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2、說明1 概述1.1 5G 技術概述1.2 工業通信的發展趨勢1.3 工業發展對 5G 的新需求1.4 5G 工業應用國內外現狀2 5G 工業應用場景分析2.1 通用場景分析2.2 典型行業場景示例3 5G 工業應用實施流程3.1 5G 工業應用實施通用流程3.2 工業 5G 網絡需求提取3.3 工業 5G 網絡方案設計及實施3.4 5G 與工業應用融合建設3.5 工業 5G 網絡驗收4 總結及展望5 5G 工業應用聯合創新實驗室簡介6 縮略語-02-03-04-04-05-07-07-09-09-10-13-13-14-18-20-23-24-25-26目錄 02前言5G 是新一代移動通信技術

3、，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，使其面向行業深度融合應用成為可能，尤其是 5G 在工業中的應用得到了廣泛關注，將賦能工業制造業數字化轉型與高質量發展。為推動 5G 與行業的深度融合發展，在政策方面，工信部、科技部近兩年圍繞 5G 工業應用陸續出臺了相關的產業政策和科研項目布局；在產業生態建設方面，國外的5G產業自動化聯盟（5G-ACIA）、中國信通院牽頭成立的“5G應用產業方陣”、儀綜所與華為發起成立的“5G 工業應用聯合創新實驗室”等機構和團體在整合行業資源、標準化等方面做了大量工作；在 5G 工業先行應用方面，德

4、國大眾、寧波舟山港、上海商飛、南方電網等企業開始使用 5G技術解決行業難題，實現業務創新。然而，目前 5G 的工業應用仍然面臨一些問題，如：技術層面需滿足工業現場對通信提出的實時性、確定性、可用性及安全性等要求，標準層面需建立5G 工業應用標準體系及實現關鍵標準制定，以及 5G 在工業場景深度應用的產業生態建設等方面開展進一步研究和探索。為推動 5G 在工業領域的應用，5G 工業應用聯合創新實驗室組織相關單位編寫本白皮書，分析 5G 工業應用現狀和未來發展趨勢，梳理典型工業應用場景，指導工業企業開展 5G 工業應用實施。03編寫說明5G 工業應用總體上還處于起步階段，本白皮書對 5G 工業應用

5、的認識也是階段性的，后續將根據 5G 工業應用的發展情況和來自各界的反饋意見，在持續深入研究的基礎上適時修訂和發布新版白皮書。組織單位：機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所 編寫單位（排名不分先后）：機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、華為技術有限公司、中國移動通信集團有限公司顧問單位（排名不分先后）：中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司、富士康工業互聯網股份有限公司、重慶飛力達供應鏈管理有限公司、重慶機電智能制造有限公司編寫組成員（排名不分先后）：機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所：王麟琨、劉丹、趙艷領、王振、公彥杰、韓丹濤、李方健華為技術有限公司：譚斌、龐伶俐、李寧、王健、刁嵐中國移動通信集

6、團有限公司：鄧偉、郝曉龍、王銳、張龍、程錦霞、李穎、杜曉舟顧問組成員（排名不分先后）：中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司：黃衛民富士康工業互聯網股份有限公司：馬力重慶飛力達供應鏈管理有限公司：王峰 重慶機電智能制造有限公司：岳相軍 041.1 5G 技術概述 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）和大規模機器類通信（mMTC）三大場景。相比于前幾代移動通信技術，5G 在速率、時延、可靠性及連接數等關鍵能力指標上都有較大地提升，這使得 5G 面向工業等行業推廣應用成為可能。5G 網絡的系統架構

7、如圖 1 所示，無線終端的數據首先發送到無線基站側，然后由無線基站發送給核心網設備，最終發送到目的接收端。其中，無線終端和無線基站之間數據是通過無線信號傳輸的，無線基站和核心網之間大多通過光纖連接。01.圖 1 5G 網絡系統架構無線基站主要由 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 5G 基帶信號的調制和解調功能。無線射頻單元（RRU）：實現射頻信號的發射和接收。概述?5GCgNBRRUBBU?UPFSMF.AMF 05核心網按照數據傳輸的需求劃分了多個功能，主要功能如下：用戶面功能（UPF）：主要負責分組路由轉發、

8、策略實施、流量報告和 QoS 處理等功能。來自Internet或者企業云的用戶數據到達核心網即指到達核心網的UPF，并由UPF發送到無線基站設備。接入與移動性管理功能（AMF）：主要功能包含：執行注冊、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，為無線終端接入網絡時提供認證、鑒權功能，是終端和基站的核心網控制面接入點。會話管理功能（SMF）：主要負責會話管理、UPF 和無線基站節點之間的隧道維護、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

9、網等為代表的行業企業積極參與 3GPP 的標準會議，并以各自領域的業務特征為基礎提出對 5G 網絡的需求，使得 5G 在演進過程中能夠逐漸滿足越來越多行業的應用場景及需求。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 業務場景，更好的支撐 5G 在工業場景的應用。當前，通信設備商和運營商可依據 Rel-16 的標準版本進行相應產品的研發、測試和網絡部署。第三版國際標準

