基于毫米波的工业 5G 创新应用白皮书

目 录5G应用背景1（一）5G毫米波应用的重要意义1（二）5G毫米波应用的全球现状3（三）5G毫米波应用的市场前景6（四）5G毫米波应用的政策背景9二、5G毫米波的工业领域创新应用方向 .--（一）行业专频专网（二）通感算一体化12（三）人工智能驱动13（四）组网架构创新14三、5G毫米波专频专网简介17（一）5G毫米波技术优势17（二）5G专网模式对比21（三）5G专频专网安全性24四、基于毫米波的垂直行业应用26（一）制造行业27（二）港口行业31（三）风电行业35（四）电力行业38（五）矿山行业42五、建议与展望46（一）加快构建毫米波行业应用规范46（二）深化并拓展毫米波的行业应用46（三）推动毫米波技术适度预研攻关47（四）促进毫米波产业链发展与协同47（五）加强毫米波技术领域人才培养47参考文献48一、基于毫米波的工业5G应用背景（一）5G毫米波应用的重要意义5G与工业互联网的深度融合应用已成为驱动经济社会数字5G的重要组成部分，5G毫米波以其5G毫米频谱资源是移动通信产业发展的核心资源。5G毫米波频谱3GPP24.25GHz52.6GHz5G-A时代的5G5G愿景，运营商普遍采取“Sub-6GHz+5G部署策略，充（毫米波5G频谱5G-A时代对大带宽频谱资源的行业需求。在应5G5G先地位对于提升我国通信设备制造商在全球市场的竞争力至关在国际合作上，我国积极参与毫米波技术国际标准化工作，毫米波行业创新应用是顺应5G及未来无线通信技术演进的5G+（二）5G毫米波应用的全球现状2023141个国家和地区的监管机5G32个国家和地区完成毫[1]GSMA5G毫米波试验开展，225G服务。13GPP5G-Advanced（5G-A）5G5G发展进入新阶5G-A我国已完成多个毫米波频段的规划和试验，包括但不限于24.75-27.5GHz37-42.5GHz1数据来源：GSMA移动智库PauCastells，2023年MWC上海世界移动通信大会-3-目前国内毫米波通Sub-6GHz在国际范围内5G毫、20185G毫米波的商用部署，在很多城市建立了相当规模的毫米波网络，202120217X655G200MHz载波带宽的5G毫米波数据连接。20232X755G调2资料来源：TechInsights,Global5GmmWaveSmartphoneShipmentsForecastbyVendorto20245G-AX75还旨在面向全部关键垂直领域，5G下一阶段演进。2019年初开始了毫米波进40Gbps的2020（FraunhoferPTRohe&SchazRS、巴斯勒（Basler）5G工业园5G毫米波在工业环境中的传播和网络质量。2023年德国电信、爱立信和高通公司合作，在5GQoS管理连接中的应用。日本允许垂直行业申请28.2GHz-28.3GHz毫米波频段，日本NTTDOCOMO20209月便开始使用毫米波频段提5G20227月，日本四大移动运营商成功部署20,0005G韩国科学技术信息通信部为推动企业数字化转型及韩国各5G2021104.72GHz-4.82GHz28.9GHz-29.5GHz5G20241315G5G（三）5G毫米波应用的市场前景同时也能够在低空经济、卫星通信等领域发挥重要作用。根据《202320235G3.162.2倍。应用案例9.49771在国外在毫米波行例如，爱立信与奥迪携手利用第五代移动通信技术（5G）为未来工厂的发展开辟了新的可能性。自2018年8月双方宣布合作以来，双方力争将5G技术融入汽车制造业，并在与奥迪及西克公司的合作基础上进一步发展，利用5GURLLC（超可靠低延迟通信）技术，为西克公司的自动引导车（AGV）的安全运行提供了网络支持，从而将工厂自动化推向了一个新的高度。