面向新型工业化的5G内生确定性技术白皮书

目录目录Contents 01面向新型工业化的5G赋能数智工厂发展态势01 02数智工厂对5G确定性的需求场景042.1园区级应用场景052.2车间级应用场景062.3产线级应用场景07 035G内生确定的核心理念及技术体系093.1核心理念103.2技术体系10 045G内生确定性关键技术124.1确定性组网技术134.1.2确定隔离4.1.3精确路由4.2确定性通信技术154.2.1确定带宽4.2.2高精度时间同步154.2.3超低时延及有界抖动164.2.4低能耗164.3确定性保障技术174.3.1指令级准确收发4.3.2业务级惯性运行184.3.3系统级容灾保障194.3.4端到端安全防护194.3.5问题精准定位20 055G内生确定性在数智工厂中的应用与实践225.1园区级应用案例235.1.1宁德时代：5G内生确定赋能AGV跨车间移动235.1.2浙江爱柯迪：5G内生确定赋能智慧厂区便捷数采245.2车间级应用案例255.2.1青岛海尔：5G内生确定赋能洗衣机拖链控制系统255.2.2辽宁鞍钢：5G内生确定助力冶金热轧厂天车无人化控制275.3产线级应用案例285.3.1荆州美的：5G内生确定使能洗衣机过滤门冲压工位柔性生产285.3.2河北领克：5G内生确定赋能车辆生产的柔性换线29 06展望31缩略语列表缩略语列表33联合发布及编制单位联合发布及编制单位35参考文献参考文献36面向新型工业化的5G新型工业化是推进中国式现代化的重要引擎。党的二十大报告提出，要坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化，加快建设制造强国、网络强国、数字中国，到2035年，基本实现新型工业化。2023年9月，党中央为深入贯彻习近平总书记对新型工业化的一系列重要指示精神,落实党中央、国务院决策部署，划（2021—2023年）》《工业互联网专项工作组2023年工作计划》相关政策规划，深入推进5G与工业互联网融合发展[1-2]。以中国移动为代表的运营商积极推进5G等新一代信息通信技术的创新发展，为行业数智化转型构建数字基础设施底座。特别是在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展，已在工业制造、能源、港口、矿山等行业，围绕工业领域30多个典型应用场景，累计落地5G专网项目4000余项，已实现对工业网络的产业层、企业层、边缘层、设备层的全覆盖[3]，正在从工业外网的辅助生产向工业内网的融22全面融入数智工厂核心生产环节对5G提出进一步的要求，期望5G实现三方面的演进发展。一是，增强5G网络的确定性覆盖和组网融通能力，实现对工业网络的一网直达；二是，提升5G网络的确定性通信能力，满足部分工业控制场景对性能指标的苛刻要求；三是，构建5G网络的确定性保障体系，为数智工厂7×24小时不间断运行提供高可靠、高安全保障。3302数智工厂对5G确定性5G对数智工厂的全面赋能，需要实现对工业网络“两层三级”架构[4]的全连接全服务，即覆盖工厂的IT和OT的两层网络，并完成工厂、车间、产线三个管理层级中设备的互联。在IT层，需要5G网络在“广度”上，提供泛在确定的网络覆盖，助力数智工厂完成全园区数 字化信息的无死角采集与配置。在OT层，需要5G网络在“深度”上，提供确定性的“通信质量”具体到园区、车间和产线的三级网络，不同层级的不同应用场景对于5G确定性在组网覆盖、园区级应用，是指针对工业园区进行设施管理、物流管理、人员管理、安全管理以及信息化服55的覆盖、便捷的组网、高可用的接入等能力有较强需求，需支持OPCUA、TCP/IP等协议[5]。在组网覆盖方面，园区级应用需要支持处理整个园区范围内的数据流量，建立车间之间的数据时可进行介入控制、异常警告、远程诊断等操作，有助于提高生产效率、保障生产质量和生产安全。这就需要5G网络能够实现从生产车间到仓库、从办公区域到室外环境的广泛覆盖，确保各种移动在通信性能方面，园区级应用承载传感器、监控视频、通信等多种数据流，一般需要具备一定程度的低时延和低抖动的连接能力。