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技术与标准丨5G技术在工业制造中的应用研究

信息通信技术与政策

2020-12-28

导读：徐楠楠，孙明，孙贺，刘佳敏

作者简介

徐楠楠

青岛海尔工业智能研究院有限公司高级工程师，博士，主要从事机械制造及其自动化方面的研究工作。

孙明

青岛海尔工业智能研究院有限公司智研院科技创新平台负责人，主要从事工业互联网、智能制造方面的研究工作。

孙贺

青岛海尔工业智能研究院有限公司工程师，长期从事工厂机械设备、自动化生产线的电气设计工作，当前主要从事工业互联网推广落地等工作。

刘佳敏

青岛海尔工业智能研究院有限公司技术经理，主要从事工业互联网平台落地、项目推广建设工作。

论文引用格式

徐楠楠, 孙明, 孙贺, 等. 5G技术在工业制造中的应用研究[J]. 信息通信技术与政策, 2020(11): 79-85.

5G技术在工业制造中的应用研究

徐楠楠孙明孙贺刘佳敏

（青岛海尔工业智能研究院有限公司，青岛 266000）

摘要：中国制造业正经历着数字化、网联化、智能化的深刻变革，工业互联网是新一轮工业革命的关键支撑和智能制造的重要基石，5G更低时延、更高速率、更好业务体验的特性，将使其在推动信息化与工业化深度融合的进程中发挥重大作用。介绍了尖端通信技术在工厂和工业建筑中提供移动覆盖的重要性，分析了室内和室外无线网络系统，调研了已经运行的移动网络以及正处于标准化状态的5G技术，评估了5G技术在制造业中的偏好，说明了5G技术的发展能为智能工厂和制造商带来工业4.0变革。

关键词：移动通信；5G；工业4.0；工业制造

1 引言

移动技术对技术进步的需求呈现出不断增长的趋势。从一开始，电子通信网络的设计、优化和尺寸确定就成为信息基础设施和电信发展不可分割的一部分。这些网络问题已经转向4G/5G无线网络以及网络融合^[1]。由于这些移动网络的发展，当前的用户需求可以得到适当的服务，但是行业的利益相关者需要更高的数据传输速率。为此，服务提供商已经做出了重大努力，以便在全国范围内的农村、郊区和工业区提供4G网络。

在机对机（Machine to Machine，M2M）通信、物联网、大数据和智能工厂领域，4G很可能无法充分满足制造业和工业自动化技术不断增长的需求。基于网络物理制造系统（Cyber Physical Manufacturing System，CPMS）的智能制造已成为当今世界的发展趋势，得到了世界各国的广泛认可。从CPMS的发展趋势来看，工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）具有自动化、协同化、实时监控和智能连接控制等特点，是关键发展方向之一。随着先进技术在制造业中的应用，在制造过程中会产生了大量的数据。目前的移动技术、3G和4G等通信系统已经不能满足CPMS对高可靠性、高数据传输速率、低延迟等方面的要求，阻碍了CPMS的发展。因此，效率的提升和持续的改进必须通过各种制造工艺的创新来实现。例如，在不久的将来，机器人、仓库运输操作等将需要不断提升的数据传输效率来支撑。因此，处于标准化状态的5G技术可能是制造领域能满足高数据传输率的关键技术，5G将为那些希望使用尖端技术并保持竞争力和盈利能力的制造商和电信运营商提供解决方案。如果5G最终满足了利益相关者的期望，那么未来的生活将会大不相同。通过新一代移动网络，可以选择建立智能工厂，并在故障排除中利用人工智能、自动化、物联网或增强现实等新技术。5G最重要的技术要求是高可用性、低数据错误概率、高可靠性、超低延迟、极强的网络安全性、高连接密度和超大带宽^[2]。5G将在制造过程中提供实时控制，并在需要时保持不同操作位置之间的实时连接，并具有促进IIoT和CPMS的巨大潜力。

本文将说明5G技术如何改变制造业（如汽车工业、机器人技术、物流等）以及新的移动技术是否符合制造业、机器和用户不断增长的需求；本文还将探讨促进工业部门发展的室内移动服务。

