5G/5G-A超可靠低时延通信工业场景需求白皮书

5G/5G-A超可靠低时延通信工业场景需求白皮书 中国信息通信研究院工业互联网产业联盟2023年6月 声明 本白皮书所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本白皮书所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将白皮书的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将白皮书的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用白皮书内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 牵头编写单位： 中国信息通信研究院华为技术有限公司 参与编写单位： 华为技术有限公司 精诚工科汽车系统有限公司东风设计研究院有限公司 上海勃傲自动化系统有限公司美的集团股份有限公司 四川长虹电子集团公司三一重工有限公司 上海中移信息技术有限公司 上海机器人产业技术研究院有限公司上海简衍科技有限公司 上海简领科技有限公司 深圳市智流形机器人技术有限公司东莞市云雀科技有限公司 汇川技术股份有限公司深圳艾灵网络有限公司中国移动通信集团公司 中国联合网络通信集团有限公司中国电信集团有限公司 工业互联网产业联盟公众号 前言 2019年，中国5G网络正式商用，5G与工业互联网的融合创新发展成为产业界积极探索的新方向。经过三年的蓬勃发展，“5G+工业互联网”领域已涌现出一大批注智赋能的优秀行业案例，并从中提炼出十大重点行业与二十大典型应用场景，其提质、降本、增效、绿色、安全等产业赋能作用显著。随着3GPPR16、R17等标准版本的陆续发布，5G超可靠低时延通信（URLLC）特性逐步成熟，5G与工业的融合应用将深入到生产制造的核心环节，为设备无线化、产线柔性化、生产智能化发展提供新的技术选择。 目前5GURLLC特性在工业领域的应用仍处于初步探索阶段，为深入挖掘超可靠低时延工业应用场景需求，中国信息通信研究院在工业互联网产业联盟“5GURLLC工业应用创新先锋营活动”中，与华为技术有限公司共同牵头，联合多家单位编制《5G/5G-A超可靠低时延通信工业场景需求白皮书》，从产业发展的角度积极探索5GURLLC工业应用创新场景，推动工业领域的5GURLLC特性应用实践。 本白皮书结合行业数字化转型发展需求及企业生产面对的痛点和难点，分行业分场景深度挖掘5G与工业控制融合场景价值，研提工业现场5G网络部署方案，提出5G具体网络性能指标，为各行业5GURLLC应用的场景落地提供参考依据。 编写组成员（排名不分先后）： 余晓晖、敖立、曹蓟光、管子健、黄颖、沈彬、于青民、李宗祥、王哲、余思聪、胡钟颢、王涵、段世惠、谷蓉婷、马欣、包盛花、曾正洋、伍勇、杨晓华、张向业、袁占江、李建和、司磊、张天浩、潘祥喜、陈鹏、姜峰、闫勇斌、刘扬、谭乐、高冉、褚亮、彭超、马宇航、陈俊、章宏达、王军、王鑫、韩宇瑞、张帅、刘岩、王辉、杨阳、郑学亮、王胜齐、庄冀、占华程、吕贺、赖长川、蔡琳、吴金鑫、陈辛、戴丹、陈怀端、余钢锋、廖耿鑫、严义、俞一帆、冯江平、郝晓龙、邓伟、王锐、邢源日、安岗、张文博、钱红赫、李文杰、王宣\李凯、沈云飞、孙丽楠、朱红绿 目录 一、5G技术对新一轮工业变革的重要性1 1.15G为工业无线带来可行性方案1 1.25G技术推动工业现场网络升级1 1.35G可承载工业控制的实时连接2 二、5GURLLC工业应用场景概览3 2.15GURLLC特性的工厂应用场景3 2.25GURLLC应用场景落地行业6 2.35GURLLC行业场景需求参数说明7 三、汽车制造业5GURLLC应用场景8 3.1.行业数字化升级概述8 3.2.