肖瑞菊 孟玉明

摘要：相比于 4G，5G 在网络架构、空口、安全、定位等方面均引入了新的技术，扩充了蜂窝网络在工业行业的应用范围。从技术成熟度、产业链完备度和企业接受度来看 5G在工业领域的应用，视频、AR等大带宽业务场景需求明确且发展迅速;5G 技术的发展正契合了传统企业进行智能制造转型时对无线网络的应用需求，成为行业业务创新的关键驱动。基于此，本文就5G在工业领域的应用及运营商发展策略进行简要探讨。

关键词：5G;工业领域;应用;运营商

1 5G在工业领域的应用概述

截至2020年底，中国电信与中国联通5G套餐用户分别为8650万户、7083万户，用户渗透率分别为24.6%、20%。参照中国电信2019年年度报告，其5G用户同比增长近7600万户;而中国联通在2019年年度报告中未披露其5G用户数，故不作同比比较。一方面，电信运营商积极加大5G用户渗透，汇同合作伙伴积极推动优化产业链优化，结合 套餐升级、资费调整等手段逐步降低5G终端门槛。另一方面，面向市场持续拓展服务，运营商不断升级业务结构，推动更多5G或5G+相关的场景落地。如中国移动接连推出5G超高清全面屏视频彩铃、5G+4K+VR超高清直播、5G云游戏以及5G消息等生态新应用，同时实现了5G专网的产品化并落地了近500个专网项目。中国电信在全球率先实现5G SA网络规模商用，通过5G、大数据中心等“新基建”打造强大稳定的数字化底座，持续强化自身的“天翼云”，在全国拥有云资源池超过300个、IDC机架超42万架，目前已初步形成具有独特优势的云网融合资源及数字化服务能力。中国联通持续优化VR/AR游戏、高清4K/8K视频等应用场景，利用大数据对个体用户进行切片细分、精准施策，同时为政企客户成功打造多个5G“灯塔项目”，进一步推动线上线下多维度、场景化的精准营销。另外，绿色集约、共建共享是运营商搭建5G网络的重要准则，中国移动与中国广电签订了 5G共建共享合作框架，专注700MHz频段网络的共建共享、生态的融合共创，构筑“网络+内容”立体建设。中国电信和中国联通到2020年底共建共享5G基站近34万座，实现5G网络覆盖全国地级以上城市及重点县市，累计节省网络铺设成本超过760亿元。

2 5G 为工业控制变革带来新机遇与挑战

2.1 新机遇

2.1.1 政策层面

“5G+ 工业互联网”成为重要的战略组合，“5G+ 工业控制”也成为战术层面需要突破和发力的关键。2019 年 11 月，工业和信息化部在《关于印发“5G+ 工业互联网”512 工程推进方案的通知》中明确提出，加快“5G+ 工业互联网”融合产品研发和产业化，促进5G 技术与可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等工业控制系统的融合创新。工业和信息化部起草编制正在征求意见的《5G 应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》明确提出，加快利用 5G 改造工业内网，打造 5G 全连接工厂示范标杆，形成信息技术网络与生產控制网络融合的网络部署模式。如此可见，我国从国家政策层面对 5G在工业领域，尤其是工业控制中的应用寄予厚望。

2.1.2 技术层面

5G 从标准制定之初，便定位于“十倍于4G 的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力”，更多面向垂直行业提供“大连接、高带宽、低时延”的网络服务能力。随着5G 标准研究的推进，以及各项关键技术的逐一突破，5G 网络按需开放、低时延、高可靠、确定性等性能大幅提升。

2020 年 7 月，5GR16 标准冻结，引入新技术支持 1 微妙同步精度、0.5-1 毫秒的空口时延、“6个9”可靠性和灵活的终端组管理，最快可实现 5 毫秒以内的端到端时延和更高的可靠性，提供支持工业级时间敏感，为 5G与工业体系的深度融合奠定了坚实的基础。

2.1.3 应用层面

5G 技术切合了工业企业智能制造转型对无线网络的应用需求，能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求，且更加灵活、智能、高效和开放，其速度的绝对优势对于工业生产过程中的海量数据传输和处理具有极其重要的意义。

目前，5G 在工业领域主要应用于工业设计、工业制造、质检、运维、控制、营销展示等关键环节中，并形成了运动控制、机器间控制、移动控制、远程访问和维护、闭环过程控制等系列化的典型应用场景，正在逐步向工厂现场控制层面延伸。随着“5G全连接工厂”的建设，基于 5G 的工业网络将可实现“一网到底”整合工厂网络建设与应用。

2.2 问题挑战

2.2.1 行业壁垒

在工业互联网领域中，传感设备、控制器、生产线、产品、客户等要素的互联互通是实现智能生产的关键基础。光有 5G通信技术而无传感器、工业设备和工业自动化等相关知识，无法真正实现工业网络的全联通。对于工业数据价值的应用需要基于生产工艺、流程和工业机理的总结和提炼，应用的部署也涉及到现场实施操作。需要进一步挖掘 5G在工业互联网领域的应用价值。

