工业5G概述、应用与测试床建设

一、5G白皮书与基础

描绘钢铁行业“新蓝图”：华为5G智慧钢铁白皮书发布 - 通信产业网.
5G 网络智能化白皮书（附下载）.
周圣君-5G零基础入门
5G网络理论：网络部署与优化

1、工业应用场景对通信技术的性能要求

表1 典型应用场景对信息通信技术的性能要求
生产场景		可靠性	时延(ms)	数据包大小(Bytes)	设备数量	工作空间(m)
运动控制	打印设备	>99.9999%	<2	20	>100	100X100X30
	工具器械	>99.9999%	<0.5	50	约20	15X15X3
	打包机	>99.9999%	<1	40	约50	10X5X3
移动机器人	协作运动控制	>99.9999%	1	40~250	100	<1 km^2
移动机器人	视频操作远程控制	>99.9999%	10~100	15~150	100	<1 km^2
移动控制面板	装配机器人或铣床	>99.9999%	4~8	40~250	4	10X10
移动控制面板	移动吊车	>99.9999%	12	40~250	2	40X60
加工自动化（生产监控）		>99.99%	>50	各异	10000台/km^2

2、5G无线标准制定历程

ITU：2017年下半年启动5G技术方案征集，2020年完成5G标准制定。

R15主要针对eMBB场景应用，R16主要针对URLCC、D2D等场景应用，R17主要针对mMTC场景应用。

3、5G NR标准与频谱

3.1 5G频谱

FR1：sub 6G频段，3 GHz以下的称为sub 3G，3~6 GHz的称为c-band。

FR2：毫米波，资源丰富。

表2 5G频谱优劣对比
频段类型	频段优势	频段劣势	部署策略
sub 3G	频段低，覆盖性能好	可用频率资源有限，大部分被当前系统占用	初期不建议部署，后续可用过refarming和cloudair技术进行部署，作为5G的广覆盖层
c-band	NR新增频段，频谱资源丰富，带宽大	上行链路覆盖较差，上下行不平衡问题明显	5G主要频段，最大可部署100 MHz带宽。上下行不平衡问题可通过上下行解耦特性解决
毫米波	NR新增频段，小区带宽最大	覆盖能力差，对射频器件性能要求高	初期部署不作为主要选择，主要作为热点eMBB容量补充，D2D等特殊场景

3.2 中国5G中低频谱分配

表3 中国5G频谱分配情况
中国移动	2.515-2.675 GHz, 4.8-4.9 GHz
中国联通	3.5-3.6 GHz
中国电信	3.4-3.5 GHz
中国广电	700 MHz, 4.9-4.96 GHz

表4 5G NR频率范围
NR频段号	上行频段基站接收/UE发射	下行频段基站发射/UE接收	双工模式
n41	2496-2690 MHz	2496-2690 MHz	TDD
n77	3300-4200 MHz	3300-4200 MHz	TDD
n78	3300-3800 MHz	3300-3800 MHz	TDD
n79	4400-5000 MHz	4400-5000 MHz	TDD

4、5G网络部署方式

5G网络的部署主要包括无线接入网RAN和核心网5GC。无线接入网主要由基站组成，为用户提供无线接入功能，核心网主要为用户提供互联网接入服务和相应的管理功能等。

3GPP根据5G控制面锚点不同，分为独立部署（SA）和非独立部署（NSA）两种部署方式。SA指新建一个网络，包括新基站、回程链路以及核心网，并且以5G NR为控制面锚点接入5GC。NSA指使用现有的4G网络基础，进行5G网络的部署。

目前3GPP共列举8种5G架构选项，其部署方式如下所示。

表5 5G网络部署方案对比
		优势	劣势
独立NR部署	option 2	对现有2G/3G/4G网络无影响，不影响现网用户；可快速部署，直接引入5G新网元，不需要对现网改造；引入5GC，提供5G新功能和新业务。	当5G NR没有连续覆盖时，语音连续性依赖跨系统切换，QoS无法得到保障；需同时部署NR和5GC，成本较高。
非独立NR部署	option 3系列	对NR覆盖无要求；改动小，投资少，建网速度快；语音业务连续性有保障；适合初期引入NR终端比例小的情况。	无法支持5GC引入的新业务
	option 7系列	数据业务对NR覆盖无要求；支持5GC引入的新业务，实现全5G能力，有效避免后续无线网络的多次升级；语音业务连续性通过VoLTE保证，要求VoLTE连续覆盖；适合在5GC产业成熟情况下引入。	需要新建5GC，建网进度依赖于5GC产业成熟度；需要推动5G到2G/3G网络的CSFB的语音回落流程； LTE需改造升级为eLTE，改动较大。
	option 4系列	5G基站为主站，4G基站为从站，主从站共用5G核心网。

二、工业5G的测试床

5G-ACIA（5G互联产业与自动化联盟）是解决、讨论和评估工业领域 5G相关技术、法规和业务方面问题的中心，5G-ACIA（5G互联产业与自动化联盟）是解决、讨论和评估工业领域 5G相关技术、法规和业务方面问题的中心。