焊装车间场景描述9 3.2.1车间总体情况9 3.2.2传统工业通信组网11 3.2.3工业现场5G应用场景及需求13 3.3.总装车间场景描述18 3.3.1车间总体情况18 3.3.2传统工业通信组网20 3.3.3工业现场5G应用场景及需求25 四、电子/机械制造5GURLLC应用场景30 4.1行业数字化升级概述30 4.2电子总装场景描述131 4.2.1车间总体情况31 4.2.2传统工业通信组网32 4.2.3工业现场5G应用场景及需求35 4.3电子总装场景描述237 4.3.1车间总体情况37 4.3.2传统工业通信组网39 4.3.3工业现场5G应用场景及需求41 4.4重型机械焊接场景描述43 4.4.1车间总体情况43 4.4.2传统工业通信组网45 4.4.3工业现场5G应用场景及需求47 五、精密铸造业5GURLLC应用场景49 5.1行业数字化升级概述49 5.2精铸车间场景描述54 5.2.1车间总体情况54 5.2.2传统工业通信组网55 5.2.3工业现场5G应用场景及需求59 六、工业现场5G网络需求分析汇总64 6.1工业现场5GURLLC应用场景需求64 6.2工业现场5G网络部署需求66 6.2.1工业现场5G组网需求66 6.2.2工业协议与5G对接69 6.2.3URLLC终端需求74 6.35GURLLC网络性能指标76 6.3.1URLLC指标及参数概述76 6.3.2确定性通信78 6.3.3通信时延79 6.3.4单包可靠性82 6.3.5用户容量87 6.45GURLLC网络需求汇总88 七、3GPP标准及网络能力演进89 八、总结92 附录A：行业化5GURLLC应用场景说明附录B：工业以太网协议介绍 一、5G技术对新一轮工业变革的重要性 目前全球工业体系正处于第四次工业革命时期，产业数字化、网络化、智能化逐步成为发展主流，以5G、工业互联网为代表的新一代信息通信技术已然成为工业发展的技术底座与创新动力。工业体系变革带动了工业网络的优化升级，工业通信网络正由现场总线向工业以太网、工业无线网演进。5G技术作为支撑工业无线化升级的重要技术，其技术特性充分匹配工业实时、可靠、安全的通信要求，5G技术与工业应用的有机融合将进一步激发工业界的创新活力。 1.15G为工业无线带来可行性方案 5G技术以其低时延、超可靠、大连接的特性，解决了工业领域传统无线技术（如Wi-Fi、蓝牙、基于IEEE802.15.4的短距离工业无线等）厂区覆盖范围有限、网络稳定性不佳、终端连接率不足等方面的问题，使得无线技术有能力承载工业现场的各类通信业务。HMS（HardwareMeetsSoftware）发布的2021工业网络市场份额预测报告指出无线业务继续以24%的速度快速增长，无线网络现已拥有7%的市场份额。未来，5G无线业务将在工厂全面落地，从智能物流、园区监测等生产辅助环节到进入工业自动化核心生产环节，预计工厂内设备无线连接占比将会大幅增加。 1.25G技术推动工业现场网络升级 传统工业现场存在大量移动设备（如随行夹具、机器人抓手、输送设备等），现有有线组网复杂、易于磨损。同时，现场存在大量OT设备的多层级组网，无法有效兼容数据采集、AR、机器视觉等非实时IT 业务，工业现场亟待引入5G技术解决当前难题，进而带动工业领域的创新变革。 5G带来的改变体现在三个方面：一是去掉有线束缚，解决不便于有线连接的移动类场景，减少移动造成的通讯物理故障。二是智能融合组网，5G提供IT非实时与OT实时多业务共用一张网的能力，网络的扁平化架构可以解决业务兼容问题。三是工业控制应用创新，5G与工业的融合将加速云化机器人、云化PLC的应用落地，降低网络部署成本，而云化算力和实时网络也为工厂的智能化柔性生产夯实基础。 图1-1智能化柔性工厂工业网络演进 1.35G可承载工业控制的实时连接 工业现场实时控制对5G网络提出低时延与高可靠性的要求，在网络扁平化的同时，要求工业5G具备eMBB和URLLC等特性的多业务能力。 