5G智联工业互联网产业变革

1、5G智联工业互联网产业变革技术创新，变革未来工业互联驱动5G5G赋能数字转型工业互联对5G的期待5G如何适应工业需求5G赋能产业数字转型23工业互联网对5G的期待从数字化到网络化和智能化计算控制CPS流程电子化管理数字化生产自动化运行网络化企业智能化财务电算化办公自动化门户网站化产品寿命管理（PLM）供应链管理（SCM） 企业资源规划（ERP） 客户关系管理（CRM）物流仓储管理（WMS）监控与数据采集系统（SCADA）分布控制系统（DCS） 制造执行系统（MES） 计算机辅助设计（CAD）计算机辅助制造（CAM）电子商务协同制造物联网工业互联网 云制造大数据人工智能信息-物理系统（CPS）价

2、值链管理 生态链管理4工业1.0机械化工业2.0电动化工业3.0 自动化工业4.0 智能化打造工业互联网平台，拓展“智能+”，为制造业转型升级赋能。-2019政府工作报告实时数据库关系数据库设备管理生产管理调度管理操作员站OPC服务器操作员站 实时 数据库OPC服务器工程师站VPN服务器RTUPLCPLC可编程 逻辑 控制器DCS/FCS工业 防火墙工业防火墙分布控制系统远程终端控制单元现场总线仪表智能仪器仪表工业以太网/ TSN数控车床OLE-对象的连接与嵌入 OPC-OLE过程控制监控与数据采集系统SCADA服务器现场控制系统工业互联网的组成5物联网通信/ 传感网协议工业以太网/时延敏感网

3、络（TSN）协议Internet 4G/5G企业内网或外网（SD-WAN onInternet/VPN/4G/5G）边缘计算云平台40%跨物联网应用的潜在价值以及某些环境中将近60%的潜在价值都需要运用互操作性。工业互联需要低时延场景端到端时延抖动通讯服务可用性%可靠性%用户体验 数据速率/(Mbps)离散自动化- 运动控制1 ms1 us99.999999.99991 - 10离散自动化10 ms100 us99.9999.9910过程自动化-远程控制50 ms20 ms99.999999.99991 - 100过程自动化- 监测50 ms20 ms99.999.91配电-中压25 ms25

4、 ms99.999.910配电-高压5 ms1 ms99.999999.999910远程控制5 ms待定来源：3GPP标准，201599.99999.999从低到106功能非实时通信信息集成传感器/执行器运动控制实时通信通信技术以太网DCOM工业以太网工业以太网等时通信延时敏感网络通信周期100ms100ms10ms1mss（同步精度数十ns）L3L4协议CSMA/CATCP/IPTCP/IP+RTTCP/IP+IRTTCP/IP+IRTL1L2协议标准以太网标准以太网标准以太网标准以太网+专用IC标准以太网+专用IC车辆自 动化等 级自动化程度传输时延（ms）每车网速（Mbps）L1驾驶辅助

5、10010000.2L2部分自动化201000.5L3条件自动化102016L4高级自动化110100L5全自动化110100来源：刘韵洁院士工业互联需要确定性通信业务类型流向特征流量特性发包周期包长速率抖动电力继电保护继电器间1ms356B2.92Mbps 0.4 ms欧姆龙工控电机电机伺服与云化PLC(MEC)1ms100B0.8Mbps 1 ms倍福XTS电机伺服与云化PLC(MEC)0.25ms100B3.2Mbps 0.25 ms注：抖动的允许值的推算是按照伺服只存一条指令，而且不能丢失指令。来源：华为2012网络技术实验室，2019确定性通信需要在以下环境下保证：一般消费类电子芯片

6、工作温度在2070 ；车载芯片的工作温度必须满足40 85 ，还要能经受住冷热冲击、电磁兼容、抗震性、抗干扰等压力。7工业超高清视频和VR/AR对带宽与时延的要求8分辨率像素帧率位深直播码率点播码率接入码率TV全高清（FHD）1920*1080207万4055 吋超高清（UHD）4096*21604K830万6010bit2540M1030M50M6585 吋超高清（UHD27680*43208K3320万12012bit5080M3560M100M100 吋以上帧率色域 色深动态8K4K2K分辨率120P60P10bit16bitBT 709BT 2020HDRUHD2VR/AR 视频码率预

7、VR 16M、早期 64M、先进 279M、高级 3.3GVR/AR 网络码率预VR 25M、早期 100M、先进 418M、高级 1GVR头盔如时延超过7毫秒就会产生眩晕感， 而4G时延约40毫秒，5G可望满足VR要求。工业高清视频应用需 要高带宽与低时延通 信支撑！5G如何适应工业需求95G 支撑高可靠低时延十年一代，移动通信峰值速率十年千倍！100Mbps2Mbps200kbps20Gbpsffff正交增强移动宽带（eMBB）超可靠低时延 （uRLLC） 广覆盖大连接（mMTC）1G4G面向个人通信，5G扩展到 产业互联网和智慧城市应用大规模天线、边缘计算IMOHigh-risecove

