工業5G終端裝置的技術、應用及産業發展

通信世界網消息（CWW）2019年6月，5G商用牌照正式發放，标志着大陸進入5G商用元年。與此同時，工業制造也加速向數字化、網絡化、智能化轉型，産業界推進5G與工業網際網路融合的積極性不斷提升，截至2023年11月全國“5G+工業網際網路”項目已達到8000個。随着5G技術進步和應用領域的不斷拓展，目前大陸“5G+工業網際網路”已經進入應用規模化、産業深度融合的重要發展階段。近日，國務院印發《推動大規模裝置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裝置和軟體，加快工業網際網路建設和普及應用，培育數字經濟賦智賦能新模式。這将推動工業企業加快裝置的網絡化、智能化改造，加速“5G+工業網際網路”融合創新和規模應用。在全球産業競争異常激烈的時代，如何把握5G與工業融合的市場需求，持續夯實5G技術積累，探索工業5G終端裝置産業發展趨勢，進一步加快大陸工業5G終端裝置和5G工業模組“降本”落地，是目前推進5G工業應用的核心命題。

工業5G終端裝置的技術

5G通信模組

5G通信模組處于感覺層與網絡層之間，是将多種晶片器件進行封裝設計并嵌入多種通信協定，能夠快速為終端裝置提供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晶片、傳送接收器、射頻前端、多制層封裝晶片、5G基帶五部分組成，如圖1所示。現有通用模組基本無法兼顧安全性、穩定性和特殊功能需求等名額，因而難以滿足不同行業對5G的差異化需求。

圖1 5G通信模組（通用）架構

5G定制功能模組在提供标準通信功能的基礎上，通過開發不同的軟硬體滿足行業使用者的特殊需求，如5G LAN（區域網路）、5G精準授時、5G網絡切片等。基于5G晶片的5G工業模組，目前已成為工業領域5G網絡的核心元件。與5G通信模組相比，5G工業模組的應用場景更複雜、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，還要求元件支援二次開發及定制等功能。

工業5G終端裝置

工業5G終端裝置是指内嵌5G通信晶片/模組、具備直接接入5G網絡能力的工業裝置，例如具備5G通信能力的無人機、機器人、攝像頭、天車、無人礦卡等裝置。從5G通信模組與工業裝置的連接配接方式次元出發，工業5G終端裝置可分為內建式工業5G終端裝置和外挂式工業5G終端裝置兩大類。內建式工業5G終端裝置包括內建了5G晶片、5G模組、5G通信闆卡的行業應用裝置，例如用于多個工業場景的本安防爆型5G手機、5G智能安全帽、5G AGV（自動導引車）等工業裝置。外挂式工業5G終端裝置以5G工業網關、CPE（網絡終端裝置）、路由器等通信類裝置為主，其中内嵌5G模組的5G工業網關應用較廣，支援Modus、西門子系列、歐姆龍系列等工業協定，可替代現有網絡架構中的工業網關，使現有裝置無需進行改造即可接入5G網絡。

工業5G終端裝置發展情況

5G工業模組産業現狀

5G通信模組的産業進展支撐着工業5G終端裝置的發展，展現着工業網際網路與5G技術生态融合的狀況。中國模組廠家生産的5G模組型号數量持續占據全球領先地位，近4年在全球5G模組型号數量占比超80%。國内5G工業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資料顯示，中國模組廠家持續占據全球5G等蜂窩物聯網模組出貨量的領先地位。根據2024年3月GSA（全球移動供應商協會）全球5G模組型号統計資料，5G模組型号數量排名前4的均為中國廠家，分别是移遠通信、廣和通、美格智能和日海智能。

在産品方面，随着5G标準不斷演進，5G工業模組産品持續推陳出新。模組廠家已研發出多款支援5G LAN、u R L LC（高可靠且低延遲時間）特性、SUL（上下行解耦）上行能力增強等5G R16特性的5G工業模組産品，例如移遠通信的RG500U、RG200U、RM500U，廣和通的FM650-CN等。2022年6月3GPP 5G R17标準當機後，高通于2023年2月釋出了X35 5G NR-Light（RedCap）、X75、X72等5G數據機及射頻系統晶片。此後新一代R17 5G工業模組不斷問世：基于高通X35晶片，模組廠家釋出了多款輕量化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，模組廠家釋出了在資料傳輸速率、網絡容量、功耗、時延和可靠性上進一步更新的5G NR工業模組，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。

