《5G工業(yè)應用白皮書》-5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室

前言-------------------------------------------02編寫說明----------------------------------------031概述------------------------------------------041.15G技術概述-------------------------------------------------------041.2工業(yè)通信的發(fā)展趨勢--------------------------------------------------051.3工業(yè)發(fā)展對5G的新需求-----------------------------------------------071.45G工業(yè)應用國內外現(xiàn)狀-----------------------------------------------0725G工業(yè)應用場景分析------------------------------092.1通用場景分析------------------------------------------------------092.2典型行業(yè)場景示例---------------------------------------------------1035G工業(yè)應用實施流程------------------------------133.15G工業(yè)應用實施通用流程----------------------------------------------133.2工業(yè)5G網(wǎng)絡需求提取------------------------------------------------143.3工業(yè)5G網(wǎng)絡方案設計及實施--------------------------------------------183.45G與工業(yè)應用融合建設-----------------------------------------------203.5工業(yè)5G網(wǎng)絡驗收---------------------------------------------------234總結及展望-------------------------------------2455G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室簡介-----------------------256縮略語----------------------------------------265G是新一代移動通信技術，我國已將5G技術列為新基建7大領域的重點內容。5G技術具有的大帶寬、高可靠、低時延、廣連接等特點，使其面向行業(yè)深度融合應用成為可能，尤其是5G在工業(yè)中的應用得到了廣泛關注，將質量發(fā)展。為推動5G與行業(yè)的深度融合發(fā)展，在政策方面，工信部、科技部近兩年圍繞5G工業(yè)應用陸續(xù)出臺了相關的產(chǎn)業(yè)政策和科研項目布局；在產(chǎn)業(yè)生態(tài)建應用產(chǎn)業(yè)方陣”、儀綜所與華為發(fā)起成立的“5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”等機構和團體在整合行業(yè)資源、標準化等方面做了大量工作；在5G工業(yè)先行應用方面，德國大眾、寧波舟山港、上海商飛、南方電網(wǎng)等企業(yè)開始使用5G新。然而，目前5G的工業(yè)應用仍然面臨一些問題，如：技術層面需滿足工業(yè)5G工業(yè)應用標準體系及實現(xiàn)關鍵標準制定，以及5G在工業(yè)場景深度應用的研究和探索。推動5G在工業(yè)領域的應用，5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室組織相關單位編寫本白皮書，分析5G工業(yè)應用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，梳理典型工業(yè)應用場景，指導工業(yè)企業(yè)開展5G工業(yè)應用實施。025G工業(yè)應用總體上還處于起步階段，本白皮書對5G工業(yè)應用的認識也是階段性的，后續(xù)將根據(jù)5G工見，在持續(xù)深入研究的基礎上適時修訂和發(fā)布新版白皮書。機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所編寫單位(排名不分先后)：機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所、華為技術有限公司、中國移動通信司顧問單位(排名不分先后)：中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司、富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)股份有限公司、應鏈管理有限公司、重慶機電智能制造有限公司編寫組成員(排名不分先后)：儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所：王麟琨、劉丹、趙艷領、王振、公彥杰、韓丹濤、李方健曉龍、王銳、張龍、程錦霞、李穎、杜曉舟顧問組成員(排名不分先后)：司：黃衛(wèi)民公司：馬力應鏈管理有限公司：王峰制造有限公司：岳相軍03AMF概述AMF概述01.G述5G(第五代移動通信技術)是當前最新一代的蜂窩移動通信技術，支持ITU定義的：增強移動帶寬 (eMBB)、超高可靠低時延通信(URLLC)和大規(guī)模機器類通信(mMTC)三大場景。