行业现场网白皮书.docx

1 .行业现场网概述11.1 行业现场网内涵及特征 21.2 行业现场网技术开展背景 21.3 行业现场网需求与价值定位31.4 国内外行业现场网开展现状4新型无源通信41.4.1 新型短距通信5确定性网络61.4.4 高精度室内定位6毫米波通信71.4.5 中低速通信72.行业现场网技术组成82.1 融合运营商能力的行业现场网总体架构 82.2 新型无源通信9新型无源通信概念92.2.1 新型无源通信方案整体框架及关键技术点10分布式RFID创新方案与运营商网络协同方式 102.2.2 新型无源通信方案未来的开展方向112.3 新型短距通信技术112.4 确定性网络14确定性网络概述142.4.1 确定性网络关键技术14演进趋势 182.5 高精度室内定位 19高精度定位的概念和整体技术框架、技术点 192.5.3 高精度定位未来的开展方向 222.6 毫米波通信235G毫米波通信方案概述及关键技术点232.6.1 5G毫米波通信方案与运营商网络协同方式 24行业用户除了对现场网一网收编、数据不出场等需求，对复杂的网络系统运维也提出了 更高需求。目前，行业现场场景复杂，普遍存在网络异构、定制化现象，传统网管和代维团 队无法满足行业网络的运维和管理需求。行业现场网技术中的基于数字挛生的网络服务通过 信息建模、智能运维、数字季生现场网服务平台可以实现网络可视、可管、可控，降低驻场 运维本钱，提升行业现场网服务效率。激励0通信 无毒 mRFIDS 4 7RFIDRFID Helper下行控制无源RFID接收器 缪4一尊 QQ - 技术 !温像头传感器 AGV ）中低速、 日园; 环境 控制音拨监涌 开关设备I现场急线工业以太网行业现场核心网：数据分流,现场网管理QK牙、ZigBee、Lora号（甲）!I” I现场级!X网关5G核心网5G专网技术f公有网络数据流 一私有网络数据流 Open UPF行业现场网数字字生行业现场接入技术无源RFID 新短3随信确定性传输：TSN+OPCUA中低速：蓝牙、ZigBee. Lora、Wi-Fi等办公终端高精定位：UWB定位、蓝牙定位用户便UPF边缘计算平台行蒜京网故字拿生平台图2-1行业现场网技术架构2.2新型无源通信新型无源通信概念大多工厂都有物料资产定期盘点需求，而当前的管理手段还非常原始，有少数企业尝试 用RFID来做盘点，比方在出入库环节自动盘点，但实际使用读取性能较差、不能规模推广 应用。新型无源通信创新方案的基本思路是打破传统RFID对标签的激励和通信一体化架构，采 取激励和通信别离的系统架构，提升RFID组网性能，实现工业场景下高可靠读取。这个方 案有2个特点：标签侧是直接使用商用RFID标签，可以实现产业上快速切入商用落实；网 络侧运用蜂窝5G的上下行解耦、多天线等创新思想，提升传统RFID组网性能。222新型无源通信方案整体框架及关键技术点传统RFID读写器是收发一体架构，需要进行干扰对消，因此距离近，本钱高。分布式 RFID将标签的激活和通信别离，防止复杂的干扰对消，可以降低Helper本钱，同时提升 Receiver的读取性能。商用标签商用标签Helper图2-2增强型RFID框架图别离架构创新方案已在汽车工厂和物流仓库完成系统性测试验证，突破行业应用中读的全、 读的快、定位准等关键业务需求。基于Receiver多天线、及多Helper协同等关键技术，可以 实现出入库99.99%的读取成功率。在出入库多道口场景，一个Receiver可以携带多个 Helper,通过标签被Helper激活的时间先后关系，可以做到出入库方向99%的判断准确率。 并且由于Receiver可以对多个Helper协同管理调度，在实际商用部署中，无需在出入库道 口安装屏蔽门，也可有效解决多道口之间的标签信息串读问题。分布式RFID创新方案与运营商网络协同方式新型无源通信方案可以很好的与室内蜂窝小基站结合。别离后，Receiver的接收灵 敏度可以到-105dBm ,在工厂室内场景实际测试距离20-30米，和蜂窝小基站覆盖相当。 Receiver在硬件上与远端射频单元(Pico Remote Radio Un%pRRU)集成，作为其中一个原 子能力，供pRRU站点和传输资源，降低企业网路部署本钱，一张网实现人的连接和物的连 接。