来了巨大的机遇与挑战。无论是自动驾驶还是无人工厂，无论是远程医疗、未来教育还是电力电缆、轨道交通，5G给行业带来的创新应用都意味着对整个行业的赋能转型。移动通信系统和行业应用系统的协同优化将网络与计算融为一体，不论是对电信行业本身还是对赋能千行百业都是一件前所未有的大事，正在为整个电子信息世界的技术革新和产业升级带来新一轮原生驱动力。
5GtoB将同时对现有电信服务和运营模式产生深远的影响，传统企业的IT部门需要向ICT方向转型，也就是一些行业企业逐步需要自有员工来负责维护企业的5G网络，这对企业的人才培养和管理提出了新的挑战。在这个大的时代背景下，本书深入浅出地总结了当前5GtoB涉及的网络架构与关键技术、智能终端与业务能力、主要行业应用场景与成功案例；对于5GtoB产业生态发展，本书面向5G创新应用的企业ICT人才培训，能起到积极而关键的推动作用。同时，也推荐各个相关行业科技工作者及研究人员阅读和参考本书。
本书好在内容涉及从理论到实践，而且现在出版正当时。制造业的工程技术人员需要新知识，企业的升级改造需要新技术，希望相关人员能早日阅读本书。在这里寄希望5GtoB相关理论与应用技术的普及，能不断滋润5G赋能千行百业的万物生长。

中国工程院院士 黄崇祺

序 三
随着工业互联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展和应用逐渐走向成熟，人类社会进入了数字时代。在数字时代，数据成为最重要的生产要素，数据科学提供的“数据 机器信息”的数据挖掘方法，成为人类认识世界的新武器。数字经济正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。
因此，数字化转型势在必行。我们必须推动数字经济和实体经济融合发展，把握数字化、网络化、智能化方向，推动制造业、服务业、农业等产业数字化，实现企业资源优化配置。这样就可以把正确的数据，在正确的时间，以正确的方式，传递给正确的人和机器，即实现数据流动的自动化。从数据流动的视角来看，数字化解决了“有数据”的问题，网络化解决了“能流动”的问题，智能化解决了“自动流动”的问题。
网络化能够实现工业互联网内部单元之间，以及与其他网络系统之间的互联互通，在应用到工业生产场景时，对网络连接的时延、可靠性等网络性能和组网灵活性、功耗都有特殊要求，除此之外，还必须解决异构网络融合、业务支撑的高效性和智能性等挑战。构成工业互联网的各器件、模块、单元、企业等实体都要具备泛在连接能力，并实现跨网络、跨行业、异构多技术的融合与协同，以保障数据在系统内的自由流动。泛在连接通过对物理世界状态的实时采集、传输，以及信息世界控制指令的实时反馈下达，提供无处不在的优化决策和智能服务。
钢铁行业为大型复杂流程工业，全流程各工序均为“黑箱”，实时信息极度缺乏；钢铁生产过程具有多变量、强耦合、非线性和大滞后等特点；各单元采用孤岛式控制策略，尚未做到单元间界面无缝、精准衔接。这些严重的不确定性是钢铁生产面临的重大挑战。但是钢铁行业具有丰富的应用场景资源和数据资源。钢铁行业良好的信息化基础，发达的数据采集系统、自动化控制系统和研发设施，可以产生大量的实验数据（实验室实验、中试实验和生产线实验的历史数据、现实数据和生产大数据）。这些海量数据中蕴含着企业生产过程的全部规律，它们是最宝贵的资源，是关键生产要素。在充分合理地利用丰富的数据资源、实现数字产业化方面，钢铁行业具有巨大潜力。
5G是先进的信息通信技术，它有三个特性，增强型移动宽带（eMBB）适用于应对互联网流量爆炸式增长；超高可靠低时延通信（URLLC）适用于对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；海量机器类通信（mMTC）面向以传感和数据采集为目标的应用需求。这些特性特别适用于钢铁行业的各种特殊需求。
作为典型的流程工业，在钢铁生产过程中要将每一道工序都作为一个垂直行业来处理，从底层到边缘，再到上层的云平台。为处理海量数据，海量机器类通信是重要的硬需求。在垂直方向上，可以将生产线底层产生的海量数据，利用大数据/机器学习平台进行处理，并建立起高保真度数字孪生模型用于代替传统的机理模型。边缘侧进行高精度设定计算，完成高精度、低时延的高精度快速实时控制。而高可靠、低至数毫秒的时延通信，则为各边缘与生产线的实时控制提供了强力支撑。在基础设施云端的平台层，利用来自车间底层的生产计划、调度管理、物流、能源、设备、安全等海量数据信息，进行极其复杂的企业资源部署与管理，确保企业整体的稳定、高效、安全、优质运行。
5G为增强型的移动互联网，峰值传输速率可达20 Gbps。各制造单元之间在流程方向上的海量数据传输与处理、非结构化数据传输处理、虚拟现实与增强现实的传输处理等，都将依赖于增强型移动带宽。钢铁生产过程中存在大量环境恶劣、高温危险、重复性的现场操作岗位，亟须实现远程和自动化的操作与运维。通过手机/巡检仪等音视频采集的非结构化数据，可应用于对设备运行状态的实时分析、运算、监测、管理。在远程装配场景中，技术专家依托AR的实时标注、音视频通信、桌面共享等技术，远程指导生产线装配工作。5G的应用，推动了图像、声音、视频等非结构化数据的检测、处理、传输和控制技术的发展，为复杂工况的分析、决策和控制提供了强大的发展动力。
近年来，基于创新性所提出的5G切片方案，确保统一基础设施能够适应差异化业务需求，是进入垂直行业的关键。5G的多接入边缘计算（MEC）功能，将多种接入形式的功能、内容、应用等一同部署到靠近接入侧的网络边缘，将核心网用户面与应用下沉至离用户更近的位置，可以将时延降低到毫秒级，从而确保垂直方向上边缘与底层的低时延实时交互。全新的智能边缘云与5G结合，能够赋能新的应用与服务，网络性能、安全性和隐私保护能力也能够得到提升。5G低时延大数据传输、切片网络架构、多接入边缘计算、智能化的边缘云，为钢铁行业互联网的应用和发展提供了强大的驱动力。
华为公司总结了在行业企业进行“5G 工业互联网”的工程实践，组织相关领域专家学者编写了《5GtoB从理论到实践》，本书系统地介绍了5G最新技术理论和在行业的应用成果。对于进一步发挥5G优势与价值、持续深化拓展行业应用、开阔高等院校相关专业学生知识视野、增强自主技术自信心等具有非常重要的价值。
是为序。