当前，“5G+工业互联网”应用主要着眼于增强移动宽带（eMBB）特性，以大带宽数据传输类应用为主。3GPP于2020年7月、2022年6月分别冻结了5G第二版本R16和第三版本R17，进一步增强了5G服务 行业应用的能力。其中5G超可靠低延迟通信（URLLC）特性不断成熟，相关应用从单链路的人机远程操控，逐步开始进入工业自动化控制的人机界面控制与现场实时控制。随着3GPP标准后续版本的持续演进及5G工控领域相关技术的逐步落地，5G/5G-A（5G-Advanced）URLLC的能力将不断增强，通信时延降低、网络可靠性提高、设备连接数增多，可满足大多数工业自动化的实时控制应用需求。 5G及5G-A是5G技术持续演进过程中的不同技术阶段，同属于5G 网络技术，为简化表达，本白皮书后续描述如无特别区分，将5G、5G- A统称为5G。 二、5GURLLC工业应用场景概览 2.15GURLLC特性的工厂应用场景 传统工厂网络可以划分为三种类型：工厂级网络、车间级网络和现场级网络。其中工厂级网络以IT网络为主，车间级网络和现场级网络以OT网络为主。目前，车间网络的常见方式为多种网络混合部署：传统工业OT网络主要用于现场实时控制，若车间现场需连接宽带实现数据采集或AGV等移动设备的控制，则需要在车间OT网络之外，再部署IP以太网或WIFI。 图2-1制造工厂传统网络5层金字塔架构 工业现场的5G网络为企业提供统一、扁平化的车间内网，5GURLLC下沉到OT域的主要应用场景可分为面向现场网络实时RT （RealTime）场景和运动控制同步实时IRT（IsochronousRealTime）场景。5G提供大带宽的数据传输用于各类数据采集或数据下载，而5G定位用于跟踪各类物料、工具、人员等。同时，5G网络的星型架构可以实现车间级和现场级网络的融合，确保现场的每个终端设备扁平化接入，避免了传统有线多级交换机分层分级的不便。 图2-2工业5G现场网络架构 工业自动化正走向网络化、智能化，如图2-3所示，转型过程中主要包括四方面业务的连接升级： 1）C2IO（ControltoIO），指PLC到IO的实时逻辑控制，包含主 PLC-IO/从站、从PLC-IO两种情况。 2）MC（MotionControl）指的是PLC到伺服的运动控制。 3）HMI（HumanMachineInterface）包括各个装备及产线的人机界面控制。 4）NRT（Non-RealTime）涵盖数字采集/机器视觉/定位等IT类非实时业务。 图2-3工业自动化控制典型业务分类 其中，工业现场网络中的生产线由一系列执行生产任务的机器和一系列控制单元组成，现场网络支撑生产线的实时控制。在生产中，对于生产线的主控制器与多个现场设备进行数据交换的情况，一台机器通常有一个控制单元(从PLC或运动控制器)和几个现场设备(I/O盒)，普遍存在1:n双向通信关系。 控制器之间的实时逻辑控制C2C（ControltoControl），即主PLC之间的通信，现网中比例不高，所以在本白皮书中不作为主要分类。对于同一台设备，如果既有C2IO或MC的控制业务，又有NRT的非实时业务，则场景归类为前者，即在C2IO/MC的场景中会预留一定的NRT带宽支持多业务流并发。对于只有NRT业务的设备，则归类为NRT业务，如AR等。 2.25GURLLC应用场景落地行业 工业领域行业种类众多，各个行业在自动化领域的特点各有差异，经过前期调研和分析，汽车制造、电子设备制造/机械制造、精密铸造等行业正积极推动产业数字化转型，5GURLLC应用场景落地有较大可能性，本白皮书将重点研究上述先行行业，分章节对各行业的5GURLLC应用场景进行分析，具体如表2-1所示。 表2-15GURLLC典型行业/场景 场景 汽车 电子/机械 精密铸造 NRT：非实时类业务 √ √ √ HMI：人机控制 √ √ √ C2IO：实时逻辑控制 √ √ √ MC:运动控