2 制造业中的无线电系统

移动业务可分为室内系统和室外（宏）系统两部分。如果由于场强、容量或质量问题，宏基站单元无法满足设施的需求，则需要室内系统。室内基站包括独立的室内天线系统和其他确保制造设施的移动通信系统。大型建筑可能对移动网络容量有很高的需求，因此这些室内系统应该得到实施以确保在2G、3G和4G网络上有良好的覆盖率、容量和质量。目前，制造商在整个制造过程中都依赖于固定线路网络，这些固定线路不灵活、成本高，因此室内系统应推广应用移动通信技术。4G能够提供高数据速率，但工业利益相关者也必须考虑是否应用有线或无线技术。

无线电基站是接入网，有3个重要组成部分：第一个是基带单元（Baseband Unit ，BBU），具有适当的硬件、软件并能确保上行链路和下行链路的基带处理；第二个是远程无线电单元（Remote Radio Unit，RRU）包含一个无线电频率发射机和接收机。此放大器设备负责确保适当的功率，并通过光纤连接到BBU；第三个是同轴电缆（“跨接”电缆），同轴电缆设置在RRU和无源天线之间，给定技术的无线电波通过天线以适当的特性发射，图1给出了无线电基站的基本要素。

图1 无线电基站要素

2.1 室外无线电系统

如图2所示，无线电基站设备最常用的结构是格子塔、单极塔和木塔3种，其中格子塔的应用最广泛，单极塔和木塔的承载能力相对较小，需要的物理空间也较小，施工相对容易，而美学上看起来是离散的，木塔在自然保护区被广泛使用。

图2 基站（格子塔、单极塔、木塔）

在农村环境中，由于立法的要求，无线电基站的建造可能会很复杂。因此，移动服务提供商通常选择迁入现有对象，而不是建造新的基站。如有些寺庙、筒仓或水塔由于高度足够，能够确保移动服务的覆盖范围和质量，因此基站可以依托它们来建（见图3）。

图3 基站对象（寺庙、水塔）

在城市环境中，建设基站也面临同样的困难。在城市地区，由于地方当局的规定和可能的居民投诉，很少建造无线电基站。因此，为确保移动服务的覆盖范围，好的方法是如图4所示，选择在现有建筑对象（如屋顶、工业烟囱、路灯柱等）上建基站。

图4 基站对象（灯柱、屋顶、屋顶下）

2.2 室内无线电系统

如果宏（室外）网络不能保证建筑物内的移动覆盖，则需要一个室内无线网络系统。例如，如果基站离目标建筑物太远，无线电信号将不能穿透进入建筑物的室内。在这种情况下，需要在建筑物室内安装无线电系统，以确保移动服务足够的覆盖范围和质量。室内无线设备与室外基站相同，也有BBU、RRU和天线系统，主要区别是室内无线系统集成了更多的天线和无源设备。另一个不同之处是，室内基站使用更长的同轴电缆，导致无线电信号衰减更多，并降低了信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）。然而，基站收发子系统（Base Station Transceiver，BTS）与终端用户之间的距离很小，因此较长的同轴电缆不会对特定点的服务造成影响。对于室外基站，一个RRU只给一个天线供电，RRU安装在天线附近，并通过短馈线同轴电缆连接到天线；而在室内基站中，一般为整个室内移动系统安装一个RRU，供大量天线使用。信号可以到达所有的天线使用无源元件，如分路器和耦合器。RRU与一个称为混合矩阵的无源元件相连接，此无源元件用于连接不同的技术和不同的RRU，以便将所有的技术放在一根同轴电缆中，电缆被连接到室内系统的所有天线上。分路器用于将无线电信号分成两个方向，耦合器可以不平衡的功率分配信号，这点在给定方向天线较多的情况下非常重要。