相比于前幾向工業(yè)等行業(yè)推廣應用成為可能。G線終端的數(shù)據(jù)首先發(fā)送到無線基站側，然后由無線基站發(fā)送給核心網(wǎng)設備，最終發(fā)送到目的接收端。其中，無線終端和無線基站之間數(shù)據(jù)是通過無線信號傳輸?shù)?，無纖連接。無線基站主要由BBU和RRU兩部分功能部件組成，BBU和RRU之間一般通過光纖連接：?基帶處理單元(BBU)：主要實現(xiàn)5G基帶信號的調制和解調功能。?無線射頻單元(RRU)：實現(xiàn)射頻信號的發(fā)射和接收。04?用戶面功能(UPF)：主要負責分組路由轉發(fā)、策略實施、流量報告和QoS處理等功能。來自?接入與移動性管理功能(AMF)：主要功能包含：執(zhí)行注冊、連接性、可達性和移動性管理，為UE和SMF提供會話管理消息傳輸通道，為無線終端接入網(wǎng)絡時提供認證、鑒權功能，是終端和基?會話管理功能(SMF)：主要負責會話管理、UPF和無線基站節(jié)點之間的隧道維護、IP地址分配和管理、UPF的選擇漫游等功能。作為5G技術的主要標準化組織，3GPP已經(jīng)制定了一系列的5G標準，在標準制定過程中，以西門子、博世以及國內南方電網(wǎng)等為代表的行業(yè)企業(yè)積極參與3GPP的標準會議，并以各自領域的業(yè)務特截止到目前，3GPP已完成了第一版和第二版5G標準的制定，第三版的標準化工作在持續(xù)進行中。?第一版國際標準(Rel-15)已全部完成，主要針對eMBB大帶寬業(yè)務場景；?第二版國際標準(Rel-16)已于2020年6月完成凍結，增強了高可靠、低時延的URLLC業(yè)務場景，更好的支撐5G在工業(yè)場景的應用。當前，通信設備商和運營商可依據(jù)Rel-16的標準版本進行署。?第三版國際標準(Rel-17)以及之后的版本，一方面將繼續(xù)對現(xiàn)有功能進行增強和完善，另一方面會引入一些新的功能，來滿足新場景下的新需求，例如增加更高速率要求的mMTC解決方案、精準定位等使能垂直行業(yè)的能力，將促進5G在各行業(yè)不同應用中的落地。趨勢工業(yè)通信網(wǎng)絡傳統(tǒng)上包含“測”(數(shù)據(jù)采集)與“控”(控制系統(tǒng))的所有關聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)場設備 (如傳感器、執(zhí)行設備等)與控制設備(如PLC、DCS控制器等)之間的互聯(lián)互通。與ICT領域相比，、與控制執(zhí)行的實時周期性過程數(shù)據(jù)、用于參數(shù)配置與監(jiān)視控制的非實時非周期變量數(shù)據(jù)、用于現(xiàn)場工藝及設備診斷報警的實時非周期報警數(shù)據(jù)。工業(yè)通信必須同時滿足這三類數(shù)據(jù)在實時性、數(shù)據(jù)量級、傳輸優(yōu)先級及可靠性等方面的不同傳輸要求。05國際電工委員會IEC將其定義為基于串行數(shù)據(jù)傳輸、典型應用于工業(yè)自動化和流程控制應用的通信系統(tǒng)，具有數(shù)字化、雙向串行、多點連接的特征。工廠中常用的現(xiàn)場總線有MODBUS、PROFIBUS、HART、CAN、CC-LINK、DeviceNet/ControlNet等，物理層信號多采用RS485、MBP(曼切斯特編碼，總線供電)等。工業(yè)以太網(wǎng)(或稱實時以太網(wǎng))逐漸興起，在IEEE802.3標準以太網(wǎng)上修改MAC層或在MAC層之上增加一些特定協(xié)議機制(如時間調度、通信優(yōu)先級、時鐘同步等)，以滿足工業(yè)應用對通信實時性和確定性的要求。工廠中常用的工業(yè)以太網(wǎng)有EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、POWERLINK、CC-LINKIE等。工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比功能全覆蓋而性能更高，因此可預見未來工業(yè)以太網(wǎng)將替代傳統(tǒng)現(xiàn)場總線。但由于流程工業(yè)對于物理層具有總線供電、本質安全等特殊要求，現(xiàn)場總線還將繼續(xù)存在較長時間?，F(xiàn)在，國內外正在開展二線制以太網(wǎng)(SPE)和高級物理層(APL)的技術研究和標準也可擴展應用到流程工業(yè)。本世紀初，工業(yè)無線網(wǎng)從新興的無線傳感器網(wǎng)(WSN)發(fā)展而來，目的是將無線通信技術引入工業(yè)領域。