5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及運營商發(fā)展策略探討

肖瑞菊 孟玉明

摘要：相比于 4G，5G 在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空口、安全、定位等方面均引入了新的技術(shù)，擴充了蜂窩網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用范圍。從技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)鏈完備度和企業(yè)接受度來看 5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，視頻、AR等大帶寬業(yè)務(wù)場景需求明確且發(fā)展迅速;5G 技術(shù)的發(fā)展正契合了傳統(tǒng)企業(yè)進行智能制造轉(zhuǎn)型時對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，成為行業(yè)業(yè)務(wù)創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動。基于此，本文就5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及運營商發(fā)展策略進行簡要探討。

關(guān)鍵詞：5G;工業(yè)領(lǐng)域;應(yīng)用;運營商

1 5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用概述

截至2020年底，中國電信與中國聯(lián)通5G套餐用戶分別為8650萬戶、7083萬戶，用戶滲透率分別為24.6%、20%。參照中國電信2019年年度報告，其5G用戶同比增長近7600萬戶;而中國聯(lián)通在2019年年度報告中未披露其5G用戶數(shù)，故不作同比比較。一方面，電信運營商積極加大5G用戶滲透，匯同合作伙伴積極推動優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化，結(jié)合 套餐升級、資費調(diào)整等手段逐步降低5G終端門檻。另一方面，面向市場持續(xù)拓展服務(wù)，運營商不斷升級業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)，推動更多5G或5G+相關(guān)的場景落地。如中國移動接連推出5G超高清全面屏視頻彩鈴、5G+4K+VR超高清直播、5G云游戲以及5G消息等生態(tài)新應(yīng)用，同時實現(xiàn)了5G專網(wǎng)的產(chǎn)品化并落地了近500個專網(wǎng)項目。中國電信在全球率先實現(xiàn)5G SA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模商用，通過5G、大數(shù)據(jù)中心等“新基建”打造強大穩(wěn)定的數(shù)字化底座，持續(xù)強化自身的“天翼云”，在全國擁有云資源池超過300個、IDC機架超42萬架，目前已初步形成具有獨特優(yōu)勢的云網(wǎng)融合資源及數(shù)字化服務(wù)能力。中國聯(lián)通持續(xù)優(yōu)化VR/AR游戲、高清4K/8K視頻等應(yīng)用場景，利用大數(shù)據(jù)對個體用戶進行切片細(xì)分、精準(zhǔn)施策，同時為政企客戶成功打造多個5G“燈塔項目”，進一步推動線上線下多維度、場景化的精準(zhǔn)營銷。另外，綠色集約、共建共享是運營商搭建5G網(wǎng)絡(luò)的重要準(zhǔn)則，中國移動與中國廣電簽訂了 5G共建共享合作框架，專注700MHz頻段網(wǎng)絡(luò)的共建共享、生態(tài)的融合共創(chuàng)，構(gòu)筑“網(wǎng)絡(luò)+內(nèi)容”立體建設(shè)。中國電信和中國聯(lián)通到2020年底共建共享5G基站近34萬座，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國地級以上城市及重點縣市，累計節(jié)省網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本超過760億元。

2 5G 為工業(yè)控制變革帶來新機遇與挑戰(zhàn)

2.1 新機遇

2.1.1 政策層面

“5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”成為重要的戰(zhàn)略組合，“5G+ 工業(yè)控制”也成為戰(zhàn)術(shù)層面需要突破和發(fā)力的關(guān)鍵。2019 年 11 月，工業(yè)和信息化部在《關(guān)于印發(fā)“5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512 工程推進方案的通知》中明確提出，加快“5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，促進5G 技術(shù)與可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等工業(yè)控制系統(tǒng)的融合創(chuàng)新。工業(yè)和信息化部起草編制正在征求意見的《5G 應(yīng)用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》明確提出，加快利用 5G 改造工業(yè)內(nèi)網(wǎng)，打造 5G 全連接工廠示范標(biāo)桿，形成信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)融合的網(wǎng)絡(luò)部署模式。如此可見，我國從國家政策層面對 5G在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)控制中的應(yīng)用寄予厚望。