以数据采集为例，借助5G可以实现产线内、产线间各种资源的数据采集，如设备状态、电能、气量、水量等，这些数据可以通过5G实时传输到中央数据中心，以优化排工排产、实现预测性维护，减少成本和资源浪费。通常要求时延在100毫秒左右，抖动控制在秒级范围，可靠性达到99.9%。在运营保障方面，为确保生产和管理应用的连续性，降低潜在的生产中断风险，需要5G提供一定的高可用性能力。以建设信息化管理体系为例，通过5G能够更高效地整合园区管理数据、设备和资源，高效的信息化管理不仅可以提高工业园区的运营效率，还可为数据分析和预测提供强大的工具。5G网络的高可用性对于支持上述关键业务场景至关重要，确保信息交互任务高效、稳定和车间级应用，一般指生产车间内的控制器之间、控制器与本地或远程监控系统之间，以及控制器与运营系统之间的生产管理、协同控制类应用。例如，车间的视觉检测、AGV协同等控制管理应用，以及SCADA/MES/WMS/APC系统、车辆物料位置等信息管理应用，通常需支持OPCUA、ModbusTCP、Ethernet/IP等通信协议。在组网覆盖方面，车间级应用需支持工业生产信令在车间内的闭环，对5G网络的隐私性需求显著提升。以车间PLC北向的生产管理为例，通过5G+工业软件可以实现生产计划、车间排程的66实时更新和便捷调整，此类数据不仅是企业生产活动的计划依据，也涵盖了企业的生产组织、经营状态、生产工艺等核心要素，是企业的重要资产。5G网络应能提供安全可靠的组网环境，保证生产在通信性能方面，车间级应用对于时延、带宽均有较高要求。以产线协同控制为例，需要5G支持高分辨率视频流、大规模设备数据传输以及机器间的便捷实时通信，需通过5G的灵活组网实现车间级应用的高度自动化、使能生产过程高效化，从而提高产线的精确度和生产效率，减少生产在运营保障方面，为维持生产设备之间的稳定通信，避免生产中断，需确保5G网络在大多数情况下可用，仅允许极少的中断，可靠性要求通常在99.9%到99.99%之间。以远程控制为例，在5G提供确定性时延和抖动能力的基础上，叠加确定性高可靠能力，提高远程控制的效率和安全性，产线级应用，一般指产线现场检测传感器、执行器与工业控制器等单一生产环节、业务单元的应用。例如，产线PLC与I/O设备、变频器、阀岛之间的南向控制业务，产线PLC与设备主PLC或设备主PLC与从PLC之间的东西向控制业务，此类业务通常要求通信网络具备超低时延、有界抖动、超高可靠等确定性能力，同时支持Profinet/RT/IRT、CC-LinkIETSN、Ethernet/IP等工在组网覆盖方面，产线级应用面临着工业协议多样化、环网多层次等连接难题。以变频器、阀多层级工业生产环网，满足产线控制、数采、质检等混合业务的实时、高速、可靠交互。需5G提在通信性能方面，产线级应用对5G网络的确定性要求极为苛刻，时延、抖动、时间同步、带宽等要求异常严格，包括支持高速、高精度的生产线操作，确保设备之间的即时协作等。以安全控77制为例，为保障在生产过程中人员和设备的安全，及时检测出潜在的风险并采取应对措施，需要确保安全PLC与安全I/O（安全继电器、急停按钮、光幕监测系统）之间的5G网络通信严格控制微小波动，具备高达99.999%的网络可靠性。控制系统和设备之间的数据传输必须实时且稳定。同时需要严格的安全防护措施，保障工控系统控制逻辑和关键数据的安全性。以运动控制为例，除通过5G低时延、有界抖动、高精度时间同步等保障高性能通信外，还需要5G提供确定性高可靠能力，保障运动控制的定位精度、运行连续性和安全性，从而实现滑环、拖链等无线替代场景下伺服电机运动控制、CIPMotion、安全PLC控制、8803035G内生确定的核心为了向工业企业提供一流的确定性5G专网服务，中国移动推动确定性能力从外挂式叠加向内●确定能力内生供给：通过对5G网络架构的优化调整以及网络能力的增强，内生提供组网融通、极致通信、运营保障等端到端确定性服务能力，极小化甚至无需对外部工业网络提出适配性的●确定性能极致服务：全方位推动5G通信性能的极致化演进，补齐极致低时延、有界低抖动的性能短板，拉长通信大带宽、空间广覆盖的长板，锻造设备低功耗、网络高安全的新板，提供满多层级的可靠性保障手段和安全防护措施，确保工业生产的稳定运行，保障通信网络以及工业●确定性组网：在建网互联阶段，通过合理的网络规划，构筑一张确定覆盖、确定隔离、精准路由的5G与工业融合网络。