224新型无源通信方案未来的开展方向新型无源通信未来开展方向将从室内走向室外，使室外杆站甚至宏站拥有无源物联能力， 成为 5G 海量机器类通信（Massive Machine Type of Communication , mMTC）下一跳。 技术上，关键是突破远距离无源通信，如距离能做到100米以上，支持温湿度传感，就可以 使能室外广域很多行业应用。远距离无源通信的实现那么需要设计新型无源标签，相比NB-IOT ,新型无源标签最大的特 征是免电池，本钱也较NB终端降低1个数量级。新设计空口波形和协议，将无源空口成为5G网络NR空口的一个局部，在时频资源调度上做切片，拿出局部子载波做无源物联业务。室内基带处理单元（Building Base band Unite , BBU 传输等处理资源与其他业务共享,也无需新增核心网网元，通过软升级实现标签的认证、平安等功能。NB-IOK10mW“NR Passive loT100uW终端价格.1美元，0.1美元,图2-3新设计无源标签与NB-IOT功耗与本钱比拟这类室外无源物联的典型应用场景包括电力、农业等诸多领域。电力需要实时监控设备 运行状态，诊断故障与健康监测，在接头等位置温度监测，防火灾故障，在电网运行环境， 无源物联更平安。精准农业的关键是，需要对生长环境的信息感知互联，也只有无源免电池 才能做到可抛弃，满足环保要求。2.3 新型短距通信技术短距无线通信泛指在较小的区域内（通常小于100米）提供点对点的无线通信，是典型 的行业现场网网络，主要用于设备间的小范围互连，具有部署简单、本钱低等优势。随着智 能泛在连接的快速开展，智能汽车、智能制造等场景对大带宽、抗干扰、高可靠通信已经提 出了极致性能需求，然而现有的传统短距通信技术多采用非授权频段，并受限于基于竞争的资源分配机制，频段干扰严重且无法保障信道资源的高稳定性，难以实现微秒级低时延、抗 突发干扰等特性。在此背景下，“星闪联盟”在2020年9月份发起成立，致力于推动具有自 主知识产权的新一代短距通信技术创新和产业生态的全球化。NFCm omc. mum II.(<20cm> .y ben). njuMtMetUWB aivRM：嚣皿ifitt ( 2Ckm- )0 Bluetooth <fiJt HEft.(R*M)(10m-) m He. wcnwe *whi M AM (MUtrftSUHMMBS M B7*MAU. FW锚大 <+X «),wl soi&iwuHwmaMBJ 芦一ITHMMW. RTTE. E2S«/. m. w(100m-)图2-4现有短距通信技术无法满足新场景下低时延、高可靠等要求星闪联盟主导制定的短距通信技术（下称SparkLink技术）基于全新的无线空口设计， 预期可以更好地支持超低时延、高可靠、精同步、高并发、高效率和高平安等，满足智能制 造、智能汽车、智能家居、智能终端等场景下确定性服务质量保障业务的需求。具体来说， SparkLink利用创新的帧结构设计，引入极简协议栈和跨层透传机制，基于业务特性使能半 持续调度，实现单向用户面传输时延小于20us ,是目前业界唯一能到达100us以下传输时 延的无线技术。同时，引入先进的信道编解码技术Polar和RS ,针对随机干扰和突发干扰进 行优化，结合物理层快速反响重传机制和灵活的干扰侦听避让机制，实现复杂电磁环境下的 高可靠传输。SparkLink技术还引入基于管理节点的时分双工,通过同步序列和资源映射优 化，实现中低信噪比下仍小于1us的同步精度，有效支持高同步要求的业务需求。此外，还 基于OFDMA接入方式，引入非竞争接入机制和更精细化的资源映射和指示方式，实现对于 多路并发业务的高效支持。此外，SparkLink还引入对于多天线、多载波和高阶调制方式的 支持，进一步提高单位带宽的利用效率，同时基于精同步能力和优化的信道划分方案，使得 密集部署场景下信道利用率显著提升。中国移动正在推动新短距技术和5G网络的协议融合方案。在SparkLink技术和5G网 络融合部署方案中，G节点（管理节点）作为一个路由/桥接节点将T节点（通信节点）与 5G网络链接起来,5G核心网透过协议适配层可感知所有T节点的设备状态，包括网络状态、 业务信息、流量使用等，此外T节点不需要做蜂窝网络的入网鉴权。