2019年6月，5G商用牌照正式發(fā)放，標志著我國進入5G商用元年。與此同時，工業(yè)制造也加速向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)型，產(chǎn)業(yè)界推進5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合的積極性不斷提升，截至2023年11月全國“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目已達到8000個。隨著5G技術進步和應用領域的不斷拓展，目前我國“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”已經(jīng)進入應用規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)深度融合的重要發(fā)展階段。

近日，國務院印發(fā)《推動大規(guī)模設備更新和消費品以舊換新行動方案》，提出要推廣應用智能制造設備和軟件，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設和普及應用，培育數(shù)字經(jīng)濟賦智賦能新模式。這將推動工業(yè)企業(yè)加快設備的網(wǎng)絡化、智能化改造，加速“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合創(chuàng)新和規(guī)模應用。在全球產(chǎn)業(yè)競爭異常激烈的時代，如何把握5G與工業(yè)融合的市場需求，持續(xù)夯實5G技術積累，探索工業(yè)5G終端設備產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，進一步加快我國工業(yè)5G終端設備和5G工業(yè)模組“降本”落地，是當前推進5G工業(yè)應用的核心命題。

01、工業(yè)5G終端設備的技術

5G通信模組

5G通信模組處于感知層與網(wǎng)絡層之間，是將多種芯片器件進行封裝設計并嵌入多種通信協(xié)議，能夠快速為終端設備提供5G通信能力的核心電子元器件。5G通信模組主要由電源管理芯片、傳送接收器、射頻前端、多制層封裝芯片、5G基帶五部分組成，如圖1所示?，F(xiàn)有通用模組基本無法兼顧安全性、穩(wěn)定性和特殊功能需求等指標，因而難以滿足不同行業(yè)對5G的差異化需求。5G定制功能模組在提供標準通信功能的基礎上，通過開發(fā)不同的軟硬件滿足行業(yè)用戶的特殊需求，如5G LAN（局域網(wǎng)）、5G精準授時、5G網(wǎng)絡切片等?；?G芯片的5G工業(yè)模組，目前已成為工業(yè)領域5G網(wǎng)絡的核心組件。與5G通信模組相比，5G工業(yè)模組的應用場景更復雜、可靠性要求更高、使用條件更嚴苛，不僅要求制作模組的材料具有可靠性，還要求組件支持二次開發(fā)以及定制等功能。

圖1 5G通信模組（通用）架構(gòu)

工業(yè)5G終端設備

工業(yè)5G終端設備是指內(nèi)嵌5G通信芯片/模組、具備直接接入5G網(wǎng)絡能力的工業(yè)設備，例如具備5G通信能力的無人機、機器人、攝像頭、天車、無人礦卡等設備。從5G通信模組與工業(yè)設備的連接方式維度出發(fā)，工業(yè)5G終端設備可分為集成式工業(yè)5G終端設備和外掛式工業(yè)5G終端設備兩大類。

集成式工業(yè)5G終端設備包括集成了5G芯片、5G模組、5G通信板卡的行業(yè)應用設備，例如用于多個工業(yè)場景的本安防爆型5G手機、5G智能安全帽、5G AGV（自動引向車）等工業(yè)設備。外掛式工業(yè)5G終端設備以5G工業(yè)網(wǎng)關、CPE、路由器等通信類設備為主，其中內(nèi)嵌5G模組的5G工業(yè)網(wǎng)關應用較廣，支持Modus、西門子系列、歐姆龍系列等工業(yè)協(xié)議，可替代現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)中的工業(yè)網(wǎng)關，使現(xiàn)有設備無需進行改造即可接入5G網(wǎng)絡。