3 宽带移动网络

3.1 3G网络

3G网络是单频宽带网络，即每一个3G移动蜂窝在同一个宽带频率上工作，并且相互干扰，周围小区之间也会干扰，因此信噪比受到很大影响。所以应考虑增加3G蜂窝，同时减少3G蜂窝服务区的重叠和干扰，以接近理论上数据传输速率最优值。室内系统由3G蜂窝来满足建筑物、工厂或其他工业设施的需求，网络延迟约100 ms ~ 500 ms。3G蜂窝技术可以达到的理论最大下载速度为42 Mbit/s。

3.2 4G网络

4G网络与3G网络基本相似，每个4G蜂窝使用相同的宽带频率并相互干扰^[3]。4G的规划策略也与3G类似，如应最大化信噪比、最小化重叠和干扰，以达到理论上最大数据传输速率，网络延迟约10 ms。4G网络下与频率相关的理论数据传输速率如图5所示。

图5 LTE-Advanced理论数据传输速率

3.3 5G网络

第五代移动网络的标准化进程正在进行中，电信市场的各方都密切参与了这项合作，预计到2020年5G将被首次发布^[4]。5G网络的分配频率将高于3G和4G网络。移动通信使用的最高频段之一是2600 MHz，但分配给5G技术的主要频段预计将在6 GHz。就移动服务而言，这是一个相对较高的频段范围。无线电信号的传播随着频率的增加而减弱，通过物体和材料的传播衰减也会更大。为了确保5G网络全国覆盖，基站数量应该增加，这可能意味着移动运营商在接入、核心和传输网络方面将作出很大的投入。假设700 MHz和3500 MHz频段也将用于5G网络，那么700 MHz频段对于实现全国范围或室内的信号覆盖将起到至关重要的作用。

5G将为许多领域以及制造业提供新的变革，其最重要的贡献是近实时的通信。5G技术的数据传输速率预计为10 Gbit/s ~ 20 Gbit/s，5G蜂窝容量将是3G和4G蜂窝容量总和的1000倍以上。与4G相比，5G网络的复杂度会降低，5G设备的电池预计将使用4G终端设备所需能量的100%。5G也被期望服务于机器设备行业，截止到2020年，使用5G技术的机器设备数量将增加到数百亿台。图6所示为现有移动技术的数据传输速率比较详情。

图6 3G、4G、5G数据传输速率对比

4 5G+工业制造

通过安装室内无线电系统，5G将有足够的信号覆盖范围，并为制造业带来变革。5G具有超低的网络延迟、极高的容量、超高可的靠性、极高的带宽和连接密度、极低的设备成本和能耗，能够很好地为制造业互联系统服务。经验证，目前只有有线系统能够实现5G的技术优势，而现有的移动技术并不能实现，因此现实中制造商主要依赖有线技术来提供服务。相对于有线技术，5G能够提供更高的灵活性、更低的成本和零延迟的信号，因此5G在制造业中的应用具有更好的前景。5G有望推动数字化进程，从孤立系统链接到大数据集成。随着5G的不断扩展，其他潜在的工业用途也将出现，如智能工厂、增强现实辅助维护等。预计到2020年年底，全球将有超过500亿个低成本传感器接入互联网，这些传感器能够以前所未有的高速度收集、感知和传输数据。

当前的移动技术旨在提高频谱效率，满足用户高带宽需求，而5G技术发展的驱动力来源于各种新涌现的用户需求案例。5G蜂窝系统将成为机器类通信（Machine Type of Communication，MTC）的一个新范式，同时也能满足对人流量的需求。MTC将包含多种概念，如工业4.0、物联网、智能功能等。每一个概念都有自己的功能要求，从有限的能源消耗、传感器集成的智能城市到具有无线传递、零延迟的智能化工厂，5G需要综合考虑这些方面的需求，才能成为未来产业广泛使用的技术。