数据格式方面，系统通 过层二中继的方式，在数据链路层以上做适配层，定义数据面和控制面协议的数据格式、数 据集，可部署在边缘UPF、归属用户服务器(Home Subscriber Server,HSS)等位置,实现 现场级的数据上云，并实现5G网络对SparkLink短距通信域中G节点和T节点的可达，可 管理、可配置。图2-5 5G与短距通信技术的网络融合框架图5G与短距通信技术的网络融合，将助推公、专网一体化的网络架构的构建，实现异构网 络的紧密融合和更高效便捷的网络运维。SparkLink和5G网络的融合不仅能扫除5G覆盖盲 区，推动短距通信和广域通信的融合，还能进一步带动“端边网云”等网络基础设施的互联 互通、数据传输和智能业务的承载，促进增强移动通信技术与垂直行业的深度融合，助力 CHBN各领域的创新开展。作为端到端通信的末端神经，新一代短距通信技术将是未来柔性网络的重要表达，是空 天地一体化的关键组成局部。开展短距通信技术，将会对蜂窝网络的动态服务能力进行弥补 和扩展，满足垂直行业在生产运营中对通信连接灵活、动态、快速部署的需求。为满足未来 柔性网络的架构需求，建议在下一代物联网通信体系中统筹考虑短距通信技术，提前布局标 准和专利，更好地满足未来CHBN多场景通信需求。2.4 确定性网络确定性网络概述现场网确定性网络是指能保证业务确实定性带宽、时延、抖动、丢包率指标的网络。这 里确实定性是指指标可预期，比方确定性时延10ms ,时延的抖动在±10睫。对确定性网络的需求在工业通信领域广泛存在。传统工业现场网络中的现场总线技术如 ProfiBus、CAN、CC-Link. Lonworks ,或者工业以太网技术如 EtherNet/IP, Profinet. EtherCAT、PowerLink等都在一定程度上解决了该问题。但因通信协议标准多而杂，导致彼 此之间通信兼容性不佳，技术实现封闭，可复用性较差，制约了工业网络互联互通的开展， 并导致工业网络部署本钱长期居高不下。此外，有线的连接方式，也存在场景应用有限等问 题。支持超低时延、高可靠通信的5G技术的出现，为工业领域提供了新的通信选择。如果 现场网络能兼具有线确定性网络和5G的优势，满足通信高可靠与确定性要求的同时，解决 现场布线问题，那么长期困扰工业现场网络的问题将迎刃而解。如何将5G技术和确定性网 络技术融合成为业界研究热点，5G+TSN实现端到端确实定性是当前的一个重要技术方向。2.4.1 确定性网络关键技术3GPP R16定义的TSN Bridge架构利用5G高精度时钟授时技术通过核心网解决5G 和TSN网络衔接问题。同时，5G空口 URLLC系列技术、承载网络的优化技术等逐步增强 空口以及承载网的时延确定性，也是未来5G+TSN组网的重要组成局部。下面章节分别具体 介绍现场网确定性网络关键技术。2.4.1.1 确定性5G +TSN网桥技术为满足无线接入网络支持应用TSN技术确实定性工业网络互联的需求,3GPP R16已经 考虑并定义了 5G系统作为TSN逻辑网桥的架构，完成与TSN网络的组网与互联。利用5G延展现场网络既有的TSN网络的覆盖。5G TSN逻辑网桥架构如下列图所示:Uxlaal (TSN| BioqdSiSQat图2-6 3GPP定义的TSN逻辑网桥系统架构图为了实现5G TSN逻辑网桥和TSN网络的对接，5G系统扩展了如下3个功能模块：1) DS-TT终端侧TSN转换器(Device-side TSN translator),用于连接终端侧的TSN系统。2) NW-TT网络侧TSN转换器(Network-side TSN translator),用于连接网络侧的TSN系统。3) TSN AFTSN的应用功能(Application Function ),用于连接TSN网络的CNC控制器。此外，为了实现5G TSN逻辑网桥的功能，5G系统需要支持如下关键技术：第一 ,5G系统需要为TSN业务提供其所需的超高精度时间同步能力。整个E2E 5G系 统可以视为IEEE 802.1 AS “时间感知系统二UE/DS-TT和UPF/NW-TT需要支持IEEE 802.1 AS操作，实现与DN网络的TSN GM间的TSN时间同步。此外，5G gNB和UPF 间也需要提供基于5G系统时钟的高精度时间同步。第二，5G网络需要为TSN工业互联网应用提供确定性低时延流调度能力，包括：无线 资源的优化调度技术，UE/DS-TT和UPF/NW-TT基于IEEE 802.1 Qbv标准定义的流调度 能力等。