目前，國際上主要有基于IEEE802.15.4(同ZigBee)的用于過程自動化的WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a，以及基于IEEE802.11(同WIFI)的用于工廠自動化的WIA-FA工業(yè)無線網(wǎng)絡技術。這四種工業(yè)無線都屬于短距離無線通信技術，在通用協(xié)議基礎上修改或定義新的MAC層、隨著信息技術的快速發(fā)展，工業(yè)界由原來比較封閉的自動化/運營技術(OT)領域，逐漸向信息技術(IT)領域開放，OT和IT融合是技術發(fā)展的必然趨勢。一方面，新的信息技術作為使能技術不斷應用到工業(yè)自動化領域，推動OT技術向更高性能、更智能方向發(fā)展，如時間敏感網(wǎng)TSN技術。TSN是由一組IEEE802.1標準構成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層標準，2005年起源于IEEE802.1AVB(音頻視頻網(wǎng)橋)后更名為TSN。由于TSN在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上增加可提供確定性服務的各種功能和性能，包括時鐘同步、低時延和預留帶寬等，滿足了工業(yè)應用對實時甚至硬實時通信的需求,而引起了工業(yè)界廣泛關注，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)技術(如PROFINET、CC-LINKIE)紛紛與之融合。另一方面，工廠內OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)之間要實現(xiàn)互聯(lián)互通，即各種現(xiàn)場設備、制造裝備、控制系統(tǒng)與MES、ERP等生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間不僅要實現(xiàn)數(shù)據(jù)相互傳輸，更要理解所傳輸數(shù)據(jù)的含義與作用。OPCUA是新一代的基于語義和面向服務架構(SOA)的OPC規(guī)范，將傳統(tǒng)OPC規(guī)范的所有功能集成到一個可擴展框架，并實現(xiàn)了跨平臺支持。鑒于其強大的建模能力，OPCUA被公認為在IT系統(tǒng)和06T能。1.3工業(yè)發(fā)展對5G的新需求G是新一代信息通信技G創(chuàng)新發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場采程診斷、預測性維護等智能應用使得現(xiàn)場設備上云已成“剛需”，視覺檢測使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集從一維感知到大帶寬多維全景感知發(fā)展。這些導致了網(wǎng)絡通信技術必須支持結構化數(shù)據(jù)與非結構化數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)與非實時工業(yè)大數(shù)據(jù)共存的新需求。5G大帶寬和廣連接的技術特點，以及保證特定業(yè)務需求的QoS滿足這些需求。G制要求生產(chǎn)線具有更高的靈活性，甚至可根據(jù)訂單變化和業(yè)務需求而快速增加、移除可移動操作設備實現(xiàn)生產(chǎn)線重構，這要求現(xiàn)場網(wǎng)絡也能夠支持靈活可重構的組網(wǎng)方式。5G技術可以很好地滿足了對于靈活組網(wǎng)和動態(tài)按需決方案(如基于IEEE802.15.4的短距離工業(yè)無線等)無法滿足需求。1.45G工業(yè)應用國內外現(xiàn)狀80家運營商在全球42個國家和地區(qū)推出了商用5G服務。5G終端發(fā)展速度遠超預期，已經(jīng)有296款G互聯(lián)網(wǎng)”512工程推薦方案》，旨在推動5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展；目前，我國已將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G列為新基建7大領域的重點內容，將其作為實現(xiàn)工業(yè)、經(jīng)濟、社會數(shù)字化轉型的重要驅動力量。德國G，并制定了配套管理政策和技術要求，為我國5G專網(wǎng)頻率管理提供了參考。07在產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設方面，2018年4月在德國電氣和電子制造商協(xié)會(ZVEI)的基礎上正式成立了5G產(chǎn)業(yè)自動化聯(lián)盟(5G-ACIA)，旨在推動5G在工業(yè)自動化領域的應用場景分析、工業(yè)5G網(wǎng)絡融合解決方案構建及落地應用。中國信息通信研究院聯(lián)合運營商、制造企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、大學和研究院所等企事業(yè)單位于2019年6月21日共同發(fā)起成立“5G應用產(chǎn)業(yè)方陣”，立足于搭建5G應用的融合創(chuàng)新平臺，形成5G應用產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，實現(xiàn)5G應用的孵化與推廣。