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5G走進工業大本營

來源:控制工程網                發布時間:2020-04-26

元年之后

5G與前幾代蜂窩網絡的主要區別之一在于5G強調機器類通信和物聯網(IoT)。因此,隨著數據速率的不斷提高,5G的功能遠遠超出移動寬帶,完全具有為工業中廣泛的不同用例和應用廠家場景提供連接的潛力。從長遠來看,它實際上可能導致當今使用的許多不同通信技術的融合,實現對多種無線需求場景的滿足,正如時間敏感網絡(TSN)的持續發展趨勢一樣,5G可能成為工業中首選的標準無線技術,因為它可能首次實現直接和無縫的超低時延、超高可靠的無線通信,切合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求。

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1:工業互聯網新基建體系

2019年被認為是5G發展的元年,大量5G示范應用和試驗項目紛紛亮相各大展會和多個垂直行業,中國電信也在全球運營商率先發布《5G技術白皮書》,并在深圳發布全球第一個SA組網商用示范標桿。

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2:5G的場景描述

2020年將是全國快速規模建設5G的一年。截止2020年3月,中國電信在全國已累計開通5G基站7.4萬個,年底有望達到30萬個。而在武漢疫情防控的關鍵時刻,一個月內就建成了500多個5G基站。

5G的三記長拳

5G面向行業最重要的三個特性就是邊緣計算、網絡切片和超級上行。而完成移動邊緣計算(MEC)平臺的自主研發和第三方能力的引入與開放,自主研發網絡切片管理平臺,滿足客戶定制化需求,則是電信運營商的重點工作。

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3:5G網絡應用的三大特性

邊緣計算可以保障工業企業"數據不兜圈",在離工業設備最近的網絡位置為其提供計算能力,保障其業務能以最低的時延進行數據的實時、可靠交互。而與自動化控制相結合的邊緣智能,則可以完成對高度實時性數據的處理,計算結束時,數據就自然消亡。這種邊緣智能的需求,也會激發布置更多計算節點的需求。這種邊緣智能,可以與網絡邊緣計算進行一定程度的融合,提升資源利用效率,從而減少終端部署數量或復雜度。

對于邊緣計算,目前看的非常清楚的是,一定要加入安全策略,以保障企業應用部署在邊緣云服務上的安全性,同時又能保障運營商企業大網的安全性。來自5G的另一記長拳,則是網絡切片。它可以實現企業網絡資源的安全隔離,保障企業數據的安全性,并能夠實現跨域的端到端切片。通過網絡切片可以為企業提供差異化的網絡服務能力,比如時間敏感網絡TSN能力、超高可靠能力等。目前看TSN、OPCUA等工業關鍵技術還處于青春碰撞期,還需要從技術走進標準,再逐步走向落地。在目前階段,通過切片技術實現滿足其個性化需求的企業虛擬專網,做到數據隔離,保障數據和運行安全,對企業用戶更為重要。

中國電信積極探索5G上行增強技術創新方案,結合FDD頻譜的優勢,提出TDD/FDD協同,高頻/低頻互補,時域/頻域聚合的組網技術創新,率先實現超級上行技術,為工業和物流企業多路高清圖像上傳以及大數據流量上行等場景提供保障,為ai開放計算提供數據基礎,為實時決策和無人操控等功能的實現帶來技術可行。

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4:中國電信的5G服務圖

通過5G與工業互聯網融合創新,驅動工業網絡化、數字化、智能化發展,實現工業互聯,是我國制造行業未來發展的主流方向。

現有大量制造業工廠網絡中,作為底層網絡承載基礎的工廠內以太網,在業務性能、可靠性、部署建設成本、多業務承載能力等方面,有可能無法滿足未來工業互聯網的發展需求。隨著智能制造的深入發展,由于現場網絡部署的復雜性和傳統網絡的延遲性問題,工廠要素之間的互聯互通,需要更多的工業無線技術參與,如具備超低時延超高可靠的5G網絡。因此,未來網絡技術應重點關注如何采用5G等先進網絡技術,實現對現有工廠內以太網絡演進升級,并結合5G網絡切片、邊緣計算,實現工業企業數據本地落地,達到"數據不出廠"的目標,推動實現企業對虛擬專網的運營監控促進5G在工業場景的融合應用。

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5:5G的應用點

5G促進數據跨越產業流動

在生產制造、流通、消費的過程中,數據會從工業領域,流到一產和三產,在這個過程中,標識解析很好地解決了這種數據跨行業的流動。例如,農業機械的數據輸出,就延伸到農業中去。很多鋼結構的制造信息,也會流入到建筑行業,而鋼鐵耗材,可以通過物理標識來解決。從這個角度看,運營商加強DICT( DT與ICT的融合)的融合能力,有助于促進產業鏈實現數據的跨域、跨行業流動。然而,數據的廣泛流動也凸顯了數據立法的重要性。隨著工業數字化的推進,工廠數據也會越來越多,數據也將越來越被重視,也將成為企業的一種無形資產,通過5G等網絡的拉動,并通過數據空間等形式,可以有效促使工業數據流動起來,同時推動數據立法,促進數據流動,保障企業數據安全。

