5G頻譜需求白皮書（電子信息、汽車制造領域）（2021）20224目錄一、引言 1二、5G+工業互聯網典型應用 2（一）移動機器人（AGV） 3（二）運動控制 4（三）大規模連接 4（四）機器視覺（質檢） 5三、工業互聯網頻譜需求測算方法 6（一）基于應用的工業互聯網頻率測算方法 6（二）相關測算參數設定 7四、汽車制造場景下的工業互聯網頻譜需求計算 9（一）汽車制造場景的無線參數假設 10（二）汽車制造場景下的業務數據模型 11（三）汽車制造場景頻譜需求計算結果 13五、電子信息制造場景下的工業互聯網頻譜需求計算 14（一）電子信息制造場景的無線參數假設 14（二）電子信息制造場景下的業務數據模型 15（三）電子信息制造場景頻譜需求計算結果 19六、總結和建議 20附件：頻譜需求預測方法分析 21參考文獻 27PAGEPAGE10一、引言近年來，隨著互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等為代表的新一代信息技術與傳統產業的加速融合，全球新一輪科技革命和產業變革正蓬勃興起。在此背景下，作為智能制造關鍵基礎的工業互聯網隨之孕育而生。工業互聯網是互聯網和新一代ICT技術與工業系統（OT）全方位融合所形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施。5G勢。一是可以大幅降低網絡建設和維護成本。無線網絡能夠快速部署，無須在現場、車間、廠房等區域鋪設線纜及相關保護裝置。以工業測控系統為例，傳統有線系統的布線成本為30-100/米，2000/米1。此外，工業測控系統還需要不斷檢測系統狀態，發現故障后需立即更換線纜。使用無線技術將使測控系統的安裝與維護成本降低90%。二是可以顯著提高生產效率。使用無線技術后，現場設備擺脫了線纜的束縛，增加了現場儀表、被控設備的移動性，網絡結構的靈活性以及工程應用的多樣性，用戶可以根據工業生產需求，快速、靈活、方便、低成本的重構系統。三是可以實現對老舊設備的監測。通過加裝無線傳感器等5G5G領域的應用創新，工業互聯網聯盟相關工作組已經做了大量研究，并完成大量白皮書供業界參考，因此在本白皮書中，將不再就這方1自動化博覽2009.1《工業無線網絡WIA標準體系與關鍵技術》面進行重復闡述，而是重點圍繞電子信息、汽車制造行業的典型場景，針對5G+工業互聯網重點應用的頻譜需求進行分析和計算，為相關部門工業互聯網頻率管理以及運營商頻率使用提供重要參考。二、5G+工業互聯網典型應用2019“”1]前十大應用主要包括AR/VR14%14%，1110%，工業AGV96%，高清視頻監控類應用占比6%，6%5%，移動辦485無人駕駛類應用、工業控制類應用、位置定位類應用、數字孿生等占比總計15%。圖1：2019年“綻放杯”工業應用占比分析2020“綻放杯”工業案例中[2201917%的增長，5G5G行業應用方面，工業互聯網項目占比連續三年增長，占據全部項目285G5G斷發展和演進，應用重點行業和領域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦山、港口等領域，逐步獲得業界認可，并初步形成了有望規模商用圖2：2018-2020“綻放杯”大賽參賽項目各類行業應用占比工業領域部分5G典型應用案例如下：（一）移動機器人（AGV）AGV(自動導航車輛AutomaticGuidedVehicle)需要與控制系統、其它AGV以及周邊設備保持安全可靠的無線通信，對通信時延、可靠性、確定性和時鐘同步提出嚴格要求。同時AGV的移動性，要求無線網絡在室內或者室外具備連續覆蓋，并支持無縫切換。一AGV4K8K時分析，那么無線網絡需要支持幾十甚至上百Mbps（二）運動控制工業機器人是自動化產線上不可或缺的一部分。傳統機器人通常搭配固定的PLC硬件，執行特定功能，而隨著制造業向智能制造、柔性制造發展，未來機器人也將向云化發展。通過將控制、編程功能移向云端（包含邊緣云），使得機器人可以利用云端的計算能力完成復雜的判斷、行動以及協作，比如圖像識別，兩臺機器人一些協作搬運更大的貨物等等。這種情況下，通過無線通信網絡，實現遠端機器人和云端的控制器之間的通信，就變得更靈活。