工業5G終端設備的技術、應用及產業發展

作者:中國信息通信研究院 陳敏 臧磊 于青民 芯訊通無線科技(上海)有限公司 王浩杰 機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所 鄭秋平 責任編輯:王鶴迦 2024.04.16 13:59 來源:通信世界全媒體

通信世界網消息(CWW)2019年6月,5G商用牌照正式發放,標志著我國進入5G商用元年。與此同時,工業制造也加速向數字化、網絡化、智能化轉型,產業界推進5G與工業互聯網融合的積極性不斷提升,截至2023年11月全國“5G+工業互聯網”項目已達到8000個。隨著5G技術進步和應用領域的不斷拓展,目前我國“5G+工業互聯網”已經進入應用規?;?、產業深度融合的重要發展階段。近日,國務院印發《推動大規模設備更新和消費品以舊換新行動方案》,提出要推廣應用智能制造設備和軟件,加快工業互聯網建設和普及應用,培育數字經濟賦智賦能新模式。這將推動工業企業加快設備的網絡化、智能化改造,加速“5G+工業互聯網”融合創新和規模應用。在全球產業競爭異常激烈的時代,如何把握5G與工業融合的市場需求,持續夯實5G技術積累,探索工業5G終端設備產業發展趨勢,進一步加快我國工業5G終端設備和5G工業模組“降本”落地,是當前推進5G工業應用的核心命題。

工業5G終端設備的技術

5G通信模組

5G通信模組處于感知層與網絡層之間,是將多種芯片器件進行封裝設計并嵌入多種通信協議,能夠快速為終端設備提供5G通信能力的核心電子元器件。5G通信模組主要由電源管理芯片、傳送接收器、射頻前端、多制層封裝芯片、5G基帶五部分組成,如圖1所示?,F有通用模組基本無法兼顧安全性、穩定性和特殊功能需求等指標,因而難以滿足不同行業對5G的差異化需求。

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圖1 5G通信模組(通用)架構

5G定制功能模組在提供標準通信功能的基礎上,通過開發不同的軟硬件滿足行業用戶的特殊需求,如5G LAN(局域網)、5G精準授時、5G網絡切片等?;?G芯片的5G工業模組,目前已成為工業領域5G網絡的核心組件。與5G通信模組相比,5G工業模組的應用場景更復雜、可靠性要求更高、使用條件更嚴苛,不僅要求制作模組的材料具有可靠性,還要求組件支持二次開發及定制等功能。

工業5G終端設備

工業5G終端設備是指內嵌5G通信芯片/模組、具備直接接入5G網絡能力的工業設備,例如具備5G通信能力的無人機、機器人、攝像頭、天車、無人礦卡等設備。從5G通信模組與工業設備的連接方式維度出發,工業5G終端設備可分為集成式工業5G終端設備和外掛式工業5G終端設備兩大類。集成式工業5G終端設備包括集成了5G芯片、5G模組、5G通信板卡的行業應用設備,例如用于多個工業場景的本安防爆型5G手機、5G智能安全帽、5G AGV(自動導引車)等工業設備。外掛式工業5G終端設備以5G工業網關、CPE(網絡終端設備)、路由器等通信類設備為主,其中內嵌5G模組的5G工業網關應用較廣,支持Modus、西門子系列、歐姆龍系列等工業協議,可替代現有網絡架構中的工業網關,使現有設備無需進行改造即可接入5G網絡。

工業5G終端設備發展情況

5G工業模組產業現狀

5G通信模組的產業進展支撐著工業5G終端設備的發展,體現著工業互聯網與5G技術生態融合的狀況。中國模組廠家生產的5G模組型號數量持續占據全球領先地位,近4年在全球5G模組型號數量占比超80%。國內5G工業模組廠家主要有移遠通信、日海智能、廣和通、美格智能、有方科技、高新興等,Counterpoint數據顯示,中國模組廠家持續占據全球5G等蜂窩物聯網模組出貨量的領先地位。根據2024年3月GSA(全球移動供應商協會)全球5G模組型號統計數據,5G模組型號數量排名前4的均為中國廠家,分別是移遠通信、廣和通、美格智能和日海智能。

在產品方面,隨著5G標準不斷演進,5G工業模組產品持續推陳出新。模組廠家已研發出多款支持5G LAN、u R L LC(高可靠且低時延)特性、SUL(上下行解耦)上行能力增強等5G R16特性的5G工業模組產品,例如移遠通信的RG500U、RG200U、RM500U,廣和通的FM650-CN等。2022年6月3GPP 5G R17標準凍結后,高通于2023年2月發布了X35 5G NR-Light(RedCap)、X75、X72等5G調制解調器及射頻系統芯片。此后新一代R17 5G工業模組不斷問世:基于高通X35芯片,模組廠家發布了多款輕量化5G RedCap模組,例如移遠通信的Rx255C系列、芯訊通的SIM8230系列、廣和通的FG131和FG132系列、美格智能的SRM813Q系列;基于高通X75和X72,模組廠家發布了在數據傳輸速率、網絡容量、功耗、時延和可靠性上進一步升級的5G NR工業模組,例如移遠通信的RG650E和RG650V系列、芯訊通的SIM8290和SIM8270系列、廣和通的Fx190和Fx180系列、美格智能的SRM817和SRM817WE系列。