在标準方面，通用類和定制化5G工業模組标準同步推進。通用模組标準方面，YD/T 3988-2021《5G通用模組技術要求（第一階段）》已釋出，中國通信标準化協會正在推進《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）》等通用模組的标準研制。定制化模組标準方面，T/CEC 642-2022《電力5G通信模組通用技術要求》、《5G視訊監控錄影機模組技術要求》已釋出，《面向安防監控的5G模組技術要求》《面向石化行業的5G輕型化模組技術要求》等标準正在研制中。

目前，5G工業模組的價格仍處于高位。在通用模組方面，雖然通過硬體和功能裁剪、采用國産化晶片和元器件替代等方式，商用5G工業通用模組的最低價已低于400元，然而由于工業細分行業多、需求差異性大，5G工業通用模組與行業适配度不足。目前市場上的5G工業模組以R15、R16版本的通用型為主，側重高速率場景，而大部分行業的應用場景屬于中高或中低速率，是以目前商用的5G工業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，商用初期價格将在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，行業定制的5G工業模組開發成本居高不下，一方面，5G模組的成本主要來自上遊的基帶、射頻等晶片采購和外圍電路開發，目前5G晶片廠家較少，模組廠家的議價空間有限，而外圍電路開發涉及二次開發和內建，研發成本高、利潤率相對較低；另一方面，工業領域不同行業和場景對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，電力行業的配電差動保護要求高精度授時，采礦行業需要本安防爆等，短期内尚難實作廣泛應用以攤薄成本。在“5G+工業網際網路”的實踐中，通用型5G工業模組和行業定制化5G工業模組應同步發展。

目前，行業定制化5G工業模組處在發展初期，受限于需求碎片化、研發周期較長、開發成本較高等因素，隻有少數企業開展研發探索。例如，中國移動通過自主研發突破防爆設計、上行增強等關鍵技術，自研适用于礦業的5G模組。深圳供電局、南網科研院攜手廣和通共同預研專用于電力行業的5G模組，通過最優方式比對終端裝置通信能力，推動裝置快速更新現有通信解決方案，并驗證了多切片、高精度授時等多項R16特性在虛拟電廠的應用。

工業5G終端裝置産業現狀

得益于“5G+工業網際網路”示範項目的應用與探索，工業5G終端裝置百花齊放，包括5G工業CPE、5G工業網關、5G DTU（無線終端裝置）、5G錄影機、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AR/VR等。目前商用落地最多的是5G工業網關、5G工業CPE及路由器等外挂式通信裝置，其次為5G錄影機、5G無人機、5G AGV等可用于多個工業場景的內建式工業5G終端裝置。

國内外挂式工業5G終端裝置發展迅速，工業級5G CPE/路由器/網關産品型号數量占到全球43%（共計71款），占比領先歐美等發達國家，廠家包括華為、中興通訊、鼎橋、宏電、中微普業、四信等。內建式工業5G終端裝置加速湧現，如杭州靈伴科技5G工業智能AR頭盔、中興通訊5G工業自然導航AGV載重平台、海康威視礦用本安5G錄影機、上海勃傲自動化的5G閥島等産品。

從連接配接方式上看，工業5G終端裝置應用逐漸由借助外部裝置間接使用5G，轉變為嵌入式裝置直接使用5G。受制于成本，工業網際網路中5G CPE和工業網關的組合是目前主流5G接入方式，其具有改造成本低的優點，但在傳輸時延、空間靈活性上存在缺陷。随着國内晶片廠家發力5G晶片、5G RedCap模組商用，以及産業鍊上下遊逐漸成熟，5G模組成本持續下降，裝置5G通信模組内嵌化的趨勢逐漸顯現，該模式下裝置可直連基站5G信号，利于增強裝置與5G原生特性能力融合。