2019年6月27日，中國移動與中國電工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”，以期在5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域構建能力互補、資源共享、價值共創(chuàng)的合作體系。2019年12月24日，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所與華為技術有限公司發(fā)起成立了“5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”，聚焦5G工業(yè)應用的融合技術、工業(yè)5G網(wǎng)絡性能測試與保障等方面，以構建5G以確保人類員工與機器人在生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)作時的安全性；英國伍斯特郡5G工廠，探索使用5G進行預防性維護、機器維護遠程指導等應用；我國寧波舟山港使用5G技術用來實現(xiàn)龍門吊的多臺吊車并行工作作業(yè)管理、視頻回傳等應用；南方電網(wǎng)在深圳完成全球首條5GSA網(wǎng)絡差動保護配網(wǎng)線路測試，用來實現(xiàn)電力終端5G網(wǎng)絡授時、利用網(wǎng)絡切片保證電網(wǎng)業(yè)務與非電網(wǎng)業(yè)務安全隔離等應用。在5G工業(yè)應用技術及標準化研究方面，5G與現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)、5G與OPCUA和TSN等GG5G安全技術等是目前的研究重點。全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術委員會(SAC/TC124)組織華為等單位，開展《工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡》國際和國家標準體系研究，并正在制定核心技術標準《工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡第1部分：通用技術要求》(國標計劃號：20184670-T-604)，旨在進一步增強工業(yè)5G網(wǎng)絡術語的統(tǒng)一性和一致性，并用于指導工業(yè)5G網(wǎng)絡的規(guī)劃、設計和建設優(yōu)化。085G工業(yè)02.2.1通用場景分析5G作為新一代移動通信技術，具有大帶寬、高可靠、低時延、廣連接的特點，5G不僅可以應用到如圖2所示，理論上，5G空口時延可達到1ms，可以支撐端到端時延要求在毫秒級的應用場景。高同步處理、電子傳動等高速過料輸程、機器人等控制過程自動化、樓宇控1口s10口s100口s1ms10ms100ms1s10s循環(huán)周期AR導等工業(yè)場景，簡要說明如下：1)5G+實時控制：利用5G網(wǎng)絡實現(xiàn)設備與設備(如機器人與機器人)之間協(xié)同操作；2)5G+視覺檢測：使用工業(yè)相機對工件或產(chǎn)品進行質量檢測并利用5G網(wǎng)絡傳輸拍攝的視頻或圖片093)5G+數(shù)字孿生：對生產(chǎn)線進行信息建模，形成生產(chǎn)線數(shù)字孿生，利用5G網(wǎng)絡的大帶寬打通物理4)5G+智能運維：利用5G網(wǎng)絡傳輸制造裝備的健康狀態(tài)及故障診斷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨工廠跨地域的制5)5G+車間物流：利用5G網(wǎng)絡傳輸物料配送、路徑、設備狀態(tài)等信息，實現(xiàn)按需調度分配資源、6)5G+遠程控制：通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距離作業(yè)下對現(xiàn)場設備遠程操控；7)5G+AR遠程指導：通過5G實現(xiàn)設備、產(chǎn)線等遠程指導維修、在線檢測等應用。2.2典型行業(yè)場景示例2.2.13C行業(yè)柔性生產(chǎn)3C行業(yè)以手機產(chǎn)品為例，具有品種多樣、更新?lián)Q代快、工藝變換頻繁、短時間內爆款產(chǎn)品需求量巨目前主要采用移動設備與不同工作站的配合提高產(chǎn)線柔性，實現(xiàn)生產(chǎn)線一定程度的可重構，如移動工作臺完成上下料、換刀等操作，移動視覺檢測設備完成質量檢測等。移動工作臺和移動視覺檢測設備需采集和傳輸高清圖像并與上層管控系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交互，對可靠性及延遲要求高，綜合考慮采用5G方視覺檢測AGV工作站圖35G復合AGV移動視覺檢測和控制通過在移動工作臺和移動視覺檢測設備上加裝高清機器視覺模塊，對加工工件姿態(tài)、表面質量和幾何尺寸等進行自動檢測。視覺模塊所拍攝高清圖像由5G傳輸至邊緣服務器上，通過內置于邊緣服務器中快速切換及柔性生產(chǎn)。2.2.2風電行業(yè)遠程運維風電機組具有分布地域廣、運行環(huán)境復雜、風場位置偏遠、運維要求高等特點。