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基于5G的智能机器设备的实时远程控制.docx

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.63M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    4.1课题技术路线及其先进性和可行性分析（含技术引进消化吸收方案）（说明其主要技术创新点）
    4.1.1 课题总技术路线
    4.1.2 基于5G网络智能机器设备远程操控系统架构【吴波】
    4.1.3 课题输出研究成果及设计方案
    4.1.3.1智能机器设备远程操控系统协议（王宇，徐浩煜）
    4.1.3.2面向智能机器设备远程操控的高可靠低时延无线网络（李明齐）
    4.1.3.3基于虚拟现实机器设备远程操控平台及接口（徐浩煜）
    1、虚拟现实机器设备远程操控平台设计
    1)总体框架
    2)模型建立与更新
    3)操控交互
    2、远程操控平台接口标准
    4.1.3.5基于5G网络的满足实时操控延时要求的流媒体协议（刘立庄）
    4.1.3.6端到端的机器设备实时远程操控的系统模型（吴波）
    4.1.3.7面向5G关键网络终端设备研发(吴波)
    4.1.7 智能机器设备的远程操控应用示范
    无人机巡检
    远程维修指导
    4.1 课题技术路线及其先进性和可行性分析（含技术引进消 化吸收方案）（说明其主要技术创新点） 4.1.1 课题总技术路线 5G 网络作为第五代移动通信网络，信息技术领域一类新兴的前沿技术，与 4G 网络相比，5G 网络不但在传输速率上突飞猛进，更是 uRLLC 应用场景，为无 人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务提供有力支持。本课题根 据智能机器设备的远程操控用户需求和 5G 网络特点，建立完善的体系架构、系 统解决方案和现场验证环境。根据本课题研究目标，主要从以下方面开展智能机 器设备的远程操控系统研发与试验： 1) 基于 5G 网络智能机器设备实时远程遥控系统详细需求和功能分析：在课 题承担单位已有应用示范基础上，对不同应用场景中机器设备远程操控系统进行 共性技术分析，并结合其他应用场景进行需求凝练。提取满足多样化需求的共性 平台要求和功能要求，在此基础上面向特定应用，进行网络接入设备外观、结构、 环境适应性、接口等方面的分析，制定“共性操控平台+网络接入设备＋机器设 备”，以及整体系统的详细分析、设计方案； 2) 关键技术攻关：针对整体远程遥控系统架构设计和功能要求，在已有关 键技术基础上，改进或攻克节点级的补充关键技术，包括模块化可重构技术、多 元部件标准接口技术、虚拟现实技术、流媒体传输技术等；针对 5G 网络设计传 输协议满足实时远程操控需求的端到端延时要求； 3) 基于实时远程遥控环境上下文感知技术研究： 4) 基于跨层跨系统机械协同控制技术研究：机械设备协同控制技术是实现 智能机器设备内部各个单元、多个设备协同工作的关键技术。结合本课题研究的 5G 通信网络，研制 5G 通信网络终端、控制器安装在智能设备上，实现机械设备 的现场总线、控制总线、设备管理网络和数据管理等网络的集成。基于虚拟现实 技术开发实时远程操控平台，通过体感动作、遥控设备等多种交互方式实现控制。 通过 5G 通信网络实现端到端的数据传输和控制命令传输。通过 5G 通信网络实现 不同网络层和不同软件系统间的数据互通，采用统一标准接口的操作平台进行实
    时远程操控，实现跨层跨系统的机械设备协同控制。 5) 基于虚拟现实技术的智能机器的远程操控模型等关键技术实现与终端研 发; 标准化关键网络设备设计，在需求分析基础上，结合 ISO/IEC 工业总线标准 化工作和国内标准化工作方面的进展，结合 5G 网络端到端传输特点，完善本课 题远程遥控体系架构设计，完成关键网络设备的软硬件架构设计；制定相关接口 等方面的标准和规范; 6) 现场 5G 信号传播模型特征。用于 5G 远程操控的网络试验环境：【略】。 7) 5G uRLLC 场景下端到端延时、高可靠性技术方案、关键技术：【略】。 8) 基于虚拟现实技术的实时远程操控通用化平台：【略】。 9) 端到端的机器设备实时远程操控的系统模型。现场应用原型系统搭建和 应用验证方案。结合 5G 通信网络低数据时延高可靠性的特点，能够满足数据端 到端的实时操控，端到端的机器设备实时远程操控的系统模型包括远程操控平台、 机器设备和数据传输系统。针对不同应用领域研制出具有统一接口规范、符合国 际国内标准的 5G 通信网络终端、控制器，安装到所需控制的智能机器设备上， 与远程操控平台组成实时远程操控系统，实现多场景的应用。 10)构建 5G 网络 uRLLC 应用场景验证 5G 智能机器远程操控的网络应用：结 合 XXX 应用示范平台，建立本课题输出成果的应用示范工程，并在其他环境下进 行应用推广。 针对 5G 网络建立这一历史性机遇，本课题研究成果将与国际、国内 5G 网络 领域的标准化工作进展保持同步，为我国新兴的 5G 网络产业发展在 uRLLC 场景 下应用提供系统级验证案例，并创新的建立基于 5G 网络虚拟现实技术远程操控 原型系统设计和相关关键网络设备的研制，为全面抵御国外公司对国内市场的蚕 食，占领产业链的制高点奠定重要基础。