2.1.2 技術(shù)層面

5G 從標(biāo)準(zhǔn)制定之初，便定位于“十倍于4G 的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力”，更多面向垂直行業(yè)提供“大連接、高帶寬、低時延”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)研究的推進，以及各項關(guān)鍵技術(shù)的逐一突破，5G 網(wǎng)絡(luò)按需開放、低時延、高可靠、確定性等性能大幅提升。

2020 年 7 月，5GR16 標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，引入新技術(shù)支持 1 微妙同步精度、0.5-1 毫秒的空口時延、“6個9”可靠性和靈活的終端組管理，最快可實現(xiàn) 5 毫秒以內(nèi)的端到端時延和更高的可靠性，提供支持工業(yè)級時間敏感，為 5G與工業(yè)體系的深度融合奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.1.3 應(yīng)用層面

5G 技術(shù)切合了工業(yè)企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，能滿足工業(yè)環(huán)境下設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程交互應(yīng)用需求，且更加靈活、智能、高效和開放，其速度的絕對優(yōu)勢對于工業(yè)生產(chǎn)過程中的海量數(shù)據(jù)傳輸和處理具有極其重要的意義。

目前，5G 在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計、工業(yè)制造、質(zhì)檢、運維、控制、營銷展示等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，并形成了運動控制、機器間控制、移動控制、遠(yuǎn)程訪問和維護、閉環(huán)過程控制等系列化的典型應(yīng)用場景，正在逐步向工廠現(xiàn)場控制層面延伸。隨著“5G全連接工廠”的建設(shè)，基于 5G 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將可實現(xiàn)“一網(wǎng)到底”整合工廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用。

2.2 問題挑戰(zhàn)

2.2.1 行業(yè)壁壘

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，傳感設(shè)備、控制器、生產(chǎn)線、產(chǎn)品、客戶等要素的互聯(lián)互通是實現(xiàn)智能生產(chǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。光有 5G通信技術(shù)而無傳感器、工業(yè)設(shè)備和工業(yè)自動化等相關(guān)知識，無法真正實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的全聯(lián)通。對于工業(yè)數(shù)據(jù)價值的應(yīng)用需要基于生產(chǎn)工藝、流程和工業(yè)機理的總結(jié)和提煉，應(yīng)用的部署也涉及到現(xiàn)場實施操作。需要進一步挖掘 5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用價值。

2.2.2 產(chǎn)品運營

運營商在宣傳 5G 產(chǎn)品的時候側(cè)重于從網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，突出技術(shù)和指標(biāo)方面的升級。對于工業(yè)企業(yè)來說，5G 是一種工具，其價值在于是否契合實際場景的業(yè)務(wù)需求。如何將網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換為工業(yè)應(yīng)用的實際業(yè)務(wù)指標(biāo)，是運營商在設(shè)計 5G產(chǎn)品和部署、測試、驗收等環(huán)節(jié)中需要明確的問題。工業(yè)企業(yè)需要的是成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，且運維頻率和復(fù)雜度不能過高，能夠直接解決生產(chǎn)過程中的效率、質(zhì)量、成本等相關(guān)問題，同時安全可靠，降低部署實施后對工廠現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。

2.2.3 接受成本

當(dāng)前 5G 仍處于快速發(fā)展的階段，技術(shù)、產(chǎn)品以及商業(yè)模式尚未進入成熟階段，其對工業(yè)生產(chǎn)過程的智能化改善結(jié)果也缺乏大量的實例驗證。當(dāng)前切入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域意味著大量的成本投入，包括針對不同場景的定制化研發(fā)、實施、推廣成本以及可能對工業(yè)企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)體系造成不穩(wěn)定影響的試錯成本。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 5G LAN

傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，工廠內(nèi)部主要采用局域網(wǎng)，各分廠之間多通過專線互聯(lián)。3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)引入的 5GLAN 技術(shù)類似局域網(wǎng)和 VPN，并保持 5G 高性能、遠(yuǎn)距離接入、移動性和安全性的優(yōu)勢。5G LAN 支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，每組對應(yīng)一個 VLAN，并通過會話管理功能（SMF）與用戶面功能（UPF）的交互實現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。終端之間的通信可以在同一個 UPF內(nèi)發(fā)生，也可以跨 UPF，或 UE 和 DN 之間。借助 5G接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的支持，多個園區(qū)間可以構(gòu)建廣域局域網(wǎng)，實現(xiàn)企業(yè)不同車間、不同工廠之間跨地域協(xié)作。

3.2 邊緣計算

邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放體系，可按需承載部分工業(yè)智能應(yīng)用，實時處理現(xiàn)場業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并快速反饋結(jié)果至現(xiàn)場。滿足制造企業(yè)實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能等需求。在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，UPF 可以提供分流功能，并可按需部署于網(wǎng)絡(luò)的不同位置。例如對于 u RLLC 低時延場景，可將 UPF 和 MEC 部署于靠近基站側(cè)的無線接入云;對于 e MBB 場景的大流量熱點地區(qū)，可部署于邊緣云;對于 m MTC 場景，可部署于位置較高的匯聚云，以覆蓋更大區(qū)域的業(yè)務(wù)需求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片

工廠環(huán)境中，通過端到端的 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實現(xiàn)同一個物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出不同服務(wù)質(zhì)量的子網(wǎng)，可按需靈活調(diào)整網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足各種具有差異化特征的業(yè)務(wù)需求。5G 接入網(wǎng)可采用有源天線單元（AAU）、集中單元（CU）、分布單元（DU）的靈活部署模式，同時基于統(tǒng)一的空口框架和靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計進行無線資源切片分配。5G承載網(wǎng)運用虛擬化技術(shù)，同時 SDN架構(gòu)的層次化控制器可實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)和切片網(wǎng)絡(luò)的端到端統(tǒng)一控制和管理。5G核心網(wǎng)采用高內(nèi)聚、低耦合的服務(wù)化架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為服務(wù)化組件，組件之間使用輕量級開放接口通信，支持實現(xiàn)按需構(gòu)建、動態(tài)部署和高可靠的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)。

3.4 上行增強技術(shù)

在個人消費領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸一般以下行為主，而在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如視頻監(jiān)控及無人機巡檢等場景對網(wǎng)絡(luò)上行速率要求更高。5G靈活的空口資源設(shè)置、上下行解耦技術(shù)和超級上行技術(shù)可以有效地保障上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求。NR 引入了更靈活的空口設(shè)置，包括可變的子載波間隔和靈活的幀結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整時隙配比滿足不同上下行容量配比需求。上下行解耦技術(shù)用 LTE 低頻空閑頻譜共享給 NR 上行使用，彌補了 C-Band 以及高頻在上行覆蓋上的不足。超級上行技術(shù)主要通過TDD與 FDD這 2種雙工模式的協(xié)同，高頻與低頻互補，時域與頻域聚合，提升5G網(wǎng)絡(luò)的上行覆蓋及上行帶寬能力，同時縮短時延。

3.5 安全

5G 與 4G 相比，在安全分層方面一樣，分為傳送層、歸屬層/服務(wù)層和應(yīng)用層;在安全分域方面，增加了服務(wù)域安全。5G 采用完善的服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)、授權(quán)安全機制及安全協(xié)議來保障服務(wù)域安全。5G 統(tǒng)一的認(rèn)證框架支持不同場景的接入終端及接入方式，避免非法用戶接入，以及非法利用偽基站、偽熱點進行詐騙或者竊取用戶信息。5G 終端唯一標(biāo)識符（SUPI）經(jīng)公私鑰加密的方式加密為 SUCI，且 5G算法采用 128 位密鑰長度，只有運營商可以解密終端真正的身份信息。5GC 各網(wǎng)元間使用 IPSec 保護傳遞信息安全，歸屬域與漫游域之間通過安全邊緣保護代理功能（SEPP）保證安全，服務(wù)功能間使用HTTPS協(xié)議保障信息傳遞安全，并部署安全網(wǎng)關(guān)保證與 2G/3G/4G核心網(wǎng)間的漫游安全。