10、（Rel-17）以及之后的版本，一方面將繼續對現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的能力，將促進 5G 在各行業不同應用中的落地。1.2 工業通信的發展趨勢 工業通信網絡傳統上包含“測”（數據采集）與“控”（控制系統）的所有關聯網絡，實現現場設備（如傳感器、執行設備等）與控制設備（如 PLC、DCS 控制器等）之間的互聯互通。與 ICT 領域相比，工業現場使用的通信網絡技術應滿足工業應用的更嚴格要求，包括數據傳輸的實時性、確定性、可用性、安全性等。工業自動化應用所需傳輸的數據主要分為三類，

11、包括：用于數據采集與控制執行的實時周期性過程數據、用于參數配置與監視控制的非實時非周期變量數據、用于現場工藝及設備診斷報警的實時非周期報警數據。工業通信必須同時滿足這三類數據在實時性、數據量級、傳輸優先級及可靠性等方面的不同傳輸要求。06工業通信網絡技術主要包括現場總線、工業以太網和工業無線網?，F場總線起源于二十世紀 80 年代，國際電工委員會 IEC 將其定義為基于串行數據傳輸、典型應用于工業自動化和流程控制應用的通信系統，具有數字化、雙向串行、多點連接的特征。工廠中常用的現場總線有 MODBUS、PROFIBUS、HART、CAN、CC-LINK、DeviceNet/ControlNet

12、等，物理層信號多采用 RS485、MBP（曼切斯特編碼，總線供電）等。二十世紀90年代末，隨著以太網與TCP/IP技術日趨成熟，并適應企業管理與控制一體化的應用需求，工業以太網（或稱實時以太網）逐漸興起，在 IEEE 802.3 標準以太網上修改 MAC 層或在 MAC 層之上增加一些特定協議機制（如時間調度、通信優先級、時鐘同步等），以滿足工業應用對通信實時性和確定性的要求。工廠中常用的工業以太網有 EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、POWERLINK、CC-LINK IE 等。工業以太網與現場總線相比功能全覆蓋而性能更高，因此可預見未來工業以太網將替代傳統現場總線

13、。但由于流程工業對于物理層具有總線供電、本質安全等特殊要求，現場總線還將繼續存在較長時間?，F在，國內外正在開展二線制以太網（SPE）和高級物理層（APL）的技術研究和標準制定，基于此，未來以太網技術也可擴展應用到流程工業。本世紀初，工業無線網從新興的無線傳感器網（WSN）發展而來，目的是將無線通信技術引入工業領域。目前，國際上主要有基于 IEEE 802.15.4（同 ZigBee）的用于過程自動化的 WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a，以及基于 IEEE 802.11（同 WIFI）的用于工廠自動化的 WIA-FA 工業無線網絡技術。這四種工業無線都屬于短距離無線通

14、信技術，在通用協議基礎上修改或定義新的 MAC 層、網絡層、傳輸層和應用層。隨著信息技術的快速發展，工業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自動化領域，推動 OT 技術向更高性能、更智能方向發展，如時間敏感網 TSN 技術。TSN 是由一組 IEEE 802.1 標準構成的以太網數據鏈路層標準，2005 年起源于 IEEE 802.1 AVB（音頻視頻網橋）后更名為 TSN。由于 TSN 在傳統以太網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

15、留帶寬等，滿足了工業應用對實時甚至硬實時通信的需求,而引起了工業界廣泛關注，現有的工業以太網技術（如 PROFINET、CC-LINK IE）紛紛與之融合。另一方面，工廠內 OT 系統和 IT 系統之間要實現互聯互通，即各種現場設備、制造裝備、控制系統與 MES、ERP 等生產管理系統之間不僅要實現數據相互傳輸，更要理解所傳輸數據的含義與作用。OPC UA 是新一代的基于語義和面向服務架構（SOA）的 OPC 規范，將傳統 OPC 規范的所有功能集成到一個可擴展框架，并實現了跨平臺支持。鑒于其強大的建模能力，OPC UA 被公認為在 IT 系統和 07OT 系統融合集成方面具有顯著優勢，例如通

16、過建立制造裝備和生產線的信息模型，很方便實現生產過程管理、故障診斷、設備管理等功能。1.3 工業發展對 5G 的新需求 5G 技術與標準在設計之初就考慮了工業高實時、高可靠、高安全的通信要求，是新一代信息通信技術演進升級的重要方向。隨著智能工廠的建設，工業和制造業對于通信網絡技術又不斷提出了新的需求。一方面，5G 可以滿足新的工業大數據的傳輸需求。隨著工業智能應用的不斷創新發展，工業現場采集的數據種類和量級發生了較大的變革。例如，無人或少人的智能工廠需要大量現場數據做決策支撐，遠程診斷、預測性維護等智能應用使得現場設備上云已成“剛需”，視覺檢測使得現場數據采集從一維感知到大帶寬多維全景感知發展

17、。這些導致了網絡通信技術必須支持結構化數據與非結構化數據、實時數據與非實時工業大數據共存的新需求。5G 大帶寬和廣連接的技術特點，以及保證特定業務需求的 QoS機制和網絡切片技術可很好地滿足這些需求。另一方面，5G 可以滿足工業現場網絡靈活組網和無線通信的需求。例如，個性化定制要求生產線具有更高的靈活性，甚至可根據訂單變化和業務需求而快速增加、移除可移動操作設備實現生產線重構，這要求現場網絡也能夠支持靈活可重構的組網方式。5G 技術可以很好地滿足了對于靈活組網和動態按需分配網絡資源的需求。另外，存在必須采用無線通信的生產場景，如旋轉類機械裝備、老舊工廠升級改造、生產現場距離過遠，以及高溫高濕高