第三，5G系统需要与TSN网络间协同交互，实现5G系统作为TSN逻辑网桥的配置和管理等功能，包括：UE/DS-TT和UPF/NW-TT需要支持LLDP协议进行链路发现，5G系 统通过TSN AF向CNC上报5G网络的状态信息、及接收CNC对5G系统的路径编排与预 田守。同时，5G作为一种确实定性网络，也可以直接作为现场网的接入技术。为了进一步提升 确定性，增加应用范围，3GPP的R17版本正在定义无需外部的TSN网络，5G可以单独 提供确定性网络传输功能。预计在后续的R18中，3GPP将进一步增强独立确实定性网络功 能。这对于进一步简化行业现场网的网络架构提供了强力的支撑。确定性5G空口 URLLC技术凭借灵活的帧结构、Mini-Slot,上行免授权调度和PDCP duplication等关键技术保障， 5G定义的超高可靠超低时延的业务场景下，网络性能空口时延与可靠性大幅改进。5G为了 实现低时延高可靠，对空口帧结构进行优化改进，采用参数可灵活配置统一帧结构技术 (Unified Frame Structure.UFS ), 一方面通过臧少TTI长度、降低CP长度、增加子载波 间隔、改进调度流程、降低调度时延应对低时延高可靠业务，另一方面又可以针对不同频段、 场景和信道环境，选择不同的参数进行配置，如带宽、子载波间隔、循环前缀、传输时间间 隔和上下行配比，满足时延方面的需求或者带宽方面的需求。图2-7统一帧结构时隙结构上使用Mini-Slot时隙架构，其上下行不一致，下行可以在(2,4,7 )个OFDM 符号上任意配置，上行可以在1-13个符号中任意配置，这样以更少的符号数为调度单元， 尽可能短的时间内保证物理层的迅速响应，实现更小调度粒度，减少调度符号数目，实现快 速传输，从而降低时延，增加可靠性。同时上下帧调度使用快速接入免授权调度，防止采用 调度申请请求和调度许可，快速接入信道，降低时延。Radio Fqe 10 rm根据子载波间隔的灵活构架图2-8 Mimi-Slot时隙结构上行免授权调度，提供了一种基于非动态授权的传输方式，通过激活上行配置的周期性 授权，并基于此授权配置可进行屡次上行传输。上行免授权调度对于时延敏感业务以及控制 信息开销方面均有所帮助。在NR协议中，进行了 2种上行免授权传输配置类型的定义，称 之为Type-1与Type-2。Type-1的方式通过RRC信令配置周期、频域资源、时域偏置、 调制编码等参数。而终端设备，接收到RRC信令后，随即根据时域偏置进行授权配置的激活。 而Type-2的方式同样通过RRC信令进行周期的配置，而通过PDCCH激活指示的传输参数 与授权配置。PDCP duplication ,即将PDCP packet复制到不同载波的RLC实体，通过不同的空口 发送相同的数据，在不增加时延的基础上，进一步提高可靠性。3Gpp R15标准已支持PDCP Duplication功能，但仅支持2个副本。R16标准提案中建议支持4个副本。在对时延要求 较高的场景下，可以提高传输可靠性。确定性业务统一承载技术承载针对行业现场网TSN类业务承载互联的需求，支持TSN+确定性网络承载方案，即 UNI侧接入TSN类确定性现场网业务流量，将承载网虚拟成TSN虚拟网桥提供确定性精准 连接。承载网可以在Detnet网络架构和模型中采用不同的连接技术提供精准网络连接（如图 所示），从应用角度精准网络连接等同于虚拟的“光纤”连接，转发时延和抖动是确定性的。L2确定性业务TSNL2确定性业务TSNEthernet图2-9承载确定性网络架构与模型示意图EthernetL1层硬隔离精准网络连接支持从网络L1-L3提供不同特性的连接技术，包括以太网TDM的ITU-T MTN技术，L2层以太网软隔离的PWE3仿真技术，L3层IP Qos保障技术 等。不同的连接技术可以提供不同的隔离特性，转发时延和抖动特性以及可靠性等。用户可 以根据业务的差异化需求选择合适的连接技术，其选择过程可以通过智能化管控自动完成。精准网络连接同时支持精准质量指标检测功能，具备实时检测连接的丢包、时延和抖动等关 键指标，保障连接质量并简化运维。承载网络切片技术是支持现场网络综合承载的基础能力，基于统一的承载网络基础设施, 针对行业现场网络的差异化承载需求进行网络切片，为行业应用提供合适的网络资源保障， 进而为行业应用要求确实定性承载提供有保障的虚拟专网服务。