3.6 定位

目前的無線定位技術(shù)主要分為室外和室內(nèi)定位技術(shù)，終端側(cè)需配有相應(yīng)的定位模塊，而 5G 定位技術(shù)可以實現(xiàn)通信和定位一體化，及室內(nèi)外定位一體化服務(wù)。3GPP R16 標(biāo)準(zhǔn)定義了對定位精度要求高的場景的精度要求，需要滿足 80% 的 UE 在室外水平定位精度達到 10 m，室內(nèi)定位精度達到 3 m，并且垂直定位精度達到3 m。5G 基站定位可通過終端與基站之間信號傳輸?shù)耐禃r間、到達角和出發(fā)角來計算用戶所處的位置。

4 發(fā)展策略

4.1 加強技術(shù)能力

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)主要包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（含標(biāo)識解析）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全、工業(yè)數(shù)字化裝備（采集、計算、連接相關(guān)部分）、工業(yè)互聯(lián)自動化（含傳感、工控、邊緣計算）等五大產(chǎn)業(yè)。對于工業(yè)企業(yè)來說，網(wǎng)絡(luò)作為智能化升級的基礎(chǔ)設(shè)施，其價值更多地體現(xiàn)在其承載的業(yè)務(wù)。除單純的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)之外，運營商應(yīng)充分利用自身的 ICT 能力，加強在終端、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用方面的布局，積極參與中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)演進。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)終端包括傳感設(shè)備、控制器、機器設(shè)備、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、智能可穿戴設(shè)備和工業(yè)相機等。運營商應(yīng)加強與工業(yè)企業(yè)和終端供應(yīng)商的合作，研究工業(yè)場景下 5G 終端設(shè)備，如 5G 工業(yè)路由器、5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和遠(yuǎn)程服務(wù)過程的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)方面，運營商通過邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，可針對不同企業(yè)規(guī)模和需求，建設(shè)相應(yīng)的 5G專網(wǎng)，實現(xiàn)對工廠內(nèi)部傳感器、智能機器、在制品等要素的互聯(lián)互通。對于行業(yè)龍頭企業(yè)可以建設(shè)獨立專網(wǎng)提供全方位專屬通信服務(wù)，對于中、小企業(yè)可根據(jù)場景特點及投資預(yù)算建設(shè)混合專網(wǎng)或者虛擬專網(wǎng)，并通過5G 公網(wǎng)，實現(xiàn)工廠外部海量的智能產(chǎn)品的無線接入。另外可結(jié)合云網(wǎng)服務(wù)，為企業(yè)提供云專線、云間組網(wǎng)等產(chǎn)品，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外部信息集成以及產(chǎn)業(yè)價值鏈的信息集成。

應(yīng)用方面，運營商可結(jié)合 5G大帶寬、大連接、低時延、靈活組網(wǎng)、能力開放等特性，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域合作伙伴共同開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)，以滿足企業(yè)對于網(wǎng)絡(luò)的多樣化承載需求和數(shù)據(jù)的多樣化處理需求。運營商可提供 ICT 能力在線訂購服務(wù)、全方位的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)、不同工業(yè)場景的解決方案、智能應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、需求方與供給方資源能力交易環(huán)境等綜合服務(wù)，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。

