5G在工業領域的應用及運營商發展策略探討

肖瑞菊 孟玉明

摘要：相比于 4G，5G 在網絡架構、空口、安全、定位等方面均引入了新的技術，擴充了蜂窩網絡在工業行業的應用范圍。從技術成熟度、產業鏈完備度和企業接受度來看 5G在工業領域的應用，視頻、AR等大帶寬業務場景需求明確且發展迅速;5G 技術的發展正契合了傳統企業進行智能制造轉型時對無線網絡的應用需求，成為行業業務創新的關鍵驅動?；诖耍疚木?G在工業領域的應用及運營商發展策略進行簡要探討。

關鍵詞：5G;工業領域;應用;運營商

1 5G在工業領域的應用概述

截至2020年底，中國電信與中國聯通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;而中國聯通在2019年年度報告中未披露其5G用戶數，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化產業鏈優化，結合 套餐升級、資費調整等手段逐步降低5G終端門檻。另一方面，面向市場持續拓展服務，運營商不斷升級業務結構，推動更多5G或5G+相關的場景落地。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消息等生態新應用，同時實現了5G專網的產品化并落地了近500個專網項目。中國電信在全球率先實現5G SA網絡規模商用，通過5G、大數據中心等“新基建”打造強大穩定的數字化底座，持續強化自身的“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勢的云網融合資源及數字化服務能力。中國聯通持續優化VR/AR游戲、高清4K/8K視頻等應用場景，利用大數據對個體用戶進行切片細分、精準施策，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、場景化的精準營銷。另外，綠色集約、共建共享是運營商搭建5G網絡的重要準則，中國移動與中國廣電簽訂了 5G共建共享合作框架，專注700MHz頻段網絡的共建共享、生態的融合共創，構筑“網絡+內容”立體建設。中國電信和中國聯通到2020年底共建共享5G基站近34萬座，實現5G網絡覆蓋全國地級以上城市及重點縣市，累計節省網絡鋪設成本超過760億元。

2 5G 為工業控制變革帶來新機遇與挑戰

2.1 新機遇

2.1.1 政策層面

“5G+ 工業互聯網”成為重要的戰略組合，“5G+ 工業控制”也成為戰術層面需要突破和發力的關鍵。2019 年 11 月，工業和信息化部在《關于印發“5G+ 工業互聯網”512 工程推進方案的通知》中明確提出，加快“5G+ 工業互聯網”融合產品研發和產業化，促進5G 技術與可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統（DCS）等工業控制系統的融合創新。工業和信息化部起草編制正在征求意見的《5G 應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》明確提出，加快利用 5G 改造工業內網，打造 5G 全連接工廠示范標桿，形成信息技術網絡與生產控制網絡融合的網絡部署模式。如此可見，我國從國家政策層面對 5G在工業領域，尤其是工業控制中的應用寄予厚望。

2.1.2 技術層面

5G 從標準制定之初，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”，更多面向垂直行業提供“大連接、高帶寬、低時延”的網絡服務能力。隨著5G 標準研究的推進，以及各項關鍵技術的逐一突破，5G 網絡按需開放、低時延、高可靠、確定性等性能大幅提升。

2020 年 7 月，5GR16 標準凍結，引入新技術支持 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 5 毫秒以內的端到端時延和更高的可靠性，提供支持工業級時間敏感，為 5G與工業體系的深度融合奠定了堅實的基礎。

2.1.3 應用層面

5G 技術切合了工業企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能滿足工業環境下設備互聯和遠程交互應用需求，且更加靈活、智能、高效和開放，其速度的絕對優勢對于工業生產過程中的海量數據傳輸和處理具有極其重要的意義。

目前，5G 在工業領域主要應用于工業設計、工業制造、質檢、運維、控制、營銷展示等關鍵環節中，并形成了運動控制、機器間控制、移動控制、遠程訪問和維護、閉環過程控制等系列化的典型應用場景，正在逐步向工廠現場控制層面延伸。隨著“5G全連接工廠”的建設，基于 5G 的工業網絡將可實現“一網到底”整合工廠網絡建設與應用。

2.2 問題挑戰

2.2.1 行業壁壘

在工業互聯網領域中，傳感設備、控制器、生產線、產品、客戶等要素的互聯互通是實現智能生產的關鍵基礎。光有 5G通信技術而無傳感器、工業設備和工業自動化等相關知識，無法真正實現工業網絡的全聯通。對于工業數據價值的應用需要基于生產工藝、流程和工業機理的總結和提煉，應用的部署也涉及到現場實施操作。需要進一步挖掘 5G在工業互聯網領域的應用價值。

