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基于5G毫米波通信的工業機器人(2025年3月)衛義仁1,周明1,張文珽2,周進峰3,冉龍強3,陳思仁3,曾紅李3,婁淵志3,趙騫理3,韋影嬈(Candy)3,王愛喜3,林麗莉3,朱晟偉3,瞿好聰32上海仙工智能科技有限公司3英特爾(中國)有限公司目錄目錄 1 2 4 5 6二、基于5G毫米波的工業應用 72.1基于5G毫米波的AMR在工業行業的應用 72.2基于毫米波通信的工業5G方案的技術實現 92.3應用案例:英特爾成都工廠 10 前言近年來,5G在工業領域的應用日益廣泛,在5G工業網絡的支撐下,工業企業獲得了高可靠、廣連接、低功耗、低成本的無線專網數據傳輸服務,助力遠程設備操控、無人智能巡檢、現場輔助裝配、生產現場檢測等場景的落地。然而,基于公網的工業5G方案在時延、可靠性和覆蓋能力等方面仍存在瓶頸,導致其在部分特定應用場景中可能會出現網絡時延較高、智慧塵埃、仙工智能、英特爾攜手推出基于毫米波(mmWave)通信的工業5G方案,該方案充分利用了5G毫米波獨立于公網的頻段、專頻專用、頻率資源有保障等優勢,能夠更好地保障網絡的專用性、安全性、可靠性、時延確定性以及抗干擾能力。方案采用英特爾?FlexRAN參考架構,使用緣端對網絡數據進行高效處理,滿足工業場景中自主移動機器人(AMR)等目前,基于毫米波通信的工業5G方案已經在AMR領域得到成功應用,并在英特爾成都工廠成功驗證。該方案為AMR提供了高安全、高確定、高可靠的5G網絡環境,成功降低了AMR應用中由于網絡問題頻繁導致的AMR碰撞與意外暫停等現象,顯著提升了AMR的運行穩定性與物料3GPPThe3rdGenerationPartnershipProject5GThe5thGenerationAAUActiveAntennaUnitADCAnalogtoDigitalConverterAGVAutomatedGuidedVehicleAIArti?cialIntelligenceAIoTArti?cialIntelligenceofThingsAMRAutonomousMobileRobotAPAccessPointARAugmentedRealityBBUBasebandUnitCFRCrestFactorReductionCPECustomerPremiseEquipmentCPUCentralProcessingUnitDACDigitaltoAnalogConverterDCSDistributedControlSystemDDCDigitalDownConverterDDSDataDistributionServiceDMRSDemodulationReferenceSignalDPDDigitalPre-distortionDUCDigitalUpConverterFECForwardErrorCorrectionGPUGraphicsProcessingUnitISAInstructionSetArchitecture22IIOTIndustrialInternetofThingsITInformationTechnologyLLRLog-likelihoodRatioMACMediaAccessControlMECMulti-accessEdgeComputingMMSEMinimumMeanSquaredErrorMOMManufacturingOperationManagementOTOperationTechnologyQoSQualityofServicePLCProgrammableLogicControllerPUSCHPhysicalUplinkSharedChannelRANRadioAccessNetworkRHUBRRUHUBROSRobotOperatingSystemROIReturnofInvestmentRRURemoteRadioUnitSCADASupervisoryControlAndDataAcquisitionSDRSoftwareDe?nedRadioSLBCSmartLinkBoundlessCellSRSSoundingReferenceSignalUPFUserPlaneFunctionVRVirtualRealityWMSWarehouseManagementSystem3345G與工業互聯網的深度融合應用已成為驅動經濟社會數字化轉型的重要力量,為推進新型工業化、建設現代化產業體系提供了堅強支撐。