02、工業(yè)5G終端設備發(fā)展情況

5G工業(yè)模組產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

5G通信模組的產(chǎn)業(yè)進展支撐著工業(yè)5G終端設備的發(fā)展，體現(xiàn)著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與5G技術生態(tài)融合的狀況。中國模組廠家生產(chǎn)的5G模組型號數(shù)量持續(xù)占據(jù)全球領先地位，近4年在全球5G模組型號數(shù)量占比超80%，如圖2所示。國內(nèi)5G工業(yè)模組廠家主要有移遠通信、日海智能、廣和通、美格智能、有方科技、高新興等，Counterpoint數(shù)據(jù)顯示，中國模組廠家持續(xù)占據(jù)全球5G等蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模組出貨量的領先地位。根據(jù)2024年3月GSA（全球移動供應商協(xié)會）全球5G模組型號統(tǒng)計數(shù)據(jù)，5G模組型號數(shù)量排名前4的均為中國廠家，分別是移遠通信、廣和通、美格智能和日海智能。在產(chǎn)品方面，隨著5G標準不斷演進，5G工業(yè)模組產(chǎn)品持續(xù)推陳出新。模組廠家已研發(fā)出多款支持5G LAN、uRLLC（高可靠且低時延）特性、SUL（上下行解耦）上行能力增強等5G R16特性的5G工業(yè)模組產(chǎn)品，例如移遠通信的RG500U、RG200U、RM500U，廣和通的FM650-CN等。2022年6月3GPP 5G R17標準凍結(jié)后，高通于2023年2月發(fā)布了X35 5G NR-Light（RedCap）以及X75、X72 5G調(diào)制解調(diào)器及射頻系統(tǒng)芯片。此后新一代 R17 5G工業(yè)模組不斷問世：基于高通X35芯片，模組廠家發(fā)布了多款輕量化5G RedCap模組，例如移遠通信的Rx255C系列、芯訊通的SIM8230系列、廣和通的FG131和FG132系列、美格智能的SRM813Q系列；基于高通X75和X72，模組廠家發(fā)布了在數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡容量、功耗、時延和可靠性上進一步升級的5G NR工業(yè)模組，例如移遠通信的RG650E和RG650V系列、芯訊通的SIM8290和SIM8270系列、廣和通的Fx190和Fx180系列、美格智能的SRM817和SRM817WE系列。在標準方面，通用類和定制化5G工業(yè)模組標準同步推進。通用模組標準方面，YD/T 3988-2021《5G通用模組技術要求（第一階段）》已發(fā)布，中國通信標準化協(xié)會正在推進《5G通用模組技術要求（第二階段）》和《5G輕量化通用模組技術要求（第一階段）》等通用模組的標準研制。定制化模組標準方面，T/CEC 642-2022 《電力5G通信模組通用技術要求》、《5G視頻監(jiān)控攝像機模組技術要求》已發(fā)布，《面向安防監(jiān)控的5G模組技術要求》《面向石化行業(yè)的5G輕型化模組技術要求》等標準正在研制中。

圖2 近4年全球5G模組型號數(shù)量及占比

當前，5G工業(yè)模組的價格仍處于高位。在通用模組方面，雖然通過硬件和功能裁剪、采用國產(chǎn)化芯片和元器件替代等方式，商用5G工業(yè)通用模組的最低價已低于400元，然而由于工業(yè)細分行業(yè)多、需求差異性大，5G工業(yè)通用模組與行業(yè)適配度不足。目前市場上的5G工業(yè)模組以R15、R16版本的通用型為主，側(cè)重高速率場景，大部分行業(yè)的應用場景屬于中高或中低速率，因此目前商用的5G工業(yè)模組針對這些應用場景提供的性能過剩，造成功能成本上的浪費。

5G RedCap模組專門針對中高速率場景，目前處于預商用階段，商用初期價格將在200元左右，可成為高速率5G模組的有力補充。

在定制化模組方面，行業(yè)定制的5G工業(yè)模組開發(fā)成本居高不下，一方面，5G模組的成本主要來自上游的基帶、射頻等芯片采購和外圍電路開發(fā)，目前5G芯片廠家較少，模組廠家的議價空間有限，而外圍電路開發(fā)涉及二次開發(fā)和集成，研發(fā)成本高、利潤率相對較低；另一方面，工業(yè)領域不同行業(yè)和場景對5G模組的需求差異較大，對時延、授時精度、定位能力、尺寸、功耗等要求不盡相同，例如AGV對定位能力要求高，電力行業(yè)的配電差動保護要求高精度授時，采礦行業(yè)需要本安防爆等，短期內(nèi)尚難實現(xiàn)廣泛應用以攤薄成本。

在“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的實踐中，通用型5G工業(yè)模組和行業(yè)定制化5G工業(yè)模組應同步發(fā)展。目前，行業(yè)定制化5G工業(yè)模組處在發(fā)展初期，受限于需求碎片化、研發(fā)周期較長、開發(fā)成本較高等因素，只有少數(shù)企業(yè)開展研發(fā)探索。例如，中國移動通過自主研發(fā)突破防爆設計、上行增強等關鍵技術，自研適用于礦業(yè)的5G模組。