该技术为自动化通信的行业标准，如PROFINETRT和PROFIsafe的运行提供了严格的低时延保障，确保操作安全，并避免了安全停止的发生。这一进展在工业自动化领域极为关键，因为它首次实现了安全的人机交互，而不再依赖传统的有线网络连接，为工业4.0的实现提供了突破性变革。爱立信和奥迪于2020年1月在瑞典基斯塔的工厂中，成功进行了5GURLLC功能和工业自动化应用的结合测试。两5G毫米波网络进行通信，并5GURLLC的低延迟和高可靠性，当生产工人接近工作区域时，机器人能够立即暂停操作，或早期移此外，5G毫米波URLLC技术的应用使得工业机器人不再在低空经济领域，特别是无人机和城市空中交通（UAM）济行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》，2022年中国低空2.52035年，中央对国家低空经济的产业规模预期达6万亿元。[4]在卫星通信领域，毫米波频段也为地球同步轨道（GEO）、低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO）卫星通信系统提供了新的发展空间。KuKa（27-40GHz）5G的构建，促进偏远地区网络覆盖、应急通信和商业航天市场的发展。近年来，“卫星互联网”已纳入新基建范畴，依据测算，预计2024—202915%，2029年我国卫2000亿元。（四）5G毫米波应用的政策背景5G5G毫米2017724.75-27.5GHz和37-42.5GHz5G技术研发毫米波实验频段，中国2019IMT-2020（5G）5G毫米波的试20195G毫米波系统特性及关键技术，20205G2021202035G国家频率规划进度安排，组织开展毫米波设备和性能测试，为5G5G毫米波频段频202175G（2021—2023年5G毫米波5G5G5G工业专用频率使用许可模式和管理规则。2021年月工业和信息化部发布的《“十四五”信息通信行业发展规5G5G5G毫米波网络建设。20231月，工业和信息化部发布《关于微波通信系统频率使率使用规划进行优化调整，通过新增毫米波频段（E波段，71-76GHz/81-86GHz）大带宽微波通信系统频率使用规划等方式，5G基站等高容量信息传输（微波回传）场景需求，5G6G发展预留了频谱资源。二、5G毫米波的工业领域创新应用方向（一）行业专频专网例如工厂的多机器人作业更好的行业自主性5G毫米波专频专网构建独立、专用的通感算一体化网络。各行业基于业务需求的不同，更高的资源使用灵活性5G要时能得到充足且稳定的带宽保障。5G毫米波专频专网可以设定严格的服务质量等级（QualityofServiceQoS），确保更强的网络传输确定性5G毫米波专频专网可根据行业特点设立多重备份5G公网的传输可靠性。更高的网络安全性是指5G毫米波可在指定区域内构建高度定向、抗干扰性强的无线网络，实现数据的高速、低时延传输。在工业环境中，5G毫米波专频专网可以限定通信范围，避免非法侵入和监听的风险，提高数据传输的保密性和完整性。（二）通感算一体化5G（Communication）功能感知功能集成是指5G毫米波专频专网可以用于雷达和成像等感知应用，通过精细的波束赋形技术，实现精确的空间定位、物体识别和运动检测等功能，为智慧仓储、无人机导航等场景提供强大的感知能力。资源共用与协同是指通感算一体化网络通过灵活的频谱资统一网络计算架构是指软件定义无线电（SoftwareDefinedGPU5G毫米波通感5G毫米波无线组网能够构建一个人工智能（ArtificialIntelligenceAI）内生的可编程、（三）人工智能驱动AlphaGoChatGPT应用的飞跃，人工智5GAI为中心的智能化网络服务受到广泛关注，具体体现为以下两个主要方向。