工业5G概述、应用与测试床建设
目錄
一、5G白皮書(shū)與基礎(chǔ)
1、工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信技術(shù)的性能要求
2、5G無(wú)線技術(shù)發(fā)展歷程
3、5G NR標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程
4、5G網(wǎng)絡(luò)部署方式
?二、工業(yè)5G的測(cè)試床
三、5G + 智慧工廠應(yīng)用示范
四、工業(yè)5G應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方式?
一、5G白皮書(shū)與基礎(chǔ)
- 描繪鋼鐵行業(yè)“新藍(lán)圖”：華為5G智慧鋼鐵白皮書(shū)發(fā)布 - 通信產(chǎn)業(yè)網(wǎng).
- 5G 網(wǎng)絡(luò)智能化白皮書(shū)（附下載）.?
- 周圣君-5G零基礎(chǔ)入門(mén)
- 5G網(wǎng)絡(luò)理論：網(wǎng)絡(luò)部署與優(yōu)化
1、工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信技術(shù)的性能要求
| 生產(chǎn)場(chǎng)景 | 可靠性 | 時(shí)延(ms) | 數(shù)據(jù)包大小(Bytes) | 設(shè)備數(shù)量 | 工作空間(m) | |
| 運(yùn)動(dòng)控制 | 打印設(shè)備 | >99.9999% | <2 | 20 | >100 | 100X100X30 |
| 工具器械 | >99.9999% | <0.5 | 50 | 約20 | 15X15X3 | |
| 打包機(jī) | >99.9999% | <1 | 40 | 約50 | 10X5X3 | |
| 移動(dòng)機(jī)器人 | 協(xié)作運(yùn)動(dòng)控制 | >99.9999% | 1 | 40~250 | 100 | <1 km^2 |
| 視頻操作遠(yuǎn)程控制 | >99.9999% | 10~100 | 15~150 | 100 | <1 km^2 | |
| 移動(dòng)控制面板 | 裝配機(jī)器人或銑床 | >99.9999% | 4~8 | 40~250 | 4 | 10X10 |
| 移動(dòng)吊車(chē) | >99.9999% | 12 | 40~250 | 2 | 40X60 | |
| 加工自動(dòng)化（生產(chǎn)監(jiān)控） | >99.99% | >50 | 各異 | 10000臺(tái)/km^2 | ||
2、5G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)制定歷程
ITU：2017年下半年啟動(dòng)5G技術(shù)方案征集，2020年完成5G標(biāo)準(zhǔn)制定。
圖1 5G無(wú)線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)R15主要針對(duì)eMBB場(chǎng)景應(yīng)用，R16主要針對(duì)URLCC、D2D等場(chǎng)景應(yīng)用，R17主要針對(duì)mMTC場(chǎng)景應(yīng)用。?
3、5G NR標(biāo)準(zhǔn)與頻譜
圖2 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程3.1 5G頻譜?
FR1：sub 6G頻段，3 GHz以下的稱(chēng)為sub 3G，3~6 GHz的稱(chēng)為c-band。
FR2：毫米波，資源豐富。
| 頻段類(lèi)型 | 頻段優(yōu)勢(shì) | 頻段劣勢(shì) | 部署策略 |
| sub 3G | 頻段低，覆蓋性能好 | 可用頻率資源有限，大部分被當(dāng)前系統(tǒng)占用 | 初期不建議部署，后續(xù)可用過(guò)refarming和cloudair技術(shù)進(jìn)行部署，作為5G的廣覆蓋層 |
| c-band | NR新增頻段，頻譜資源豐富，帶寬大 | 上行鏈路覆蓋較差，上下行不平衡問(wèn)題明顯 | 5G主要頻段，最大可部署100 MHz帶寬。上下行不平衡問(wèn)題可通過(guò)上下行解耦特性解決 |
| 毫米波 | NR新增頻段，小區(qū)帶寬最大 | 覆蓋能力差，對(duì)射頻器件性能要求高 | 初期部署不作為主要選擇，主要作為熱點(diǎn)eMBB容量補(bǔ)充，D2D等特殊場(chǎng)景 |
3.2 中國(guó)5G中低頻譜分配
| 中國(guó)移動(dòng) | 2.515-2.675 GHz, 4.8-4.9 GHz |
| 中國(guó)聯(lián)通 | 3.5-3.6 GHz |
| 中國(guó)電信 | 3.4-3.5 GHz |
| 中國(guó)廣電 | 700 MHz, 4.9-4.96 GHz |
| NR頻段號(hào) | 上行頻段 基站接收/UE發(fā)射 | 下行頻段 基站發(fā)射/UE接收 | 雙工模式 |
| 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網(wǎng)絡(luò)部署方式
5G網(wǎng)絡(luò)的部署主要包括無(wú)線接入網(wǎng)RAN和核心網(wǎng)5GC。無(wú)線接入網(wǎng)主要由基站組成，為用戶(hù)提供無(wú)線接入功能，核心網(wǎng)主要為用戶(hù)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)和相應(yīng)的管理功能等。