243演进趋势5G与TSN解决了网络传输层确实定性统一通信问题，OPC基金会推出的新一代OPC 标准OPC UA （ Unified Architecture ,统一架构）,那么统一了工业协议层的互操作接口，使 信息在任何时间，任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用；OPC UA这种功能 独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统，解决泛在工业协议业务层互联互通问题。5G与TSN、OPC UA组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的完整的工业通信解决方案。随着5G和TSN产业链的成熟，该方案将有望逐渐成为工业现场通信的 最正确实践。1.1.3 5G毫米波通信方案应用简述255G毫米波通信方案未来的开展方向 271.7 中低速通信28中低速物联网概述 281.7.1 AFH 技术 29低功耗功率控制技术291.7.2 时间同步技术301.8 行业现场网数字挛生31行业现场网数字挛生的意义311.8.1 行业现场网数字李生技术构成33.行业现场网典型应用场景343.1 工程机械制造343.2 矿山行业363.3 电力行业373.4 钢铁行业403.5 智慧楼宇413.6 智慧港口 433.7 医疗养老45.行业现场网技术与产业开展展望484 .缩略语50附录1 .参考文献53附录2.联合编写单位及作者542.5高精度室内定位高精度定位的概念和整体技术框架、技术点现场网采用的传统的定位方式一般是利用信号载波强度，即RSSI ( Received Signal Strength Indication )来做三角定位，其特点是精度低，对环境适应性差，但实现相对简单， 比方基于Wi-Fi信号RSSI ,或是基于蓝牙iBeacon信号RSSI的，精度为1/3或者1/4基 站间距的粗略定位。过去一段时间，工业产业内部对人员，可移动资产和设备检测和控制的 需求越来越多。产业界开展出对高精电子围栏，高精度轨迹，三维定位的几类高精定位需求。 针对这些需求业界开展出了两种技术方向：2.5.1.1 UWB(Ultra-WideBand)UWB是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信 体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或皮秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具 有GHz量级的带宽。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效 果好、平安性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用 于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。实验室 理想情况可以实现10cm左右的高精度定位，实际环境精度能到达亚米级。UWB定位系统 框架如下：定位应用定位用擎定位基站定位卡图2-10 UWB定位系统架构图每个定位标签以UWB脉冲重复不间断的广播发送数据帧到周围的基站；每个定位基站利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的 时间；定位弓I擎参考标签发送过来的校准数据，确定标签到达不同定位基站之间的时间差，利 用ToF或者TDoA算法来计算标签位置。2.5.1.2 蓝牙以蓝牙为代表，基于天线阵列的角度定位(AoA/AoD),是基于收发信号之间角度测量的 高精度定位方案。根据基站或终端上特殊设计的天线阵列(ULA均匀线阵，UCA均匀圆阵, URA均匀方阵)上不同天线链路上的相位差，基于相位MUSIC算法计算得到信号收发端之间 的相对角度，理想情况下精度也可以做到亚米级。得益于蓝牙产业链的成熟，基于蓝牙角度 定位在一定精度范围内更具有本钱优势。蓝牙高精度定位系统的框架跟UWB类似，唯一的 区别是最终位置的解算是通过不同基站产生的角度信息，而不是UWB里使用的时间信息。