根據應用場景的不同，遠端機器人既可能工作在室外，也可能在室內，甚至有可能是地下，回傳的信息可以是設備狀態、圖像甚至視頻等信息，而云端控制器則需要發送運動控制指令給遠程機器人，因此一個靈活、能支持豐富傳輸特性的網絡將變得非常重要。就運動控制指令而言，一個低時延、高可靠的傳輸通道尤為重要。（三）大規模連接5GmMTC場景可以支持平方千米內擁有百萬用戶。現代化工廠依賴傳感器接入技術，將設備、環境和流程集成在一起，實現工業生產的智能化監控。海量傳感器接入技術為老舊設備和車間環境4.0生產設備中，推動制造領域向自動化、智能化方向發展。分辨率高8K上，以監控生產線生產情況，執行生產質量檢查。傳感器還安裝在關鍵位置，用于預防意外事故（如：火災），或者安裝在相關工具上，如：滅火器，以確保其工作狀態正常。5G海量接入和低功耗終端的特性，促進長周期、小數據包的傳感器更容易部署在電池更換周期長的生產環境中，滿足信息制造場景的需求。（四）機器視覺（質檢）4K、8K5G展出大量的創新型應用。不僅可以實現精細原材料識別、精密定位測量等環節，還可應用于工業可視化、機器人巡檢、人機協作交互等場景，利用機器視覺、人工智能算法，提高工業自動化、智能化水平。利用VR/AR技術提高工作效率將是智能制造的一大趨勢。虛擬現實VR（VirtualReality），則通過計算機仿真技術生成虛擬的全沉浸式、可交互的三維場景，使用戶與現實世界隔離。而增強現實AR（AugmentedReality），通過在現實世界環境和物體中，疊加虛擬信息，實現對現實世界信息的增強，使用戶獲得超感知體驗。在工業制造中，VR3D產品設計、員工培訓等場景。采VR3D試能力，既降低了驗證成本，同時提高了設計效率。VR工培訓，特別是工藝復雜、操作性強的制造領域，通過模擬真實工在機器視覺中，由于具體應用采用不同的編碼率、像素深度、幀率以及壓縮比，對應的速率都不相同，表1中給出的是本文計算采用的速率。表1：不同格式的視頻數據速率計算三、工業互聯網頻譜需求測算方法在對比分析了IMT常用的頻率需求測算方法基礎上，針對工業互聯網應用特點，我們認為基于應用的測算方法更適用于工業互聯網頻率需求測算。相關頻率需求測算方法見附件。（一）基于應用的工業互聯網頻率測算方法該方法采用ITU-RM.1651建議書[3]的方法，關于應用的輸入參數可以反映各個國家的不同情況。為在該法中算頻總需量R（Hz），使用下等：Rts=(C×A×U)/I/S Rt=∑Rts （2）R=max(Rt) （3）在上面的等式中，Rts組頻率需求，可以由連接密度(用戶數/km2)C、應用數據速率(bits/s)A、使用模式(%)U、以及無線技術相關的參數（每平方公里的小區個數IS）計算而得到。其中，連接密度C的定義在ITU-R建議書M.2083[4]中給出，可以由公式1連接密度C=(給定區域內的用戶數)×(激活因子)計算得到。使用模式U定義了給定電信密度下使用一定類型的業務的用戶比例，該參數值可能因區域或者國家的不同而有所區別，單位為%。激活因子和使用模式可能被不同頻率影響，以反應不同的運營環境。??Hz)。頻率總需求量R當用于工業互聯網工廠內網絡頻率分析時，可以對不同場景下的工廠內網絡頻率需求采用不同的參數分別進行評估，總的頻率需求應該在各種不同場景中取其中的最大值。值得注意的是，工廠中5G量常見金屬物體引起，以及由電機，電弧焊等引起的潛在高干擾。因此，應評估工廠無線傳播環境下無線技術的小區覆蓋范圍和小區（二）相關測算參數設定針對工廠內網絡不同部署場景下，可能具有不同的應用以及部署情況。應盡量針對不同部署場景和業務收集相關參數，如下為某一個場景的參數集，如表2所示。表2：基于應用的工業互聯網頻率需求分析的基本應用參數參數說明工廠面積FactoryArea（平方米）小區總數TotalCellNumber可由工廠面積與站間距計算得到用戶總數N1激活因子（%）業務1用戶有空口業務發送的激活時間比例業務使用模式????????????1（%）業務1的用戶數占總用戶數的比例業務1平均數據速率????????1（kbps）2激活因子（%）業務2用戶有空口業務發送的激活時間比例業務2使用模式????????????2（%）使用業務2的用戶占全部用戶總數的比例業務2平均數據速率????????2（kbps）…業務n激活因子???????????????（%）業務n用戶有空口業務發送的激活時間比例業務n使用模式?????????????