在行業應用層面,5G毫米波專網在智慧工廠、智慧港口、智慧能源等領域,能夠支撐大帶寬連接和毫秒級時延的通信服務;在低空經濟領域,能夠提供高精度無人機探測和感知服務。同時,人工智能(AI)技術為毫米波在工業領域創新應用提供了智與5G中低頻段相比,5G毫米波頻段具備超大帶寬、超低時延、易與波束賦形技術結合、高度集成、能夠實現高精度定位與感知等技術優勢,這些優勢使得5G毫米波技術能夠較好地應用優勢5優勢5優勢優勢4優勢3優勢3優勢65G毫米波的工業領域創新應用方向主要分為行業專頻專網以及通感算一體化。55卡車大規模調度等新應用場景,都需要結合行業的場景需求差異與特點提供解決方案?;诠W的5?網絡穩定性不足—公網5G可能受到其他用戶流量的影響,導致時延波動和可靠性降低,難以滿足工業級應?時延較高—盡管5G具備低時延特性,但公網5G受基站負載和核心網架構影響,難以實現超低時延(如ms級別對高精度?帶寬資源受限—公網5G頻譜資源共享,工業應用可能因流量競爭而無法獲得穩定的高帶寬支持,影響高清視頻監控、AI檢測?缺乏本地化邊緣計算支持—公網5G依賴運營商核心網,缺乏企業專屬MEC能?成本與投資回報(ROI)不確定性—長期使用公網5G需支付較高的流量費用,同時無法確保穩定性和長期ROI,影響企業部署是指企業可基于5G毫米波專網構建獨立、專用的通感算一體化網絡。各行業基于業務需求的不同,在同區域內對網絡需求動態調整。專網可提供對網絡資源的可配置可編程能力,允許企業根據自身需求靈活配置和優化網絡參數,從而避免與公網共享資源可能導致的服務質量(QoS)和安全問題。環境中也能保持高傳輸質量,提高了通信的可靠性和穩定性。5G毫米波專網可根據行業特點設立多重備份和容錯機制,提供高于5G公網的傳輸可靠性。是指企業可以根據業務負載變化,基于5G毫米波專網進行靈活的資源分配,確保關鍵業務在需要時能得到充足且穩定的帶寬保障。5G毫米波專網可以設定嚴格的服務等級,確保諸如遠程控制、實時監控等重要應用獲得確定性網絡資源,降低網絡擁塞對關鍵業務的影響。強的無線網絡,實現數據的高速、低時延傳輸。在工業環境中,5G毫米波專網可以限定通信范圍,避免非法侵65G毫米波組網架構創新聚焦于集成通信(Communication)、感知(Sensing)和計算(Computing)功能于一體的通感算一體化統一網絡計算架構是指通過5G毫米波通感算一體化,使得5G毫米波無線組網能夠構建一個AI內生的可編程、可擴展、高感知功能集成是指5G毫米波專和運動檢測等功能,為智慧倉77二、基于5G毫米波的工業應用2.1基于5G毫米波的AMR在工業行業的應用自動移動機器人(AMR)是物流機器人的一種,常見于工廠、工地等場景,是一種用于物料搬運的運輸設備,其通常具備較大的尺寸與較高的續航,能夠滿足工廠內/外的運輸需求。隨著業務對于物料運輸效率要求的不斷提升,以及人力搬運成本的升高,越來越多的企業加大了對于AMR的部署力度。AMR支持采用自動或人工方式裝載貨物,按設定的路線自動行駛至指定地點,再通過AMR依賴于AMR自身的自動識別、控制、行進等能力,以及統一的路徑規劃與協同管理系統。路徑規劃與協同管理系統能夠通過動態全局協同規劃,進行多AMR路徑搜索和交通管制,可令AMR有效躲避擁堵,提升效率,同時提供優化的任務分配方案,盡可能提升AMR運輸資源的利用率。系統還能夠實現對整個廠區機器人及智能設備運作情況的實時監控,促進智能化與數字化英特爾針對AMR推出了三款邊緣平臺,英特爾?工業邊緣控制平臺、英特爾?工業邊緣洞見平臺和英特爾?AMR開發平臺,實現在邊緣端對AMR機器人運動控制和智能化應用。融合了信息技術(IT)和運營技術(OT),公司可以遠程部署和控制,降低成本并縮短部署時間,同時預先驗證的系統硬件允許將新的工作負載添加到現有的計算資源中,使新的同類最佳產品可以快速、大規模地部署。另一方面,通過在系統升級和故障基于微服務、容器化、靈活總線、支持自行開發的特征,提供完整的開發工具,可以滿足用戶個性化快速開發的需求。平臺還●英特爾?AMR開發平臺該平臺架構如圖1所示,平臺基于開源系統ROS2和DDS消息總線,提供集成和優化的驅動、中間件、算法及開發工具,讓開發平臺作為整個容器或獨立的模塊來開發產品的特定功能。這一平臺還支持跨英特爾平臺完全復用代碼,包括CPU和GPU等。