集成蓝牙定位技术的室内分布系统如图1所示，包括蓝牙室分天线、蓝牙网关、室分设备管理平台、室内定位能力平台和室内定位业务平台图2-11集成蓝牙定位技术的室内分布系统图2.5.2 高精度定位和运营商5G的整合方式5G技术大大提升了移动网络性能，提供大带宽、低时延、广连接的网联能力，为垂直 行业的数字化提供必要的技术保障，蓝牙、UWB高精度定位可以到达厘米级别定位精度，结 合现场网对于通讯和定位精度的需求，5G融合高精度室内UWB、蓝牙AoA等室内定位解 决方案应运而生。本方案主要考虑定位基站与5G分布式皮基站结合共同部署，定位基站复 用5G皮基站的站址资源、供电资源和传输资源，同时结合边缘计算、大数据等领先技术， 提供亚米级定位精度，满足智慧园区、交通枢纽、工业智能制造、大型展馆等室内场景下的 各种定位业务需求。5G融合UWB/蓝牙AoA定位方案定位基站连接5G智能室分的级联口，提供定位基站 设备的供电洞时UWB/蓝牙AoA基站的数据经过5G智能室分系统（BBU、PB和PRRU ）, 最终传输到部署在MEC上定位解算服务。该系统融合由硬件层、网络连接层、数据解算层和应用层四局部组成。5G融合UWB/ 蓝牙AOA定位融合方案组网架构如下图:Cat5*Cat5*光电分合线图2-12 5G融合UWB/蓝牙AOA组网架构高精度定位未来的开展方向2.5.2.1 多种定位技术相互融合5G NR 一开始就提出了定位场景和需求，在3Gpp R16中制定了室内3m室外10m级 的定位标准，R17会提出小于30cm的定位规格，只是实现的难度和芯片成熟度显著高于当 前UWB实现。未来也可能将UWB具有的纳秒或皮秒级以下的极窄脉冲应用在5G或者6G 上，使其具备高精度定位的能力。随着5G产业链的不断开展，未来可能在特定场景下使用特定定位技术，以延伸高精度 定位的适用区域，降低用户整体覆盖本钱，比方室内通过UWB定位，室外基于基站或者差 分GPS定位。又比方：飞行时间和天线阵的结合，虽然还没看到商业产品，但一些芯片厂家 已经在硬件上预留了能力，未来可以通过信号飞行时间和角度信息结合进行位置解算，比起 仅适用飞行时间或者仅适用角度信息，定位系统的精度，抖动会变得更小，对环境和适应性 变得更强。业务层上GIS技术和高精度定位结合当前做高精度定位的厂商通常不具有地图技术，定位应用的前端界面简单依赖定位弓I擎 的计算结果进行位置映射。在处理偶发的点位跳动，道路附着，轨迹美化方面有着先天的不 足。参考室外GPS定位产业的开展方向，高精度定位产业后续的开展一定离不开室内高精地 图技术的开展与融合。2.6 毫米波通信5G毫米波通信方案概述及关键技术点2.6.1.1 5G毫米波通信方案概述和中低频段相比，5G毫米波具备多个突出优势。这些优势使得5G毫米波备受业界关注, 被认为是用户体验革命性提升和各行各业数字化转型的关键使能技术。也是行业现场网的迫 切需求之一5G毫米波技术的最重要的优势，是频率资源丰富、带宽极大。5G毫米波之所以受到重 视，是因为其相较于5G Sub-6 GHz频段（FR1 ）具有更丰富的频谱资源（如图1所示）， 是5G网络提供千兆连接能力的主要方式，是实现5G最初愿景的有力保证。毫不夸张地说, 要到达5G最高速率要求，就必须使用5G毫米波频段。<6 GHz BandsmmWave Bands300 MHz 3GHz30 GHz300 GHzA= I m X= 100mmA= 10mmX= I mm图2-13 5G毫米波频谱资源5G毫米波网络可轻易实现Gbps级别的峰值吞吐率。比方在26 GHz频段内分配连续 800MHz频谱，采用四个单载波200MHz实现载波聚合传输（4*200MHz）,基于3GPP标准可用的信道宽度和调制方式，结合先进的天线设计和射频处理技术，在DDDSU帧结构 下，5G毫米波系统最高可获得13 Gbps的峰值数据吞吐率。2.6.1.2 5G毫米波通信方案关键技术点 1)大规模阵列天线技术结合5G毫米波的频段高、波长短，使得其在设计和部署上有空间优势，非常适合与大规模阵 列天线技术(Massive MIMO)相结合，提升波束赋形增益，增强性能并降低干扰。大规模 阵列天线技术通过波束赋形，利用信号叠加提高增益，可在单根天线功率很低的情况下，依 然提供很好的信号质量。由于波长较短，5G毫米波设备的天线阵列可在有限尺寸空间内放置 更多天线阵子，特别是5G毫米波基站的天线阵子数量可以到达256、512甚至更多，因此 无论上行下行均可获得极大波束赋形增益。