    图 1 课题技术路线图 围绕如上课题技术路线图， 4.1.10 节将论述端到端的机器设备实时远程操 控的系统模型，以及对现场应用原型系统搭建和应用验证方案进行技术分析，并 对其先进性、可行性进行分析。
    4.1.2 基于 5G 网络智能机器设备远程操控系统架构【吴波】 【说明】 4.1.3 课题输出研究成果及设计方案 4.1.3.1 智能机器设备远程操控系统协议（王宇，徐浩煜） （包括总体目标，设计方案，研究成果，阶段目标（计划），技术指标，关键技 术，预期解决的重大问题） 课题负责人及主要骨干人员的情况 1、从事过的主要相关研究及所负责任和作用，相关研究和产业化成果、发明专 利和获奖情况，在国内外主要刊物上发表论文情况，特别是与本课题相关的研究 成果情况等 2、主要骨干人员 在现有通信架构基础上，5G 以用户为中心，智能机器设备具有更强的通信 能力，以满足应用需求。5G 智能终端以人机交互、人人交互、机机交互方式多 种信息交互方式，智能机器设备远程交互是实现车联网、过程自动化、自动化、 医疗自动化各种应用场景的必要组成部分。 5G 应用框架下，智能机器设备可以通过 5G 协议远程操控，必须具备比传统
    的局域网控制实时、低耗、高可靠、分布式自组网通信能力。5G 手持终端例如： 激光手柄、手机、平板、VR 头盔、体感设备、眼动仪、智能遥控器等设备，承 载着远程设备间交互的通信交换，所以智能终端设备必须具备更强大的硬件、软 件、操作系统性能，多终端设备能够支持与基站实时建立连接、多离散频谱资源 分配、强大的重配置能力。虚拟现实远程交互场景下，需要更复杂的网络渲染， 大数据计算对于高速运存取必不可少，以保证远程设备实时通信。 智能设备远程操控系统在 5GURLLC 业务 （1）自组网协议 5G 网络针对多业务场景需求，采用动态自组织网络技术，在 5G 蜂窝网控制 下，将基站、终端、平台动态组建网络，形成以簇节点为热点，按需灵活组网， 降低时延高可靠，低功耗的大连接，满足场景需求。 物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是 Zigbee、WiFi、蓝牙、 Z-wave 等短距离通信技术；另一类是 LPWAN（low-power Wide-Area Network， 低功耗广域网），即广域网通信技术。LPWA 又可分为两类：一类是工作于未授权 频谱的 LoRa、SigFox 等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP 支持的 2/3/4G 蜂窝通信技术，比如 EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT 等。 高速率业务主要使用 3G（HSPA/EVDO/TDS 技术）、4G（LTE/LTE-A 技术）；中 等速率业务主要使用 GPRS 技术。低速率业务目前还没有很好的蜂窝技术来满足， 而它却有着丰富多样的应用场景，很多情况下只能使用 GPRS 技术勉力支撑。 智能设备远程通信需要对智能终端设备物尽其用，拥有无线或者有线回传的 终端可以提供中继服务，计算终端设备可以为大数据计算提供服务，海量存储终 端提供内容分发服务，所以在设计 5G 自组网通信协议机制需要考虑这些因素。 （2）Internet 远程控制协议 LTE 延续了 GPRS 和 UMTS，采用了基于 IP 的通信协议——GTP 隧道协议。它 是端到端的建立直接的 GTP 隧道，用户 IP 通过 GTP 承载隧道从终端（UE）传送 到核心网（PGW）。在这种构架下，接入网被无视，没有用户级的路由选择，没有 感知内容的能力，也没有内在的用户面安全机制。这种端到端的用户面构架，需 要很多协议来层层“桥接”，要对 GTP 隧道封装和解封，IPSec 加密、ROHC 压缩 等等，这无疑增加了传输时延，也增加了处理成本。 5G 在提供安全可靠业务上，需要能提供更可靠的服务质量，比如实时传输 协议 RTP,实时流协议 RTSP,资源预留协议 RSVP,资源分配协议 RAP，公共开放策