同時,基于邊緣端和云端的支持,該平臺可以使跨AMR、邊緣和云軟件的工作負載編排更加容易。8參更安全、更靈活、更敏捷的工業無線網絡使用云工具輕松運維現場IT/OT和IIoT軟件海量多類型數據采集與處理機械臂公有云/私有云工業現場新型數字化基礎設備傳感器scI/O模塊5G專網智能工業網關PLC容器存儲輕量化云底座虛機攝像頭scAR/VRsc工業現場新型數字化基礎設備傳感器scI/O模塊5G專網智能工業網關PLC容器存儲輕量化云底座虛機攝像頭scAR/VRAVG/AMR生產管理生產管理PlantEngineering生產監控SCADA工業5G專網5G能力工業5G專網邊緣云網一體機目5G基帶WMSMOMAIoT5GCDCS大型工業移動機器人系統調度圖1.AMR云網邊端架構在AMR開發過程中,網絡對于保證路徑規劃與協同管理系統的穩定、順暢運行,確保系統與要實現不同分支機構AMR的統一管理,也需要云邊端的網絡支持。由于AMR需要承擔部分工廠外部的運輸任務,而工廠外部通常缺乏Wi-Fi網絡覆蓋。此外,在多個Wi-Fi無線接入點(AP)之間切換時,可能會出現網絡響應延遲,從而影響AMR的路徑規劃與協同管理。此類網絡不穩定性可能導致AMR發生碰撞或意外暫停,影響運行效率和安全性?;?G專頻專網技術的AMR將有助于解決上述問題,其實現了遠超Wi-Fi網絡的覆蓋范圍,避免了Wi-FiAP切換帶來的卡頓等問題。而與4G網絡相比,5G網絡在時延、帶寬等方面具備更高的優勢,可制成實現高效的AMR管理。92.2基于毫米波通信的工業5G方案的技術實現智慧塵埃、仙工智能、英特爾面向AMR場景,聯合開發了基于毫米波通信的工業5G方案。該方案參考了英特爾?FlexRAN架構,結合智慧塵埃的5G毫米波專網技術,設計了一套高效的5G毫米波專網方案。方案能夠利用輕量化的獨立核心網,結合用戶面功能(UPF)及無線基站,實現專網獨立組網。5G毫米波專網為仙工智能的AMR等機器人及自動化設備統一資源調度系統提供英特爾?FlexRAN是一個面向4G/5G無線接入網(RAN)開發的參考平臺,旨在通過基于通用硬件(如英特爾?至強?處理器)的高性能、模塊化架構支持靈活的無線基帶處理。其開放的設計理念讓設備廠商和運營商能夠面向低頻廣覆蓋、高頻熱點、工業專網等5G場景,快速開發和部署符合需求的網絡解決方案。下文將重點探討其軟件架構,以及其靈活性、可擴展性和高性能的DRAN,CRAN,enterprise,CSPs3GPPFeaturesTraditionMIMO,MassiveMIMO,URLLC,CompleteTDD,FDDscenariosDevOpsC/C++SWdevFlexRANFieldTested3GPPwirelessend-to-end英特爾?FlexRANDRAN,CRAN,enterprise,CSPs3GPPFeaturesTraditionMIMO,MassiveMIMO,URLLC,CompleteTDD,FDDscenariosDevOpsC/C++SWdevFlexRANFieldTested3GPPwirelessend-to-endSWandHWFlexRANLTERefvDUFlexRANLTERefvDUFlexRAN5Gsub6RefvDUFlexRAN5GULRRCRefvDU5GmMIMO6RefvDUModularSDKsL1SDKAVX5I2PHYmodulesL1SDKAVX5I2PHYmodulesO-RANSDKeBBUPoolingSDKMLOGSDKDPDKBBDEVdevicedriversL2SDKdeploymentDRANandCRANFlexRANisFlexRANisaSWandHWreferencearchitecturetoenabletheOpenRANecosystemtobuildanddeploy圖2.英特爾?FlexRAN參考架構客戶網絡資源編排工廠5GCTSN時延緩存BBUBBU車間1…BBU內聯合收發免切換AI視覺檢測AGV工業ARPDCP重復發送空口資源切片編排車間N基于SRS測量,按用戶選擇頭端前傳接口指示接收頭端調度能力提升免調度子帶全雙工在本方案中,UPF采用了面向物聯網邊緣的英特爾?至強?