2.2.2 產品運營

運營商在宣傳 5G 產品的時候側重于從網絡角度出發，突出技術和指標方面的升級。對于工業企業來說，5G 是一種工具，其價值在于是否契合實際場景的業務需求。如何將網絡性能指標轉換為工業應用的實際業務指標，是運營商在設計 5G產品和部署、測試、驗收等環節中需要明確的問題。工業企業需要的是成熟穩定的產品，且運維頻率和復雜度不能過高，能夠直接解決生產過程中的效率、質量、成本等相關問題，同時安全可靠，降低部署實施后對工廠現有系統的影響。

2.2.3 接受成本

當前 5G 仍處于快速發展的階段，技術、產品以及商業模式尚未進入成熟階段，其對工業生產過程的智能化改善結果也缺乏大量的實例驗證。當前切入工業互聯網領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、實施、推廣成本以及可能對工業企業現有生產體系造成不穩定影響的試錯成本。

3 關鍵技術

3.1 5G LAN

傳統工業網絡，工廠內部主要采用局域網，各分廠之間多通過專線互聯。3GPP R16 標準引入的 5GLAN 技術類似局域網和 VPN，并保持 5G 高性能、遠距離接入、移動性和安全性的優勢。5G LAN 支持在一組接入終端間構建二層轉發網絡，每組對應一個 VLAN，并通過會話管理功能（SMF）與用戶面功能（UPF）的交互實現終端組內數據交換和用戶面路徑選擇。終端之間的通信可以在同一個 UPF內發生，也可以跨 UPF，或 UE 和 DN 之間。借助 5G接入網和核心網的支持，多個園區間可以構建廣域局域網，實現企業不同車間、不同工廠之間跨地域協作。

3.2 邊緣計算

邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放體系，可按需承載部分工業智能應用，實時處理現場業務數據，并快速反饋結果至現場。滿足制造企業實時業務、數據優化、應用智能等需求。在 5G 網絡中，UPF 可以提供分流功能，并可按需部署于網絡的不同位置。例如對于 u RLLC 低時延場景，可將 UPF 和 MEC 部署于靠近基站側的無線接入云;對于 e MBB 場景的大流量熱點地區，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，以覆蓋更大區域的業務需求。

3.3 網絡切片

工廠環境中，通過端到端的 5G 網絡切片技術，實現同一個物理網絡虛擬出不同服務質量的子網，可按需靈活調整網絡服務，滿足各種具有差異化特征的業務需求。5G 接入網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，同時基于統一的空口框架和靈活的幀結構設計進行無線資源切片分配。5G承載網運用虛擬化技術，同時 SDN架構的層次化控制器可實現物理網絡和切片網絡的端到端統一控制和管理。5G核心網采用高內聚、低耦合的服務化架構，將網絡功能解耦為服務化組件，組件之間使用輕量級開放接口通信，支持實現按需構建、動態部署和高可靠的網絡切片服務。

3.4 上行增強技術

在個人消費領域，數據傳輸一般以下行為主，而在工業應用領域，如視頻監控及無人機巡檢等場景對網絡上行速率要求更高。5G靈活的空口資源設置、上下行解耦技術和超級上行技術可以有效地保障上行數據傳輸的業務需求。NR 引入了更靈活的空口設置，包括可變的子載波間隔和靈活的幀結構，可通過調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。超級上行技術主要通過TDD與 FDD這 2種雙工模式的協同，高頻與低頻互補，時域與頻域聚合，提升5G網絡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/服務層和應用層;在安全分域方面，增加了服務域安全。5G 采用完善的服務注冊、發現、授權安全機制及安全協議來保障服務域安全。5G 統一的認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 終端唯一標識符（SUPI）經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，服務功能間使用HTTPS協議保障信息傳遞安全，并部署安全網關保證與 2G/3G/4G核心網間的漫游安全。

3.6 定位

目前的無線定位技術主要分為室外和室內定位技術，終端側需配有相應的定位模塊，而 5G 定位技術可以實現通信和定位一體化，及室內外定位一體化服務。3GPP R16 標準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的往返時間、到達角和出發角來計算用戶所處的位置。