18、腐等生產環境下，有線網絡不適合使用，但是目前現有工業無線解決方案（如基于 IEEE 802.15.4 的短距離工業無線等）無法滿足需求。1.4 5G 工業應用國內外現狀 據GSA截至2020年5月的數據，全球已有384家運營商投資5G網絡，95家運營商已部署5G網絡，80 家運營商在全球 42 個國家和地區推出了商用 5G 服務。5G 終端發展速度遠超預期，已經有 296 款5G 設備上市，超過 112 款已投入商用。在政策方面，為推動 5G 與工業的深度融合發展，2019 年我國工業和信息化部出臺了“5G+工業互聯網”512 工程推薦方案，旨在推動 5G 和工業互聯網的融合發展；目前，我國已

19、將工業互聯網和5G 列為新基建 7 大領域的重點內容，將其作為實現工業、經濟、社會數字化轉型的重要驅動力量。德國聯邦網絡管理局已經規劃了專用的5G頻段供大型公司和其他機構申請專用，優先考慮工業或農林業應用，并制定了配套管理政策和技術要求，為我國 5G 專網頻率管理提供了參考。08在產業生態建設方面，2018 年 4 月在德國電氣和電子制造商協會（ZVEI）的基礎上正式成立了 5G產業自動化聯盟（5G-ACIA），旨在推動 5G 在工業自動化領域的應用場景分析、工業 5G 網絡融合解決方案構建及落地應用。中國信息通信研究院聯合運營商、制造企業、互聯網企業、大學和研究院所等企事業單位于 2019

20、年 6 月 21 日共同發起成立“5G 應用產業方陣”，立足于搭建 5G 應用的融合創新平臺，形成 5G 應用產業鏈協同，實現 5G 應用的孵化與推廣。2019 年 6 月 27 日，中國移動與中國電子科技集團、海信、海爾、GE、華為、中興、陜西絲路機器人智能制造研究院等合作伙伴共同啟動了“5G工業互聯網聯盟”，以期在 5G 工業互聯網領域構建能力互補、資源共享、價值共創的合作體系。2019年 12 月 24 日，機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所與華為技術有限公司發起成立了“5G 工業應用聯合創新實驗室”，聚焦 5G 工業應用的融合技術、工業 5G 網絡性能測試與保障等方面，以構建 5G工業

21、應用的解決方案體系。在5G工業先行應用方面，德國大眾利用5G網絡提供機器人與安全傳感器之間的端對端低延遲連接，以確保人類員工與機器人在生產現場協作時的安全性；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 技術用來實現龍門吊的多臺吊車并行工作作業管理、視頻回傳等應用；南方電網在深圳完成全球首條 5G SA 網絡差動保護配網線路測試，用來實現電力終端 5G 網絡授時、利用網絡切片保證電網業務與非電網業務安全隔離等應用。在 5G 工業應用技術及標準化研究方面，5G 與現場總線/工業以太網、5G 與 OPC UA 和 TSN 等工業通信技術

22、的融合、5G 在工業環境下的性能保障與測試技術、面向 5G 工業應用場景的網絡仿真技術、5G 安全技術等是目前的研究重點。全國工業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，開展工業無線蜂窩網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無線蜂窩網絡 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 5G 網絡術語的統一性和一致性，并用于指導工業 5G 網絡的規劃、設計和建設優化。092.1 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 不僅可以應用到簡單的數據采集，未來

23、也可以應用到實時控制等多個層面。主流的工業應用實時等級與應用領域的劃分，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。02.5G 工業應用場景分析圖 2 工業應用實時等級與應用領域5G 工業應用場景，一方面要聚焦當前企業網絡化、數字化建設的現實需求，另一方面要兼顧智能化應用的未來發展趨勢。5G 可以應用在實時控制、視覺檢測、數字孿生、智能運維、車間物流、遠程控制、AR 遠程指導等工業場景，簡要說明如下：1)5G+實時控制：利用 5G 網絡實現設備與設備（如機器人與機器人）之間協同操作；2)5G+視覺檢測：使用工業相機對工件或產品進行質量檢測并利

24、用 5G 網絡傳輸拍攝的視頻或圖片以及質量分析結果；?103)5G+數字孿生：對生產線進行信息建模，形成生產線數字孿生，利用 5G 網絡的大帶寬打通物理世界與信息空間的雙向流通；4)5G+智能運維：利用 5G 網絡傳輸制造裝備的健康狀態及故障診斷數據，實現跨工廠跨地域的制造裝備的遠程運維與預測性維護；5)5G+車間物流：利用 5G 網絡傳輸物料配送、路徑、設備狀態等信息，實現按需調度分配資源、庫存監控，以及物流與加工、裝配等協同；6)5G+遠程控制：通過 5G 網絡實現遠距離作業下對現場設備遠程操控；7)5G+AR 遠程指導：通過 5G 實現設備、產線等遠程指導維修、在線檢測等應用。2.2 典