在標準方面,通用類和定制化5G工業模組標準同步推進。通用模組標準方面,YD/T 3988-2021《5G通用模組技術要求(第一階段)》已發布,中國通信標準化協會正在推進《5G通用模組技術要求(第二階段)》和《5G輕量化通用模組技術要求(第一階段)》等通用模組的標準研制。定制化模組標準方面,T/CEC 642-2022《電力5G通信模組通用技術要求》、《5G視頻監控攝像機模組技術要求》已發布,《面向安防監控的5G模組技術要求》《面向石化行業的5G輕型化模組技術要求》等標準正在研制中。

當前,5G工業模組的價格仍處于高位。在通用模組方面,雖然通過硬件和功能裁剪、采用國產化芯片和元器件替代等方式,商用5G工業通用模組的最低價已低于400元,然而由于工業細分行業多、需求差異性大,5G工業通用模組與行業適配度不足。目前市場上的5G工業模組以R15、R16版本的通用型為主,側重高速率場景,而大部分行業的應用場景屬于中高或中低速率,因此目前商用的5G工業模組針對這些應用場景提供的性能過剩,造成功能成本上的浪費。5G RedCap模組專門針對中高速率場景,目前處于預商用階段,商用初期價格將在200元左右,可成為高速率5G模組的有力補充。在定制化模組方面,行業定制的5G工業模組開發成本居高不下,一方面,5G模組的成本主要來自上游的基帶、射頻等芯片采購和外圍電路開發,目前5G芯片廠家較少,模組廠家的議價空間有限,而外圍電路開發涉及二次開發和集成,研發成本高、利潤率相對較低;另一方面,工業領域不同行業和場景對5G模組的需求差異較大,對時延、授時精度、定位能力、尺寸、功耗等要求不盡相同,例如AGV對定位能力要求高,電力行業的配電差動保護要求高精度授時,采礦行業需要本安防爆等,短期內尚難實現廣泛應用以攤薄成本。在“5G+工業互聯網”的實踐中,通用型5G工業模組和行業定制化5G工業模組應同步發展。

目前,行業定制化5G工業模組處在發展初期,受限于需求碎片化、研發周期較長、開發成本較高等因素,只有少數企業開展研發探索。例如,中國移動通過自主研發突破防爆設計、上行增強等關鍵技術,自研適用于礦業的5G模組。深圳供電局、南網科研院攜手廣和通共同預研專用于電力行業的5G模組,通過最優方式匹配終端設備通信能力,推動設備快速升級現有通信解決方案,并驗證了多切片、高精度授時等多項R16特性在虛擬電廠的應用。

工業5G終端設備產業現狀

得益于“5G+工業互聯網”示范項目的應用與探索,工業5G終端設備百花齊放,包括5G工業CPE、5G工業網關、5G DTU(無線終端設備)、5G攝像機、5G工控機、5G PLC、5G AGV、5G無人機、5G機器人、5G無人礦卡、5G天車、工業AR/VR等。目前商用落地最多的是5G工業網關、5G工業CPE及路由器等外掛式通信設備,其次為5G攝像機、5G無人機、5G AGV等可用于多個工業場景的集成式工業5G終端設備。

國內外掛式工業5G終端設備發展迅速,工業級5G CPE/路由器/網關產品型號數量占到全球43%(共計71款),占比領先歐美等發達國家,廠家包括華為、中興通訊、鼎橋、宏電、中微普業、四信等。集成式工業5G終端設備加速涌現,如杭州靈伴科技5G工業智能AR頭盔、中興通訊5G工業自然導航AGV載重平臺、??低暤V用本安5G攝像機、上海勃傲自動化的5G閥島等產品。

從連接方式上看,工業5G終端設備應用逐漸由借助外部設備間接使用5G,轉變為嵌入式設備直接使用5G。受制于成本,工業互聯網中5G CPE和工業網關的組合是當前主流5G接入方式,其具有改造成本低的優點,但在傳輸時延、空間靈活性上存在缺陷。隨著國內芯片廠家發力5G芯片、5G RedCap模組商用,以及產業鏈上下游逐步成熟,5G模組成本持續下降,設備5G通信模組內嵌化的趨勢逐漸顯現,該模式下設備可直連基站5G信號,利于增強設備與5G原生特性能力融合。

