工业5G终端设备发展白皮书

工业5G终端设备发展白皮书 （征求意见稿） 工业互联网产业联盟（AII） 2024年4月 声明 本报告所载的材料和信息，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。本报告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，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告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报告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 编写说明 当前，我国“5G+工业互联网”发展不断提档升级，应用覆盖装备制造、石化化工、建材、纺织等多个国民经济重点行业。工业5G终端设备作为5G技术与工业感知层融合的关键，在工业互联网基础设施改造和5G应用创新落地中都发挥着重要作用。 目前，5GCPE、5G工业网关、5G工业DTU、5G工业摄像头、5G工业机器人等一批产品相继涌现，产业整体供给能力不断提升，但仍存在供给不适配、供需不匹配等问题，出现“供给侧市场品类多、应用侧一网关难求”“实验室测试性能好、现场适配场景调试难”等情况。部分终端（CPE等）的性能描述不规范，对市场采购和应用也带来一定困扰。为了摸排当前我国“5G+工业互联网”终端设备发展情况，补齐终端设备供给短板，推动“5G+工业互联网”成熟落地与规模化应用，中国信息通信研究院技术与标准研究所联合产业界企业编写了 《工业5G终端设备发展白皮书（征求意见稿）》。 本白皮书围绕工业5G终端设备，深度梳理了当前的发展状况，整合提炼了可行的应用分类，分析介绍了关键的通信机制，挖掘定位了面临的痛点挑战，并统筹提出了未来发展建议及展望。为工业领域设备更新、“5G+工业互联网”升级版决策支撑、工业5G终端设备研发设计以及产品规模化推广提供参考。 起草单位： 中国信息通信研究院技术与标准研究所机械工业仪器仪表综合技术经济研究所中国电信股份有限公司研究院 中国科学院自动化研究所中兴通讯股份有限公司 中电科普天科技股份有限公司紫光展锐(上海)科技有限公司中国工业互联网研究院 联发博动科技（北京）有限公司深圳艾灵网络有限公司 中国联合网络通信有限公司黑龙江省分公司联通（广东）产业互联网有限公司 北京智芯微电子科技有限公司 芯讯通无线科技（上海）有限公司北京启明星辰信息安全技术有限公司深圳市三旺通信股份有限公司 目录 一、发展情况1 （一）“5G+工业互联网”发展背景1 （二）工业5G终端设备发展现状2 二、工业5G终端设备基本分类4 （一）通用通信类工业5G终端设备5 （二）行业应用类工业5G终端设备6 三、工业5G终端设备通信机制13 （一）工业5G终端设备基本架构13 （二）工业5G终端设备的通信能力16 （三）工业5G终端设备的纳管23 四、工业5G终端设备发展面临的痛点、建议及展望24 （一）痛点挑战24 （二）发展建议25 （三）未来展望26 附件：应用侧对工业5G终端设备的通信需求28 一、发展情况 （一）“5G+工业互联网”发展背景 我国高度重视5G与工业互联网的融合创新发展，先后出台多项政策进行指引。2019年11月，工业和信息化部（以下简称“工信部”）出台《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，从突破关键技术能力、 提升产业支撑能力、打造“5G+工业互联网”内网建设改造标杆、形成至少20大典型工业应用场景等方面进行整体布局。2022年8月，工信部印发《5G全连接工厂建设指南》，提出面向制造业、采矿、港口等重点行业领域，建成1000个工厂，打造100个标杆工厂，从基础设施建设、厂区现场升级、关键环节应用、网络安全防护四方面进行指引，推动5G融合应用纵深发展。