25、型行業場景示例 2.2.1 3C 行業柔性生產3C 行業以手機產品為例，具有品種多樣、更新換代快、工藝變換頻繁、短時間內爆款產品需求量巨大等特點，面臨著多款機型同時生產和交付的挑戰。其行業特點要求生產過程具有高柔性和訂單快速響應。目前主要采用移動設備與不同工作站的配合提高產線柔性，實現生產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進行實時數據交互，對可靠性及延遲要求高，綜合考慮采用 5G 方案效果最佳。實施示例如圖 3 所示。圖 3 5G 復合 AGV 移動視覺檢測和控制通過在移動工作

26、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、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的視覺分析算法模塊給出姿態、質量判定結果和操作指令，并實時驅動移動設備完成與工作站的協同操作，實現了工藝變換頻繁情況下的產線快速切換及柔性生產。?112.2.2 風電行業遠程運維風電機組具有分布地域廣、運行環境復雜、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，實時監測風場環境和機組運行狀態，基于狀態變化優化機組在線運行和提升維護效率，降低運維成本。圖 4 基于 5G 網絡的遠程運維風電

27、機組遠程運維的應用場景有許多特殊之處，并且對數據傳輸也有特定要求：風機分布距離遠，布線困難；需要采集風機運行狀態等實時數據并傳送到工業互聯網平臺上，遠程綜合控制中心與風機進行實時數據交互；需要采集震動等非實時數據用于預測性分析，數據量較大，每秒需傳輸數十兆上行數據。通過在風電機組端部署 5G 網關、邊緣設備，將采集和處理的數據通過 5G 網絡發送到工業互聯網平臺，利用工業互聯網平臺管理和分析數據，結合預測機理模型實現設備遠程運維和智慧風場建設。2.2.3 電子制造園區智慧物流電子制造企業生產物流配送應具有快速響應、低差錯率等特點。為提高規?；娮又圃靾@區的生產效率、降低運營成本，目前一種發展趨

28、勢是通過物流中心實現園區物流統一管理，涵蓋物流運輸、倉儲、包裝、裝卸搬運、線邊配送、信息服務等各個環節，實現零部件供應商、物流中心和電子制造工廠物流協同管控。電子制造園區物流的顯著特點包括：?12 需實時大范圍采集運輸、包裝、裝卸、搬運等各個環節的大量數據，感知環節多；應用場景范圍廣、移動設備多、網絡布線困難；無人駕駛車輛等移動物流設備對車輛狀態和環境的實時采集數據量大，通信連接性要求嚴格。圖 5 智慧物流場景在AGV、無人駕駛車等物流移動設備端部署5G網關、邊緣設備等，采用園區內無人駕駛、視覺檢測、自動配送等技術，實現園區內物流及時、精準配送和綜合管控。?13目前 5G 已經在 3C 制造、

29、電網等典型行業開展示范應用，但在實施過程中仍然存在較多問題，例如工業 5G 網絡方案如何選擇、5G 技術如何與現有工業網絡集成、如何評估工業 5G 網絡性能等等，不一而足，這些因素也影響著 5G 技術在工業的應用普及。本白皮書通過規范 5G 工業應用的實施流程，以期在行業形成一套通用準則，引導企業開展 5G 工業應用，同時對建設過程中參與的各方工作進行梳理，明確各方職責，以此形成清晰的5G工業應用建設思路，加速 5G 技術融入工業應用體系。3.1 5G 工業應用實施通用流程 5G 工業應用實施通用流程包括：工業 5G 網絡需求提取、工業 5G 網絡方案設計及實施、5G 與工業應用融合建設以及工

30、業 5G 網絡驗收四個重要階段，如圖 6 所示。03.5G 工業應用實施流程圖 6 5G 工業應用實施通用流程及主要參與方?14各個階段的主要活動及主要參與方概括如下：（1）工業 5G 網絡需求提取用戶和咨詢機構一起梳理工業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 5G 網絡的性能指標，在此過程中，咨詢機構可以使用5G工業應用測試床等手段進行方案驗證以提升需求的準確性、實用性及經濟性。（2）工業 5G 網絡方案設計及實施運營商根據用戶提出的工業 5G 網絡性能需求和自身的工業 5G 網絡方案，進行工業 5G 網絡的規劃及建設，使用的 5G 網絡設備一般由網絡設備制造商提供。（3）5

31、G 與工業應用融合方案工業 5G 網絡建設完成之后，工業集成商需要綜合工業 5G 網絡、邊緣計算、大數據分析、人工智能等技術實現用戶工業應用場景的需求，工業設備制造商、網絡設備制造商等角色也會提供相應的設備。（4）工業 5G 網絡驗收工業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 5G 網絡是否滿足工業應用的需求。3.2 工業 5G 網絡需求提取 工業 5G 網絡需求提取分為工業應用場景分析、場景模擬與驗證、工業 5G 網絡需求獲取三個重要事項，最終形成運營商需要的工業 5G 網絡性能需求信息，詳細信息如下：（1）工業應用場景分析工業應用場景分析主要是了解用