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6:大數據的雙向融通

5G在工業的三大商業模式

5G的技術設計,在滿足垂直行業需求方面具有先天優勢,更適合應用在工業、醫療、能源等垂直行業。

目前,5G在工業領域主要以工業園區虛擬專網為主,既然是專網,就會涉及運營商和工業伙伴的合作模式。中國電信在全國四百多個案例中(以工業互聯網為主)的合作探索,可以總結三種5G工業虛擬專網的商業模式。

第一種是以租代建模式,運營商搭基礎,賣流量,也就是運營商來建設園區、工廠虛擬專用網絡。如中建鋼構的工業園區和江西藍星星火化工園區等項目。企業可以租用網絡,購買網絡帶寬、流量、卡號等服務能力,網絡資產屬于運營商,運維保障也屬于運營商,這也是4G時代的常見方式。

第二種是雙方搭建模式,資產歸雙方共有,運營商負責提供專業化的網絡設計、建設與運維服務,企業享受便利自主的網絡服務,也可以根據需要進行自主的可視化運維和故障預處理,運營商提供專家保障服務。如賽輪集團廠區和華潤水泥等項目就采用這種模式。

第三種是工廠自行搭建,工業伙伴承擔5G網絡覆蓋、轉發等相關的設備費,資產歸企業獨有,獨享的無線網絡可以接入運營商核心網完成5G標準的認證、信令控制等,運營商提供代運維保障和網絡出口服務等。一些化工和電網運營企業,往往會傾向于選擇這些模式。

在工業園區虛擬專網方案中,中國電信的邊緣計算,為美的和海爾等多家客戶,提供了承載企業MES、ERP、SCM等行業公共服務平臺。同時,通過在工業園區5G行業虛擬專網服務能力體系,可構建5G虛擬專網能力開放平臺,使企業可通過能力開放平臺提供的API接口實現自動化的能力調用,完全可以做到"數據不出廠"的要求。這種技術的創新探索為5G與電子制造業的業務融合提供了樣本和素材,以后可以擴展應用到各種制造型工業園區。

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7:5G的園區應用(來源:中國電信)

5G突進:頻率與選址

不管是公眾5G網絡,還是園區的虛擬5G網絡,頻率是網絡建設的基礎,目前5G有兩個頻段域,一個是在低頻段,主要是FR1的450MHz到6GHz,通常稱為Sub6GHz,5G低頻資源非??杖?,在國內主要是700MHz、3.5GHz,其中700MHz頻段,工信部正在與廣電公司協商和統一規劃中,希望盡快更廣泛應用于運營商的移動通訊網絡中。

一個是高頻段的毫米波(FR2:24250 MHz - 52600 MHz),這也是未來提供5G熱點超大帶寬覆蓋所用的頻段。這種應用目前正在規劃中,華為已經開始研發這方面基站技術,但產業生態還有待于發展。

2020年的基站一般以3.5GHz為主,下半年可能一部分700兆。目前國內5G室內室外頻段均已分配,電信運營商可以根據企業、園區實際情況進行統籌部署。

有了頻段之后,就可以啟動建設5G園區網絡,但是目前存在兩個較大的問題。一個是選址建設的問題,以4平方公里的園區,基站選址就要一個半月。目前在5G園區虛擬專網方面,主要是石油石化等能源行業采用,這些行業需要考慮信號屏蔽、防爆等問題,因此基站都需要定制,目前中國電信已經研發了相關防爆終端。在制造業領域,也有一些企業園區在和運營商合作,采用5G虛擬專網的技術,實現智慧園區、智慧工廠,服務柔性制造,保障企業數據安全等。

另一個問題則來自基站能耗。5G基站采用大規模天線技術,其芯片等各類器件功率較大,造成總體用電量較大,約為4G基站的3倍多。因此在實際進行的項目合作中,有部分企業也接受將電費作為服務費,支付給電信運營商。

作為新基建之一,數據中心將隨著5G的快速發展會往越來越小型化建設和運營方向演進,會更多地以承載邊緣計算和分布式數據庫為核心功能。目前運營商正在推進5G大規模建設,芯片、模組、終端、應用也逐漸跟上了社會需求和期望,但是還需要逐漸完善,電信運營商也會通過產業合作,如加快推進云計算與5G網絡融合、數據采集模組多元化研發、與OT技術的融合等舉措來推動5G更快應用,拉動并完善產業生態生態鏈。

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5G網絡在4G的基礎上有了較大的技術進步,未來的5G網絡或則6G網絡,還會逐步滿足在沙漠、海洋等特定廣域場景的高帶寬通信需求,比如海上通訊,目前一般都是用海事衛星,未來可以采用衛星+5G或則6G的融合技術實現,中國電信也已經在開展相關的技術研究,包括更適合工業場景的超級上行、5G與PLC的融合等關鍵技術。其中超級上行的技術可以通過疊加視覺+AI算法,精準地判斷并調整每一個細微操作,會超越人工的行為;而與PLC等控制單元融合,可以通過遠程操控方式,實現在危險工作環境下,替換現場的人工。

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8:深化5G的應用

高速、高質量網絡將會無處不在,在滿足公眾用戶需求的同時,將以更差異化的方式,滿足工業、園區等場景的網絡服務需求。工廠內部的深度通訊革命的時代,正在來臨。

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