3GPP根據(jù)5G控制面錨點(diǎn)不同，分為獨(dú)立部署（SA）和非獨(dú)立部署（NSA）兩種部署方式。SA指新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，包括新基站、回程鏈路以及核心網(wǎng)，并且以5G NR為控制面錨點(diǎn)接入5GC。NSA指使用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署。
目前3GPP共列舉8種5G架構(gòu)選項(xiàng)，其部署方式如下所示。
圖3 3GPP關(guān)于4G/5G融合部署方式| 優(yōu)勢(shì) | 劣勢(shì) | ||
| 獨(dú)立NR部署 | option 2 | 對(duì)現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)影響，不影響現(xiàn)網(wǎng)用戶(hù)； 可快速部署，直接引入5G新網(wǎng)元，不需要對(duì)現(xiàn)網(wǎng)改造； 引入5GC，提供5G新功能和新業(yè)務(wù)。 | 當(dāng)5G NR沒(méi)有連續(xù)覆蓋時(shí)，語(yǔ)音連續(xù)性依賴(lài)跨系統(tǒng)切換，QoS無(wú)法得到保障； 需同時(shí)部署NR和5GC，成本較高。 |
| 非獨(dú)立NR部署 | option 3系列 | 對(duì)NR覆蓋無(wú)要求； 改動(dòng)小，投資少，建網(wǎng)速度快； 語(yǔ)音業(yè)務(wù)連續(xù)性有保障； 適合初期引入NR終端比例小的情況。 | 無(wú)法支持5GC引入的新業(yè)務(wù) |
| option 7系列 | 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)NR覆蓋無(wú)要求； 支持5GC引入的新業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)全5G能力，有效避免后續(xù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多次升級(jí)； 語(yǔ)音業(yè)務(wù)連續(xù)性通過(guò)VoLTE保證，要求VoLTE連續(xù)覆蓋； 適合在5GC產(chǎn)業(yè)成熟情況下引入。 | 需要新建5GC，建網(wǎng)進(jìn)度依賴(lài)于5GC產(chǎn)業(yè)成熟度； 需要推動(dòng)5G到2G/3G網(wǎng)絡(luò)的CSFB的語(yǔ)音回落流程； LTE需改造升級(jí)為eLTE，改動(dòng)較大。 | |
| option 4系列 | 5G基站為主站，4G基站為從站，主從站共用5G核心網(wǎng)。 | ||
?二、工業(yè)5G的測(cè)試床
5G-ACIA（5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動(dòng)化聯(lián)盟）是解決、討論和評(píng)估工業(yè)領(lǐng)域 5G相關(guān)技術(shù)、法規(guī)和業(yè)務(wù)方面問(wèn)題的中心，5G-ACIA（5G互聯(lián)產(chǎn)業(yè)與自動(dòng)化聯(lián)盟）是解決、討論和評(píng)估工業(yè)領(lǐng)域 5G相關(guān)技術(shù)、法規(guī)和業(yè)務(wù)方面問(wèn)題的中心。
| 測(cè)試床名稱(chēng) | 簡(jiǎn)介 | |
| ABB基于5G的工業(yè)機(jī)器人測(cè)試平臺(tái) | ABB與愛(ài)立信合作，作為歐盟5G-SMART項(xiàng)目的一部分，在瑞典Kista的愛(ài)立信智能工廠建立了5G測(cè)試平臺(tái)，以探討5G如何改善制造業(yè)生產(chǎn)，該平臺(tái)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)器人技術(shù)。瑞典Kista測(cè)試平臺(tái)的主要目的是研究和驗(yàn)證生產(chǎn)用例，其中用于控制工業(yè)機(jī)器人的軟件已從機(jī)器人本身重新定位到邊緣云平臺(tái)，并通過(guò)5G連接到機(jī)器人。其他需要驗(yàn)證的功能是邊緣云中用于對(duì)象識(shí)別和定位的機(jī)器圖像處理，邊緣云中機(jī)器人狀態(tài)的存儲(chǔ)以及基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的車(chē)間操作員的支持。 | |
| 博世半導(dǎo)體工廠的5G-SMART測(cè)試平臺(tái) | 通過(guò)在羅伊特林根的博世半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠建立和運(yùn)營(yíng)5G測(cè)試平臺(tái)，共同驗(yàn)證5G技術(shù)及其在工業(yè)自動(dòng)化中的用例。該測(cè)試平臺(tái)包括一個(gè)獨(dú)立的，非公共的5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案，覆蓋了8000平方米的工業(yè)生產(chǎn)車(chē)間。測(cè)試臺(tái)的目的是演示5G如何在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中支持工廠自動(dòng)化和內(nèi)部物流。這可以通過(guò)在工廠車(chē)間中開(kāi)發(fā)和測(cè)試用例（例如啟用5G的云控制自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）和基于5G的工業(yè)以太網(wǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 | |