通過對風電機組實施遠程運維管理可消除不同地域的空間限制，實時監(jiān)測風場環(huán)境和機組運行狀態(tài)，基于狀態(tài)變化優(yōu)化機組維成本。預測性維護預測性維護實時監(jiān)控參數(shù)優(yōu)化場景圖4基于5G網(wǎng)絡的遠程運維?需要采集風機運行狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)并傳送到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上，遠程綜合控制中心與風機進行實時數(shù)需要采集震動等非實時數(shù)據(jù)用于預測性分析，數(shù)據(jù)量較大，每秒需傳輸數(shù)十兆上行數(shù)據(jù)。合預測機理模型實現(xiàn)設備遠程運維和智慧風場建設。2.2.3電子制造園區(qū)智慧物流企業(yè)生產(chǎn)物流配送應具有快速響應、低差錯率等特點。為提高規(guī)?；娮又圃靾@區(qū)的生產(chǎn)效.RFlD.RFlD.廠內AGV.RFlD的大量數(shù)據(jù)，感知環(huán)節(jié)多；無人駕駛車輛等移動物流設備對車輛狀態(tài)和環(huán)境的實時采集數(shù)據(jù)量大，通信連接性要求嚴格。供應商1…N制造工廠1…供應商1…N架AGV架臂人點業(yè) 5G工業(yè)應用03.目前5G已經(jīng)在3C制造、電網(wǎng)等典型行業(yè)開展示范應用，但在實施過程中仍然存在較多問題，例如工業(yè)5G網(wǎng)絡方案如何選擇、5G技術如何與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡集成、如何評估工業(yè)5G網(wǎng)絡性能等等，不一足，這些因素也影響著5G技術在工業(yè)的應用普及。本白皮書通過規(guī)范5G工業(yè)應用的實施流程，以期在行業(yè)形成一套通用準則，引導企業(yè)開展5G工業(yè)加速5G技術融入工業(yè)應用體系。3.15G工業(yè)應用實施通用流程5G工業(yè)應用實施通用流程包括：工業(yè)5G網(wǎng)絡需求提取、工業(yè)5G網(wǎng)絡方案設計及實施、5G與工合建設以及工業(yè)5G網(wǎng)絡驗收四個重要階段，如圖6所示。優(yōu)化各個階段、保障工業(yè)應用需求的滿足工業(yè)5G網(wǎng)絡工工業(yè)5G網(wǎng)絡工業(yè)5G網(wǎng)絡施工業(yè)5G商圖65G工業(yè)應用實施通用流程及主要參與方 (1)工業(yè)5G網(wǎng)絡需求提取用戶和咨詢機構一起梳理工業(yè)應用場景對通信的要求，通過映射轉換形成運營商建設工業(yè)5G網(wǎng)絡的 (2)工業(yè)5G網(wǎng)絡方案設計及實施運營商根據(jù)用戶提出的工業(yè)5G網(wǎng)絡性能需求和自身的工業(yè)5G網(wǎng)絡方案，進行工業(yè)5G網(wǎng)絡的規(guī)劃及建設，使用的5G網(wǎng)絡設備一般由網(wǎng)絡設備制造商提供。 (3)5G與工業(yè)應用融合方案工業(yè)5G網(wǎng)絡建設完成之后，工業(yè)集成商需要綜合工業(yè)5G網(wǎng)絡、邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能求，工業(yè)設備制造商、網(wǎng)絡設備制造商等角色也會提供相應的設備。 (4)工業(yè)5G網(wǎng)絡驗收工業(yè)應用場景需求實施完成后，需要評估機構及用戶對建設內容進行評估及驗收，以驗證工業(yè)5G網(wǎng)3.2工業(yè)5G網(wǎng)絡需求提取工業(yè)5G網(wǎng)絡需求提取分為工業(yè)應用場景分析、場景模擬與驗證、工業(yè)5G網(wǎng)絡需求獲取三個重要事G信息，詳細信息如下： (1)工業(yè)應用場景分析工業(yè)應用場景分析主要是了解用戶的實際需求及解決的問題，通過行業(yè)、場景、具體的業(yè)務、性能參數(shù)等不同角度闡述具體的工業(yè)應用需求。表1描述了工業(yè)應用場景分析模板，針對同一企業(yè)，會依據(jù)工個工業(yè)應用場景分析實例。稱3中不同類型應用的編號測對應的具體業(yè)務名稱幾種類型應的數(shù)據(jù)傳輸方向：發(fā)端；收端；收發(fā)端數(shù)據(jù)的通信特征，分為：實時周期性、實時非周時性、混合業(yè)務100Byte應用層數(shù)據(jù)包的大小，單位：Byte30ms兩次連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸之間的時間差，單位：msE2E最大時延*25ms單位：ms90ms單位：ms*99.9%際滿足傳輸要求時的數(shù)據(jù)傳輸時間和所期望通傳輸要求時的數(shù)據(jù)傳輸時間的比值500μs該應用對應的收發(fā)設備間的最大時間偏差，單位：μsNone置與其真實位置值的接近程度要求，包括水平垂直方向定位準確度，單位：mNone定位置相關數(shù)據(jù)的事件到在定位系統(tǒng)界面處獲得位置相關數(shù)據(jù)之間的時間間隔，單位：ms型設備的運動類型：靜止、自由移動、區(qū)域限制牧移動率特征的設備數(shù)量，單位：個1000m2單位：m2或者m3None需求 (2)場景模擬與驗證5G工業(yè)應用測試床具備工業(yè)應用場景模擬、5G網(wǎng)絡能力配置等功能，可以模擬用戶的工業(yè)應用場景并結合5G網(wǎng)絡能力配置，驗證5G網(wǎng)絡性能指標是否滿足實際的需要，同時可以結合其它技術進行5G網(wǎng)絡性能指標的優(yōu)化，例如通過邊緣計算、存儲和綜合調度技術降低對網(wǎng)絡帶寬的過高要求，提升對 (3)工業(yè)5G網(wǎng)絡需求獲取基于工業(yè)應用對通信的需求，通過指標映射等手段將工業(yè)應用需求合理的轉化為工業(yè)5G網(wǎng)絡的性能為后續(xù)的工業(yè)5G網(wǎng)絡方案和建設奠定基礎，針對每一個工業(yè)應用場景分析實例需要一個匹配的工業(yè)5G表2工業(yè)5G網(wǎng)絡性能需求模板示例5G網(wǎng)絡性能需求編號1號35G系統(tǒng)內的數(shù)據(jù)包流向：上行、下行、上下行。在析中，終端設備作為發(fā)端，則數(shù)據(jù)流向為為下行數(shù)據(jù)的通信特征，分為：實時周期性、實時實時性、混合業(yè)務*0.066Mbit/s業(yè)應用所要求的最大傳輸速率，單位：Mbit/s*0.066Mbit/s業(yè)應用所要求的最小傳輸速率，單位：Mbit/s164Byte傳輸?shù)?G系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包的大小，單位：Byte30ms兩次連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸之間的時間差，單位：ms20ms工業(yè)應用的數(shù)據(jù)包從到達5G系統(tǒng)到5G系統(tǒng)交付給單位：ms99.99%在滿足QoS要求時傳輸成功的數(shù)據(jù)包個數(shù)和總的傳數(shù)的比值99.99%網(wǎng)元組成的網(wǎng)絡正常運行的時間比例(網(wǎng)絡不可用一般指硬件失效)500μsG差，單位：μsNone置與其真實位置值的接近程度要求，包括平和垂直方向定位準確度，單位：mNone位置相關數(shù)據(jù)的事件到在定位系統(tǒng)界面處獲得位置相關數(shù)據(jù)之間的時間間隔，單位：ms率km/hNone要求的電池的工作時長，單位：天，1000m2終端設備所要求5G系統(tǒng)的通信服務可訪問的地理區(qū)域，單位：m2或者m3None其他需求，例如：冗余要求等3.3工業(yè)5G網(wǎng)絡方案設計及實施工業(yè)5G網(wǎng)絡方案以運營商為主設計實施。工業(yè)用戶根據(jù)自己實際的業(yè)務需求及具體應用場景，結合咨詢機構意見，進行工業(yè)5G網(wǎng)絡相關參數(shù)輸入；運營商通過對5G無線網(wǎng)絡與工業(yè)有線網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡拓撲結構進行建模評估等方式，確定與業(yè)務需求匹配的5G網(wǎng)絡架構與運營模式，將5G平滑融入到工廠業(yè)務的提質增效。3.3.1網(wǎng)絡架構方案?網(wǎng)絡架構一(共享公網(wǎng))：在園區(qū)建設5G無線網(wǎng)絡，工業(yè)用戶和公網(wǎng)用戶完全共享頻率和設備，通可靠性優(yōu)先保障的需求，達到業(yè)務邏輯隔離、按需靈活配置的效果。該種模式主要面向大部分廣域業(yè)和隔離保障有一定要求，網(wǎng)絡部署成本較低。?網(wǎng)絡架構二(公網(wǎng)專用)：在公網(wǎng)的基礎上，通過數(shù)據(jù)分流和移動邊緣計算等技術手段，提供專用切片及專用用戶面下沉園區(qū)，滿足企業(yè)用戶數(shù)據(jù)不出廠、超低時延、專屬網(wǎng)絡的需求，達到數(shù)據(jù)流量卸成本。?網(wǎng)絡架構三(專網(wǎng)專用)：通過基站、頻率、核心網(wǎng)設備的專建專享，來進一步滿足超高安全性、超高隔離度、定制化網(wǎng)絡的需求，達到專用5G網(wǎng)絡的效果。尤其是通過豐富基站站型、小區(qū)專用、上下行性能增強和差異化配置等多種定制化服務重點保障無線空口傳輸能力,定向支持高優(yōu)先級應用。場景，網(wǎng)絡部署成本較公網(wǎng)專用方案更高。3.3.2設備形態(tài)G需求，提供以下基站形態(tài)：部署于鐵塔、樓面站等；率基站，一般部署于街道站燈桿等；皮基站：用于室內高容量場景的小功率基站，一般用于體育場、交通樞紐、工廠等高容量場景。內場景以皮基站為主。基站建設方案分樓宇·宏基站·無源分布系統(tǒng)的解決方案·一體化皮基站·小型的數(shù)字直放站等設備多的室內·5G的數(shù)字有源分布系統(tǒng)·pRRU外接多個拉遠無源天線特殊場景(如礦井等)·定制站型(如防塵防爆基站等)終端是5G端到端系統(tǒng)的重要組成部分，千行百業(yè)差異化的業(yè)務場景和應用需求，需要多模多頻多形5G模組GG、射頻、存儲、電源管理等硬件進行了封裝，對外提供特定數(shù)據(jù)接口和封裝方式，具有獨立的5G無線通信功能，被嵌入行業(yè)終端中，使行業(yè)終端能夠進行5G的通信。