8、rage28*128Distributed antennaWireless backhaulMacroPico coveragecoverageWired (HetNet)backhault频分多址t时分多址t码分多址t频分多址性能比较4G5GFDMATDMACDMAOFDMA峰值速率 Gbps0.6620容量 = 基站数xf（天线数 n ）x信道带宽xlog(SNR)用户体验数据率 Mbps10100频谱效率超密集组网大规模天线阵全频谱接入新型多址技术及网络技术X1X3Coding移动性 km/hMMIMOT3505001 128*128无线接口延时 ms101连接密度 万/km10100F

9、能效X10X1000流量密度 Mbps/m100.110多种转发模式与网络功能虚拟化（NFV）L3路由器IP包颗粒性好，但时延大，效率低L2交换机MAC帧颗粒性仍较小，时延大L1.5以太网中继64/66码块颗粒大，时延低，适应视频NE2NE1NE3创建转发面物理隔离的切片网络分组交换交叉连接互联网初期网络不够稳定，所 有业务都以IP包的方式独立选 路。对于视频类长的IP流切成 小包来选路效率太低。网络需要有在不同层次的多种 转发单元，以适应不同规模的 业务流。多转发模式带来灵活性，但需 要网络具有识别业务流的智能 管理能力。硬件应应用用应应用用应用中间件中间件 中间件OS虚O拟S化OS处理器通

10、用处处理器理器处理器专以用X86等专通用用硬件专用硬件 实现硬的件网元软 件硬 件NFV (网络功能虚拟化)IP/MPLSIP/MPLS路由器MAC交换机PCS以太网中继PhysicalPhysicalMediumMediumPCS物理编码子层MACIP包MAC幀64B/66B码块比特流软件定义网（SDN)支撑面向连接通信传送与转发功能SSCCS C传送与 转发功能S CSCSC传送与 转发功能S CS CS C传送与 转发功能S CS CS C传送与转发功能节点控制功能节点控制功能节点控制功能节点控制功能节点控制功能S CS CS CWLAN业务控 制功能业务控 制功能PGW业务控制 功能O

11、peninterfaceto hardwareWell-defined open API控制平面中公共控制功能集中式的网络控制器NNeettwwoorrkk OOpSer2atingNSetywstoermk OS 3Network OS 1Network OS 4MME业务控 制功能SGW业务控制 功能业务控制功能业务 控制 功能ITU-T Y.3300,“Framework of software-defined networking”, 6/2014.地址标签栈密钥净荷IPv6报头IPv6扩展报头IPv6包R1R2R3R4R5R6载荷数据载荷数据载荷数据载荷数据载荷数据204405506

12、载荷数据405506506从无连接分 组交换方式 到面向连接分组交换54321信件BACFGED1234521435通过源选路并面向连接实现 通信低时延网络切片组织虚拟专用网无线接入技术移动前传系统移动回传系统传送网用户设备数据中心计算与存储资源网络资源物理 设施各种需求的应用与服务用户设备无线接入网移动分组 核心网云切片A切片B切片C云平台网络管理 与协同（切片产生/终止/管理、指配拓扑/协议和网 络功能）APIAPP 驱动的API服切片控制器（务特定可编程）控制面数据面虚拟网平台物理/逻辑转换抽象超高移动 性业务切片特定的OSS服务预约管理切片操作管理维护安全管理切片间管理切片间连接性管理

13、切片发现与选择故障管理、配置管理、 动态计费管理、性能管理、 自适应存储器超低时 延高可 靠业务超宽带 业务Access DCMetro DCCore DC(按业务特点组织适应性能需要的VPN信道，提供针对性的服务，但对网络的管理能力是很大挑战。13边缘计算14Enterprise Intelligence中心云边缘云（容器技术、函数计算等）预测性维护分析AI Interference模型N视频预处理 设备管理 模型1智能质检实时流处理 模型2微服务架构LiteOSEC-IoT网关服务器第三方节点云边协同（HTTP、MQTT等）长周期(模型训练， 规则制定)低时延(海量数据，实时响应)来源：华