    略服务 COPS,多协议标记交换结构 MPLS,流传输控制协议 SCTP 等。 目前 LTE 架构下，改进 TCP/IP 协议与传统控制协议结合，Modbus、TCP 工 业控制应用层协议，就是常用的基于 Internet 远程控制协议。 （3）LTE-V 车联网通讯协议 LTE-V 是面向智能交通和车联网应用、基于 4G 包括 LTE-V-Cell 和 LTE-V-Direct 两个工作模式。通俗的来说， LTE-V-Cell 要借助已有的蜂窝网络，支持大带宽、大覆盖通信，满足 Telematics 应用需求；LTE-V-Direct 可以独立于蜂窝网络，实现车辆与 周边环境节点低时延、高可靠的直接通信，满足行车安全需求。 LTE 系统的演进技术， 需要特别提出的是，LTE-V-Direct 模式能够将车辆感知范围扩展到数 百米的探测距离，这与目前已有的其它车辆感知系统如雷达、光学摄像 头的探测范围相比有很大优势。多种探测手段相结合，借助融合信息处 理技术，能够有效提升行车安全和交通效率问题。 （4）统一的移动管理协议 针对 4G 网络中的 GPRS 隧道协议（GTP）和代理移动 IP 协议（PMIP）两种移 动管理协议所导致架构设计和交互操作标准的复杂化，5G 网络需要一种统 一的移动管理协议，为满足不同应用场景下网络管理和数据传输效率，满足 用户和业务远程交互的 QoS 需求，提供定制化和差异化服务。5G 网络中根 据接入的端到端设备的属性（终端功能、位置、性能等）、请求业务类型、 业务特征、网络需求等信息来确定需要接入的参数信息，再由控制系统生成 连接管理指令。 5G 是多种接入技术融合网络，因此移动性管理要能够独立于各种接入技术， 事先异构网络间的无缝切换。新型的移动管理可根据不同场景和业务需求， 按需对位置管理协议、远程控制协议、连接状态协议和方案进行优化。针对 超密集组网，利用大数据预估等辅助移动技术、改进和切换控制协议，保证 切换效率，对远程控制实时性要求高的需求，改进位置相关协议减少信令交 互，减少通信时延。
    （5） 统一安全认证协议框架 未来网络将支持 5G/LTE/Wi-fi/固定网络等多种接入技术，接入环境是可信或者 不可信未知，传统上不同接入技术采用不同的认证框架，在认证和安全上下文需 要不同机制，同一设备在不同接入技术之间切换需要重新认证，多种认证机制不 但在安全管理上复杂，而且在不同技术间切换带来额外的时延。 5G 需要高效协同多样式、多接入、多终端的并发连接，所以 5G 网络需要构建一 个高效的认证机制，能够在复杂接入网上建立一个统一的安全管理机制。5G 可 以提供一个灵活支持多种认证协议和认证模式的统一认证框架，降低安全管理复 杂度，方便设备间切换时可以共享已经建立的认证上下文，减少切换间的安全时 延；同时在不同业务认证模式下支持多种认证协议，方便运营商拓展第三方业务。 基于 EAP 的认证框架经过多年演进，支持多种认证协议，包括基于对称密钥的 EAP-AKA,基于非对称密钥加密的 EAP-TLS 协议，建议在 5G 上使用基于 EAP 的认 证机制设计统一认证框架。 （6）端到端用户面保护的协议 不同的业务承载在基于 PDU 多的不同会话中，基于 PDU 传输安全协议，端到端用 户面保护只需要对 PDU 载荷进行端到端数据加密，不对包头进行加密，保证网络 节点能解读路由信息。
    4.1.3.2 面向智能机器设备远程操控的高可靠低时延无线网络（李明 齐） 【现场 5G 信号传播模型特征，用于 5G 远程操控的网络试验环境】 （包括总体目标，设计方案，研究成果，阶段目标（计划），技术指标，关 键技术，预期解决的重大问题） 课题负责人及主要骨干人员的情况 1、从事过的主要相关研究及所负责任和作用，相关研究和产业化成果、发明专 利和获奖情况，在国内外主要刊物上发表论文情况，特别是与本课题相关的研究 成果情况等 2、主要骨干人员 4.1.3.3 基于虚拟现实机器设备远程操控平台及接口（徐浩煜） 【基于虚拟现实技术的智能机器的远程操控模型等关键技术实现】 【适用于远程操控业务场景的 5G 网络性能指标】 （包括总体目标，设计方案，研究成果，关键技术，技术指标，阶段目标 （计划），预期解决的重大问题） 课题负责人及主要骨干人员的情况 1、从事过的主要相关研究及所负责任和作用，相关研究和产业化成果、发明专 利和获奖情况，在国内外主要刊物上发表论文情况，特别是与本课题相关的研究 成果情况等 2、主要骨干人员 1、虚拟现实机器设备远程操控平台设计 1) 总体框架 基于虚拟现实的远程操控平台是远程操控的核心，其功能一是重建远程场景 的 3D 模型，并根据远程场景的变坏，实时修正更新。首先远程操控平台接受并 处理处理多种远程场景的感知信息。通过内置的接口标准，将不同类型的传感器 信息转换统一的格式，经信息融合后，重建出远程场景的 3D 模型，并结合数据
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