一是将生成式大语言模型（LargeLanguageModels，简称MsComunicationandGenerativePre-trainedTransformer）能够根据计算能力在边缘和LLMsLLMs可以高效利用基LLMs的互动，实现网络的决策优化、资源调度、自适应配置和智能预测等功能。（DeepNeuralDNN）5G毫（（四）组网架构创新5G毫米波专频专网的架构创新旨在通过简化网络架构、优满足系统低时延、高可靠的要求。5G毫米波专频专网采用扁平化网络架构，5GQoS传统的尽力而为（BestQoS的严格5GQoS（三是通过智能运维和免配置一柜式交付降低5G毫米波专频专网的使用门槛，提升运维效率，实现即插即用和自动化运维。AI技术实现网络的智能化运维，网的融合通信技术（HyFi-m）复用宽带射频模组与天线，利用5G毫米波的融合（API或消息总线实现不同系统间的数据共享和业务三、5G毫米波专频专网简介（一）5G毫米波技术优势5G中低频段相比，5G毫米波频段具备超大带宽、极低5G的Sub-6GHz（FR1）3-15G网络具备5G+Gbps级别的峰值吞吐率，为实现更高速、更稳定的通信提供了坚实保障。图3-15G频段分布示意图在密集摄像头的高清视频回传和工业相机质检场景的图片网络的空口时隙长度越短，意味着在物理层上的时延就0.125ms，仅为目前5G（minislot）调度，空口时延甚至会更小，这使得毫米波系统能够实现应5G系统显著5G1ms的要求提供了有力保证。优毫米波的高频特性和较短波长为其在设计和部署上带来空间布局的优势，特别是与图3-2波束赋形技术由于毫米波的波5G毫米波技术的高优势5：毫米波有利于实现高精度定位。毫米波技术在高精特别是在卫星导时间和阵子个数等因素影响，而毫米波具有大带宽、更短的OFDM符号和更小的波长，这使得其能够集成更多的阵子数。表3-1Sub-6GHz与毫米波的感知技术特性对比指标Sub-6GHz毫米波备注探测距离公里级+公里级以无人机为典型目标，相同EIRP和口径距离精度米级厘米级小于1m无人机，低频无法识别距离分辨率米级厘米级法识别速度精度m/scm/s速度监测精度速度分辨率m/scm/s可通过速度区分不同物体最大检测速度几十km/h几百km/h可跟踪的目标物体最大移动速度微多普勒特征不支持支持用于识别物体局部特征，如无人机旋翼角度精度1°0.1°以相同物理口径为参考角度分辨率5-10°1°以相同物理口径为参考微小位移监测精度厘米级毫米级毫米波可用于建筑、山体等微动监测Sub-6GHz频段更5G（二）5G专网模式对比5G专网包括虚拟专网（公网切片）、独立专网两种各具特点的建设模式：图3-3行业专网两种建设模式公网切片方案5G5G毫米波公网切片方案主要应用在热点和固定无线接入（FixedWirelessAccess两个场景。其中，热点主要针对高容量区域包括室内热点和室外热点，则针对最后一公里的家庭宽的网络中进行资充分保证。独立专网模式5G控制面和用户面全部下沉到企业内5G毫米波专频专网端到端5G5G的网管及运维需求。表3-2虚拟专网与毫米波专频专网的特性对比对比维度虚拟专网专频专网企业专享共享网络的切片专用5G核心网专用无线和承载网络建设模式虚拟专网以运营商5G公网为基础，以切片方式实现客户的业务承载，结合客户需求，通过现有虚拟专网连接至企业内部的数据中心5G及无线基站实现专网独立组网性设备资产和运营相对依赖运营商设备资产属于企业，有更强的自主性整体成本大功率宏站覆盖，按流量收费，成本高中小功率头端覆盖，整体成本低（三）5G专频专网安全性5G毫米波专频专网采用专用无线频段，实现了与公共网络的毫5G毫米波专频专网因其使用的高频段频谱，波束较窄，旁5G毫米波专频专网可以通过波束5G毫米波专种部署策略规避了云数据中心在进行网络切片时可能出现的隔离安全风险。