表6 工业5G测试床
测试床名称	简介
ABB基于5G的工业机器人测试平台	ABB与爱立信合作，作为欧盟5G-SMART项目的一部分，在瑞典Kista的爱立信智能工厂建立了5G测试平台，以探讨5G如何改善制造业生产，该平台重点关注机器人技术。瑞典Kista测试平台的主要目的是研究和验证生产用例，其中用于控制工业机器人的软件已从机器人本身重新定位到边缘云平台，并通过5G连接到机器人。其他需要验证的功能是边缘云中用于对象识别和定位的机器图像处理，边缘云中机器人状态的存储以及基于增强现实的车间操作员的支持。
博世半导体工厂的5G-SMART测试平台	通过在罗伊特林根的博世半导体生产工厂建立和运营5G测试平台，共同验证5G技术及其在工业自动化中的用例。该测试平台包括一个独立的，非公共的5G室内网络实施方案，覆盖了8000平方米的工业生产车间。测试台的目的是演示5G如何在实际生产环境中支持工厂自动化和内部物流。这可以通过在工厂车间中开发和测试用例（例如启用5G的云控制自动导引车（AGV）和基于5G的工业以太网）来实现。
华为慕尼黑基于测试平台的5G智能制造和工业AI服务	华为针对基于5G的智能制造和工业AI服务的测试环境旨在加快5G单机版、5G移动专用网的提供。测试平台的目的是在考虑到5G标准的下一个版本的情况下，在未来三年内为联网的智能工厂和可扩展的AI服务开发和验证新颖的解决方案。该环境包括以下用例的验证和性能度量活动：1. 带有AI Machine Vision云处理功能的联网AGV（无人驾驶运输系统）；2. 用于质量控制通过无线监控进行预测性维护；3. 机器检查无线自动化模块的安全性。
亚琛欧洲5G工业园区测试平台	测试平台包括5G室内和室外解决方案，该解决方案延伸到亚琛Fraunhofer IPT工业生产车间。测试平台合作伙伴Fraunhofer IPT，爱立信，u-blox和Marposs正在开发和验证用于工件和机器监控的多传感器平台以及用于监控切削刀具状况的声发射传感器系统。另外，各种数据源通过新型同步设备进行同步，以将数据合并为数字孪生。该试验台是欧盟项目5G-SMART的一部分。

三、5G + 智慧工厂应用示范

表7 5G+智能工厂应用示范项目
项目名称	项目背景	解决方案
宏电5G+WiFi Mesh组网方案成功应用在5G智慧工厂示范项目中	当前主要面临以下难题：（1）有线部署困难：由于厂区大，环境复杂，光纤网线会存在设备老化和故障情况，影响使用效率；（2）WiFi组网不稳定：现有WiFi组网一个工厂需要安装多个路由器，两台路由器切换区域容易发生信号不稳现象，且WiFi组网无法满足生产对时延上及可靠性的需求。（3）联网设备多、数据量大，网络不稳定造成影响大：工厂联网设备和联网终端的增加，每秒钟的计算量、交互量随之增加，网络基础设施不足等网络问题造成数据采集中断。如算力问题导致出现排队、经常停机等事件。（4）工厂数据处理量大、云端数据管理任务重：对设备状态远程控制，包括设备运行和产能，以及潜在故障分析等，尤其是潜在故障分析，需要建立庞大的数据库，配合边缘计算才能完成。	通过5G AIoT新型技术融合应用，实现公司精益化、智能化管理，降低生产运营成本，提高生产效益，其工厂数字化改造、设备物联化需求迫切。因此提出了5G智慧工厂Mesh无线自组网方案。（1）定制开发了5G无线Mesh组网和强AP，实现对存量终端的接入和无缝漫游服务；摆脱有线困境，实现对“有线﹢WiFi”网络的整体替代和低成本改造。（2）部署5G SA + MEC边缘计算，建立设备到工厂云平台的私有网络通道，实现流量本地卸载，有效保障工厂数据安全性。支持本地数据处理和分析，扩展部署5G边缘计算和网络切片，实现设备预测性维护、智能巡检等5G智造场景的应用。
……

四、5G与工业应用的融合

1、5G网络在工业企业的部署模式

（a）虚拟专网：又称公网共用，网络切片虚拟专网；

（b）混合虚拟专网：又称公网专用，边缘UPF混合专网；

（c）独立专网：又称专网专用，智能定制专网。

表8 工业5G网络的部署模式
部署方式		简单描述
混合5G专网：部署独立于移动运营商的5G公共网络，物理隔离的专用5G网络（5G孤岛），企业或移动运营商可建立专用的5G网络。	公网共用	利用5G切片等技术在面向公众服务的网络中，为企业用户提供QoS定制化的专用通道服务（时延、带宽等），实现不同用户不同业务间的逻辑隔离。
	公网专用	原有在运营商核心网侧部署的UPF等下沉部署在企业内或附近，保障企业业务数据本地存储，具有较高的安全性和实时性。
独立5G专网：通过共享移动运营商的5G公共网络资源池来构建私有5G网络，运营商将为企业建立专用的5G网络。	专网专用	工业企业专用的5G网络，只承载企业自有业务，与公网隔离。

2、工业5G融合终端

目前市场上能提供5G商用芯片的企业包括：华为海思、紫光展锐、联发科、高通和三星。能提供5G商用芯片及模组方案有华为海思和高通，基于这两家方案，长虹、移远通信、日海智能、广和通等企业推出相应的5G模组产品。

目前工业场景中的5G融合终端主要以网关等数据终端形态出现，5G与工业应用融合建设的方式包括：

1）采用5G模组（工业设备嵌入5G通信模组）集成到设备内部，实现5G与工业通信的深度融合应用；
2）采用集成网关、CPE等，实现5G与现有工业体系的无缝连接和互通互操作（现阶段工业企业普遍采用）。如在生产线上，使用集成5G模组的MES工业网关，

随着远程操控、智能物流等对网络速率要求高、时延敏感的工业互联网场景的广泛应用，融合5G工业终端形态将逐步从现有的网关等数据终端向各种5G行业终端扩展，行业应用和专网需求加速5G融合终端成熟及多样化。