從設備功能上看,工業5G終端設備逐漸由單數據傳輸設備轉變為多功能5G設備。5G LAN、高精度定位、邊緣計算、高精度授時等多種需求被納入設備設計,例如:5G工業CPE及網關等產品功能持續豐富,除了提供數據傳輸、路由、多種協議轉換等基本功能外,逐步增加超強算力、本地數據處理、支持5G新特性等多種智能化新功能。

從設備應用上看,工業5G終端設備與垂直行業深度融合,適應特定需求。特別是在電力、礦山、交通等專業化需求度高的5G應用領域,行業巨頭深入設備設計環節,縱向聚合產業鏈伙伴定制生產,滿足工業場景差異化需求。例如:南瑞信通面向配網差動保護、精準負荷控制等多種電力應用場景,推出了嵌入式5G通信倉、外置接入獨立式5G電力CPE等產品,并于近期完成了電力行業首款5G RedCap終端設備研發和試點應用。

我國工業5G終端設備應用前景展望

5G工業模組前景展望

當前已經商用的5G模組主要是遵循3GPP R15、R16版本協議,在技術上具有一定的局限性,不能滿足工業設備厘米級高精度定位、低時延控制、低功耗等需求。5G工業模組仍面臨成本居高不下、需求適應性待提升、定制化模組較少等挑戰。在市場需求驅動下,模組廠家將加強對行業需求的價格和功能適配,低成本5G通用模組及適應特殊需求的定制型解決方案將不斷落地。

通用型5G工業模組方面,在技術上,加快推動符合3GPP R17標準的5G模組商用落地,協同推進高速率5G NR和中高速率5G RedCap模組產品規?;逃?,共同滿足對帶寬、延時、可靠性、定位等需求多樣的工業應用場景,目前運營商正在進行網絡測試并針對工業場景進行定制化網絡設置。在成本優化上,前期可以通過采用國產芯片、元器件等低價材料替代,以及去除非必要功能(例如裁剪支持頻段、僅支持SA組網)等方式降低通用型5G工業模組成本,從而促進使用規模擴大,后期規模上量后可進一步推動價格下降。

行業定制化5G工業模組方面,芯片模組廠家、行業用戶、運營商等產業相關方的合作將進一步加強,積極探索研究各個垂直行業同類型用戶的共性化功能需求,首先從需求體量較大的場景入手,針對行業特定需求開發定制化5G芯片,從上游提升行業適配度,并通過規模應用降低成本;其次利用5G RedCap天然支持5G LAN、覆蓋增強、5G精確授時等原生特性,加快面向行業需求的定制化5G RedCap模組研發。隨著定制化5G工業模組的成本不斷降低、產品持續豐富,后續逐步擴大覆蓋場景的范圍。

工業5G終端設備前景展望

5G網絡覆蓋日益增強和5G工廠建設穩步推進,為工業5G終端設備發展提供了“土壤”。目前,外掛式工業5G終端設備和部分通用集成式工業5G終端設備發展較快,集成式工業5G終端設備中的行業定制化設備仍處于發展初期。工業5G終端設備的進一步發展仍面臨需求碎片化、產品供給豐富程度有待提高、標準體系仍未建立等挑戰。隨著5G標準的不斷演進,新版本標準將助力面向工業互聯網場景的5G高可靠、低延時等特性得到持續提升,同時5G工業模組價格的逐漸降低,將進一步推動5G與工業設備的融合發展。

在需求匹配方面,加快探索“5G+工業互聯網”典型應用場景,按行業推進工業5G終端設備部署應用。結合大規模設備更新行動方案,重點突破工業和信息化部公布的“5G+工業互聯網”二十個典型應用場景和十個重點行業,按行業、分批次集中推進5G應用,以典型應用場景的規?;瘡椭仆茝V,加速5G設備與工業領域各垂直行業深度融合。

在產品研發方面,促進行業企業、運營商、設備廠家等工業5G終端設備相關各方協同攻關,加快5G RedCap技術在工業傳感器、可穿戴設備等終端設備中的應用,加強行業定制化工業5G終端設備研發,綜合利用5G、人工智能等技術,提升工業5G終端設備的智能化水平。

在標準研制方面,加快面向不同行業、典型應用場景的工業5G終端設備標準研制,鼓勵“產學研用”各方積極參與標準制定,凝聚產業共識,促進產業的規范化發展。

展望未來,產業界應從加快通用及定制5G工業模組研發降本、加強供需匹配對接、推動產品研發和產業深度融合、加快工業5G終端設備標準研制等方面,推動工業5G終端設備創新發展。

*本文刊載于《通信世界》4月10日刊 第7期 總941期 原文標題《工業5G終端設備的技術、應用及產業發展》

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