中国工程院院士 王国栋
 2022年5月27日

前 言

 编 者 
2022年6月

本书全面、系统地介绍了5GtoB相关技术及行业应用场景等内容。全书共8章，主要包括绪论、5G端到端网络架构与关键技术、5G终端生态产业链、5GtoB基础业务能力与应用、5G 新技术融合创新应用、5G局域专网场景及解决方案、5G广域专网场景及解决方案、总结与展望等内容；其中重点介绍了5G在钢铁、港口、煤炭、制造、电力、警务、轨交、教育和医疗等行业场景应用及解决方案。

本书介绍5GtoB的理论与实践，案例丰富、内容新颖、深入浅出、实用性强，是少有的专注于5GtoB的5G论著，可作为高等院校的应用型本科教材，也可作为华为HCIA-5G认证的培训教材，还可作为网络通信、计算机科学、软件工程、电子工程等领域涉及5G网络应用的研发与从业人员的参考书。

宋梁，男，2005年获得加拿大多伦多大学博士学位，是通信网络及人工智能领域科学家，复旦大学工程与应用技术研究院教授，上海产业技术研究院首席专家，兼任加拿大多伦多大学教授，全国侨联创新创业联盟理事，多个上市公司首席科学家。2019年，当选加拿大国家工程院院士。

陈铭松，华东师范大学教授、博导，软件工程学院副院长，软硬件协同设计与应用技术教育工程研究中心主任。主要研究方向为可信智能软硬件协同设计、信息物理融合系统设计自动化。在DAC、ISCA、RTSS、IEEE TC、IEEE TCAD、软件学报等国内外权威会议与期刊上发表论文100余篇，出版英文专著1部，相关成果获得上海市科技进步特等奖（排名第三）。主持过多项国家与省部级项目。目前担任CCF嵌入式系统专委会副主任、上海计算机学会物联网专委会副主任。

本书由华为技术有限公司组织撰写，中国工程院院士邬贺铨、黄崇祺、王国栋作序推荐，华为技术有限公司运营商BG总裁丁耘、中国宝武工程科学家钱卫东、中国电信天翼物联科技有限公司总经理钟平联袂力荐，全面、系统地介绍了5GtoB相关技术及行业应用场景，是5G行业应用的权威著作。