2019年6月，5G商用牌照正式发放，标志着我国进入5G商用元年。与此同时，工业制造也加速向数字化、网络化、智能化转型，产业界推进5G与工业互联网融合的积极性不断提升，截至2023年11月全国“5G+工业互联网”项目已达到8000个。随着5G技术进步和应用领域的不断拓展，目前我国“5G+工业互联网”已经进入应用规模化、产业深度融合的重要发展阶段。
近日，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》，提出要推广应用智能制造设备和软件，加快工业互联网建设和普及应用，培育数字经济赋智赋能新模式。这将推动工业企业加快设备的网络化、智能化改造，加速“5G+工业互联网”融合创新和规模应用。在全球产业竞争异常激烈的时代，如何把握5G与工业融合的市场需求，持续夯实5G技术积累，探索工业5G终端设备产业发展趋势，进一步加快我国工业5G终端设备和5G工业模组“降本”落地，是当前推进5G工业应用的核心命题。
01、工业5G终端设备的技术
5G通信模组
5G通信模组处于感知层与网络层之间，是将多种芯片器件进行封装设计并嵌入多种通信协议，能够快速为终端设备提供5G通信能力的核心电子元器件。5G通信模组主要由电源管理芯片、传送接收器、射频前端、多制层封装芯片、5G基带五部分组成，如图1所示。现有通用模组基本无法兼顾安全性、稳定性和特殊功能需求等指标，因而难以满足不同行业对5G的差异化需求。5G定制功能模组在提供标准通信功能的基础上，通过开发不同的软硬件满足行业用户的特殊需求，如5G LAN（局域网）、5G精准授时、5G网络切片等。基于5G芯片的5G工业模组，目前已成为工业领域5G网络的核心组件。与5G通信模组相比，5G工业模组的应用场景更复杂、可靠性要求更高、使用条件更严苛，不仅要求制作模组的材料具有可靠性，还要求组件支持二次开发以及定制等功能。
图1 5G通信模组（通用）架构
工业5G终端设备
工业5G终端设备是指内嵌5G通信芯片/模组、具备直接接入5G网络能力的工业设备，例如具备5G通信能力的无人机、机器人、摄像头、天车、无人矿卡等设备。从5G通信模组与工业设备的连接方式维度出发，工业5G终端设备可分为集成式工业5G终端设备和外挂式工业5G终端设备两大类。
集成式工业5G终端设备包括集成了5G芯片、5G模组、5G通信板卡的行业应用设备，例如用于多个工业场景的本安防爆型5G手机、5G智能安全帽、5G AGV（自动引向车）等工业设备。外挂式工业5G终端设备以5G工业网关、CPE、路由器等通信类设备为主，其中内嵌5G模组的5G工业网关应用较广，支持Modus、西门子系列、欧姆龙系列等工业协议，可替代现有网络架构中的工业网关，使现有设备无需进行改造即可接入5G网络。
02、工业5G终端设备发展情况
5G工业模组产业现状
5G通信模组的产业进展支撑着工业5G终端设备的发展，体现着工业互联网与5G技术生态融合的状况。中国模组厂家生产的5G模组型号数量持续占据全球领先地位，近4年在全球5G模组型号数量占比超80%，如图2所示。国内5G工业模组厂家主要有移远通信、日海智能、广和通、美格智能、有方科技、高新兴等，Counterpoint数据显示，中国模组厂家持续占据全球5G等蜂窝物联网模组出货量的领先地位。根据2024年3月GSA（全球移动供应商协会）全球5G模组型号统计数据，5G模组型号数量排名前4的均为中国厂家，分别是移远通信、广和通、美格智能和日海智能。在产品方面，随着5G标准不断演进，5G工业模组产品持续推陈出新。模组厂家已研发出多款支持5G LAN、uRLLC（高可靠且低时延）特性、SUL（上下行解耦）上行能力增强等5G R16特性的5G工业模组产品，例如移远通信的RG500U、RG200U、RM500U，广和通的FM650-CN等。2022年6月3GPP 5G R17标准冻结后，高通于2023年2月发布了X35 5G NR-Light（RedCap）以及X75、X72 5G调制解调器及射频系统芯片。此后新一代 R17 5G工业模组不断问世：基于高通X35芯片，模组厂家发布了多款轻量化5G RedCap模组，例如移远通信的Rx255C系列、芯讯通的SIM8230系列、广和通的FG131和FG132系列、美格智能的SRM813Q系列；基于高通X75和X72，模组厂家发布了在数据传输速率、网络容量、功耗、时延和可靠性上进一步升级的5G NR工业模组，例如移远通信的RG650E和RG650V系列、芯讯通的SIM8290和SIM8270系列、广和通的Fx190和Fx180系列、美格智能的SRM817和SRM817WE系列。