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

前言-------------------------------------------02編寫說明----------------------------------------031概述------------------------------------------041.15G技術(shù)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(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)狀-----------------------------------------------0725G工業(yè)應(yīng)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(yīng)用實施流程------------------------------133.15G工業(yè)應(yīng)用實施通用流程----------------------------------------------133.2工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求提取------------------------------------------------143.3工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計及實施--------------------------------------------183.45G與工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)-----------------------------------------------203.5工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)驗收---------------------------------------------------234總結(jié)及展望-------------------------------------2455G工業(yè)應(yīng)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(shù)，我國已將5G技術(shù)列為新基建7大領(lǐng)域的重點內(nèi)容。5G技術(shù)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(yīng)用成為可能，尤其是5G在工業(yè)中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注，將質(zhì)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(yīng)用陸續(xù)出臺了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策和科研項目布局；在產(chǎn)業(yè)生態(tài)建應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方陣”、儀綜所與華為發(fā)起成立的“5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”等機構(gòu)和團體在整合行業(yè)資源、標(biāo)準(zhǔn)化等方面做了大量工作；在5G工業(yè)先行應(yīng)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(yīng)用仍然面臨一些問題，如：技術(shù)層面需滿足工業(yè)5G工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系及實現(xiàn)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)制定，以及5G在工業(yè)場景深度應(yīng)用的研究和探索。推動5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室組織相關(guān)單位編寫本白皮書，分析5G工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，梳理典型工業(yè)應(yīng)用場景，指導(dǎo)工業(yè)企業(yè)開展5G工業(yè)應(yīng)用實施。025G工業(yè)應(yīng)用總體上還處于起步階段，本白皮書對5G工業(yè)應(yīng)用的認(rèn)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(chǔ)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(shù)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(shù)經(jīng)濟研究所、華為技術(shù)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(fēng)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(yīng)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(shù)經(jīng)濟研究所：王麟琨、劉丹、趙艷領(lǐng)、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(yīng)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(shù))是當(dāng)前最新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，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(yīng)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(cè)，然后由無線基站發(fā)送給核心網(wǎng)設(shè)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(diào)制和解調(diào)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(fù)責(zé)分組路由轉(zhuǎn)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(dá)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(luò)時提供認(rèn)證、鑒權(quán)功能，是終端和基?會話管理功能(SMF)：主要負(fù)責(zé)會話管理、UPF和無線基站節(jié)點之間的隧道維護(hù)、IP地址分配和管理、UPF的選擇漫游等功能。作為5G技術(shù)的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織，3GPP已經(jīng)制定了一系列的5G標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，以西門子、博世以及國內(nèi)南方電網(wǎng)等為代表的行業(yè)企業(yè)積極參與3GPP的標(biāo)準(zhǔn)會議，并以各自領(lǐng)域的業(yè)務(wù)特截止到目前，3GPP已完成了第一版和第二版5G標(biāo)準(zhǔn)的制定，第三版的標(biāo)準(zhǔn)化工作在持續(xù)進(jìn)行中。?第一版國際標(biāo)準(zhǔn)(Rel-15)已全部完成，主要針對eMBB大帶寬業(yè)務(wù)場景；?第二版國際標(biāo)準(zhǔn)(Rel-16)已于2020年6月完成凍結(jié)，增強了高可靠、低時延的URLLC業(yè)務(wù)場景，更好的支撐5G在工業(yè)場景的應(yīng)用。當(dāng)前，通信設(shè)備商和運營商可依據(jù)Rel-16的標(biāo)準(zhǔn)版本進(jìn)行署。?第三版國際標(biāo)準(zhǔn)(Rel-17)以及之后的版本，一方面將繼續(xù)對現(xiàn)有功能進(jìn)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(zhǔn)定位等使能垂直行業(yè)的能力，將促進(jìn)5G在各行業(yè)不同應(yīng)用中的落地。趨勢工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)上包含“測”(數(shù)據(jù)采集)與“控”(控制系統(tǒng))的所有關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備 (如傳感器、執(zhí)行設(shè)備等)與控制設(shè)備(如PLC、DCS控制器等)之間的互聯(lián)互通。