表3-3虚拟专网与毫米波专频专网的安全性对比对比维度虚拟专网专频专网空口安全到无线干扰了来自公网的无线干扰数据安全在泄露风险基站和核心网设备独立部传输安全公网传输环节涉及部对较高传输全部局限于环境相对风险稍低云化安全核心网部署于公网云应用或各网络切片间的隔离风险核心网各功能模块集中部署于专网域内的通用服务切片隔离风险四、基于毫米波的垂直行业应用5G55G毫米波专频专网在技术方面具备大带宽、低时延、高可65行业应用特点与细分复杂场景需求，本章节梳理出5大行业中254-1将在各行业应用小节中进行详细阐释：表4-1毫米波创新行业应用（一）制造行业服务质量保障能力以及定位精度方面还无法充分满足工业场景的这些高性能需求，无法确保操作的安全性和可靠性。5G毫米波专频专网引入了新的技术及架构，提供了远超传AR图4-1智慧工厂PLC协同控制作XR远程协助，以及仓储区域的视觉SLAM智能物流机器人应用等。许多制造企业更加注重网络传输的确定性，即对带宽、PLC的99.999%的情况下时延都5ms以内，而不是一段时间内的所有包平均时延。图4-2造纸工厂AGVXR表4-2智慧工厂应用5G毫米波专频专网的业务场景和网络需求典型场景场景描述上行速率时延要求可靠性要求软件定义工业控制，通过较低，单点几毫极高云PLC协同控制作业云网融合和边云协同的PLC在远程运行，基于低时一般大于100Kbps秒设备控制。SLAM智能物流机器人SLAM获取的大量3D图形数据产生实时三维环境信息及物流机器人位置姿态信息可能需要通过大带宽可靠无线网络即时传输到远程控一般大于40Mbps几十毫秒极高性和实时性。XR技术涉及传输大量的3D图形数据、高分辨率视频流以及实时交互信一般大于50Mbps几十毫秒极高扩展现实）远程协助通过低时延无线网络将减轻头显设备的重量和复杂性。针对工业现场的视频大较高，100路并发一几十毫秒较高般 大 于设备高频多维数据无线采集现多维传感控制数据投50Mbps大帮助远程监控人员第一时间发现潜在的设备故障和生产停机风险。AI实时工业质检在实时处理高清图像或机器视觉系统产生的大量数据需要快速传输，满足高分辨率图像的实时传输需求。一般大于100Mbps几十毫秒较高（二）港口行业5-10公里，主要3-51020米不等，等。闸口区域主要是室外场景或半室外场景，建筑高度通常为8-10米，主要业务包括货物扫码和拍照检验等。图4-3集装箱港口5G毫米波专频专网提表4-3港口码头应用5G毫米波专频专网的场景描述和网络需求典型场景场景描述上行速率时延要求可靠性要求盲区覆盖与热点补传港口区域通常包含许多复杂的建筑结构，这些因素可能导致5G公网信号受到阻挡或衰减，30Mbps几十毫秒较高形成无线通信盲区。在特定区域内可以部署更多小基站解决传统蜂窝网络无法触及的无线盲区问题。无人集卡调度与群控集成车载终端实现远程通信、高精度定位、物联网及自动驾驶技术，实现货物从堆场到码头的无人化运输。无人集卡车群协同、安全性能提高以及与港口其他智能设备深度集成等方面对无人集卡的多维度应用提出了更多的需求。40Mbps几十毫秒较高岸桥龙门吊远程控制岸桥和龙门吊的远程控制，要求多路高清视频远程传输至远端控制台，控制命令需要保证端到端时延<10s40Mbps。