（%）使用業務n的用戶占全部用戶總數的比例業務n平均數據速率?????????（kbps）針對應用的無線技術，應通過鏈路預算或者系統級仿真結合候選頻率范圍研究以下參數和假設，如表3所示。表3：基于應用的工業互聯網頻率需求分析的基本無線參數參數說明站間距（米）根據鏈路預算或者系統級仿真估計站間距每個站址的小區數量totalcellnumber如果采用更好方向性的天線、毫米波段頻率達到高效的空分復用，采用更高效的小區分裂技術，可以使得每個站址支持更多小區數量。頻率效率S（b/s/Hz/cell）根據無線技術規范和系統級仿真等，確定每小區平均頻譜效率負載因子(loadingfactor?)%負載因子應反映不同可靠性要求的應用對網絡負載的要求，可靠性要求越高網絡負載因子越低。總的頻率需求可以用如下公式計算得到：Σ Σ 1 ????????????????)?

（4）其中，小區平均頻譜效率S，原則上可以根據無線技術規范和系統級仿真等，確定每小區平均頻譜效率，但譜效與小區無線參數配置強相關，故此在工業互聯網頻譜需求預測場景中，我們采用ITU-RM.2410中對室內熱點場景的平均頻譜效率的最小要求值作為頻譜預測的平均譜效。ITU-RM.2410對IMT-2020技術的需求中，不同場景的上下行平均頻譜效率最小需求如下：表4平均頻譜效率最小需求應用環境下行(bit/s/Hz/TRxP)上行(bit/s/Hz/TRxP)室內熱點–eMBB96.75密集城區–eMBB7.85.4郊區–eMBB3.31.6針對測算涉及的參數，一方面，需要結合工廠內網絡采用的空口無線技術和候選頻率范圍進行分析，比如采用基于5G5G需要考慮空中接口的負載冗余以滿足高可靠性業務的要求。因此，建議針對工業互聯網頻譜需求研究，在無線參數中針對不同應用考四、汽車制造場景下的工業互聯網頻譜需求計算在不同工業領域中，汽車制造屬于自動化實現程度較高的行業。隨著競爭加劇，整車制造商們急需實現產品個性化，提高整車質量，提升生產效率，因此對生產過程中的柔性制造、質量檢測和流程監控提出了更高的要求。工業互聯網技術的發展，培育了新模式新業態。通過構建連接企業信息系統、智能機器、物料、人等的工業互聯網平臺，貫穿汽車智能制造全產業鏈、全生命周期，實現工業互聯網數據的全面感知、動態傳輸、實時分析，為智能制造、個性化定制生產模式創新提供良好支撐和契機。很多國內外汽車制造企業，已經開始在工廠5G5G遠程指導和輔助操、AI先進應用對高效連接、低時延、高可靠和大容量數據傳輸特性的需求。（一）汽車制造場景的無線參數假設做為精益生產的典型場景，汽車制造的整個業務流程，都是基于嚴密而精確的設計，發送什么類型的數據，什么時候發送，都具有很強的計劃性和確定性。因此，在計算汽車制造場景的頻譜需求時，可以采用第3章中基于應用的方式，公式（4）也可以表述如下：Fes=Totaltrafficdatarate/Nbofsectors/loadfactor/SpectralEfficiency（5）Total=uplink+downlink) （6）其中：Fes表示需要的頻譜數量Totaltrafficdatarate（數據速率總量）2424Loadfactor（網絡負載因子）：考慮到工業場景中有大量URLLC類型的數據，它們數據包不大，但對可靠性和時延都有很高的需求，因此該式中的LoadFactor取值為50%。SpectralEfficiency（頻譜效率）：頻譜效率采用ITU-R室內熱點場景的最小需求值,上行為6.75bit/s/Hz9bit/s/Hz。工廠環境和業務模型假設10000m2100100m2。圖3：工廠環境拓撲假設示意圖3GPP253內一共有75個小區。（二）汽車制造場景下的業務數據模型2018年11月，在通信、汽車制造行業會員的努力下，工業互聯網聯盟發布了《無線應用場景白皮書—汽車制造領域（2018年）》本次頻譜需求的計算，主要采用了該白皮書中的業務模型，并通過和具體整車汽車制造廠家討論調研，對各應用場景下的消息數據包大小，發送頻率，終端密度等數據進行了初步估計，從而計算出整汽車制造從流程上分為沖壓，焊接，涂裝和總裝四道工序。其中，總裝車間，由于同時兼具視頻檢測和基于VR/AR用場景，無線業務數據量是最高的（56給出了三類工序下的業務模型），因此最終的汽車制造場景下的頻譜需求取值總裝場在所有的業務中，視頻類業務比如紅外相機、機器視覺以及VR/AR眼鏡是最消耗帶寬的應用。