與ICT領(lǐng)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(shè)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(yīng)用于工業(yè)自動化和流程控制應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(diào)度、通信優(yōu)先級、時鐘同步等)，以滿足工業(yè)應(yīng)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(yù)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(zhì)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(nèi)外正在開展二線制以太網(wǎng)(SPE)和高級物理層(APL)的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)也可擴展應(yīng)用到流程工業(yè)。本世紀(jì)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(shù)引入工業(yè)領(lǐng)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(luò)技術(shù)。這四種工業(yè)無線都屬于短距離無線通信技術(shù)，在通用協(xié)議基礎(chǔ)上修改或定義新的MAC層、隨著信息技術(shù)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(shù)(OT)領(lǐng)域，逐漸向信息技術(shù)(IT)領(lǐng)域開放，OT和IT融合是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。一方面，新的信息技術(shù)作為使能技術(shù)不斷應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域，推動OT技術(shù)向更高性能、更智能方向發(fā)展，如時間敏感網(wǎng)TSN技術(shù)。TSN是由一組IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，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(wù)的各種功能和性能，包括時鐘同步、低時延和預(yù)留帶寬等，滿足了工業(yè)應(yīng)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(guān)注，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)(如PROFINET、CC-LINKIE)紛紛與之融合。另一方面，工廠內(nèi)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(shè)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(wù)架構(gòu)(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(rèn)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(yù)測性維護(hù)等智能應(yīng)用使得現(xiàn)場設(shè)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(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)必須支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)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(shù)特點，以及保證特定業(yè)務(wù)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(wù)需求而快速增加、移除可移動操作設(shè)備實現(xiàn)生產(chǎn)線重構(gòu)，這要求現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)也能夠支持靈活可重構(gòu)的組網(wǎng)方式。5G技術(shù)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(yīng)用國內(nèi)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(wù)。5G終端發(fā)展速度遠(yuǎn)超預(yù)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(lǐng)域的重點內(nèi)容，將其作為實現(xiàn)工業(yè)、經(jīng)濟、社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。德國G，并制定了配套管理政策和技術(shù)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(shè)方面，2018年4月在德國電氣和電子制造商協(xié)會(ZVEI)的基礎(chǔ)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(lǐng)域的應(yīng)用場景分析、工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)融合解決方案構(gòu)建及落地應(yīng)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(xué)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(yīng)用產(chǎn)業(yè)方陣”，立足于搭建5G應(yīng)用的融合創(chuàng)新平臺，形成5G應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，實現(xiàn)5G應(yīng)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(lǐng)域構(gòu)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(shù)經(jīng)濟研究所與華為技術(shù)有限公司發(fā)起成立了“5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”，聚焦5G工業(yè)應(yīng)用的融合技術(shù)、工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)性能測試與保障等方面，以構(gòu)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(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、機器維護(hù)遠(yuǎn)程指導(dǎo)等應(yīng)用；我國寧波舟山港使用5G技術(shù)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(yīng)用；南方電網(wǎng)在深圳完成全球首條5GSA網(wǎng)絡(luò)差動保護(hù)配網(wǎng)線路測試，用來實現(xiàn)電力終端5G網(wǎng)絡(luò)授時、利用網(wǎng)絡(luò)切片保證電網(wǎng)業(yè)務(wù)與非電網(wǎng)業(yè)務(wù)安全隔離等應(yīng)用。在5G工業(yè)應(yīng)用技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC124)組織華為等單位，開展《工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)》國際和國家標(biāo)準(zhǔn)體系研究，并正在制定核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)第1部分：通用技術(shù)要求》(國標(biāo)計劃號：20184670-T-604)，旨在進(jìn)一步增強工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)術(shù)語的統(tǒng)一性和一致性，并用于指導(dǎo)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)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(shù)，具有大帶寬、高可靠、低時延、廣連接的特點，5G不僅可以應(yīng)用到如圖2所示，理論上，5G空口時延可達(dá)到1ms，可以支撐端到端時延要求在毫秒級的應(yīng)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(dǎo)等工業(yè)場景，簡要說明如下：1)5G+實時控制：利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)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