4.1 大规模机器通信

机器类通信系统（Machine Type of Communication System，MTCs）在5G通信方面具有重要意义，它定义了与3GPP相关的大规模机器类型通信（ Massive Machine Type of Communication，mMTC）和超可靠机器类型通信（Ultra-reliable Machine Type of Communication，uMTC）。mMTC可以实现数百亿台机器设备的无线连接，uMTC能够实现连接的高可靠性与低延迟性。在mMTC中，人们关注的焦点是短数据包发送终端的高效连接，而这一问题目前还没有在人型通信的移动网络中得到解决。mMTC需要足够的广域覆盖，并且广域覆盖能够在建筑物内使用，同时还要求具有节能和低成本的特点。对于 mMTC一个很好的例子是从大量传感器中收集测量数据，uMTC的典型例子是交通设备通信和工业控制应用。在传统的4G技术中，用户主要关注高的数据传输速率下进行人型通信与大数据包下载的体验，而随着M2M通信和5G的出现，用户的需求正在发生变化。

4.2 工业4.0

正处于新的工业革命边缘的今天，工业4.0正在促进真实网络和虚拟网络的合并。工业4.0是网络和生产中的物联网，连接产品、机械和人员系统，以实现大部分自动化流程，形成一个包括最初的想法、设计、开发和制造、维护、服务和回收每个阶段的系统。在工业4.0中，所有作业过程都是完全集成的，并可实时相互连接。如今，电子、IT和蒸汽机正被智能互联系统所取代，这些系统正在从根本上改变生产方式。就整个价值链而言，智能互联系统将有可能实现大多数流程的自动化。机器之间通过使用传感器收集数据并进行相互通信和自主决策。在数字化的基础上，面向未来的技术和“智能”对象领域的互联网技术的结合，导致了工业生产的根本转变，包含了高效和模块化的制造系统，并描述了产品控制生产链的场景。

4G室内系统只能在几十毫秒的往返延迟下运行，相当于网络蜂窝与云服务器通信的时间。如图7所示，下一步系统的发展可能是将每个机器人控制器中的控制功能（如任务计划器、轨迹规划器、反向运动学）也移动到云中。为了实现这一目标，延迟需控制在5 ms内，但4G技术不能满足这一要求，只能由下一代移动网络5G技术来解决，最后一步则是将机器人的控制回路也移入云中。

图7 云控制的虚拟化：迈向5G支持的云机器人

在工业4.0中，重点不再放在工业作业上，而是放在IT系统、机器人、自动环境和效率上。工业4.0的技术基础是信息物理系统（CYBER Physical System，CPS），CPS通过物联网相互通信。第四次工业革命在信息、操作和通信技术方面对社会和全球经济产生了巨大影响。工业4.0将提供一个使生产和控制设备在不需要人工干预的情况下自动协调和组织的生产环境，代表着从传统自动化到生产停机时间更少、能力更强的全连接系统的飞跃。实时调整和获取信息的能力可以使智能工厂更高效、更主动、更具预测性，并能够避免停机。根据这一点，产品和生产设备也将相互通信，并且产品本身可通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）芯片为生产设备提供信息。基于这些数据，产品能够沿着生产线运输并控制生产的各个阶段。随着这一改进，一个全自动化的生产系统、物联网、集成的机器控制将达到一个新阶段。随着5G的使用，产品的设计将更加高效，还将实现低延迟、高数据流量和高容量，因此5G将能够满足智能工厂和工业物联网服务的需求。通过创新工具、高级分析、云计算平台和传感器，5G将推动生产设施数字化改造为智能工厂的进程。对于智能工厂，无线传感器和宽带网络（如4G和5G）的结合发挥了关键作用，它们可以从生产线收集数据，并将数据传输到云系统，以便进行持续监控。从商业潜力、机器学习、大数据到物联网平台来看，工业4.0可能是5G技术的主要用户之一。因为5G能够保证工厂物流与产品、人类和机器人之间的实时通信^[5]。

工业4.0带来的变革是人机交互的出现，因此机器人可以支持人类执行不同的动作，并具有高可靠性和安全性，还能够解释直接的用户指令。而今，利用人类智慧和人工智能的结合，学习创造出能够提供高水平工业自动化的解决方案已经成为可能。通过对制造过程的革命，人类将在下一阶段实现工业4.0，而5G网络将在所有构建块中提供支持。5G技术包括大数据分析、云计算、IT能力，将在工业转型中发挥关键作用。