2)灵活的波束管理方案波束管理方案包括波束搜索、波束跟踪以及波束切换等，使5G毫米波系统能在信号阻 挡的情况下迅速捕捉新波束并动态地实施波束切换。受益于大规模阵列天线和波束赋形技术,5G毫米波信号通信距离大幅增强，可以用于短 距传输和室内热点覆盖之外的更多场景。2.6.2 5G毫米波通信方案与运营商网络协同方式5G毫米波由于高频段带来的传播特性决定其不适合连续组网，因此必然会面临与Sub-6 GHz共存的问题，主要的问题是如何进行协同的网络规划和灵活的业务负载分担。目前的主 流演进路线是DC和CA。相对来讲DC的方式更易实现，终端支持难度稍低，而CA的方式 效率更高，实现更深层级的协同。因此，如果是仅仅是增加容量的热点区域，使用DC就可 以满足要求。面向长期演进，且对下行覆盖连续性有一定要求，可以考虑使用CA方案。5G毫米波与Sub-6 GHz的共存的另一个技术挑战是5G毫米波与5G Sub-6 GHz在 载波聚合场景下的同步问题。由于通信器件的硬件差异，5G毫米波与5G Sub-6 GHz载波 的定时很容易出现误差，导致载波聚合系统的同步出现问题。目前，3GPP标准已针对非同步的载波聚合系统带来的问题进行优化。另外，在5G通信系统中，5G中低频和5G毫米波基站通常会出现同站共存，终端也会 同时支持5G中低频和5G毫米波网络。不同系统共存的物理限制，比方空间限制，散热等， 也是毫米波与Sub-6 GHz系统共存的技术挑战之一。比方，5G终端既需要支持5G网络 上的毫米波信号，也需要支持5G中低频信号。然而，中低频信号传输较长波长，与5G毫 米波无法使用一个天线覆盖，因此，为了 5G中低频和5G毫米波的共存，终端需要安装多 组不同功能的天线。而如何放置5G天线，使其适合移动设备，平衡有限的物理空间和保证 不同信号的覆盖需求，又不影响彼此的性能，成为新的设计挑战。2.6.3 5G毫米波通信方案应用简述根据3GPP TR 38.913定义，与高频段应用相关的几个场景分别为：室内热点、密集城 区、宏覆盖、高速铁路接入与回传以及卫星扩展到地面。国外当前应用比拟成熟的是美国和 韩国的热点覆盖和FWA （固定无线接入）的应用方案。1）典型热点应用场景体育场图2-14热点覆盖应用场景2) FWA应用场景图2-15 FWA场景示意图3)企业园区专网通过和边缘计算、人工智能等前沿技术结合，5G毫米波在大带宽网络基础上叠加丰富多 样的增值服务，可以为像园区、厂区、码头、港口等覆盖区域提供定制化的园区服务。图2-16企业园区专网场景示意图2.6.4 5G毫米波通信方案未来的开展方向未来5G毫米波的技术和产品演进主要有以下几个方向：1)推动5G毫米波高频器件产业化开展高频器件的能力指标决定了 5G毫米波系统的设备能力和系统的功耗能效，高频器件的产 业化成熟度决定了 5G毫米波系统的设备本钱，对未来的部署方案和落地应用产生重要影响。 目前国际企业支持高频段射频器件和芯片的频段和种类比拟完备，技术成熟，产业能力强， 而高频模拟器件与芯片是中国通信产业的短板，适用于民用通信的器件材料工艺成熟度与全 球领先企业存在较大差距，需要产业界汇聚产学研用力量共同推进国内高频模拟器件的产业 开展，打造成熟的高频段射频器件与芯片产业链。2)完善5G毫米波测试方案5G毫米波基站设备空中下载技术(Over The Air, OTA)射频指标标准化趋于成熟的同 时，指标测试方案的可行性、可靠性、准确性、本钱和效率等都面临新的问题和挑战。测试 场地本钱、测试效率以及测试准确度等都是OTA测试方案需要考虑并给出解决方案的问题。 目前行业内相关机构和厂商都在该围绕该技术方向进行探索研究，需要整个产业界从测试环 境、仪表器件和算法设计等多方面共同努力，克服阻碍问题，推动5G毫米波基站OTA射频 指标测试技术的突破与进展。3)支持更高的频段毫米波高频段拥有丰富的频谱资源，是满足未来大容量通信需求的必由之路。3GPP NR Rel-15中定义的毫米波频段FR2上限为52.6 GHz，目前3Gpp NR Rel-17已经开展对52.6 -71 GHz毫米波频段的通信研究将优先考虑面向新扩展的60 GHz频段制定5GNR标准， 而60 GHz近期已被世界无线电大会确定为局部国家和地区的国际移动通信(IMT)频段。 