《無線應用場景白皮書—汽車制造領域（2018年）》中指出，在汽車制造車輛質檢中，會用到紅外相機、機器視覺。根據我們和整車制造企業的交流，目前行業正在試驗將機器視覺應用于汽車生產的不同環節中，比如出廠前的劃痕檢測，因為劃痕較為細小，因此會更多采用基于8K的視頻解決方案。同時，4K/8KVR/AR眼鏡也被認為在遠程維護指導、裝配指導等方面具有很大的應用潛力。在本場景下的頻譜計算中，機器視覺以及AR/VR的速率值，直接引用第一章表1數據，并根據工廠對新型智能應用的程度，給出了高、中、低三種智能終端數量配置。表5汽車制造三類工藝下的上行業務速率計算表6 汽車制造三類工藝下的DL業務速率計算（三）汽車制造場景頻譜需求計算結果由于頻譜的熱點效應，頻譜需求的測算需要基于累加業務量需求最高的場景進行計算，因此在汽車制造的4類車間中，選擇總裝車間作為汽車制造場景頻譜需求計算結果。可以得出汽車制造場景頻譜需求計算結果如下表所示：表7：汽車制造場景頻譜需求計算結果頻譜需求（MHz）三扇區部署高中低下行1523810上行452291181總計604329191五、電子信息制造場景下的工業互聯網頻譜需求計算智能化的生產更離不開高效、可靠的通信網絡。隨著工業4.05G性和時延上的突破，為無線應用到制造領域提供了可能。在未來工廠中，由無線通信提供的靈活、移動、通用的連接，必將對制造業7]。5G通過研究兩種電子信息制造工廠面積內的典型業務量情況，即電子12，5G（一）電子信息制造場景的無線參數假設5G8表8：基于應用的工廠內網絡頻譜需求分析的基本無線參數參數數值說明站間距（米）20根據鏈路預算或者系統級仿真估計站間距每個站址的小區數量13如果考慮小站常用全向天線配置，則每站1線、毫米波段頻率達到高效的空分復用，采用更高效的小區分裂技術，可以使得每3。下行頻譜效率（b/s/Hz/cell）9ITU-RM.2410indoorhotspot上行頻譜效率（b/s/Hz/cell）6.75ITU-RM.2410indoorhotspot負載因子50%負載因子應反映不同可靠性要求的應用對網絡負載的要求，可靠性要求越高網絡負載因子越低。（二）電子信息制造場景下的業務數據模型1800020040181(cell)54cell)。廠房站址和基站位置的拓撲所圖4示。圖4：電子信息制造工廠和基站部署拓撲示意圖5G7]，針對不同數據速率應用的情況，分別總結了近期部署的業務參數如表9，以及10。假設近期部署的場景中，涉及4K8K表9：模型1近期部署的基本業務參數下行上行應用數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)設備內工業控制50100150005010015000線體內工業控制250100125000250100125000整間車間生產控制250100001250000025010001250000AGV控制10020120001002012000AGV視頻(4K)000032000201640000缺陷檢測(4K)00006400015019600000震動傳感器0000480150172000海量傳感器110000110000110000110000音頻電話10020120001002012000視頻電話153610115360153610115360AR(4K)640003212048000640003212048000智能診斷維護500100.0015500100.0015表10：模型1中遠期部署的基本業務參數下行上行應用數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)設備內工業控制50100150005010015000線體內工業控制250100125000250100125000整間車間生產控制25010000125000002501000012500000AGV控制10020120001002012000AGV視頻(8K)00101270002012540000缺陷檢測(8K)0010254000150138100000震動傳感器0010480150172000海量傳感器110000110000110000110000音頻電話10020120001002012000視頻電話153610115360153610115360AR(8K)25500032181600002550003218160000智能診斷維護500100.0015500100.001525G7]中的基于海量終端接入的工廠監控應用案例給出的技術要求和技術指標作出100000020125001(cell)2500cell)。