4 發展策略

4.1 加強技術能力

工業互聯網產業主要包括工業互聯網網絡（含標識解析）、工業互聯網平臺與工業軟件、工業互聯網安全、工業數字化裝備（采集、計算、連接相關部分）、工業互聯自動化（含傳感、工控、邊緣計算）等五大產業。對于工業企業來說，網絡作為智能化升級的基礎設施，其價值更多地體現在其承載的業務。除單純的網絡連接服務之外，運營商應充分利用自身的 ICT 能力，加強在終端、網絡和應用方面的布局，積極參與中國工業互聯網的技術演進。

工業互聯網終端包括傳感設備、控制器、機器設備、工業網關、智能可穿戴設備和工業相機等。運營商應加強與工業企業和終端供應商的合作，研究工業場景下 5G 終端設備，如 5G 工業路由器、5G 工業網關，實現工業生產和遠程服務過程的基礎資源數據采集。網絡方面，運營商通過邊緣計算、網絡切片等技術，可針對不同企業規模和需求，建設相應的 5G專網，實現對工廠內部傳感器、智能機器、在制品等要素的互聯互通。對于行業龍頭企業可以建設獨立專網提供全方位專屬通信服務，對于中、小企業可根據場景特點及投資預算建設混合專網或者虛擬專網，并通過5G 公網，實現工廠外部海量的智能產品的無線接入。另外可結合云網服務，為企業提供云專線、云間組網等產品，實現企業內外部信息集成以及產業價值鏈的信息集成。

應用方面，運營商可結合 5G大帶寬、大連接、低時延、靈活組網、能力開放等特性，與工業互聯網領域合作伙伴共同開展工業互聯網應用研發，以滿足企業對于網絡的多樣化承載需求和數據的多樣化處理需求。運營商可提供 ICT 能力在線訂購服務、全方位的大數據業務服務、不同工業場景的解決方案、智能應用開發環境、需求方與供給方資源能力交易環境等綜合服務，構建工業互聯網生態體系。

4.2構建人才體系

運營商可以加大行業復合型人才體系的建設，除傳統的網絡研究、規劃、建設、運維團隊之外，發展行業解決方案團隊，探索工業領域各垂直行業的 5G 需求，結合運營商自身資源及技術，孵化相應的行業應用。同時針對遍布全國的政企客戶團隊開展行業認知培訓，充分培養現有一線員工的綜合素質，提高運營商對于行業垂直領域的理解以及參與能力。除內部人才培養，運營商也可以通過產學研用相結合，與國內外知名高等院校、科研機構、骨干企業等開展長期合作，基于企業實際場景需求開展創新應用研究和落地工作，為工業互聯網的發展探索方向，同時擴大各方的行業影響力。運營商積累的不同場景的解決方案以及相關軟硬件產品在經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 商業模式分析

4.3.1 基礎網絡服務

運營商具有豐富的網絡建設經驗、運維及售后服務能力，同時運營商擁有大范圍的工業企業客戶基礎，可針對工業行業的業務需求提供多樣化、定制化的網絡支撐能力。5G 多樣化的組網架構以及靈活配置的功能設計可將網絡能力開放給工業行業，提升企業的端到端體驗、變現網絡價值、使能更個性化的業務場景。

4.3.2 行業業務使能

運營商可提供不同層級的 ICT 設施和服務來滿足工業企業對于連接管理、數據處理、協同制造和智能應用的相關需求。例如對于下沉至生產現場的 ICT 需求，運營商可以提供邊緣計算平臺基礎設施，或者構建行業 Paa S 平臺，其上承載第三方服務商的應用或者企業自研應用。

4.3.3 行業業務服務

除單純地將自有的新技術和服務銷售給工業企業之外，運營商可將技術能力融入工業企業的各作業環節中，提供端到端解決方案，或者更深入地參與行業應用研發。例如基于 5G 加 AI 圖像處理的工業質量檢測系統，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網的工廠能源管控系統，監測作業環境以及生產設備的能耗情況，這類應用可滿足工業企業對自身生產過程的質量改善、效率提高和成本降低等需求。

結束語

綜上所述，運營商進入工業互聯網領域時必然存在一定的門檻。同時，面向 2B領域的創新應用和 2C 領域的應用在產品設計、推廣、運營等環節有所不同。針對目前發展 5G工業應用遇到的問題，運營商除不斷發展壯大自身實力外，也可以積極開展與行業伙伴的合作，從網絡管道提供者轉為工業互聯網賦能者，加強端到端的技術實力，構建全方位綜合性的人才隊伍，探索出更具市場價值的商業模式。

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