(jìn)行質(zhì)量檢測并利用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸拍攝的視頻或圖片093)5G+數(shù)字孿生：對生產(chǎn)線進(jìn)行信息建模，形成生產(chǎn)線數(shù)字孿生，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬打通物理4)5G+智能運維：利用5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)傳輸物料配送、路徑、設(shè)備狀態(tài)等信息，實現(xiàn)按需調(diào)度分配資源、6)5G+遠(yuǎn)程控制：通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)下對現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程操控；7)5G+AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)：通過5G實現(xiàn)設(shè)備、產(chǎn)線等遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修、在線檢測等應(yīng)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(nèi)爆款產(chǎn)品需求量巨目前主要采用移動設(shè)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(gòu)，如移動工作臺完成上下料、換刀等操作，移動視覺檢測設(shè)備完成質(zhì)量檢測等。移動工作臺和移動視覺檢測設(shè)備需采集和傳輸高清圖像并與上層管控系統(tǒng)進(jìn)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(fù)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(shè)備上加裝高清機器視覺模塊，對加工工件姿態(tài)、表面質(zhì)量和幾何尺寸等進(jìn)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(wù)器上，通過內(nèi)置于邊緣服務(wù)器中快速切換及柔性生產(chǎn)。2.2.2風(fēng)電行業(yè)遠(yuǎn)程運維風(fēng)電機組具有分布地域廣、運行環(huán)境復(fù)雜、風(fēng)場位置偏遠(yuǎn)、運維要求高等特點。通過對風(fēng)電機組實施遠(yuǎn)程運維管理可消除不同地域的空間限制，實時監(jiān)測風(fēng)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(yù)測性維護(hù)預(yù)測性維護(hù)實時監(jiān)控參數(shù)優(yōu)化場景圖4基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程運維?需要采集風(fēng)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(yuǎn)程綜合控制中心與風(fēng)機進(jìn)行實時數(shù)需要采集震動等非實時數(shù)據(jù)用于預(yù)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(yù)測機理模型實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程運維和智慧風(fēng)場建設(shè)。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(yīng)具有快速響應(yīng)、低差錯率等特點。為提高規(guī)模化電子制造園區(qū)的生產(chǎn)效.RFlD.RFlD.廠內(nèi)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(shè)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(yán)格。供應(yīng)商1…N制造工廠1…供應(yīng)商1…N架AGV架臂人點業(yè) 5G工業(yè)應(yīng)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(yīng)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(luò)方案如何選擇、5G技術(shù)如何與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成、如何評估工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)性能等等，不一足，這些因素也影響著5G技術(shù)在工業(yè)的應(yīng)用普及。本白皮書通過規(guī)范5G工業(yè)應(yīng)用的實施流程，以期在行業(yè)形成一套通用準(zhǔn)則，引導(dǎo)企業(yè)開展5G工業(yè)加速5G技術(shù)融入工業(yè)應(yīng)用體系。3.15G工業(yè)應(yīng)用實施通用流程5G工業(yè)應(yīng)用實施通用流程包括：工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求提取、工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計及實施、5G與工合建設(shè)以及工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用需求的滿足工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)工工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)施工業(yè)5G商圖65G工業(yè)應(yīng)用實施通用流程及主要參與方 (1)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求提取用戶和咨詢機構(gòu)一起梳理工業(yè)應(yīng)用場景對通信的要求，通過映射轉(zhuǎn)換形成運營商建設(shè)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)的 (2)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計及實施運營商根據(jù)用戶提出的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)性能需求和自身的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案，進(jìn)行工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及建設(shè)，使用的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商提供。 (3)5G與工業(yè)應(yīng)用融合方案工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成之后，工業(yè)集成商需要綜合工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能求，工業(yè)設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商等角色也會提供相應(yīng)的設(shè)備。 (4)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)驗收工業(yè)應(yīng)用場景需求實施完成后，需要評估機構(gòu)及用戶對建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行評估及驗收，以驗證工業(yè)5G網(wǎng)3.2工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求提取工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求提取分為工業(yè)應(yīng)用場景分析、場景模擬與驗證、工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求獲取三個重要事G信息，詳細(xì)信息如下： (1)工業(yè)應(yīng)用場景分析工業(yè)應(yīng)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(wù)、性能參數(shù)等不同角度闡述具體的工業(yè)應(yīng)用需求。表1描述了工業(yè)應(yīng)用場景分析模板，針對同一企業(yè)，會依據(jù)工個工業(yè)應(yīng)用場景分析實例。