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基于5G技术的垂直行业专网建设方案

发表时间：2021/8/9 来源：《中国科技信息》2021年9月中作者：刘晓勇张荣蜀杜昊

[导读] 工业互联网是新一代多种信息技术和工业系统高度融合的产物, 是“新基建”的重点领域之一。

国家无线电监测中心检测中心刘晓勇张荣蜀杜昊北京市 100041

摘要：5G 具有低时延、大带宽、高可靠等特点，可应用于智慧制造、远程医疗等行业。本文基于国内外5G专网频谱规划及发展现状，围绕5G专网在垂直行业内的典型应用场景，分析其频谱需求，提出了5G中频段+毫米波频段的专网建设方案。
关键词：5G专网、频率规划、无人驾驶
        1.引言
        工业互联网是新一代多种信息技术和工业系统高度融合的产物, 是“新基建”的重点领域之一。2017年国务院出台《关于深化“工业互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，提出“在5G研究中开展面向工业互联网应用的网络技术试验，协同推进5G在工业企业的应用部署”。工信部在“5G+工业互联网”512工程推进方案中，明确表示要加快垂直领域“5G+工业互联网”的先导应用，推动5G技术在垂直行业的融合创新。
        本文阐述国内外5G专网频率规划现状，分析典型的应用场景及频谱需求，探索5G在垂直行业中的应用，提出基于5G中频段+毫米波的建设方案。
        2.国内外5G专网频率规划现状
        作为促进经济社会向数字化、网络化、智能化发展的关键，各国都在积极推进5G行业专网频谱资源规划。其中，德国将3.7-3.8GHz 频段划分给本地无线接入应用，并计划将24.25-27.5GHz 频段规划用于区域专网和公网5G 业务;英国将3.8-4.2GHz 、24.25-26.5GHz频段纳入频谱共享框架内，允许本地接入[1];日本将3.6-4.2GHz、4.4-4.9GHz、27.5-29.5GHz规划为5G频段，并考虑将4.6-4.8GHz 及28.2-29.1GHz 用于区域5G 专用网络。
        目前，专网在我国的应用主要集中在关键基础设施领域，如铁路、电力等行业。近日，工信部发布《工业互联网和物联网无线电频率使用指南》，明确行业用户可采取包括公众移动通信系统等在内的一种或多种技术组合。此外，广东省工信厅发布《关于应对疫情影响进一步促进信息服务和消费的若干政策措施》，主要推进 1.8GHz 频段专网在轨道交通、智能工厂等行业场景应用，并探索面向政务、公安、专业园区等重点领域的 5G 专网试点应用；中国国家铁路集团有限公司探索利用铁路已有的900M频段资源，建立铁路5G专网。利用电信运营商5G公网频谱资源，通过网络切片等技术构建5G专网，也是在垂直行业实现5G应用的方式之一[2]。
        3.基于5G技术的典型应用场景及频谱需求
        根据ITU-R M.2410 《IMT-2020无线接口技术性能相关最低要求》，在中频段5G频谱效率上行至少15Mbps/MHz、下行20Mbps/MHz，其中15Mbps/MHz是基于手机终端性能评估得到的传输速率。对于工业级的5G终端，可以获得更高的频谱效率，本文按20Mbps/MHz 估算。
        3.1工业控制
        工业控制系统是指通过对工业设备及传感器的数据进行分析计算，实现工业生产流程的自动化控制系统。利用 5G 专网高可靠性、大吞吐量、灵活部署等特点，依靠数据智能采集分析系统，提高设备之间的交互性，实现生产全要素的的统一管控，提高生产效率，降低人工成本。
        在工业控制系统中，采用5G+光纤有线组网方式同远程控制中心进行数据传输。设备采集的数据首先通过光纤传输到交换机及路由器，利用CPE通过无线与5G基站通信，然后经过光纤传输到远程控制室。服务器对数据进行智能处理分析后，自动发布控制指令，同时操作人员也可以根据反馈的信息，在控制室内远程操控设备。假设15路摄像头高清视频及传感器实时采集现场数据，单台设备参数如下表所示：