32、戶的實際需求及解決的問題，通過行業、場景、具體的業務、性能參數等不同角度闡述具體的工業應用需求。表 1 描述了工業應用場景分析模板，針對同一企業，會依據工業應用場景分析模板形成一個或多個工業應用場景分析實例。表 1 工業應用場景分析模板示例關注項具體信息解釋行業名稱制造具體行業名稱應用編號3所屬行業中不同類型應用的編號業務名稱質量檢測所屬應用對應的具體業務名稱 15應用區域室內5G網絡所需提供服務的區域特征，包含廣域、園區、室內、室外及室內外幾種類型業務方向發端該設備所對應的數據傳輸方向：發端；收端；收發端業務通信特征*實時周期性業務根據應用數據的通信特征，分為：實時周期性、實時非周期性、非實

33、時性、混合業務業務消息大小*100 Byte應用層數據包的大小，單位：Byte傳輸間隔*30 ms兩次連續數據傳輸之間的時間差，單位：msE2E 最大時延*25 ms應用數據包從源端傳輸到目的端所需要的最大時間，單位：ms生存時間*90 ms應用在沒有收到預期消息的情況下可以繼續運行的時間，單位：ms通信服務可用性*99.9%通信網絡實際滿足傳輸要求時的數據傳輸時間和所期望通信網絡滿足傳輸要求時的數據傳輸時間的比值時鐘同步精度500s該應用對應的收發設備間的最大時間偏差，單位：s定位準確度None終端測量位置與其真實位置值的接近程度要求，包括水平和垂直方向定位準確度，單位：m定位時延None從

34、觸發確定位置相關數據的事件到在定位系統界面處獲得位置相關數據之間的時間間隔，單位：ms移動類型靜止該應用類型設備的運動類型：靜止、自由移動、區域限制移動、游牧移動移動速率0 km/h能夠自由移動或區域限制移動的設備所移動的速度，單位：km/h終端數量10具有統一業務特征的設備數量，單位：個服務區域1000m2該應用的終端設備所要求通信服務可訪問的地理區域大小，單位：m2或者 m3其他None工業用戶的其他需求注 1：在業務方向為”收發端”時，標*的關注項應分別給出作為發端和收端時對應的具體信息。16（2）場景模擬與驗證5G 工業應用測試床具備工業應用場景模擬、5G 網絡能力配置等功能，可以模擬

35、用戶的工業應用場景并結合 5G 網絡能力配置，驗證 5G 網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 網絡性能指標的優化，例如通過邊緣計算、存儲和綜合調度技術降低對網絡帶寬的過高要求，提升對通信要求的經濟性。（3）工業 5G 網絡需求獲取基于工業應用對通信的需求，通過指標映射等手段將工業應用需求合理的轉化為工業 5G 網絡的性能指標內容，表2描述了工業5G網絡性能需求模板，包括速率、時延、可靠性、連接數等不同方面的具體指標，為后續的工業 5G 網絡方案和建設奠定基礎，針對每一個工業應用場景分析實例需要一個匹配的工業 5G網絡性能需求實例。表 2 工業 5G 網絡性能需求模板示

36、例5G 網絡性能需求編號1工業應用場景編號3指標項指標值解釋數據流向上行5G 系統內的數據包流向：上行、下行、上下行。在應用場景分析中，終端設備作為發端，則數據流向為上行，反之為下行業務特征*實時周期性業務根據應用數據的通信特征，分為：實時周期性、實時非周期性、非實時性、混合業務單用戶峰值速率*0.066 Mbit/s該類工業應用所要求的最大傳輸速率，單位：Mbit/s單用戶最低速率*0.066 Mbit/s該類工業應用所要求的最小傳輸速率，單位：Mbit/s傳輸數據量*164 Byte傳輸到 5G 系統的數據包的大小，單位：Byte傳輸間隔*30 ms兩次連續數據傳輸之間的時間差，單位：ms

37、 17最大網絡時延*20 ms工業應用的數據包從到達 5G 系統到 5G 系統交付給工業網絡設備或者終端所消耗的最大允許時間，單位：ms通信可靠性*99.99%在滿足 QoS 要求時傳輸成功的數據包個數和總的傳輸數據包個數的比值網絡可用度*99.99%網元組成的網絡正常運行的時間比例（網絡不可用一般指硬件失效）時鐘同步精度500s5G 系統的主設備和從設備之間的時鐘偏差，單位：s定位準確度None終端測量位置與其真實位置值的接近程度要求，包括水平和垂直方向定位準確度，單位：m定位時延None從觸發確定位置相關數據的事件到在定位系統界面處獲得位置相關數據之間的時間間隔，單位：ms移動速率0 km

38、/h終端設備移動的速度，單位：km/h電池壽命None終端設備所要求的電池的工作時長，單位：天終端數量10該應用場景中具有統一業務特征的終端的個數，單位：個服務區域1000 m2終端設備所要求 5G 系統的通信服務可訪問的地理區域，單位：m2或者 m3其他項None工業用戶對網絡的其他需求，例如：冗余要求等注 1：在數據流向為”上下行”時，標*的指標項應分別給出上行和下行對應的指標值。183.3 工業 5G 網絡方案設計及實施 工業 5G 網絡方案以運營商為主設計實施。工業用戶根據自己實際的業務需求及具體應用場景，結合咨詢機構意見，進行工業 5G 網絡相關參數輸入；運營商通過對 5G 無線網絡