2.2.2 产品运营

运营商在宣传 5G 产品的时候侧重于从网络角度出发，突出技术和指标方面的升级。对于工业企业来说，5G 是一种工具，其价值在于是否契合实际场景的业务需求。如何将网络性能指标转换为工业应用的实际业务指标，是运营商在设计 5G产品和部署、测试、验收等环节中需要明确的问题。工业企业需要的是成熟稳定的产品，且运维频率和复杂度不能过高，能够直接解决生产过程中的效率、质量、成本等相关问题，同时安全可靠，降低部署实施后对工厂现有系统的影响。

2.2.3 接受成本

当前 5G 仍处于快速发展的阶段，技术、产品以及商业模式尚未进入成熟阶段，其对工业生产过程的智能化改善结果也缺乏大量的实例验证。当前切入工业互联网领域意味着大量的成本投入，包括针对不同场景的定制化研发、实施、推广成本以及可能对工业企业现有生产体系造成不稳定影响的试错成本。

3 关键技术

3.1 5G LAN

传统工业网络，工厂内部主要采用局域网，各分厂之间多通过专线互联。3GPP R16 标准引入的 5GLAN 技术类似局域网和 VPN，并保持 5G 高性能、远距离接入、移动性和安全性的优势。5G LAN 支持在一组接入终端间构建二层转发网络，每组对应一个 VLAN，并通过会话管理功能（SMF）与用户面功能（UPF）的交互实现终端组内数据交换和用户面路径选择。终端之间的通信可以在同一个 UPF内发生，也可以跨 UPF，或 UE 和 DN 之间。借助 5G接入网和核心网的支持，多个园区间可以构建广域局域网，实现企业不同车间、不同工厂之间跨地域协作。

3.2 边缘计算

边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放体系，可按需承载部分工业智能应用，实时处理现场业务数据，并快速反馈结果至现场。满足制造企业实时业务、数据优化、应用智能等需求。在 5G 网络中，UPF 可以提供分流功能，并可按需部署于网络的不同位置。例如对于 u RLLC 低时延场景，可将 UPF 和 MEC 部署于靠近基站侧的无线接入云;对于 e MBB 场景的大流量热点地区，可部署于边缘云;对于 m MTC 场景，可部署于位置较高的汇聚云，以覆盖更大区域的业务需求。

3.3 网络切片

工厂环境中，通过端到端的 5G 网络切片技术，实现同一个物理网络虚拟出不同服务质量的子网，可按需灵活调整网络服务，满足各种具有差异化特征的业务需求。5G 接入网可采用有源天线单元（AAU）、集中单元（CU）、分布单元（DU）的灵活部署模式，同时基于统一的空口框架和灵活的帧结构设计进行无线资源切片分配。5G承载网运用虚拟化技术，同时 SDN架构的层次化控制器可实现物理网络和切片网络的端到端统一控制和管理。5G核心网采用高内聚、低耦合的服务化架构，将网络功能解耦为服务化组件，组件之间使用轻量级开放接口通信，支持实现按需构建、动态部署和高可靠的网络切片服务。

3.4 上行增强技术

在个人消费领域，数据传输一般以下行为主，而在工业应用领域，如视频监控及无人机巡检等场景对网络上行速率要求更高。5G灵活的空口资源设置、上下行解耦技术和超级上行技术可以有效地保障上行数据传输的业务需求。NR 引入了更灵活的空口设置，包括可变的子载波间隔和灵活的帧结构，可通过调整时隙配比满足不同上下行容量配比需求。上下行解耦技术用 LTE 低频空闲频谱共享给 NR 上行使用，弥补了 C-Band 以及高频在上行覆盖上的不足。超级上行技术主要通过TDD与 FDD这 2种双工模式的协同，高频与低频互补，时域与频域聚合，提升5G网络的上行覆盖及上行带宽能力，同时缩短时延。

3.5 安全

5G 与 4G 相比，在安全分层方面一样，分为传送层、归属层/服务层和应用层;在安全分域方面，增加了服务域安全。5G 采用完善的服務注册、发现、授权安全机制及安全协议来保障服务域安全。5G 统一的认证框架支持不同场景的接入终端及接入方式，避免非法用户接入，以及非法利用伪基站、伪热点进行诈骗或者窃取用户信息。5G 终端唯一标识符（SUPI）经公私钥加密的方式加密为 SUCI，且 5G算法采用 128 位密钥长度，只有运营商可以解密终端真正的身份信息。5GC 各网元间使用 IPSec 保护传递信息安全，归属域与漫游域之间通过安全边缘保护代理功能（SEPP）保证安全，服务功能间使用HTTPS协议保障信息传递安全，并部署安全网关保证与 2G/3G/4G核心网间的漫游安全。