可擴展處理器,該處理器搭載RAN加速技術,可實現面向5G的前向糾錯(FEC),并具備新的5G指令集架構(ISA),可通過半精度(IEE客戶網絡資源編排工廠5GCTSN時延緩存BBUBBU車間1…BBU內聯合收發免切換AI視覺檢測AGV工業ARPDCP重復發送空口資源切片編排車間N基于SRS測量,按用戶選擇頭端前傳接口指示接收頭端調度能力提升免調度子帶全雙工多頭端聯合收發空口共小區免切換BBU間空口共小區免切換通感一體化頭端基于OFDM波形的通感一體化架構實現一網多用PLCPLC圖3.5G毫米波專網架構自2018年起,英特爾成都工廠采用了AMR系統以提高物料搬運效率。該系統通過運營商的公共網絡連接,使用戶能夠遠程下達系統指令。AMR會自動將物料運輸到指定的工廠區域,但是,基于公用網絡不可控的時延和有限度的覆蓋,AMR經常會遇到與墻壁碰撞或意外暫停的現象。實測數據顯示,之前部署的4G公網在大多數情況下的時延在100毫秒左右,遠遠超過了AMR系統最低時延要求,這給工廠的運維和效率帶來了嚴重的困擾,也給AMR的路線規劃帶來了不可預見的挑戰。為了解決上述問題,英特爾決定建設5G毫米波專網,結合仙工智能機器人及自動化設備統一資源調度系統,以更及時便捷地掌握AMR物流運輸情況,提供更加穩定的運行環境,提高生產效率,同時為未來更多的智能制造應用場景提供基礎設施。相比于運營商的5G虛擬專網模式,5G毫米波采用獨立于公網的頻段,專頻專用[1],頻率資源有保障,系統完全獨立于公網。對于有特殊安全需求的廠商,5G毫米波專網通過有效的物理隔離和邏輯隔離,保障網絡的專用性、安全性和可靠性。英特爾成都工廠室外物料搬運的整體網絡規劃如圖4所示,其分為設備終端/CPE、基站端、基帶處理單元(BBU)端和5GC核心企業服務系統數字孿生系統iEdge9221RANiEdge9211CoreiNav9211圖4.英特爾成都工廠面向AMR的5G毫米波專網部署網絡拓撲圖米英特爾成都工廠面向MHV的5G毫米波站點部署和覆蓋如圖5所示,英特爾首先選擇了室外AMR連接作為應用場景,并在成都工廠的X、Y、Z號樓分別部署了四個基站端,以實現AMR路線的全覆蓋。同時,AMR將集成CPE,通過毫米波基站,將AMR數據上傳到公司內部網絡系統中的管理后臺,保障生產作業的正常運行。通過毫米波+有線組網,用戶最終米圖5.英特爾成都工廠面向MHV的5G毫米波站點部署和覆蓋為實現AMR路線的全覆蓋,在部署時通過機械下傾、電下傾等方式減少覆蓋近端盲區。如圖6所示,部署時頭端1和頭端4通過機械下傾22.5°,實現近距離覆蓋;頭端2和頭端3通過電下傾(毫米波波束指向下傾8°)實現百米級覆蓋。為保障業務的連續體驗、提升可靠性,智慧塵埃采用了智能無邊界小區(SLBC)技術,保證AMR移動過程中0圖5.英特爾成都工廠面向MHV的5G毫米波站點部署和覆蓋223344圖6.英特爾成都工廠面向AMR的5G毫米波站點安裝圖所有5G網元及配套傳輸、網管等均由工廠獨立建設。5G控制面和用戶面全部下沉到廠區,專網專用?;谶@種模式,實現了5G端到端的可管可控,可以針對廠區內各種不同工業場景的話務模型需求,進行定制化的優化適配,并且可以根據工業現場的實際需求,設計合適的5G冗余可靠架構,滿足工業級確定性嚴苛要求。5G毫米波專網建設完成后,通過部署的5G毫米波工業終端CPE、基站AAU、基帶BBU及5GC核心網系統,實現AMR機器人的數據實時回傳。用戶最終可以在管理后臺實時查看訂單信息,保障生產作業的正常運行,進行實時操作和遠程控制等業務,實現無人化的應用。如表1所示,5G毫米波專網的時延和可靠性可達20ms@99.99%,組網容量上行峰值吞吐量超過1.94Gbps,下行峰值吞吐量超過2.92Gbps;此外,專網下沉到英特爾成都工廠園區,讓工廠員工可以自主控制每個網元,真正實現“數據不表1.5G毫米波專網/5G公網實測數據對比[2]5G毫米波專網20ms@99.99%100ms峰值:1.94Gbps97.00Mbps峰值:2.92Gbps194.16Mbps相較于傳統的網絡解決方案,相較于傳統的網絡解決方案,5G毫米波專網提供了低時延、高確定性的網絡能力,在AMR調度與管理中發揮了至關重要的作用,保證了園區AMR運行的高效流暢。未來,我們將探索如何將5G毫米波專網賦能人形機器人等應用,釋放該技術在遠程設備操控、無人智能巡檢、在AMR等場景的應用效果顯示,基于毫米波通信的工業5G方案在時延、穩定性、安全性等方面相較于基于公網的5G工業專網有著顯著的優勢,可滿足工業互聯網的嚴苛要求,加快推動5G專網在工業領域的普及,同時也展

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