几十毫秒较高港区低空无港区低空无人机应用已较高，单点百毫较高人机管控逐步普及，主要应用在秒港口安保、船舶检测、100Mbps应急救援、港口测量、环境监测等场景中，在应用过程中，需要保证大流量的视频流和高精度感知数据的实时回传，同时避免无人机控制频段无线电干扰，并对港区非授权无人机“黑飞”进行管控。智能理货场景中，利用较高，单点百毫较高人工智能视觉识别技秒术，实现全方位视频监30Mbps控和图像识别，实现对岸桥下关键作业信息的AI机器视觉智能识别，主要包括作业箱号识别、拖车车顶号识别、ISO码识别、作业状态自动确认、异常作业处理情况记录、存储作业视频录像等。（三）风电行业2023年12月底，国内风电装机4.420.7%[5]202450%[6]因风力发电场大都位于相对偏远的地区，尤其近几年大力发展的深海风电，图4-4陆上风电场现有的Sub-6GHz网络虽然提供更广的覆盖和较好的穿透力，的性能5G毫米波专频专网的出现为满足以上需求提供了新的解决方案。5G毫米波专网提供的超表4-4风电场应用5G毫米波专频专网的场景描述和网络需求典型场景场景描述上行速率时延要求可靠性要求由于风场通常位于偏远百毫较高一般大于秒风场设备灵活组网覆盖统的运营商网络往往覆20Mbps运维和数据传输的需求。风机关键部件（如叶片）百毫较高状态监测是一个重要应一般大于秒基于无线感知的风机状态监测现对设备状态的细微差10Mbps监测结果进行控制调整，提升机组可利用率。风电场空域入侵监测尖线速度快，一旦有风空器意外闯入风机的运及地面人员构成生命安全威胁。一般大于10Mbps几十毫秒较高雷视融合数据高速采集风电场的视频监控系统应用非常广泛，对风机、升压站等关键设施的外观状态进行实时监测，同时还需要对风机细微的运行姿态进行观测，再结合气象数据辅助分析风及时发现设备状态变化，一般大于50Mbps几十毫秒极高整体运维成本。智能化巡检无人机携带各种传感器和摄像头对风电场进行风场升压站配备了智能巡检机器人可执行自主巡检任务，通过图像识等方式实现设备状态监程评估和决策。一般大于50Mbps几十毫秒较高（四）电力行业PLCNB-IoT毫米波专频专网既能提供低时延、大带宽、高可靠的无线通图4-5电力行业场景分类35kV10kV0.4kV电力通信接入网。[7]表4-5电网应用5G毫米波专频专网的场景描述和网络需求典型场景场景描述上行速率时延要求可靠性要求变电站智能变电站通过无人机、巡较高，单点几十较高化巡检检机器人等设备进行智能化巡检，大大提高巡检效率和准确性。同时这些智能化设备还可以搭载各种传感器和检测设备，对变电站的设备状态、环境温度、湿度等进行实时监测，为变电站的安全运行提供更为全面的保障。一般大于40Mbps，毫秒抗干扰无线网络覆盖由于变电站内有大量的电力设备，如变压器、断路器、电抗器等在运行过程中会产生电磁噪声，这些噪声可能会跨5G网中低频段。因此需要更多的频谱资源，更强的隔离性，实现更好的抗电磁干扰性能。//较高配电网差动保护根据差动保护要求，保护装置之间需实时快速一般大于几毫秒极高通信，以前只有光纤能够满足这种高要求，但配电网存在光缆敷设困难和投资太高的问题，制约了该业务在配网侧[8]的差动保护设备还需配置时钟同步设备才能满足精准授时的需求，进一步增加了业务建设的成本。2Mbps智慧电力物资管理在智能物资管理中，已AGV等自动化设备，显著提升物资管理的智能化和自动化水平。需要建立无线网络实时采集和传位置、状态等，同时也需要室内的精准定位功能，支持无人化系统实时分析、智能预测和自主控制。一般大于20Mbps、几十毫秒较高分布式能源站点往往分较高，单点几十较高布广泛且环境各异，需要提供可靠的远程访问一般大于50Mbps毫秒分布式能源通道，支持无人值守运管理维，工程师可以通过高清视频监控、远程诊