在标准方面，通用类和定制化5G工业模组标准同步推进。通用模组标准方面，YD/T 3988-2021《5G通用模组技术要求（第一阶段）》已发布，中国通信标准化协会正在推进《5G通用模组技术要求（第二阶段）》和《5G轻量化通用模组技术要求（第一阶段）》等通用模组的标准研制。定制化模组标准方面，T/CEC 642-2022 《电力5G通信模组通用技术要求》、《5G视频监控摄像机模组技术要求》已发布，《面向安防监控的5G模组技术要求》《面向石化行业的5G轻型化模组技术要求》等标准正在研制中。
图2 近4年全球5G模组型号数量及占比
当前，5G工业模组的价格仍处于高位。在通用模组方面，虽然通过硬件和功能裁剪、采用国产化芯片和元器件替代等方式，商用5G工业通用模组的最低价已低于400元，然而由于工业细分行业多、需求差异性大，5G工业通用模组与行业适配度不足。目前市场上的5G工业模组以R15、R16版本的通用型为主，侧重高速率场景，大部分行业的应用场景属于中高或中低速率，因此目前商用的5G工业模组针对这些应用场景提供的性能过剩，造成功能成本上的浪费。
5G RedCap模组专门针对中高速率场景，目前处于预商用阶段，商用初期价格将在200元左右，可成为高速率5G模组的有力补充。
在定制化模组方面，行业定制的5G工业模组开发成本居高不下，一方面，5G模组的成本主要来自上游的基带、射频等芯片采购和外围电路开发，目前5G芯片厂家较少，模组厂家的议价空间有限，而外围电路开发涉及二次开发和集成，研发成本高、利润率相对较低；另一方面，工业领域不同行业和场景对5G模组的需求差异较大，对时延、授时精度、定位能力、尺寸、功耗等要求不尽相同，例如AGV对定位能力要求高，电力行业的配电差动保护要求高精度授时，采矿行业需要本安防爆等，短期内尚难实现广泛应用以摊薄成本。
在“5G+工业互联网”的实践中，通用型5G工业模组和行业定制化5G工业模组应同步发展。目前，行业定制化5G工业模组处在发展初期，受限于需求碎片化、研发周期较长、开发成本较高等因素，只有少数企业开展研发探索。例如，中国移动通过自主研发突破防爆设计、上行增强等关键技术，自研适用于矿业的5G模组。
深圳供电局、南网科研院携手广和通共同预研专用于电力行业的5G模组，通过最优方式匹配终端设备通信能力，推动设备快速升级现有通信解决方案，并验证了多切片、高精度授时等多项R16特性在虚拟电厂的应用。
工业5G终端设备产业现状
得益于“5G+工业互联网”示范项目的应用与探索，工业5G终端设备百花齐放，包括5G工业CPE（网络终端设备）、5G工业网关、5G DTU（无线终端设备）、5G摄像机、5G工控机、5G PLC、5G AGV、5G无人机、5G机器人、5G无人矿卡、5G天车、工业AR/VR等。目前商用落地最多的是5G工业网关、5G工业CPE及路由器等外挂式通信设备，其次为5G摄像机、5G无人机、5G AGV等可用于多个工业场景的集成式工业5G终端设备。
国内外挂式工业5G终端设备发展迅速，工业级5G CPE/路由器/网关产品型号数量占到全球43%（共计71款），占比领先欧美等发达国家，厂家包括华为、中兴通讯、鼎桥、宏电、中微普业、四信等。集成式工业5G终端设备加速涌现，如杭州灵伴科技5G工业智能AR头盔、中兴通讯5G工业自然导航AGV载重平台、海康威视矿用本安5G摄像机、上海勃傲自动化的5G阀岛等产品。
从连接方式上来看，工业5G终端设备应用逐渐由借助外部设备间接使用5G，转变为嵌入式设备直接使用5G。受制于成本，工业互联网中5G CPE和工业网关的组合是当前主流5G接入方式，其具有改造成本低的优点，但在传输时延、空间灵活性上存在缺陷。随着国内芯片厂家发力5G芯片、5G RedCap模组商用，以及产业链上下游逐步成熟，5G模组成本持续下降，设备5G通信模组内嵌化的趋势逐渐显现，该模式下设备可直连基站5G信号，利于增强设备与5G原生特性能力融合。从设备功能上来看，工业5G终端设备逐渐由单数据传输设备转变为多功能5G设备。