如果每個站址上部1cell7500cell)。1000000，近期預估采用每平方千米12表11：模型2近期部署的基本業務參數近期下行上行應用數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)用戶比例數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)設備內工業控制5050000125000005%505000012500000線體內工業控制250500001125000005%25050000112500000整間車間生產控制25010000012500000010%250100000125000000AGV控制100400014000000.40%10040001400000AGV視頻(4K)320003000000.30%320003000196000000AGV視頻(8K)1270001000000.10%12700010001127000000缺陷檢測(4K)640003000000.30%6400030001192000000缺陷檢測(8K)2540001000000.10%25400010001254000000震動傳感器4804000000.40%480400011920000海量傳感器1750000175000075%17500001750000音頻電話10010000110000001%1001000011000000視頻電話1536100001153600001%153610000115360000AR(4K3D)64000300011920000000.30%6400030001192000000AR(8K3D)255000100012550000000.10%25500010001255000000智能診斷維護500100000.00150001%500100000.0015000表12：模型2中遠期部署的基本業務參數中遠期下行上行應用數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)數據速率每終端(kbps)終端總數平均激活因子集總數據速率(kbps)設備內工業控制50100000150000005010000015000000線體內工業控制250100000125000000250100000125000000整間車間生產控制250200000150000000250200000150000000AGV控制1008000180000010080001800000AGV視頻(4K)320005000003200050001160000000AGV視頻(8K)12700030000012700030001381000000缺陷檢測(4K)640005000006400050001320000000缺陷檢測(8K)25400030000025400030001762000000震動傳感器480800000480800013840000海量傳感器11500000115000001150000011500000音頻電話10020000120000001002000012000000視頻電話153620000130720000153620000130720000AR(4K3D)64000500013200000006400050001320000000AR(8K3D)2550003000176500000025500030001765000000智能診斷維護500200000.00110000500200000.00110000（三）電子信息制造場景頻譜需求計算結果49、表10、表1112參數，采用本報告第二章中頻譜需求預測方案，可以計算得出電子1314表13：1三扇區小區部署近期中遠期上行頻譜需求69MHz282MHz下行頻譜需求19MHz44MHz合計頻譜需求88MHz326MHz上下行時隙配比3.7：16.4：1表14：2三扇區小區部署近期中遠期上行頻譜需求46MHz111下行頻譜需求19MHz36合計頻譜需求61MHz147上下行時隙配比3:13:1六、總結和建議根據“綻放杯”的應用情況以及之前章節對具體行業的實際應用需求分析，可以看出未來工業企業的數字化轉型和升級，離不開頻譜資源的供給。