5G行業(yè)終端端還必須滿足行業(yè)特有的要求，如防水、防爆、抗震動、低功耗等，以適用于不同工況條件。根據(jù)不同的行業(yè)終端的形態(tài)和承載業(yè)務等特點，行業(yè)終端可分為三大類：接入類、手持類、視頻類。數(shù)據(jù)接入類終端的主要形態(tài)為CPE、DTU、路由器以及網(wǎng)關，主要用來為若干設備提供局域互聯(lián)和廣域互聯(lián)功能。行業(yè)手持終端是指應用在垂直行業(yè)中，具有操作系統(tǒng)、內存、CPU、顯卡、電池、屏幕等，可以移動使用的便于攜帶的數(shù)據(jù)處理終端。視頻類終端主要的業(yè)務特點是需將視頻或視覺信息無線傳輸?shù)椒掌骰?.3.3性能增強方案5G網(wǎng)絡通過專屬上行、極致時延、超級可靠、QoS/切片優(yōu)先級保障等性能增強方案，為工業(yè)用戶提供分場景分級、可靈活定制的5G網(wǎng)絡服務。理邊緣云MEc(工業(yè)平臺理邊緣云MEc(工業(yè)平臺)?專屬上行：工業(yè)應用中存在廣泛的上行采集類應用，如傳感器、視頻監(jiān)控、視覺檢測等，對網(wǎng)絡上行?極致時延/超級可靠：對于工業(yè)控制、電力監(jiān)控等工業(yè)應用，提供極致時延/超級可靠的通信是工業(yè)1ms幀結構、低碼率MCS、PDCP復制、重復傳輸?shù)榷喾N關鍵技術的靈活組合，提供空口分級的?QoS/切片優(yōu)先級保障：針對工業(yè)用戶在同一個園區(qū)內，普遍存在不同業(yè)務之間優(yōu)先級不同，或者同3.45G與工業(yè)應用融合建設5G與工業(yè)應用融合建設，主要是在工業(yè)5G網(wǎng)絡部署完成之后，為如何使用工業(yè)5G網(wǎng)絡提供技術思路。5G與工業(yè)應用融合體系如圖7所示，可以在工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的不同位置接入具備5G通信功能的終端，采用QoS/切片技術、UPF下沉到企業(yè)等方式，利用邊緣計算、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術，實管理層、企業(yè)管理層和云平臺之間的互聯(lián)互通和智能化管理。層層層大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等工業(yè)云平臺(公有云) 絡(私有云、數(shù)據(jù)集成應用)S圖75G與工業(yè)應用融合體系20層層工業(yè)云平臺(公有云)人層層工業(yè)云平臺(公有云)人5G與工業(yè)應用融合建設的方式有多種，一種是采用5G模組(工業(yè)設備嵌入5G通信模組),通過集成到設備內部，實現(xiàn)5G與工業(yè)通信的深層融合應用。如圖8所示，現(xiàn)場設備層、執(zhí)行控制層、車間管理層和企業(yè)管理層等，全部采用5G工業(yè)模組方式接入5G網(wǎng)絡，形成獨立的工業(yè)5G網(wǎng)絡體系以實層(私有云、數(shù)據(jù)集成應用)CAxSCMERPCRMBI S工業(yè)5G網(wǎng)絡圖8基于5G工業(yè)模組的融合建設方案EG網(wǎng)關實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚；控制執(zhí)行層、車間管理層等以工業(yè)網(wǎng)絡通信為基礎，可采用CPE、路由器等方式接入5G網(wǎng)絡，可快速實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡體S工業(yè)云平臺(公有云)層S工業(yè)云平臺(公有云)層層(私有云、數(shù)據(jù)集成應用)層人工業(yè)網(wǎng)絡總線備5GcPE工業(yè)5G網(wǎng)絡工業(yè)5G網(wǎng)絡圖9基于網(wǎng)關、CPE的融合建設方案22針對上述提到的5G工業(yè)應用融合建設方式，可采用5G透傳和映射兩種技術以實現(xiàn)5G與工業(yè)通信 (1)透傳5G透傳，即5G作為工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃梢詫碜怨I(yè)應用層、IP層和MAC層的工業(yè)數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡上實現(xiàn)透明傳輸，如工業(yè)通信網(wǎng)絡技術集成標準的TCP/IP協(xié)議，IP數(shù)據(jù)包直接傳送到5G系統(tǒng)，并通過透傳的方式將數(shù)據(jù)包遞交到目的端。采用5G透傳的方式可以實現(xiàn)5G與現(xiàn)有工業(yè)通信網(wǎng) (2)映射5G映射，即通過將工業(yè)通信網(wǎng)絡需求在5G系統(tǒng)上進行實現(xiàn)，如數(shù)據(jù)的優(yōu)先級調度機制、時間調度G務的正常運行。相較GGG優(yōu)勢。如5G作為工業(yè)通信網(wǎng)絡的MAC層，將工業(yè)網(wǎng)絡通信技術的優(yōu)先級調度、時延策略等向5G傳輸機制進行截止目前，相關領域組織已開展5G+OPCUA、5G+TSN等相關技術的映射研究工作?