| 華為慕尼黑基于測(cè)試平臺(tái)的5G智能制造和工業(yè)AI服務(wù) | 華為針對(duì)基于5G的智能制造和工業(yè)AI服務(wù)的測(cè)試環(huán)境旨在加快5G單機(jī)版、5G移動(dòng)專(zhuān)用網(wǎng)的提供。測(cè)試平臺(tái)的目的是在考慮到5G標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)版本的情況下，在未來(lái)三年內(nèi)為聯(lián)網(wǎng)的智能工廠和可擴(kuò)展的AI服務(wù)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新穎的解決方案。該環(huán)境包括以下用例的驗(yàn)證和性能度量活動(dòng)：1. 帶有AI Machine Vision云處理功能的聯(lián)網(wǎng)AGV（無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)）；2. 用于質(zhì)量控制通過(guò)無(wú)線監(jiān)控進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)；3. 機(jī)器檢查無(wú)線自動(dòng)化模塊的安全性。 | |
| 亞琛歐洲5G工業(yè)園區(qū)測(cè)試平臺(tái) | 測(cè)試平臺(tái)包括5G室內(nèi)和室外解決方案，該解決方案延伸到亞琛Fraunhofer IPT工業(yè)生產(chǎn)車(chē)間。測(cè)試平臺(tái)合作伙伴Fraunhofer IPT，愛(ài)立信，u-blox和Marposs正在開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證用于工件和機(jī)器監(jiān)控的多傳感器平臺(tái)以及用于監(jiān)控切削刀具狀況的聲發(fā)射傳感器系統(tǒng)。另外，各種數(shù)據(jù)源通過(guò)新型同步設(shè)備進(jìn)行同步，以將數(shù)據(jù)合并為數(shù)字孿生。該試驗(yàn)臺(tái)是歐盟項(xiàng)目5G-SMART的一部分。 | |
三、5G + 智慧工廠應(yīng)用示范
| 項(xiàng)目名稱(chēng) | 項(xiàng)目背景 | 解決方案 |
| 宏電5G+WiFi Mesh組網(wǎng)方案成功應(yīng)用在5G智慧工廠示范項(xiàng)目中? | 當(dāng)前主要面臨以下難題： （1）有線部署困難：由于廠區(qū)大，環(huán)境復(fù)雜，光纖網(wǎng)線會(huì)存在設(shè)備老化和故障情況，影響使用效率； （2）WiFi組網(wǎng)不穩(wěn)定：現(xiàn)有WiFi組網(wǎng)一個(gè)工廠需要安裝多個(gè)路由器，兩臺(tái)路由器切換區(qū)域容易發(fā)生信號(hào)不穩(wěn)現(xiàn)象，且WiFi組網(wǎng)無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)時(shí)延上及可靠性的需求。 （3）聯(lián)網(wǎng)設(shè)備多、數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成影響大：工廠聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)終端的增加，每秒鐘的計(jì)算量、交互量隨之增加，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不足等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題造成數(shù)據(jù)采集中斷。如算力問(wèn)題導(dǎo)致出現(xiàn)排隊(duì)、經(jīng)常停機(jī)等事件。 （4）工廠數(shù)據(jù)處理量大、云端數(shù)據(jù)管理任務(wù)重：對(duì)設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)備運(yùn)行和產(chǎn)能，以及潛在故障分析等，尤其是潛在故障分析，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，配合邊緣計(jì)算才能完成。 | 通過(guò)5G AIoT新型技術(shù)融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)公司精益化、智能化管理，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效益，其工廠數(shù)字化改造、設(shè)備物聯(lián)化需求迫切。因此提出了5G智慧工廠Mesh無(wú)線自組網(wǎng)方案。 （1）定制開(kāi)發(fā)了5G無(wú)線Mesh組網(wǎng)和強(qiáng)AP，實(shí)現(xiàn)對(duì)存量終端的接入和無(wú)縫漫游服務(wù)；擺脫有線困境，實(shí)現(xiàn)對(duì)“有線﹢WiFi”網(wǎng)絡(luò)的整體替代和低成本改造。 （2）部署5G SA + MEC邊緣計(jì)算，建立設(shè)備到工廠云平臺(tái)的私有網(wǎng)絡(luò)通道，實(shí)現(xiàn)流量本地卸載，有效保障工廠數(shù)據(jù)安全性。支持本地?cái)?shù)據(jù)處理和分析，擴(kuò)展部署5G邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)、智能巡檢等5G智造場(chǎng)景的應(yīng)用。 |
| …… |
四、5G與工業(yè)應(yīng)用的融合
1、5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)企業(yè)的部署模式?