根據第四、五章的模型、參數和計算，電子信息制造行業估算61-326MHz191-604MHz5G高清圖像、視頻在質檢以及和其它云機器人、AGV根據室內、室外應用的需求，工業互聯網業務可通過中頻段綜合以上分析，可以看出電子信息和汽車制造領域5G+工業互聯網的頻譜需求較大，需要規劃新的頻率來滿足行業迫切需求。其他垂直行業的頻譜資源需求仍需要進一步研究。附件：頻譜需求預測方法分析ITU-RWP5DIMT-2000IMT-2020技術演進和不斷增強增加的場景，持續針對系統頻率的需求進行預測評估。ITU-RM.1768[8IMT測計算方法，在2006ITU-RM.2078[9M.1768IMT-advanced系統進行了頻率需求的評估；在2013WRC151.1，ITU-RM.2290[10M.1768IMTIMT2000IMT-advancedWRC19AI1.13WP5DIMT-2020采用ITU-RM.16513]基于應用的方法，M.1651是在WRC-03研究周期中制定和使用的，也曾在WRC-151.1下用于計算RLAN（比如峰值速率，用戶體驗速率，小區邊緣數據速率要求，頻譜效率等）的附件針對M.1768和WP5DIMT-2020的頻率需求方法以及所需要的參數集進行介紹，并進行對比分析。一、ITU-RM.1768頻率需求預測方法M.1768針對分組業務和電路域業務的頻率需求分別進行預測并疊加[8]。這里主要考慮針對分組業務的頻率需求預測方法，采用排隊論理論針對分組業務的容量和頻率需求進行預測。排隊論模型采用M/G/1先進先出排隊系統，既假設系統中只有一個服務窗，顧客到達系統的時間間隔服從參數為λ的泊松分布，而服務窗的服務時間是一般分布G。排隊系統中，當系統為一個顧客服務時，當前服務不能被中斷，新來的客戶只能進入隊列排隊等待。對于每個分組業務都可以設定優先級，不同分組業務也可以具有相同優先級。服務時間由分組包長和無線接入技術調制編碼速率決定。此種方法需要比較多的業務模型相關的參數，比如分組數據包大小的平均值和二階矩、會話到達率和會話平均時長等，需要提前針對不同業務場景的具體業務流量建模深入研究，才能達到比較好的預測效果。此方法在5G毫米波頻率需求預測過程中，沒有被采用。二、ITU-RIMT-2020毫米波頻率需求預測方法和參數集IMT-2020毫米波頻率需求預測中采用的計算方法，主要有兩種類型：基于應用的方法和基于性能的方法。（一）基于應用的方法該方法采用ITU-RM.1651建議書[3]的方法，關于應用的輸入參數可以反映各個國家的不同情況。為了在該方法中計算頻率總需求量R（Hz），使用以下等式：Rts=(C×A×U)/I/SRt=∑RtsR=max(Rt)在上面的等式中，Rts表示給定的電信密度和服務類型中的一組頻率需求，可以由連接密度(用戶數/km2)C、應用數據速率(bits/s)A、使用模式(%)U、以及無線技術相關的參數（每平方公里的小區個數IS）計算而得到。其CITU-RM.2083[4]中給出，可以由公式連接密度C×使用模式U??表示給定電信密度的一組頻率需求(Hz)。頻率總需求R（二）基于性能的方法基于性能的方法的概念是指無線系統的關鍵性能參數，比如支持的峰值數據速率、頻譜效率、用戶體驗的數據速率、預期的設備密度等因素，會影響頻率需求。此外，使用場景，包括其相關的預期覆蓋區域、部署環境和目標應用，會直接或間接地影響頻率需求的技術要求和條件。可以根據關鍵技術性能要求（例如，峰值數據速率、用戶體驗數據速率和區域流量容量）對頻率需求進行簡單粗略的估計，或者可以在鏈路預算和系統級仿真的基礎上取得關鍵參數，進行詳細計算。WP5D針對基于性能的方法中，又分成兩種類型。類型11B=(D×N)/S其中，B：頻率需求，單位是HzD：平均用戶數據速率，單位是b/sN:同時服務的用戶數S：頻譜效率，單位是b/s/Hz表15是WP5D給出的基于類型1方法計算的頻率需求示例。表15：WP5D聯絡函中基于性能方法中類型1方法的頻率需求示例示例頻率需求＃1-基于ITU-RM.2083建議書用戶