即打造一网直达、无处不●确定性保障：在网络保障阶段，采用系统化思维，全面提升5G通信系统的可靠性及安全性，实现指令级准确接收、业务级连续服务、网络级安全防护、系统级应灾抗毁，满足工业生产7×24小时业务不间断需求。045G内生确定性04良好的覆盖是5G融入工业生产的基础要求，在柔性制造的动态环境中，更需满足设备在任意对于工业场景的确定性覆盖，重点需要解决全区域5G内生确定性覆盖可通过无线覆盖定制化和短距无线通信两种方式实现。针对全园区大尺度覆盖和大上行业务需求，可在无线网络规划的基础上，结合实际场景，综合利用无线配置调整、pRRU冗余覆盖、RHUB交叉等方式保障覆盖的确定性；对于死角区域的细粒度补盲，可采用5G+星闪（SparkLink）融合通信方式，利用星闪技术的先进帧结构、Polar/RS信道编解码技术等设计，为了实现5G对工业园区大尺度和细粒度场景确定覆盖的一体化提供，中国移动创新设计新短距技术和5G网络的协议融合方案，通过协议适配和层二中继方式，实现5G网络对星闪短距通信域中G节点（管理节点）和T节点（通信节点）的可达、可管、可配，实现对蜂窝网络动态服务能工业网络通常划分为IT网络域、OT网络域，OT网络内部可根据不同业务线条的差异划分为不同的独立环网，以确保不同业务间的相互隔离，有效阻断攻击，实现网间数据的安全交换。例如，传统的制造企业中，大多数工业设备工作在网络二层，通过有线的方式接入OT网络域；而负责企业运营管理的IT网络域通常是IP化网络，不支持二层以太协议栈，与OT5G网络在服务于工业网络互联互通时，具有一网直达、简化组网的优势，但也需要通过必要的技术手段来满足不同工业网络域的隔离性要求。5G网络内生演化支持5G-LAN技术，可以通过划分5GVN组的方式，将不同通信需求、不同业务逻辑的终端组建在同一局域网中，实现VN组内的中国移动创新设计了5G-LAN容灾以及精简组管理机制，在减少对网络切片、DNN等资源占随着工业客户对产线柔性化需求的不断增强，设备之间的链接不再是一成不变的，要求产线可以定制化调整，通信节点可以动态更新。此外，工业客户对产线数智化要求不断提升，OT网络与IT网络的互通与互动也将更加频密，5G网络需要具备实精确路由可通过UPF本地分流和基站分流技术实现。UPF本地分流一般通过UPF下沉实现流量的本地卸载，并将用户面的数据就近转发至边缘云或企业内网，一方面保障数据不出园区，另一方面可依托UPF构建算网一体平台提供边缘计算服务。基站分流是UPF本地分流的有利补充，能够低成本满足数据不出场的安全隔离需求，主要适用于部分UPF下沉存在困难的中小型园区。在此基础上，面向多园区互通场景，中国移动创新设计了无感漫游方案，在对终端零改造的情工业生产工艺流程复杂，业务模型差异较大，需要网络具备分档分级的确定性带宽保障能力。针对视频监控类、视觉质检类业务，需保障传输效果、避免画面卡顿；针对远程办公和视频会议，需满足视频通话的质量和流畅度；针对生产核心环节的控制类业务，要确保其控制指令和数据的优面向不同业务的带宽差异化保障需求，中国移动综合利用GBR、RB资源预留、GBR+RB资源预留等技术细分网络调度优先级，进而提供分档分级的确定带宽保障能力，实现重保业务的差异保障等级保障技术保障效果应用场景等级一GBR为单用户提供最低速率保障单用户有最低速率保障要求的特需场景等级二RB资源预留1.为一组用户提供确定性资源保障，不保障单用户速率2.提供一定隔离性，不受到其他业务和网络拥塞影响特定组用户对隔离度、带宽等性能要求较高的特需场景等级三GBR+RB资源预留1.在有大量GBR用户的情况下，为特定的GBR用户提供最低速率保障2.通过资源预留提供隔离性，屏蔽其他业务影响；在隔离的基础上通过GBR提供最低速率的最高档保障背景业务有大量GBR用户，对特定GBR用户有隔离、带宽保障需求的特需场景高精度时间同步是保证工业控制任务调度一致性的关键，广泛应用于运动控制、精细控制、反馈控制等工业核心生产环节。同步运动控制类业务传输有绝对时限要求，要保证不同设备同时执行5G基站通过北斗/GPS卫星等获取纳秒级授时，通过SIB9协议向UE授时，并通过PTP传输网向UPF授时，在UE、基站及UPF之间实现亚微秒级的高精度时间同步。