4.3 智能工厂

智能工厂这个词在工业和科学领域都在使用，这个概念是在一个即将到来的技术发展的漫长道路上解决的多维问题。智能工厂的概念定义是：一种制造解决方案，它允许自适应和灵活的生产过程，能够解决边界条件快速动态变化的生产设施上出现的问题。其解决方案可以是硬件、软件（自动化）的结合，从而减少不必要的资源和劳动力浪费。技术和网络系统的迅速发展能够使智能机器在某些情况下具有思考、记忆和给出解决方案的能力。这些智能机器塑造了工作、生产系统和制造过程。智能机器还需要智能产品，这样生产历史直接记录在产品上，使制造过程更加高效。智能产品的重点是传递有关生产阶段和产品本身特性的信息。智能传感器作为一种无源器件，如电阻，其值随外界激励的变化而变化，直接影响着计算机技术的发展。智能传感器能够根据信息做出逻辑决策，并据此执行动作，还能够将信息传送到更高的层次。为了满足日益复杂的应用需求，智能传感器制造商努力降低生产成本。物联网在新的无线通信场景中正迅速占据一席之地，物联网的基本思想是传感器、手机等，能够实现相互间的互联和协作。

5 结束语

本文从制造、室外和室内无线电系统以及现有和未来的移动技术等方面对移动通信进行了分析。制造业对创新的需求是无限的，因此服务提供商和工业设施必须采用最先进的技术和功能，才能保持竞争力，跟上不断增长的数据流量和容量的趋势。5G将为制造过程带来新的解决方案，并以优异的质量为关键系统提供服务，这也意味着工厂将把固定的有线系统转变为超低网络延迟、超高容量、高带宽、低成本、低能耗和可靠的无线系统。移动技术是灵活的，能够使大量的机器就没有电线的情况下连接起来。对于5G，通过超高的数据传输速率和非常低的延迟，潜在的干扰可以实时发生。在全自动化环境的智能工厂中，高传输率和低延迟是重点，但成本也是一个重要因素。总之，5G的使用是合理的、有利的，而且相对于光网络和有线网络，5G的成本效益也很高。故此，5G可以给制造业带来创新和变革，其网络的传输能力和容量符合工业4.0的概念。

参考文献

[1] Glabowski M, Gacanin H, Moscholios I, et al. Design, dimensioning and optimization of 4G/5G wireless communication networks[J]. Mobile Information Systems, 2017,39(8):12-20.

[2] Mistry I, Tanwar S, Tyagi S, et al. Blockchain for 5G- enabled IoT for industrial automation: asystematic review, solutions, and challenges[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2020,33(3):77-91.

[3] Roth Y, Dorer JB, Ros L, et al. Contender waveforms for low-power wide-area networks in a scheduled 4G OFDM framework[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2018(1):1-14.

[4] Mitra RN, Agrawal DP. 5G mobile technology: a survey[J]. ICT Express, 2015,31(6):72-81.

[5] Coopoer L. Collaboration enables 5G in factory of the future[J]. Electronic Specifier, 2018,33(2):124-136.

Research on application of 5G technology in industrial manufacturing

XU Nannan, SUN Ming, SUN He, LIU Jiamin

(Haier Institute of Industrial Intelligence, Qingdao 266000, China)

Abstract: China’s manufacturing industry is undergoing profound changes in digitalization, networking, and intelligence. The Industrial Internet is an important foundation for the new industrial revolution and intelligent manufacturing. 5G’s lower latency, higher speed and better business experience will make it an important role in promoting the in-depth integration of informatization and industrialization. This paper introduces the importance of providing mobile coverage in factories and industrial buildings, analyzes indoor and outdoor wireless network systems, investigates the running mobile networks and standardized 5G technology, estimates the preference of 5G technology in manufacturing, and shows that the development of 5G technology can bring Industry 4.0 changes to smart factories and manufacturers.

Key words: mobile communications; 5G; Industry 4.0; industrial manufacturing

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第11期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。