39、與工業有線網絡設備、網絡拓撲結構進行建模評估等方式，確定與業務需求匹配的 5G 網絡架構與運營模式，將 5G 平滑融入到工廠現有系統和流程中，有效實現工廠業務的提質增效。3.3.1 網絡架構方案目前運營商根據用戶需求，為行業提供 5G 網絡服務時，可以提供三種類型的網絡：網絡架構一（共享公網）：在園區建設 5G 無線網絡，工業用戶和公網用戶完全共享頻率和設備，通過 QoS、網絡切片技術等功能性技術與手段做到業務優先保障、業務邏輯隔離，滿足網絡速率、時延、可靠性優先保障的需求，達到業務邏輯隔離、按需靈活配置的效果。該種模式主要面向大部分廣域業務和部分局域業務，且對網絡能力和隔離保障有一定要求，網

40、絡部署成本較低。網絡架構二（公網專用）：在公網的基礎上，通過數據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，滿足企業用戶數據不出廠、超低時延、專屬網絡的需求，達到數據流量卸載、本地業務處理的效果。該種模式主要面向局域業務，且對網絡時延和隔離保障有較高要求的應用，網絡部署成本較共享公網方案更高。對于成本極其敏感的行業，可采用基站與用戶面融合部署方案，在滿足行業需求的同時降低部署成本。網絡架構三（專網專用）：通過基站、頻率、核心網設備的專建專享，來進一步滿足超高安全性、超高隔離度、定制化網絡的需求，達到專用 5G 網絡的效果。尤其是通過豐富基站站型、小區專用、上下行性能增強和差

41、異化配置等多種定制化服務重點保障無線空口傳輸能力,定向支持高優先級應用。該種模式主要面向局域業務，且對網絡覆蓋、速率、時延和可靠性等部分或全部網絡關鍵性能指標和安全隔離保障有極高的要求的應用場景，網絡部署成本較公網專用方案更高。3.3.2 設備形態運營商根據行業用戶自身實際的 5G 部署環境、業務需求，提供以下基站形態：宏基站：用于室外大片區域宏覆蓋的大功率基站，一般部署于鐵塔、樓面站等；微基站：用于室外的局部區域補充覆蓋或補充容量中功率基站，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。19通常，室外場景以宏基站為主，室內場景以皮

42、基站為主。表 3 工業應用基站建設方案場景基站方案室外覆蓋、部分樓宇 宏基站工廠室內場景 無源分布系統的解決方案 一體化皮基站 小型的數字直放站等設備房間隔斷多的室內 5G 的數字有源分布系統 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 端到端系統的重要組成部分，千行百業差異化的業務場景和應用需求，需要多模多頻多形態的行業終端。5G 模組5G 模組是一個獨立的無線通信模塊，將 5G 基帶芯片、射頻、存儲、電源管理等硬件進行了封裝，對外提供特定數據接口和封裝方式，具有獨立的 5G 無線通信功能，被嵌入行業終端中，使行業終端能夠進行 5G 的通信。5

43、G 行業終端5G 行業終端除數據處理能力需求存在較大差異外，關注的通信性能需求也不盡相同。此外，行業終端還必須滿足行業特有的要求，如防水、防爆、抗震動、低功耗等，以適用于不同工況條件。根據不同的行業終端的形態和承載業務等特點，行業終端可分為三大類：接入類、手持類、視頻類。數據接入類終端的主要形態為 CPE、DTU、路由器以及網關，主要用來為若干設備提供局域互聯和廣域互聯功能。行業手持終端是指應用在垂直行業中，具有操作系統、內存、CPU、顯卡、電池、屏幕等，可以移動使用的便于攜帶的數據處理終端。視頻類終端主要的業務特點是需將視頻或視覺信息無線傳輸到服務器或云端，或者將視頻下載到端側。3.3.3

44、性能增強方案5G 網絡通過專屬上行、極致時延、超級可靠、QoS/切片優先級保障等性能增強方案，為工業用戶提供分場景分級、可靈活定制的 5G 網絡服務。20 專屬上行：工業應用中存在廣泛的上行采集類應用，如傳感器、視頻監控、視覺檢測等，對網絡上行帶寬能力需求較高。運營商可利用頻率協同優勢，結合專屬幀結構、載波聚合、全上行等專屬上行方案，分階段提供分場景大上行方案，充分滿足工業需求；極致時延/超級可靠：對于工業控制、電力監控等工業應用，提供極致時延/超級可靠的通信是工業5G 網絡建設的必要條件。工業 5G 網絡可針對這類應用進行差異性優化配置，通過預調度、短時隙、1ms 幀結構、低碼率 MCS、P

45、DCP 復制、重復傳輸等多種關鍵技術的靈活組合，提供空口分級的低時延高可靠能力；QoS/切片優先級保障：針對工業用戶在同一個園區內，普遍存在不同業務之間優先級不同，或者同業務之間不同切片的優先級不同等典型應用，通過提供從承載級、切片級到小區級的分級保障手段，實現工業用戶差異化體驗。3.4 5G 與工業應用融合建設 5G 與工業應用融合建設，主要是在工業 5G 網絡部署完成之后，為如何使用工業 5G 網絡提供技術思路。5G 與工業應用融合體系如圖 7 所示，可以在工業網絡系統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 下沉到企業等方式，利用邊緣計算、人工智能、大數據