为支持对工业应用的授时以及时钟源信息的传递，推动5G支持B码、IEEE1588V2、IEEE802.1AS等协议，以及单向、双向、透传等多种时钟授时方式，针对终端用户移动带来的授时不连续问题，中国移动创新提出签约增强、灵活时钟源选择等技术方案，并写入3GPP国际标准，实现最优时钟源弹性选择、保证移动用户授时精度。时延和抖动是影响工业核心生产控制的重要因素。工业控制类业务的指令发送与接收有严格的为提升5G网络的超低时延和有界抖动性能，中国移动对无线、传输和核心网逐环节进行技术增强与性能优化，可实现5G端到端网络毫秒级的极致时延保障以及微秒级的抖动控制。其中，无线侧通过预调度、Mini-Slot、DS帧结构、slot重复、低码率MCS等创新机制，降低等待时延和数据发送时延，并通过网业协同，实现网络和业务跨层跨域的相互感知、协商，保障时延抖动范围有界，以及空口资源的精准高效使用；传输网通过MTN硬通道隔离降低设备转发时延；核心网可以通过DPI关闭、硬件加速、调度策略优化、核绑定RT-PATCH、TSN精准门控等手段降低用户)4.2.4低能耗5G终端高性能带来的高成本、高功耗是5G赋能数智工厂的重大挑战。为了助力5G在工业领域的快速拓展与广泛应用，中国移动全力推动产业支持RedCap技术，通过初始专属BWP、低开优覆盖、低时延、强隔离、优适配等优势，系统容量可提升18倍，时延可降低70%，可有效满足甚至导致安全生产事故，如矿山井下远程采掘、轧钢产线控制等场景对控制指令精准收发的要求尤为了提升工业控制指令收发的准确性，中国移动持续对5G端到端网络转发机制进行创新与增强。其中无线侧通过物理层引入重复传输、小负荷DCI格式、低码率CQI/MCS表格、Multi-TRP等技术提高调制解调的容错性，并在PDCP层引入PDCP复制技术提高数据的冗余，从而提高空口数据传输的可靠性。核心网侧和终端侧配合，利用FRER协议通过双链路的数据包冗余传输实现工业核心生产环节的业务通常要求7×24小时业务不中断，要求通信网络具备高可用性，即网用户面在工厂园区下沉部署。控制面大区和园区一般相隔较远，园区和大区间的传输故障会直接导致园区无线基站和UPF释放连接，所有业务中断，且难以恢复。为了提高5G的可用性，中国移动创新提出惯性运行技术，为园区业务提供应急接入服务。当园区与大网链路故障时，保障工厂业务不受故障影响，对已在网的业务采取惯性运行机制持续服务，实现用户不掉线、业务不中断；对于新上线业务，将园区5G网络的控制权平滑的由大区控制面切换至本地，使用边缘下沉UPF内置的应急控制面接管。当与大区网络的链路故障解除后，可以自动与消费型互联网不同，以生产型互联网为主的行业应用对5G网络的容灾保障能力要求非常高，随着5G网络赋能数智工厂应用类型的不断增加、应用规模的不断扩大，更需构建系统级的5G网络容灾保障能力。中国移动创新提出了从链路层到网络系统层的五维保障举措，全局性地增强5G●链路层：采取链路探测、双路保障等机制，实时发现异常，链路及时切换。●虚拟化层：采取跨层联动可靠性协同、单臂BFD毫秒级故障检测等机制，提升应对基础设施故●功能模块层：采取能力灰度升级、UPF热备、BBU双核保障、RRU冗余覆盖技术，实现网元●网元设备层：采取信令风暴抑制、计划性热迁移、双活容灾等技术，提升网元的应灾抗毁以及●网络系统层：采取负荷分担、系统byPass等技术，规避单网元故障造成的系统性故障。5G技术的应用使得工业生产网络与通信网络在工作环境中发生了物理空间的重叠，因此强设备对于复杂生产环境的安全防护能力。在数据链路方面，控制、数据采集以及IT通信数据的重叠现象日益突出，涉及SCADA等OT控制设备和PLC等生产现场设备的交织，因而对数据的加密保护能力需得到提升。工业控制领域同样面临着IT和OT控制协议、控制软件等通信路径的重叠问题，因此设备的分权和分域的安全控制能力亦需加强。同时，5G网络的开放特性也为工业生产应●设备安全能力：确保网络设备的安全防护和完整性保护，以及全生命周期的产品安全管控。●控制安全能力：包括入侵防范措施、身份鉴别控制以及控制协议的完整性保证。●网络安全能力：提供满足通信性能要求的5G域内、5G和工业网络域间的设备分域、防火墙●应用安全能力：提供包括身份鉴别、访问控制、接口安全保护等能力。