        视频传输速率为40Mbps，传感器及语音传输速率要求为1Mbps，则整个场景总体上行需求为（40+1+1）*15=630Mbps，根据：
        需要带宽=总传输速率/频谱效率
        则需要带宽为=31.5MHz。
        3.2无人驾驶
        无人驾驶汽车可实现厂区全天候作业，提高作业效率，避免因司机疲劳驾驶等因素造成的安全隐患，目前在港口、矿山已得到应用。针对无人驾驶场景，通过车载 CPE 将视频等信息发射出去，经5G 基站接收传输到控制室；控制室的控制信号通过5G 基站发射，并经车载 CPE 接收送达车载控制系统。同时结合车辆自动驾驶技术等，实现自动驾驶等功能[3,4]。
        无人驾驶主要数据类型为车载传感器数据、车载控制信号等。单机要求上行传输速率为30Mbps，下行小于1Mbps。假设园区有30台无人驾驶车辆运行，则总体上行需求为900Mbps，带宽需求为45MHz。
        3.3 安防监控
        安防系统作为园区的重要组成部分，除常规的实时视频监控外，还需要对进出车辆、人员等实施智能抓拍、识别等。毫米波通信因其电磁频谱干净，干扰少，传输质量高，穿透能力强等特点，可以提供稳定的宽带数据传输链路，为大规模视频监控、物联网等提供切实可行的解决方案。
        对于位置相对固定的视频监控设备，可利用厂区光纤网络传输数据，比如厂区高杆灯上的摄像机等；但对于有线网络无法接入的区域，可采用5G毫米波通信，比如大型机械设备上的安防摄像机等。若智能安防系统中有30套安防摄像机采用无线接入形式，每台摄像机像素200W，帧率为25帧。单台摄像机上行传输速率为12Mbps，时延要求小于50ms。则总体上行传输需求为360Mbps，则需要毫米波带宽为18MHz。
        3.4 无人机巡检
        无人机巡检是一种代替人工现场巡检的高效巡检方式，可以有效解决园区安全巡查盲点问题，以及人工攀爬大型设备进行检查带来的安全隐患。无人机可搭载多种传感器（高清相机、红外相机等），传感器采集的视频等信息通过机上的CPE与厂区5G基站建立无线传输链路，将信息回传到控制室，能对园区关键基础设施、设备工作状态和环境等进行实时密集巡检和安防。
        假设部署2台无人机，单台无人机上行传输速率要求为15Mbps，时延要求小于50ms。综上所述，无人机巡检场景总体上行需求为30Mbps，需要带宽1.5MHz。
         4.结语
        随着 5G 与工业互联网不断深入融合发展，利用5G高速率、大容量、低时延的特性，可以有效推动园区向数字化、智慧化转型，逐步实现以工业控制、无人驾驶、无人机巡检和智能安防等为典型的5G专网应用，充分挖掘工业园区发展潜力，创新工业园区的业务及生产运营模式等。本文探讨了5G 专网的典型应用，针对差异化的网络传输需求，采用5G中频段+毫米波频段+光纤相结合的组网方式，对国内传统工业园区自动化升级以及 5G +工业互联网建设具有一定的参考意义。
参考文献
[1]骆骁，周进.“5G+ 工业互联网”发展现状及展望[J].中国无线电, 2020 (11):28-31.
[2]王改静. 5G专网的抉择:网络切片还是“另起炉灶”？[N]. 通信产业报,2020-05-11(008).
[3]汪沛,尹鹏,段永伟.5G通信技术在智慧港口中的创新应用[J].港口科技,2020(06):15-20.
[4]赵毅,余娟.5G对全球集装箱港口自动化发展的影响及应用[J].上海船舶运输科学研究所学报,2020,43(03):85-90.