深圳供電局、南網(wǎng)科研院攜手廣和通共同預研專用于電力行業(yè)的5G模組，通過最優(yōu)方式匹配終端設備通信能力，推動設備快速升級現(xiàn)有通信解決方案，并驗證了多切片、高精度授時等多項R16特性在虛擬電廠的應用。

工業(yè)5G終端設備產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

得益于“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”示范項目的應用與探索，工業(yè)5G終端設備百花齊放，包括5G工業(yè)CPE（網(wǎng)絡終端設備）、5G工業(yè)網(wǎng)關、5G DTU（無線終端設備）、5G攝像機、5G工控機、5G PLC、5G AGV、5G無人機、5G機器人、5G無人礦卡、5G天車、工業(yè)AR/VR等。目前商用落地最多的是5G工業(yè)網(wǎng)關、5G工業(yè)CPE及路由器等外掛式通信設備，其次為5G攝像機、5G無人機、5G AGV等可用于多個工業(yè)場景的集成式工業(yè)5G終端設備。

國內(nèi)外掛式工業(yè)5G終端設備發(fā)展迅速，工業(yè)級5G CPE/路由器/網(wǎng)關產(chǎn)品型號數(shù)量占到全球43%（共計71款），占比領先歐美等發(fā)達國家，廠家包括華為、中興通訊、鼎橋、宏電、中微普業(yè)、四信等。集成式工業(yè)5G終端設備加速涌現(xiàn)，如杭州靈伴科技5G工業(yè)智能AR頭盔、中興通訊5G工業(yè)自然導航AGV載重平臺、海康威視礦用本安5G攝像機、上海勃傲自動化的5G閥島等產(chǎn)品。

從連接方式上來看，工業(yè)5G終端設備應用逐漸由借助外部設備間接使用5G，轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F/">嵌入式設備直接使用5G。受制于成本，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中5G CPE和工業(yè)網(wǎng)關的組合是當前主流5G接入方式，其具有改造成本低的優(yōu)點，但在傳輸時延、空間靈活性上存在缺陷。隨著國內(nèi)芯片廠家發(fā)力5G芯片、5G RedCap模組商用，以及產(chǎn)業(yè)鏈上下游逐步成熟，5G模組成本持續(xù)下降，設備5G通信模組內(nèi)嵌化的趨勢逐漸顯現(xiàn)，該模式下設備可直連基站5G信號，利于增強設備與5G原生特性能力融合。從設備功能上來看，工業(yè)5G終端設備逐漸由單數(shù)據(jù)傳輸設備轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ?G設備。

5G LAN、高精度定位、邊緣計算、高精度授時等多種需求被納入設備設計，例如：5G工業(yè)CPE、網(wǎng)關等產(chǎn)品功能持續(xù)豐富，除了提供數(shù)據(jù)傳輸、路由、多種協(xié)議轉(zhuǎn)換等基本功能外，逐步增加超強算力、本地數(shù)據(jù)處理、支持5G新特性等多種智能化新功能。從設備應用上來看，工業(yè)5G終端設備與垂直行業(yè)深度融合，適應特定需求。特別是在電力、礦山、交通等專業(yè)化需求度高的5G應用領域，行業(yè)巨頭深入設備設計環(huán)節(jié)，縱向聚合產(chǎn)業(yè)鏈伙伴定制生產(chǎn)，滿足工業(yè)場景差異化需求。例如：南瑞信通面向配網(wǎng)差動保護、精準負荷控制等多種電力應用場景，推出了嵌入式5G通信倉、外置接入獨立式5G電力CPE等產(chǎn)品，并于近期完成了電力行業(yè)首款5G RedCap終端設備研發(fā)和試點應用。

03、我國工業(yè)5G終端設備應用前景展望

5G工業(yè)模組前景展望

當前已經(jīng)商用的5G模組主要是遵循3GPP R15、R16版本協(xié)議，在技術上具有一定的局限性，不能滿足工業(yè)設備厘米級高精度定位、低時延控制、低功耗等需求。5G工業(yè)模組仍面臨成本居高不下、需求適應性待提升、定制化模組較少等挑戰(zhàn)。在市場需求驅(qū)動下，模組廠家將加強對行業(yè)需求的價格和功能適配，低成本5G通用模組及適應特殊需求的定制型解決方案將不斷落地。