●数据安全能力：提供加密防护、传输安全保障以及全面的信息系统安全审计。在工业实际生产过程中，终端、网络、应用等端到端环节的波动都可能对业务运行产生影响，出现故障时对网络问题的精准定位及快速恢复至关重要。中国移动提出“定界-定位”异常时延定图9SLA定位定界能力示意图在定界环节，主要包括5G网络外和5G网络内两种分段时延测量方案，逐步定界时延问题网元。5G网络外时延定界方案主要通过SDK/探针等技术，定界时延问题节点为5G网络还是业务网基站、5G基站-UPF等分段时延，定界时延问题为无线网还是传输网引起，进一步锁定问题节点。在此基础上，创新空口时间戳方案，对数据包打时间戳，使得网元能够读取时间信息，实现更精准在定位环节，创新基于周期性状态统计和异常触发关键信息上报的秒级定位指标体系和定位方055G内生确定性在数智05宁德时代作为领先的新能源创新科技公司，已实现同时接入超千台5GAGV设备，配合5G低时延、高同步特性和先进的智能导航技术，可完成电芯自动上线、模组自动转运、线边物料循环配送等自动运输场景，提升了配送精准度和库存周转率。AGV小车通信业务要求为200ms@80%，异常并发送告警。在实际使用过程中，厂区内AGV小车存在偶发掉线问题，掉线后需0.5~1分钟自动恢复。AGV掉线期间，停止运送货物图105GAGV小车物料搬运经分析发现，AGV掉线主要受基站RRU异常触发MCS掉坑影响，从而诱发流间不平衡，并进一步导致丢包。通过5G内生确定性的问题精准定位技术可判断终端和基站之间的异常时延，并解决方案RRU异常RRU升级，解决流间不平衡触发条件跨层组网基站配置单流：配置基站一流数据发送，规避流间不平衡导致的丢包问题通过长期运行验证，在实施5G内生确定性的精准定位和确定高可靠技术后，空口指标正常，AGV小车掉线次数降为0，有效解决了MCS掉坑和调用不平衡两流引起的掉线问题。爱柯迪作为汽车铝合金精密压铸件供应商，是典型的离散制造型企业。为了匹配整车厂商不同订单需求，爱柯迪生产线的每台机加设备每年需要调整4~5次，整年合计调整量约1500台次，产涉及超500条隧道数据配置，同时MES终端的开发适配，需要运营商、MES厂家、企业等多方协图11爱科迪MES数采场景5G内生确定性通过内生确定隔离的精简5G-LAN组网技术，减少运营商和企业之间强耦合带来的数据配置复杂问题。工厂网络加持5G确定性技术后，通过车间内建MES终端和MES服务器间的互联网络；同时，运营商网络和企业网络完全解耦，实现了MES终端与服务端通信免隧道配置、免AR路由以及IP灵活修改、下挂设备即插即用，更方便地实现了本方案不仅实现了工厂机床作业岛和MES服务器之间的5G化局域互联，还进一步实现了设备的即插即用、免额外配置以及终端IP的自管理，设备联网数达2300多台、接入监控生产输入/青岛海尔作为全球知名的家电制造商，具备国际领先的生产工艺和技术水平。在洗衣机内桶产线制作与装配过程中，需要大量翻转、托举、夹抱、传送等动作，涉及多工站间的工序协同，工站2000mm/s）下的持续拖拽和弯折，容易导致线缆故障引发通信中断，定位困难，维修成本高；二是当某一段工站间网线出现问题，所有采用串接方式的主、从PLC都会停止工作，致使整个产线停机，严重影响生产进程。统计显示，该工厂每个月拖链电缆平均故障4至5次，平均造成约20小针对上述痛点问题，引入确定隔离的5G-LAN技术和指令级准确收发的双发选收技术提供拖链控制系统的确定性通信保障，满足时延和抖动性能要求。如图14所示，CPE通过2个SIM卡分别发起两路PDU会话建立请求，并通过不同无线设备发给UPF，UPF在本地配置两个模组的配对关••••冗余传输确定性时延控制差异化传输保障全网时钟同步▲视频流传感数据控制指令时钟信号5G确定性网关冗余数据流去重边缘工控机远程设备摄像机••••冗余传输确定性时延控制差异化传输保障全网时钟同步▲视频流传感数据控制指令时钟信号5G确定性网关冗余数据流去重边缘工控机远程设备摄像机PLC设备传感仪器监控设备操控设备并顺利通过7×24小时连续稳定测试验收。该5G内生确定赋能的生产控制网络已承担了日常生产作业，运行顺滑无故障，是5G融入生产的有效尝试。冶金、钢厂等金属制造企业，存在现场环境恶劣、安全风险高、人工作业条件艰苦等痛点问题。辽宁鞍钢冶