5G LAN、高精度定位、边缘计算、高精度授时等多种需求被纳入设备设计，例如：5G工业CPE、网关等产品功能持续丰富，除了提供数据传输、路由、多种协议转换等基本功能外，逐步增加超强算力、本地数据处理、支持5G新特性等多种智能化新功能。从设备应用上来看，工业5G终端设备与垂直行业深度融合，适应特定需求。特别是在电力、矿山、交通等专业化需求度高的5G应用领域，行业巨头深入设备设计环节，纵向聚合产业链伙伴定制生产，满足工业场景差异化需求。例如：南瑞信通面向配网差动保护、精准负荷控制等多种电力应用场景，推出了嵌入式5G通信仓、外置接入独立式5G电力CPE等产品，并于近期完成了电力行业首款5G RedCap终端设备研发和试点应用。
03、我国工业5G终端设备应用前景展望
5G工业模组前景展望
当前已经商用的5G模组主要是遵循3GPP R15、R16版本协议，在技术上具有一定的局限性，不能满足工业设备厘米级高精度定位、低时延控制、低功耗等需求。5G工业模组仍面临成本居高不下、需求适应性待提升、定制化模组较少等挑战。在市场需求驱动下，模组厂家将加强对行业需求的价格和功能适配，低成本5G通用模组及适应特殊需求的定制型解决方案将不断落地。
通用型5G工业模组方面，在技术上，加快推动符合3GPPR17标准的5G模组商用落地，协同推进高速率5G NR和中高速率5G RedCap模组产品规模化商用，共同满足对带宽、延时、可靠性、定位等需求多样的工业应用场景，目前运营商正在进行网络测试并针对工业场景进行定制化网络设置。
在成本优化上，前期可以通过采用国产芯片、元器件等低价材料替代，以及去除非必要功能（例如裁剪支持频段、仅支持SA组网等）等方式降低通用型5G工业模组成本，从而促进使用规模扩大，后期规模上量后可进一步推动价格下降。
行业定制化5G工业模组方面，芯片模组厂家、行业用户、运营商等产业相关方的合作将进一步加强，积极探索研究各个垂直行业同类型用户的共性化功能需求，首先从需求体量较大的场景入手，针对行业特定需求开发定制化5G芯片，从上游提升行业适配度，并通过规模应用降低成本；其次利用5G RedCap天然支持5G LAN、覆盖增强、5G授时等原生特性，加快面向行业需求的定制化5G RedCap模组研发。随着定制化5G工业模组的成本不断降低、产品持续丰富，后续逐步扩大覆盖场景的范围。
工业5G终端设备前景展望
5G网络覆盖日益增强和5G工厂建设稳步推进为工业5G终端设备发展提供了“土壤”。目前，外挂式工业5G终端设备和部分通用集成式工业5G终端设备发展较快，集成式工业5G终端设备中的行业定制化设备仍处于发展初期。
工业5G终端设备的进一步发展仍面临需求碎片化、产品供给丰富程度有待提高、标准体系仍未建立等挑战。随着5G标准的不断演进，新版本标准将助力面向工业互联网场景的5G高可靠、低延时等特性得到持续提升，同时随着5G工业模组价格逐渐降低，将进一步推动5G与工业设备的融合发展。
在需求匹配方面，加快探索“5G+工业互联网”典型应用场景，按行业推进工业5G终端设备部署应用。结合大规模设备更新行动方案，重点突破工业和信息化部公布的“5G+工业互联网”二十个典型应用场景和十个重点行业，按行业、分批次集中推进5G应用，以典型应用场景的规模化复制推广加速5G设备与工业各垂直行业深度融合。
在产品研发方面，促进行业企业、运营商、设备厂家等工业5G终端设备相关各方协同攻关，加快5G RedCap技术在工业传感器、可穿戴设备等终端设备中的应用，加强行业定制化工业5G终端设备研发，综合利用5G、人工智能等技术，提升工业5G终端设备的智能化水平。
在标准研制方面，加快面向不同行业、典型应用场景的工业5G终端设备标准研制，鼓励“产学研用”各方积极参与标准制定，凝聚产业共识，加强工业5G终端设备标准的宣传和普及工作，促进产业的规范化发展。展望未来，产业界应从加快通用及定制5G工业模组研发降本、加强供需匹配对接、推动产品研发和产业深度融合、加快工业5G终端设备标准研制等方面，推动工业5G终端设备创新发展。
*本文刊载于《通信世界》总第941期 2024年4月10日 第7期原文标题:《工业5G终端设备的技术、应用及产业发展》
作者：中国信息通信研究院 陈敏 臧磊 于青民，芯讯通无线科技（上海）有限公司 王浩杰，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 郑秋平
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