46、分析等技術，實現現場設備層、控制執行層、車間管理層、企業管理層和云平臺之間的互聯互通和智能化管理。圖 7 5G 與工業應用融合體系?MESWMSQMSLIMS?SCADADCSPLCHMIPLMCAxSCMERPCRMBI?5GSUPFUPF?215G 與工業應用融合建設的方式有多種，一種是采用 5G 模組（工業設備嵌入 5G 通信模組）,通過集成到設備內部，實現 5G 與工業通信的深層融合應用。如圖 8 所示，現場設備層、執行控制層、車間管理層和企業管理層等，全部采用 5G 工業模組方式接入 5G 網絡，形成獨立的工業 5G 網絡體系以實現工業的互聯互通。圖 8 基于 5G 工業模組的融合建

47、設方案另一種采用集成網關、CPE 等，可實現 5G 與現有工業體系的無縫連接和互通互操作，如圖 9 所示，現場設備層設備種類多、工業網絡/現場總線協議多樣，可采用集成網關實現數據匯聚；控制執行層、車間管理層等以工業網絡通信為基礎，可采用 CPE、路由器等方式接入 5G 網絡，可快速實現工業網絡體系的升級改造。?MESWMSQMSLIMS?DCSPLCHMI?PLMCAxSCMERPCRMBIUEUEUEUEUEUESCADAUEUEUEUEUE?UEUEUEUEUE 22圖 9 基于網關、CPE 的融合建設方案?MESWMSQMSLIMS?DCSPLCHMI?PLMCAxSCMERPCRMBI

48、SCADA?23針對上述提到的 5G 工業應用融合建設方式，可采用 5G 透傳和映射兩種技術以實現 5G 與工業通信的深度融合。（1）透傳5G 透傳，即 5G 作為工業數據傳輸的通道，可以將來自工業應用層、IP 層和 MAC 層的工業數據在 5G 網絡上實現透明傳輸，如工業通信網絡技術集成標準的 TCP/IP 協議，IP 數據包直接傳送到 5G系統，并通過透傳的方式將數據包遞交到目的端。采用 5G 透傳的方式可以實現 5G 與現有工業通信網絡系統的無縫集成，實現工業系統的快速升級改造。截止目前，5G 與工業應用的融合建設采用透傳方式居多。（2）映射5G 映射，即通過將工業通信網絡需求在 5G

49、系統上進行實現，如數據的優先級調度機制、時間調度策略等，使得 5G 技術滿足工業應用的優先級傳輸、時延等不同傳輸需求，保障業務的正常運行。相較于透傳方式，5G 的映射將工業對通信網絡的需求和 5G 的機制相結合，能充分發揮 5G 的技術優勢。如5G 作為工業通信網絡的 MAC 層，將工業網絡通信技術的優先級調度、時延策略等向 5G 傳輸機制進行映射，直接通過5G保障工業應用的優先級傳輸，極大地縮短實時報文在協議棧的處理時間，提高實時性能。截止目前，相關領域組織已開展 5G+OPC UA、5G+TSN 等相關技術的映射研究工作?；?5G 透傳和映射的融合技術方案能夠復用現有的工業通信網絡技術及

50、設備，并利用 5G 針對垂直行業提供的技術方案，如：5G 網絡切片、QoS 等技術，滿足靈活組網、柔性生產等工業應用需求。3.5 工業 5G 網絡驗收 當工業 5G 網絡完成現場部署，5G 工業應用完成基本的功能調試后，產線正式投運前，需要第三方專業機構對工業 5G 網絡進行驗收測試。測試內容包含 5G 網絡性能需求模板中的各項指標，還需要結合工業應用場景，將 5G 網絡視作工業應用的組成部分，完成工業 5G 網絡與工業應用的融合測試，保證工業 5G 網絡及應用投入使用后能夠充分滿足工業現場需求。對于工業 5G 網絡的驗收應考慮老舊工廠改造和新建工廠兩種情況，兩類網絡的驗收測試應充分考慮其實際

51、特點，有針對性的設計測試用例。對于無法在投產前觸發的測試條件，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，可以消除工業用戶使用 5G 網絡的各種顧慮，也可以避免建設過程中只強調 5G 網絡各項性能指標，而未充分考慮其承載的工業應用功能等問題。對工業 5G 網絡在使用過程中發生的問題，也可以通過專業的測試手段，判斷是運營商網絡、系統集成商還是設備等方面的問題，做到責任清晰明確。245G 在工業推廣應用要解決技術、成本和融合體系問題。技術問題是滿足工業對通信的實時性、確定性、可用性、安全性等要求。成本問題是指目前 5G 工業應用模組等軟硬件設備/部件等成本遠高于傳統工業通信。融合體

52、系是指當前工業通信、裝備和系統已經形成了穩定的技術和產業發展模式，5G 的引入會改變工業現有模式，只有 5G 與工業應用兩者高度融合，才能更好地服務新一輪的工業變革。為此，我們在 5G 工業應用融合發展的過程中，構建 ICT 和OT 兩個領域都認可的 5G 工業應用的標準體系，研究 5G 與工業應用融合、5G 工業應用的性能保證及現場測試評估等技術，解決5G 工業應用的成本及商業模式問題，構建 5G 工業應用生態，推動 5G 工業應用先行示范與全面推廣。目前，5G 工業應用融合發展剛剛起步，還存在著很多問題，但是我們相信隨著我國 5G 網絡新基建的快速穩步推進，5G 技術與各行各業的融合發展是