3.6 定位

目前的无线定位技术主要分为室外和室内定位技术，终端侧需配有相应的定位模块，而 5G 定位技术可以实现通信和定位一体化，及室内外定位一体化服务。3GPP R16 标准定义了对定位精度要求高的场景的精度要求，需要满足 80% 的 UE 在室外水平定位精度达到 10 m，室内定位精度达到 3 m，并且垂直定位精度达到3 m。5G 基站定位可通过终端与基站之间信号传输的往返时间、到达角和出发角来计算用户所处的位置。

4 发展策略

4.1 加强技术能力

工业互联网产业主要包括工业互联网网络（含标识解析）、工业互联网平台与工业软件、工业互联网安全、工业数字化装备（采集、计算、连接相关部分）、工业互联自动化（含传感、工控、边缘计算）等五大产业。对于工业企业来说，网络作为智能化升级的基础设施，其价值更多地体现在其承载的业务。除单纯的网络连接服务之外，运营商应充分利用自身的 ICT 能力，加强在终端、网络和应用方面的布局，积极参与中国工业互联网的技术演进。

工业互联网终端包括传感设备、控制器、机器设备、工业网关、智能可穿戴设备和工业相机等。运营商应加强与工业企业和终端供应商的合作，研究工业场景下 5G 终端设备，如 5G 工业路由器、5G 工业网关，实现工业生产和远程服务过程的基础资源数据采集。网络方面，运营商通过边缘计算、网络切片等技术，可针对不同企业规模和需求，建设相应的 5G专网，实现对工厂内部传感器、智能机器、在制品等要素的互联互通。对于行业龙头企业可以建设独立专网提供全方位专属通信服务，对于中、小企业可根据场景特点及投资预算建设混合专网或者虚拟专网，并通过5G 公网，实现工厂外部海量的智能产品的无线接入。另外可结合云网服务，为企业提供云专线、云间组网等产品，实现企业内外部信息集成以及产业价值链的信息集成。

应用方面，运营商可结合 5G大带宽、大连接、低时延、灵活组网、能力开放等特性，与工业互联网领域合作伙伴共同开展工业互联网应用研发，以满足企业对于网络的多样化承载需求和数据的多样化处理需求。运营商可提供 ICT 能力在线订购服务、全方位的大数据业务服务、不同工业场景的解决方案、智能应用开发环境、需求方与供给方资源能力交易环境等综合服务，构建工业互联网生态体系。

4.2构建人才体系

运营商可以加大行业复合型人才体系的建设，除传统的网络研究、规划、建设、运维团队之外，发展行业解决方案团队，探索工业领域各垂直行业的 5G 需求，结合运营商自身资源及技术，孵化相应的行业应用。同时针对遍布全国的政企客户团队开展行业认知培训，充分培养现有一线员工的综合素质，提高运营商对于行业垂直领域的理解以及参与能力。除内部人才培养，运营商也可以通过产学研用相结合，与国内外知名高等院校、科研机构、骨干企業等开展长期合作，基于企业实际场景需求开展创新应用研究和落地工作，为工业互联网的发展探索方向，同时扩大各方的行业影响力。运营商积累的不同场景的解决方案以及相关软硬件产品在经过实际项目的测试验证之后，可以借由全国的政企渠道进行推广。

4.3 商业模式分析

4.3.1 基础网络服务

运营商具有丰富的网络建设经验、运维及售后服务能力，同时运营商拥有大范围的工业企业客户基础，可针对工业行业的业务需求提供多样化、定制化的网络支撑能力。5G 多样化的组网架构以及灵活配置的功能设计可将网络能力开放给工业行业，提升企业的端到端体验、变现网络价值、使能更个性化的业务场景。

4.3.2 行业业务使能

运营商可提供不同层级的 ICT 设施和服务来满足工业企业对于连接管理、数据处理、协同制造和智能应用的相关需求。例如对于下沉至生产现场的 ICT 需求，运营商可以提供边缘计算平台基础设施，或者构建行业 Paa S 平台，其上承载第三方服务商的应用或者企业自研应用。

4.3.3 行业业务服务

除单纯地将自有的新技术和服务销售给工业企业之外，运营商可将技术能力融入工业企业的各作业环节中，提供端到端解决方案，或者更深入地参与行业应用研发。例如基于 5G 加 AI 图像处理的工业质量检测系统，自动识别在制品的工艺缺陷、外观损伤、包装瑕疵等不合格情况以及基于物联网的工厂能源管控系统，监测作业环境以及生产设备的能耗情况，这类应用可满足工业企业对自身生产过程的质量改善、效率提高和成本降低等需求。

结束语

综上所述，运营商进入工业互联网领域时必然存在一定的门槛。同时，面向 2B领域的创新应用和 2C 领域的应用在产品设计、推广、运营等环节有所不同。针对目前发展 5G工业应用遇到的问题，运营商除不断发展壮大自身实力外，也可以积极开展与行业伙伴的合作，从网络管道提供者转为工业互联网赋能者，加强端到端的技术实力，构建全方位综合性的人才队伍，探索出更具市场价值的商业模式。

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