2023年11月，工信部出台 《“5G+工业互联网”融合应用先导区试点工作规则（暂行）》、《“5G+工业互联网”融合应用先导区试点建设指南》，通过加大政策支持力度、夯实基础设施建设、推进融合应用创新、培育壮大产业生态、强化公共服务能力等举措带动产业集群发展。 在政策持续引导下，工业5G终端设备迎来良好发展机遇。《5G全连接工厂建设指南》提出，对具有移动部署、灵活作业、远程操控等需求设备，积极使用带有5G功能的芯片、模组、传感器等进行改造。《“5G+工业互联网”融合应用先导区试点建设指南》设置“打造产业供给能力”的重点任务，提出推动5G与工业设备双向适配，加快相关融合产品研发、生产和应用，推进具备5G通信能力的融合工业设备产业化发展，探索形成从产品、解决方案到系统集成服务的全产业链供应能力，服务产业发展。2024年4月，工信部等七部门出台的 《推动工业领域设备更新实施方案》提出，推动人工智能、第五代移动通信（5G）、边缘计算等新技术在制造环节深度应用。在“5G+工业互联网”建设中，工业5G终端设备发挥重要作用，工业5G终端设备通过5G网络高速、低时延传输工厂现场设备与平台系统、工业设备之间等的数据和指令，实现工厂的数据采集、远程控制、视频监控、移动巡检等功能。 （二）工业5G终端设备发展现状 应用方面，多个工业园区、车间现场已部署5G网络，并逐步涌现出一批面向工业场景的5G终端设备。5G工业网关、工业级5GCPE被广泛应用到工厂的5G化改造中，5GAGV/AMR、5GAR眼镜、5G机器人等通用性较强终端设备已用于现场辅助装配、厂区智能物流、无人智能巡检等多个工业场景，5G阀岛、5G总线IO、5G掘进机等用于特定场景的新品类不断出现。目前，工业现场的5G终端设备仍以视频监控和数据采集为主，由于改造需要时间、替换代价较高等原因，工业5G终端设备还未深入核心生产领域，部分应用还未在工业现场普及或规模化推广。 标准方面，目前尚未有工业5G终端设备的标准发布，处于起步 编制阶段。TC124（全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会）正在组织制定面向工业5G终端的《工业5G终端通用技术要求及测试规范》国标；CCSA（中国通信标准化协会）开始制定面向行业的工业5G终端设备标准，主要包括《面向电力行业的5G+工业互联网终端设备技术要求和测试》、《面向矿山领域的5G+工业互联网井下终端设备技术要求》、《面向远程控制场景的5G工业网关技术 要求》、《5G行业网关通用技术要求》、《面向智能物流仓储领域的终端设备5G通信技术要求》等。 产品方面，工业级5G网关、CPE和路由器发展较快。根据GSA数据，全球工业级5GCPE/路由器/网关的款式数量持续攀升，如图1所示，从2020年的26款增加至2023年的179款。我国5G工业网关/CPE厂家积极推出多种类型产品，与国外厂家相比具有一定优势。目前，我国的华为、中兴通讯、宏电科技、厦门四信、中微普业、计讯物联等，以及国外的西门子、Peplink、Cradlepoint、Telit、Sierrawireless等大中小企业推出了多款5G工业网关，部分产品具备5GLAN、URLLC现场级低时延、智能计算分析等能力。目前我国厂家生产的工业级5GCPE/路由器/网关产品款式占到全球46%，占比领先欧美等发达国家。随着“5G+工业互联网”的发展，5GAGV/AMR、头盔式5G工业终端、5G机器人等用于多个行业的终端设备不断涌现，被用于多个5G工厂建设，存在巨大的市场潜力。 图1全球工业级5GCPE/路由器/网关的款式数量 二、工业5G终端设备基本分类 工业5G终端设备可分为通用通信类终端设备和行业应用类终端设备两大类。其中，通用通信类终端设备主要包括下图连接方式1、2中的5GCPE、路由器、DTU和工业网关；行业应用类终端设备主 要以内嵌5G芯片/模组、具备5G直接通信能力的工业终端设备为主，对应连接方式3，也有少量对体积不敏感的工业终端设备（如5G无人天车）直接集成5G工业网关，实现快速5G化升级改造。 