稱3中不同類型應(yīng)用的編號測對應(yīng)的具體業(yè)務(wù)名稱幾種類型應(yīng)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(wù)100Byte應(yīng)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(yīng)用對應(yīng)的收發(fā)設(shè)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(zhǔn)確度，單位：mNone定位置相關(guān)數(shù)據(jù)的事件到在定位系統(tǒng)界面處獲得位置相關(guān)數(shù)據(jù)之間的時間間隔，單位：ms型設(shè)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(shè)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(yīng)用測試床具備工業(yè)應(yīng)用場景模擬、5G網(wǎng)絡(luò)能力配置等功能，可以模擬用戶的工業(yè)應(yīng)用場景并結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)能力配置，驗證5G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)是否滿足實際的需要，同時可以結(jié)合其它技術(shù)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的優(yōu)化，例如通過邊緣計算、存儲和綜合調(diào)度技術(shù)降低對網(wǎng)絡(luò)帶寬的過高要求，提升對 (3)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)需求獲取基于工業(yè)應(yīng)用對通信的需求，通過指標(biāo)映射等手段將工業(yè)應(yīng)用需求合理的轉(zhuǎn)化為工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)的性能為后續(xù)的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案和建設(shè)奠定基礎(chǔ)，針對每一個工業(yè)應(yīng)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(luò)性能需求模板示例5G網(wǎng)絡(luò)性能需求編號1號35G系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)包流向：上行、下行、上下行。在析中，終端設(shè)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(wù)*0.066Mbit/s業(yè)應(yīng)用所要求的最大傳輸速率，單位：Mbit/s*0.066Mbit/s業(yè)應(yīng)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(yīng)用的數(shù)據(jù)包從到達(dá)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(luò)正常運行的時間比例(網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)確度，單位：mNone位置相關(guān)數(shù)據(jù)的事件到在定位系統(tǒng)界面處獲得位置相關(guān)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(shè)備所要求5G系統(tǒng)的通信服務(wù)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(luò)方案設(shè)計及實施工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)方案以運營商為主設(shè)計實施。工業(yè)用戶根據(jù)自己實際的業(yè)務(wù)需求及具體應(yīng)用場景，結(jié)合咨詢機構(gòu)意見，進(jìn)行工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)輸入；運營商通過對5G無線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模評估等方式，確定與業(yè)務(wù)需求匹配的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運營模式，將5G平滑融入到工廠業(yè)務(wù)的提質(zhì)增效。3.3.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一(共享公網(wǎng))：在園區(qū)建設(shè)5G無線網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)用戶和公網(wǎng)用戶完全共享頻率和設(shè)備，通可靠性優(yōu)先保障的需求，達(dá)到業(yè)務(wù)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(luò)部署成本較低。?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)二(公網(wǎng)專用)：在公網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)分流和移動邊緣計算等技術(shù)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(luò)的需求，達(dá)到數(shù)據(jù)流量卸成本。?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三(專網(wǎng)專用)：通過基站、頻率、核心網(wǎng)設(shè)備的專建專享，來進(jìn)一步滿足超高安全性、超高隔離度、定制化網(wǎng)絡(luò)的需求，達(dá)到專用5G網(wǎng)絡(luò)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(wù)重點保障無線空口傳輸能力,定向支持高優(yōu)先級應(yīng)用。場景，網(wǎng)絡(luò)部署成本較公網(wǎng)專用方案更高。3.3.2設(shè)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(nèi)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(nèi)場景以皮基站為主?；窘ㄔO(shè)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(shè)備多的室內(nèi)·5G的數(shù)字有源分布系統(tǒng)·pRRU外接多個拉遠(yuǎn)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(wù)場景和應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(wù)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(guān)，主要用來為若干設(shè)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(yīng)用在垂直行業(yè)中，具有操作系統(tǒng)、內(nèi)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(wù)特點是需將視頻或視覺信息無線傳輸?shù)椒?wù)器或3.3.3性能增強方案5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)服務(wù)。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(yīng)用中存在廣泛的上行采集類應(yīng)用，如傳感器、視頻監(jiān)控、視覺檢測等，對網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，提供極致時延/超級可靠的通信是工業(yè)1ms幀結(jié)構(gòu)、低碼率MCS、PDCP復(fù)制、重復(fù)傳輸?shù)榷喾N關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)，普遍存在不同業(yè)務(wù)之間優(yōu)先級不同，或者同3.45G與工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)5G與工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)，主要是在工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)部署完成之后，為如何使用工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)思路。