通用型5G工業(yè)模組方面，在技術上，加快推動符合3GPPR17標準的5G模組商用落地，協(xié)同推進高速率5G NR和中高速率5G RedCap模組產(chǎn)品規(guī)?；逃?，共同滿足對帶寬、延時、可靠性、定位等需求多樣的工業(yè)應用場景，目前運營商正在進行網(wǎng)絡測試并針對工業(yè)場景進行定制化網(wǎng)絡設置。

在成本優(yōu)化上，前期可以通過采用國產(chǎn)芯片、元器件等低價材料替代，以及去除非必要功能（例如裁剪支持頻段、僅支持SA組網(wǎng)等）等方式降低通用型5G工業(yè)模組成本，從而促進使用規(guī)模擴大，后期規(guī)模上量后可進一步推動價格下降。

行業(yè)定制化5G工業(yè)模組方面，芯片模組廠家、行業(yè)用戶、運營商等產(chǎn)業(yè)相關方的合作將進一步加強，積極探索研究各個垂直行業(yè)同類型用戶的共性化功能需求，首先從需求體量較大的場景入手，針對行業(yè)特定需求開發(fā)定制化5G芯片，從上游提升行業(yè)適配度，并通過規(guī)模應用降低成本；其次利用5G RedCap天然支持5G LAN、覆蓋增強、5G授時等原生特性，加快面向行業(yè)需求的定制化5G RedCap模組研發(fā)。隨著定制化5G工業(yè)模組的成本不斷降低、產(chǎn)品持續(xù)豐富，后續(xù)逐步擴大覆蓋場景的范圍。

工業(yè)5G終端設備前景展望

5G網(wǎng)絡覆蓋日益增強和5G工廠建設穩(wěn)步推進為工業(yè)5G終端設備發(fā)展提供了“土壤”。目前，外掛式工業(yè)5G終端設備和部分通用集成式工業(yè)5G終端設備發(fā)展較快，集成式工業(yè)5G終端設備中的行業(yè)定制化設備仍處于發(fā)展初期。

工業(yè)5G終端設備的進一步發(fā)展仍面臨需求碎片化、產(chǎn)品供給豐富程度有待提高、標準體系仍未建立等挑戰(zhàn)。隨著5G標準的不斷演進，新版本標準將助力面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的5G高可靠、低延時等特性得到持續(xù)提升，同時隨著5G工業(yè)模組價格逐漸降低，將進一步推動5G與工業(yè)設備的融合發(fā)展。

在需求匹配方面，加快探索“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”典型應用場景，按行業(yè)推進工業(yè)5G終端設備部署應用。結(jié)合大規(guī)模設備更新行動方案，重點突破工業(yè)和信息化部公布的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”二十個典型應用場景和十個重點行業(yè)，按行業(yè)、分批次集中推進5G應用，以典型應用場景的規(guī)?；瘡椭仆茝V加速5G設備與工業(yè)各垂直行業(yè)深度融合。

在產(chǎn)品研發(fā)方面，促進行業(yè)企業(yè)、運營商、設備廠家等工業(yè)5G終端設備相關各方協(xié)同攻關，加快5G RedCap技術在工業(yè)傳感器、可穿戴設備等終端設備中的應用，加強行業(yè)定制化工業(yè)5G終端設備研發(fā)，綜合利用5G、人工智能等技術，提升工業(yè)5G終端設備的智能化水平。

在標準研制方面，加快面向不同行業(yè)、典型應用場景的工業(yè)5G終端設備標準研制，鼓勵“產(chǎn)學研用”各方積極參與標準制定，凝聚產(chǎn)業(yè)共識，加強工業(yè)5G終端設備標準的宣傳和普及工作，促進產(chǎn)業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。展望未來，產(chǎn)業(yè)界應從加快通用及定制5G工業(yè)模組研發(fā)降本、加強供需匹配對接、推動產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)深度融合、加快工業(yè)5G終端設備標準研制等方面，推動工業(yè)5G終端設備創(chuàng)新發(fā)展。

*本文刊載于《通信世界》總第941期 2024年4月10日 第7期原文標題:《工業(yè)5G終端設備的技術、應用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展》

作者：中國信息通信研究院 陳敏 臧磊 于青民，芯訊通無線科技（上海）有限公司 王浩杰，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所 鄭秋平

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