（a）虛擬專(zhuān)網(wǎng)：又稱(chēng)公網(wǎng)共用，網(wǎng)絡(luò)切片虛擬專(zhuān)網(wǎng)；
（b）混合虛擬專(zhuān)網(wǎng)：又稱(chēng)公網(wǎng)專(zhuān)用，邊緣UPF混合專(zhuān)網(wǎng)；?
（c）獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)：又稱(chēng)專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，智能定制專(zhuān)網(wǎng)。
圖4 工業(yè)5G兩種實(shí)現(xiàn)方式| 部署方式 | 簡(jiǎn)單描述 | |
| 混合5G專(zhuān)網(wǎng)：部署獨(dú)立于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的5G公共網(wǎng)絡(luò)，物理隔離的專(zhuān)用5G網(wǎng)絡(luò)（5G孤島），企業(yè)或移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商可建立專(zhuān)用的5G網(wǎng)絡(luò)。 | 公網(wǎng)共用 | 利用5G切片等技術(shù)在面向公眾服務(wù)的 網(wǎng)絡(luò)中，為企業(yè)用戶(hù)提供QoS定制化的專(zhuān)用通道服務(wù)（時(shí)延、帶寬等），實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)不同業(yè)務(wù)間的邏輯隔離。 |
| 公網(wǎng)專(zhuān)用 | 原有在運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)側(cè)部署的UPF等下沉部署在企業(yè)內(nèi)或附近，保障企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，具有較高的安全性和實(shí)時(shí)性。 | |
| 獨(dú)立5G專(zhuān)網(wǎng)：通過(guò)共享移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的5G公共網(wǎng)絡(luò)資源池來(lái)構(gòu)建私有5G網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商將為企業(yè)建立專(zhuān)用的5G網(wǎng)絡(luò)。 | 專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用 | 工業(yè)企業(yè)專(zhuān)用的5G網(wǎng)絡(luò)，只承載企業(yè)自有業(yè)務(wù)，與公網(wǎng)隔離。 |
2、工業(yè)5G融合終端???????
目前市場(chǎng)上能提供5G商用芯片的企業(yè)包括：華為海思、紫光展銳、聯(lián)發(fā)科、高通和三星。能提供5G商用芯片及模組方案有華為海思和高通，基于這兩家方案，長(zhǎng)虹、移遠(yuǎn)通信、日海智能、廣和通等企業(yè)推出相應(yīng)的5G模組產(chǎn)品。
目前工業(yè)場(chǎng)景中的5G融合終端主要以網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)終端形態(tài)出現(xiàn)，5G與工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)的方式包括：
- 1）采用5G模組（工業(yè)設(shè)備嵌入5G通信模組）集成到設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)5G與工業(yè)通信的深度融合應(yīng)用；
- 2）采用集成網(wǎng)關(guān)、CPE等，實(shí)現(xiàn)5G與現(xiàn)有工業(yè)體系的無(wú)縫連接和互通互操作（現(xiàn)階段工業(yè)企業(yè)普遍采用）。如在生產(chǎn)線上，使用集成5G模組的MES工業(yè)網(wǎng)關(guān)，
隨著遠(yuǎn)程操控、智能物流等對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率要求高、時(shí)延敏感的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用，融合5G工業(yè)終端形態(tài)將逐步從現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)終端向各種5G行業(yè)終端擴(kuò)展，行業(yè)應(yīng)用和專(zhuān)網(wǎng)需求加速5G融合終端成熟及多樣化。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的工业5G概述、应用与测试床建设的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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