在3GPP NR Rel-18及以后，首先会考虑支持100 GHz附近的毫米波频段，比方设计支持 到114.25 GHz毫米波频段的空口特性。这些5G毫米波频段比现有FR2的毫米波频段更为 丰富，所提供的峰值吞吐量会更高。预计未来5G毫米波的开展方向必将扩展到100 GHz 以上，甚至到达300 GHz的毫米波频段。更高频段5G毫米波通信被认为会在很多方面带来变革，比方移动数据分流、短距机器通信、宽带分发网络、IAB组网、工业互联网、AR/VR、 智能交通、数据中心无线连接等。与之同时，更高频段5G毫米波通信也会带来复杂的技术 问题，比方更强的相位噪声、更严重的路损、更严重的空气吸收、更低的功放效率等，这些 将是5G毫米波技术未来面临的挑战。4）开展5G毫米波射频算法演进研究面向未来5G毫米波系统进一步性能优化、功耗降低和能效提升等技术难题，除了推动和 提升高频关键器件与芯片的产业能力之外，也需要开展关键射频算法的技术研究。研究方向 包括针对大带宽信号的峰值因子消减算法，欠采样数字预失真算法，混合赋形架构下的数字 预失真算法和多通道校准算法实现方案等。上述算法研究工作的开展和可行方案的开发实现, 对于未来5G毫米波设备的网络部署和落地应用有重要意义，是下一阶段5G毫米波射频技 术需要重点关注和研究的工作方向。随着5G建设加速推进和应用终端日益丰富，5G毫米波市场也将迎来广阔的开展空间。总而言之，5G未来图景让人倍感兴奋，更多5G创新正在孕育之中，5G毫米波网络将赋能 未来十年及以后的持续性科技突破。2.7 中低速通信中低速物联网概述中低速物联网是下行传输速率在10Mbps以内，上行传输速率在5Mbps以内的物联网 连接。根据Machina Research预测，2025年全球物联网连接数将到达270亿，中低速物 联网有望占据蜂窝物联网总体连接规模的90% ,承载绝大局部物联网业务应用。为满足中低 速物联网应用的开展需求，多种网络制式的物联网技术已经涌现，目前已广泛应用的既包括 工作在授权频谱的NB-loT、Cat、eMTC等，也包括工作在非授权频谱的BLE、ZigBee、 LoRa 和 Sigfox 等。其中，工作在非授权频谱的Lora. Zigbee. BLE等受限于覆盖有限，可以与运营商蜂 窝网络进一步协同，进一步满足那些需要远距离传输、通信数据量少、且需电池供电长久的1 .行业现场网概述行业现场网内涵及特征根据ISO对行业现场网的定义，行业现场网是行业现场端侧设备网络接入技术的统称， 它们连接行业现场末端的各类终端、机器、传感器和系统，满足行业现场对传感、数据、定 位、控制、管理等多样业务需求。常见的行业现场网技术包括工业以太网(EtherNet/IP、ProfiNet、EtherCAT等)，现 场总线(ProfiBus. CC-Link、CAN等)，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等短距离通信技术,窄带 物联网(Narrow Band Internet of Things , NB-loT 远距离无线电(Long Range Radio , LoRa XSigFox等低功耗广域网通信技术 以及时间敏感型网络(Time Sensitive Network , TSN 1 毫米波、无源射频识别(Radio Frequency Identification,RFID 超宽带(Ultra-Wide Band,UWB )等通信技术。LegendService networkAccess networkProximity networkObservable manufacturing element (OME)User network图1-1行业网络框架(ISO 23247)1.1 行业现场网技术开展背景随着5G技术全球商用以及智能制造、工业互联网的蓬勃开展，行业现场网迎来空前的物联网应用。2.7.2 AFH 技术AFH ( Adaptive Frequency Hopping )即自适应跳频，其工作原理是通过设计信道选 择算法建立信道质量分析机制进行频率的自适应控制，拒绝使用曾经用过但是传输不成功的 跳频频率集中的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频点，使跳频通信在无干扰的可使 用的频点上进行，从