53、大勢所趨，產生的新技術、新產品、新業態以及商業新模式將會對數字世界與數字經濟時代的到來起著巨大的作用。雖然我們無法預測這一天到來的具體時間，但是這一天一定會比我們預想的更早更快。04.總結及展望 25“5G 工業應用聯合創新實驗室”是由機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所與華為技術有限公司在2019 年 12 月 24 日發起成立的。實驗室將在 5G 工業應用需求分析、技術研究、關鍵設備研制、測試驗證、標準制定以及推廣應用等方面開展工作，主要內容包括：5G 工業應用典型場景分析及綜合方案庫、5G 工業應用關鍵技術標準、5G 功能安全與信息安全、5G 與現場總線/工業以太網等工廠內網融合技術、5G

54、+OPC UA 關鍵設備研制、5G 工業應用綜合測試床等，并在此基礎上開展技術落地與示范應用?！?G 工業應用聯合創新實驗室”運營秉承開放、創新的精神，歡迎工業企業、信息技術企業、網絡運營商、科研院所等單位加入，聯合搭建 5G 工業應用技術研發和推廣應用平臺，一起為 5G 工業應用的發展貢獻力量。目前已有如下單位受邀成為第一批核心成員：中國移動通信集團有限公司、富士康工業互聯網股份有限公司、重慶飛力達供應鏈管理有限公司、北京郵電大學、上海自動化儀表有限公司等。后續，“5G 工業應用聯合創新實驗室”將瞄準定位，充分利用目前承擔的工業互聯網創新發展工程-“5G+工業互聯網”高質量網絡和公共服務平臺

55、項目的國家支持，匯聚各方資源，共同研究并解決5G 應用于工業存在的技術問題，提升自身能力，向政府和各類企事業單位提供有關 5G 工業應用的政策分析、技術咨詢、測試驗證、技術培訓、解決方案等綜合服務，為企業數字化轉型和制造業高質量發展做出應有的貢獻。05.5G 工業應用聯合創新實驗室簡介 263GPPThird Generation Partnership Project第三代移動通信伙伴組織5G5th-Generation第五代移動通信技術5GC5G Core network5G 核心網5G-ACIA5G Alliance for Connected Industries and Automa

56、tion5G 產業自動化聯盟AGVAutomatic Guided Vehicle無人搬運車AMFAccess and Mobility Management Function接入與移動性管理功能APLAdvanced Physical Layer高級物理層BBUBuilding Base band Unit基帶處理單元BIBusiness Intelligence商業智能CAxComputer Aided x各類計算機輔助軟件CPECustomer Premise Equipment客戶前置設備CRMCustomer Relationship Management客戶關系管理DCSDistr

57、ibuted Control System分布式控制系統DTUData Transfer unit數據傳輸單元E2EEnd to End端到端應用eMBBEnhanced Mobile Broadband增強移動寬帶ERPEnterprise Resource Planning企業資源計劃gNBnext Generation NodeB5G 基站節點GSAGlobal mobile Suppliers Association全球移動設備供應商聯盟HMIHuman Machine Interface人機接口ICTInformation and Communications Technology信

58、息與通信技術IPInternet Protocol網際互連協議ITInformation Technology信息技術ITUInternational Telecommunication Union國際電信聯盟06.縮略語 27LIMSLaboratory Information Management System實驗室信息管理系統M2MMachine to Machine機器與機器之間的通信MACmedium access control介質訪問控制Massvie MIMOMassvie Multiple-Input Multiple-Output大規模天線MBPManchester Cod

59、ed,Bus Powered曼切斯特編碼，總線供電MCSModulation and Coding Scheme調制與編碼策略MECmobile edge computing移動邊緣計算MESManufacturing Execution System制造執行系統mMTCmassive Machine Type of Communication大規模機器類型通信OPC UAOpen Plateform communication Unified Architecture開放平臺通信統一架構OSIOpen System Interconnection開放系統互聯OTOperation Techn

60、ology自動化/運營技術PDCPPacket Data Convergence Protocol分組數據匯聚協議PLCProgrammable Logic Controller可編程邏輯控制器PLMProduct Lifecycle Management產品生命周期管理pRRUpico Remote Radio Unit分布式射頻拉遠單元QoSQuality of Service網絡服務質量QMSQuality Management System質量管理系統RFIDRadio Frequency Identification射頻識別RRURadio Remote Unit無線射頻單元SCAD

61、ASupervisory Control And Data Acquisition數據采集與監視控制系統SCMSoftware configuration management軟件配置管理SMFSession Management Function會話管理功能SOAService-Oriented Architecture面向服務的建構SPESingle Pair Ethernet二線制以太網TCPTransmission Control Protocol傳輸控制協議TSNTime Sensitive Network時間敏感網絡UDPUser Datagram Protocol用戶數據報協議UPFUser Plane Function用戶面功能URLLCUltra-relaible and Low Latency Communication超高可靠低延遲通信WMSWarehouse Management System倉儲管理系統ZVEIGermanys Electrical Industry德國電氣和電子制造商協會