；?G透傳和映射的融合技術方案能夠復用現(xiàn)有的工業(yè)通信網(wǎng)絡技術及設備，并利用5G針對垂直行業(yè)提供的技術方案，如：5G網(wǎng)絡切片、QoS等技術，滿足靈活組網(wǎng)、柔性生產(chǎn)等工業(yè)應用需求。3.5工業(yè)5G網(wǎng)絡驗收GG線正式投運前，需要第三方專業(yè)機構對工業(yè)5G網(wǎng)絡進行驗收測試。測試內容包含5G網(wǎng)絡性能需求模板中的各項指標，還需要結合工業(yè)應用場景，將5G網(wǎng)絡視作工業(yè)應用的組成部分，完成工業(yè)5G網(wǎng)絡與工業(yè)應用的融合測試，保證工業(yè)5G網(wǎng)絡及應用投入使用后能夠充分滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。對于工業(yè)5G網(wǎng)絡的驗收應考慮老舊工廠改造和新建工廠兩種情況，兩類網(wǎng)絡的驗收測試應充分考慮其實際特點，有針對性的設計測試用例。對于無法在投產(chǎn)前觸發(fā)的測試條件，應通過模擬手段(如模擬大帶寬等)進行全面測試。通過驗收測試，可以消除工業(yè)用戶使用5G網(wǎng)絡的各種顧慮，也可以避免建設過程中只強調5G網(wǎng)絡2304. 5G在工業(yè)推廣應用要解決技術、成本和融合體系問題。技術成本問題是指目前5G工業(yè)應用模組等軟硬件設備/部件等成本遠業(yè)通信。融合體系是指當前工業(yè)通信、裝備和系統(tǒng)已經(jīng)式，只有5G與工業(yè)應用兩者高度融合，才能更好地服務新一輪的為此，我們在5G工業(yè)應用融合發(fā)展的過程中，構建ICT和OT兩個領域都認可的5G工業(yè)應用的標準體系，研究5G與工業(yè)應用融合、5G工業(yè)應用的性能保證及現(xiàn)場測試評估等技術，解決5G工業(yè)應用的成本及商業(yè)模式問題，構建5G工業(yè)應用生態(tài)，推動5G工業(yè)應用先行示范與全面推廣。G，5G技術融合發(fā)展是大勢所趨，產(chǎn)生的新技術、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)以及商業(yè)新模式將會對數(shù)字世界與數(shù)字經(jīng)濟時代的到來起著巨大然我們無法預測這一天到來的具體時間，但是這一天一24 聯(lián)合創(chuàng)新實驗室簡介5G 聯(lián)合創(chuàng)新實驗室簡介“5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”是由機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所與華為技術有限公司在2019年12月24日發(fā)起成立的。實驗室將在5G工業(yè)應用需求分析、技術研究、關鍵設備研制、測試5G+OPCUA關鍵設備研制、5G工業(yè)應用綜合測試床等，并在此基礎上開展技術落地與示范應用。“5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”運營秉承開放、創(chuàng)新的精神，歡迎工業(yè)企業(yè)、信息技術企業(yè)、網(wǎng)絡運營商、科研院所等單位加入，聯(lián)合搭建5G工業(yè)應用技術研發(fā)和推廣應用平臺，一起為5G工業(yè)應用中國移動通信集團有限公司、富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)股份有大學、上海自動化儀表有限公司等。后續(xù)，“5G工業(yè)應用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”將瞄準定位，充分利用目前承擔的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程-“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”高質量網(wǎng)絡和公共服務平臺項目的國家支持，匯聚各方資源，共同研究并解決5G應用于工業(yè)存在的技術問題，提升自身能力，向政府和各類企事業(yè)單位提供有關5G工業(yè)應用的政策分析、技術咨詢、測試驗證、技術培訓、解決方案等綜合服務，為企業(yè)數(shù)字化轉型和制造業(yè)高質量發(fā)展2506.縮略語3GPPThirdGenerationPartnershipProject動通信伙伴組織5G5th-Generation動通信技術5GC5GCorenetwork5G核心網(wǎng)5G-ACIA5GAllianceforConnectedIndustriesandAutomation5G產(chǎn)業(yè)自動化聯(lián)盟AGVAutomaticGuidedVehicle車AMFAccessandMobilityManagementFunction移動性管理功能APLAdvancedPhysicalLayer層BBUBuildingBasebandUnit單元BIBusinessIntelligenceCAxCompute