5G與工業(yè)應(yīng)用融合體系如圖7所示，可以在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(shù)、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(shù)，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(luò)(私有云、數(shù)據(jù)集成應(yīng)用)S圖75G與工業(yè)應(yīng)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(yīng)用融合建設(shè)的方式有多種，一種是采用5G模組(工業(yè)設(shè)備嵌入5G通信模組),通過集成到設(shè)備內(nèi)部，實現(xiàn)5G與工業(yè)通信的深層融合應(yīng)用。如圖8所示，現(xiàn)場設(shè)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(luò)，形成獨立的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)體系以實層(私有云、數(shù)據(jù)集成應(yīng)用)CAxSCMERPCRMBI S工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)圖8基于5G工業(yè)模組的融合建設(shè)方案EG網(wǎng)關(guān)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(luò)通信為基礎(chǔ)，可采用CPE、路由器等方式接入5G網(wǎng)絡(luò)，可快速實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用)層人工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線備5GcPE工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)圖9基于網(wǎng)關(guān)、CPE的融合建設(shè)方案22針對上述提到的5G工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)方式，可采用5G透傳和映射兩種技術(shù)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?，可以將來自工業(yè)應(yīng)用層、IP層和MAC層的工業(yè)數(shù)據(jù)在5G網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)透明傳輸，如工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成標(biāo)準(zhǔn)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(luò)需求在5G系統(tǒng)上進(jìn)行實現(xiàn)，如數(shù)據(jù)的優(yōu)先級調(diào)度機制、時間調(diào)度G務(wù)的正常運行。相較GGG優(yōu)勢。如5G作為工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的MAC層，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的優(yōu)先級調(diào)度、時延策略等向5G傳輸機制進(jìn)行截止目前，相關(guān)領(lǐng)域組織已開展5G+OPCUA、5G+TSN等相關(guān)技術(shù)的映射研究工作?；?G透傳和映射的融合技術(shù)方案能夠復(fù)用現(xiàn)有的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及設(shè)備，并利用5G針對垂直行業(yè)提供的技術(shù)方案，如：5G網(wǎng)絡(luò)切片、QoS等技術(shù)，滿足靈活組網(wǎng)、柔性生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用需求。3.5工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)驗收GG線正式投運前，需要第三方專業(yè)機構(gòu)對工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗收測試。測試內(nèi)容包含5G網(wǎng)絡(luò)性能需求模板中的各項指標(biāo)，還需要結(jié)合工業(yè)應(yīng)用場景，將5G網(wǎng)絡(luò)視作工業(yè)應(yīng)用的組成部分，完成工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)應(yīng)用的融合測試，保證工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)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(luò)的驗收應(yīng)考慮老舊工廠改造和新建工廠兩種情況，兩類網(wǎng)絡(luò)的驗收測試應(yīng)充分考慮其實際特點，有針對性的設(shè)計測試用例。對于無法在投產(chǎn)前觸發(fā)的測試條件，應(yīng)通過模擬手段(如模擬大帶寬等)進(jìn)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(luò)的各種顧慮，也可以避免建設(shè)過程中只強調(diào)5G網(wǎng)絡(luò)2304. 5G在工業(yè)推廣應(yīng)用要解決技術(shù)、成本和融合體系問題。技術(shù)成本問題是指目前5G工業(yè)應(yīng)用模組等軟硬件設(shè)備/部件等成本遠(yuǎn)業(yè)通信。融合體系是指當(dāng)前工業(yè)通信、裝備和系統(tǒng)已經(jīng)式，只有5G與工業(yè)應(yīng)用兩者高度融合，才能更好地服務(wù)新一輪的為此，我們在5G工業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展的過程中，構(gòu)建ICT和OT兩個領(lǐng)域都認(rèn)可的5G工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，研究5G與工業(yè)應(yīng)用融合、5G工業(yè)應(yīng)用的性能保證及現(xiàn)場測試評估等技術(shù)，解決5G工業(yè)應(yīng)用的成本及商業(yè)模式問題，構(gòu)建5G工業(yè)應(yīng)用生態(tài)，推動5G工業(yè)應(yīng)用先行示范與全面推廣。G，5G技術(shù)融合發(fā)展是大勢所趨，產(chǎn)生的新技術(shù)、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(yù)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(yīng)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(shù)經(jīng)濟研究所與華為技術(shù)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(yīng)用需求分析、技術(shù)研究、關(guān)鍵設(shè)備研制、測試5G+OPCUA關(guān)鍵設(shè)備研制、5G工業(yè)應(yīng)用綜合測試床等，并在此基礎(chǔ)上開展技術(shù)落地與示范應(yīng)用?！?G工業(yè)應(yīng)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(shù)企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運營商、科研院所等單位加入，聯(lián)合搭建5G工業(yè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用平臺，一起為5G工業(yè)應(yīng)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(xué)、上海自動化儀表有限公司等。后續(xù)，“5G工業(yè)應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新實驗室”將瞄準(zhǔn)定位，充分利用目前承擔(dān)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(zhì)量網(wǎng)絡(luò)和公共服務(wù)平臺項目的國家支持，匯聚各方資源，共同研究并解決5G應(yīng)用于工業(yè)存在的技術(shù)問題，提升自身能力，向政府和各類企事業(yè)單位提供有關(guān)5G工業(yè)應(yīng)用的政策分析、技術(shù)咨詢、測試驗證、技術(shù)培訓(xùn)、解決方案等綜合服務(wù)，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展2506.縮略語3GPPThirdGenerationPartnershipProject動通信伙伴組織5G5th-Generation動通信技術(shù)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