14、为公司智能大数据基础AI平台云PaaS云IaaS通用AI服务设备IOT网关企业服务器网络交 换机云平台/工业大脑大数据边缘计算据IDC预测未来将有超过50%的数据在 边缘侧处理。到2020年边缘计算支出将占物联网基 础设施总支出18%。成本仅为单独使用中心云计算的39%。工业生产线上的传感器、工件、机器人、工业 的VR/AR应用都要求快速响应；在降低无线空口时延的基础上，还需要将计算 能力下沉，利用边缘计算实现本地缓存和过滤 数据，降低到中心云的带宽压力；提供确定性的传输时间，增强可靠性。155G用于工业互联网的外网和内网TDD-FrameDownlinkUplinkDownlink / Up

15、link SeparationTimeUplinkDownlinkDownlink / Uplink SeparationFlexible switching pointTDD-FrameTime面向消费者应用的TDD上下行配置面向工业应用的TDD上下行配置产业数字化需将厂内设备联网，而机器人、物料小车及工件无法用光纤。现有无线技术因稳定性、扩展性、低速率 等问题使得其在工业领域利用率仅6%。Flexible switching point 5G为工业互联网而设计，企业可租用运营商网络，以网络切片方式提供VPN。但面向消费者应用时TDD（时分双工）下行 容量高于上行，而工业互联网则需要更大容

16、量用于上行。相反的TDD上下行配置在运营商同一网络时需要有保护隔离，以应对互相干扰。企业可申请专用频率自建5G专网，可实现 灵活按需配置TDD的上下行时隙，无需考虑 与公网TDD上下行时隙配置的兼容问题。企业5G专网需有专用频率，ETSI测算需76MHz，德国分配100MHz。企业内部时延敏感网络（TSN）及其与5G的连接16利用5G接入网和核心网能力为垂直行业提供局域网服务；提供IP/non-IP连接；私网标识与管理；与公网的互操作；5G架构支持TSN网络能力、同步配置和QOS要求。TSN设 备适 配 器UE用 户 终 端5G基 站5G核心网控制面用户面适 配 器EthernetEthern

17、et空中接口QOS管理TSN系统时钟TSN主时钟回传5G系统以太网头净荷5G开销以太网头净荷以太网头净荷IEEE 802.WiFiMoCA / Ether over PowerIEEE 802 EthernetIETFMPLSG.8032RingIECNo62439-262439.3bridgingMRPHSR/PRPat allIEEE 802bridgingIETF MPLSPseudowire Seamless RedundancyITU-TIEC 62439.3Seamless RedundancyIECNo Seamless RedundancyIEEE 802Seamless Re

18、dundancyIPv6No L3 at allIPv4Any of dozens of L2/L3/L4 (and up) Transport ProtocolsApplicationIEEE 802.1 TSN Time-Sensitive Queuing Model有优先权的帧1可抢占的帧232311有优先权的帧输 入 端 口输 出 端 口对于时延和同步要求十分严格的流程工业和自动化生产线，需采 用时延敏感网络（TSN），它改进工业以太网，在数据链路层以 太网报头的虚拟局域网标签中增加QOS分类，允许高优先级的帧 打断低优先级帧的传输以保证低时延。5G 嵌入工控管理软件工业大数据系统（工

19、业数据清洗、管理、分析、可视化等）设备管理资源管理运维管理故障管理17工业数据建模与分析（机理建模、机器学习、可视化）应用开发（开发工具、微服务框架）工业微服务组件库+封装的人工智能算法人工智能功能系统/架构集成（算法、训练、工具）PaaS （平台即服务）SaaS （软件即服务）云架构基础设施即服务IaaS平台即服务PaaS软件即服务SaaS数据即服务DaaS知识即服务KaaSERP金融销售客户关系管理采购制造资 源规划人力资源服务ERP5G人机交互大数据 分析云计算区块链API超连接存储计算自治决策物联网机器学习基于Excel表的传统的ERP生产库存智能ERP增加的功能执行时间能缩短25%工

20、控软件需要与物联网、大数据、云计算、AI结合， 从静态发展到动态自适应实际场景。185G赋能产业数字转型5G 推动AI+IOT发展到AIOT19AI芯片应用端 开发工具面向终端设备 的开发平台AIOT操作系统IOT模块开发框架IOTAIAI + IOT = AIOT（智联网）AIOT在产业链上更强调AI芯片与AI能力开发平台，帮助IoT开发者解决开发兼容问题。AIOT 使物联网所感知的大数据能直联 AI实时决策；终端直接上云，相当于云 端能力虚拟到终端，增强了终端能力。5G的大连接要求：-100万/1km 设备联网；-传输时延10秒内；-不高于1%的丢包率；-一定的连接效率。3GPP通过仿真向ITU 报告：在5G频段工作 的NB-IOT和eMTC能 满足5G的连接要求。5G+8K 视频直播与机器视觉据前瞻产业研究院的数据，中国每天在产线上进行目视检查的工人超过350万，但人工检测准确度不高。工业高清视频经过5G和边缘计算与中心云相连，结合AI能力， 与