工业5G终端设备的主要接入方式如下图所示： 图2工业5G终端设备连接方式示意图 连接方式1：通过5G数据终端（主要包括5GDTU、5GCPE和5G路由器）实现5G移动信号和有线信号、无线WIFI信号等之间的转换，进而接入现有工业设备。该种接入方式对现有工业网络改动最小，相当于在工业网关后将原有有线传输替换成5G无线传输方式，是目前众多示范项目普遍采用的模式。 连接方式2：将传统工业网关替换成内置5G模组的5G工业网关，从而实现5G移动信号和工业现场装备协议之间的转换。该种方式相当于用支持5G联网能力的工业网关替代原有的固定连接方式的工业网关，5G技术进一步向工业现场网络渗透。 连接方式3：PLC等工业控制器、机械臂等工业设备内嵌5G芯片/模组，具备5G通信能力，直接接入5G网络。该种方式5G直接对接工业设备的网络需求，形成对现有工业网络形态的补充。 （一）通用通信类工业5G终端设备 通用通信类工业5G终端设备的核心功能是通过5G网络传输工业设备与云平台/服务器/控制器之间的数据和指令，同时满足在工业高温、高湿等恶劣环境下部署要求，在此基础上，根据不同的使用需求和产品形态，增加路由、数据采集、协议转换、边缘计算等不同功能。目前，通用通信类工业5G终端设备的产品形态包括工业级5GDTU、5GCPE、5G网关等多种类型。 5G工业DTU支持RS485、RS323、USB、Type-C等接口，通过这些接口连接工业终端设备，利用5G网络搭建起工业终端设备与云服务器/数据中心之间的桥梁。 5G工业CPE通常比5G工业DTU支持的接口更多，如以太网、WLAN、蓝牙、串口、USB接口等，南向支持多种有线、无线通信技术，实现5G信号与多种有线、无线信号的转换，可同时连接工业现场的串口设备、以太网设备、WLAN设备等，是目前多个工厂进行现有设备5G化升级的关键设备。 5 5G工业网关具备数据采集存储、路由、边缘计算和行业应用协议转换等功能，支持ModbusRTU、IEC101、IEC104、S7COMM、Keyence等多种工业通信协议，可对接主流云平台，提供多种工业接口，被广泛应用于传感器、仪器仪表、摄像头和各种控制器等多种工业现场设备的5G网络接入。 （二）行业应用类工业5G终端设备 当前，工业5G终端设备可通过开发集成角度和工业应用角度进行分类，对于芯片模组厂商以及设备集成厂商而言，行业应用终端设备可按开发集成方式分为四类；对于行业客户而言，行业应用终端设备可按工业应用角度分为五类。 1.按开发方式分类 从搭载5G技术载体的维度出发，行业应用类终端设备可分为四大类：第一类终端设备直接集成5G工业网关，例如5G无人天车、部分5GAGV/AMR和5G矿卡等，该方式集成度较低、开发难度最小，适合工业领域终端设备快速改造。第二类终端设备基于5G开发板研发，例如部分新开发的5GAGV/AMR、5G矿卡、5G巡检机器人等，除了5G模组，5G开发板通常包含FPGA、传感器（如光距、重力、陀螺仪等）、WIFI、蓝牙等模块，可直接引出以太网、USB、RS232等丰富接口。该方式下，5G开发板比5G工业网关体积小、功耗低，可有效缩小终端设备的尺寸，5G开发板可以即插即用，用户只需要通过数据线即可直接连接电脑，进行固件烧录和产品开发。第三类终端设备基于5G模组研发，例如5G工业平板电脑、5G工业相 机、5G无人机、5G阀岛等。5G模组包含主芯片、射频前端、MCU、天线、传感器、接口等模块，去除了5G开发板上5G模组之外的模块，进一步缩小了可开发的终端设备体积。这种方式提升了开发灵活性，用户可在5G模组基础上，根据需要选择更适配的计算、存储、接口等模块。跟第二种开发方式相比，元器件焊接、电路调试等步骤增加了开发难度和开发周期，但在应用易用性、扩展性和规模生产方面具备产业化优势。第四类终端设备基于5G芯片直接研发，例如5GPDA、AR/VR眼镜等小型化