4.2構(gòu)建人才體系

運營商可以加大行業(yè)復(fù)合型人才體系的建設(shè)，除傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)研究、規(guī)劃、建設(shè)、運維團隊之外，發(fā)展行業(yè)解決方案團隊，探索工業(yè)領(lǐng)域各垂直行業(yè)的 5G 需求，結(jié)合運營商自身資源及技術(shù)，孵化相應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用。同時針對遍布全國的政企客戶團隊開展行業(yè)認(rèn)知培訓(xùn)，充分培養(yǎng)現(xiàn)有一線員工的綜合素質(zhì)，提高運營商對于行業(yè)垂直領(lǐng)域的理解以及參與能力。除內(nèi)部人才培養(yǎng)，運營商也可以通過產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，與國內(nèi)外知名高等院校、科研機構(gòu)、骨干企業(yè)等開展長期合作，基于企業(yè)實際場景需求開展創(chuàng)新應(yīng)用研究和落地工作，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展探索方向，同時擴大各方的行業(yè)影響力。運營商積累的不同場景的解決方案以及相關(guān)軟硬件產(chǎn)品在經(jīng)過實際項目的測試驗證之后，可以借由全國的政企渠道進行推廣。

4.3 商業(yè)模式分析

4.3.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

運營商具有豐富的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗、運維及售后服務(wù)能力，同時運營商擁有大范圍的工業(yè)企業(yè)客戶基礎(chǔ)，可針對工業(yè)行業(yè)的業(yè)務(wù)需求提供多樣化、定制化的網(wǎng)絡(luò)支撐能力。5G 多樣化的組網(wǎng)架構(gòu)以及靈活配置的功能設(shè)計可將網(wǎng)絡(luò)能力開放給工業(yè)行業(yè)，提升企業(yè)的端到端體驗、變現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)價值、使能更個性化的業(yè)務(wù)場景。

4.3.2 行業(yè)業(yè)務(wù)使能

運營商可提供不同層級的 ICT 設(shè)施和服務(wù)來滿足工業(yè)企業(yè)對于連接管理、數(shù)據(jù)處理、協(xié)同制造和智能應(yīng)用的相關(guān)需求。例如對于下沉至生產(chǎn)現(xiàn)場的 ICT 需求，運營商可以提供邊緣計算平臺基礎(chǔ)設(shè)施，或者構(gòu)建行業(yè) Paa S 平臺，其上承載第三方服務(wù)商的應(yīng)用或者企業(yè)自研應(yīng)用。

4.3.3 行業(yè)業(yè)務(wù)服務(wù)

除單純地將自有的新技術(shù)和服務(wù)銷售給工業(yè)企業(yè)之外，運營商可將技術(shù)能力融入工業(yè)企業(yè)的各作業(yè)環(huán)節(jié)中，提供端到端解決方案，或者更深入地參與行業(yè)應(yīng)用研發(fā)。例如基于 5G 加 AI 圖像處理的工業(yè)質(zhì)量檢測系統(tǒng)，自動識別在制品的工藝缺陷、外觀損傷、包裝瑕疵等不合格情況以及基于物聯(lián)網(wǎng)的工廠能源管控系統(tǒng)，監(jiān)測作業(yè)環(huán)境以及生產(chǎn)設(shè)備的能耗情況，這類應(yīng)用可滿足工業(yè)企業(yè)對自身生產(chǎn)過程的質(zhì)量改善、效率提高和成本降低等需求。

結(jié)束語

綜上所述，運營商進入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域時必然存在一定的門檻。同時，面向 2B領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用和 2C 領(lǐng)域的應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計、推廣、運營等環(huán)節(jié)有所不同。針對目前發(fā)展 5G工業(yè)應(yīng)用遇到的問題，運營商除不斷發(fā)展壯大自身實力外，也可以積極開展與行業(yè)伙伴的合作，從網(wǎng)絡(luò)管道提供者轉(zhuǎn)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能者，加強端到端的技術(shù)實力，構(gòu)建全方位綜合性的人才隊伍，探索出更具市場價值的商業(yè)模式。

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