從裝置功能上看，工業5G終端裝置逐漸由單資料傳輸裝置轉變為多功能5G裝置。5G LAN、高精度定位、邊緣計算、高精度授時等多種需求被納入裝置設計，例如：5G工業CPE及網關等産品功能持續豐富，除了提供資料傳輸、路由、多種協定轉換等基本功能外，逐漸增加超強算力、本地資料處理、支援5G新特性等多種智能化新功能。

從裝置應用上看，工業5G終端裝置與垂直行業深度融合，适應特定需求。特别是在電力、礦山、交通等專業化需求度高的5G應用領域，行業巨頭深入裝置設計環節，縱向聚合産業鍊夥伴定制生産，滿足工業場景差異化需求。例如：南瑞信通面向配網差動保護、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等産品，并于近期完成了電力行業首款5G RedCap終端裝置研發和試點應用。

大陸工業5G終端裝置應用前景展望

5G工業模組前景展望

目前已經商用的5G模組主要是遵循3GPP R15、R16版本協定，在技術上具有一定的局限性，不能滿足工業裝置厘米級高精度定位、低延遲時間控制、低功耗等需求。5G工業模組仍面臨成本居高不下、需求适應性待提升、定制化模組較少等挑戰。在市場需求驅動下，模組廠家将加強對行業需求的價格和功能适配，低成本5G通用模組及适應特殊需求的定制型解決方案将不斷落地。

通用型5G工業模組方面，在技術上，加快推動符合3GPP R17标準的5G模組商用落地，協同推進高速率5G NR和中高速率5G RedCap模組産品規模化商用，共同滿足對帶寬、延時、可靠性、定位等需求多樣的工業應用場景，目前營運商正在進行網絡測試并針對工業場景進行定制化網絡設定。在成本優化上，前期可以通過采用國産晶片、元器件等低價材料替代，以及去除非必要功能（例如裁剪支援頻段、僅支援SA組網）等方式降低通用型5G工業模組成本，進而促進使用規模擴大，後期規模上量後可進一步推動價格下降。

行業定制化5G工業模組方面，晶片模組廠家、行業使用者、營運商等産業相關方的合作将進一步加強，積極探索研究各個垂直行業同類型使用者的共性化功能需求，首先從需求體量較大的場景入手，針對行業特定需求開發定制化5G晶片，從上遊提升行業适配度，并通過規模應用降低成本；其次利用5G RedCap天然支援5G LAN、覆寫增強、5G精确授時等原生特性，加快面向行業需求的定制化5G RedCap模組研發。随着定制化5G工業模組的成本不斷降低、産品持續豐富，後續逐漸擴大覆寫場景的範圍。

工業5G終端裝置前景展望

5G網絡覆寫日益增強和5G工廠建設穩步推進，為工業5G終端裝置發展提供了“土壤”。目前，外挂式工業5G終端裝置和部分通用內建式工業5G終端裝置發展較快，內建式工業5G終端裝置中的行業定制化裝置仍處于發展初期。工業5G終端裝置的進一步發展仍面臨需求碎片化、産品供給豐富程度有待提高、标準體系仍未建立等挑戰。随着5G标準的不斷演進，新版本标準将助力面向工業網際網路場景的5G高可靠、低延時等特性得到持續提升，同時5G工業模組價格的逐漸降低，将進一步推動5G與工業裝置的融合發展。

在需求比對方面，加快探索“5G+工業網際網路”典型應用場景，按行業推進工業5G終端裝置部署應用。結合大規模裝置更新行動方案，重點突破工業和資訊化部公布的“5G+工業網際網路”二十個典型應用場景和十個重點行業，按行業、分批次集中推進5G應用，以典型應用場景的規模化複制推廣，加速5G裝置與工業領域各垂直行業深度融合。

在産品研發方面，促進行業企業、營運商、裝置廠家等工業5G終端裝置相關各方協同攻關，加快5G RedCap技術在工業傳感器、可穿戴裝置等終端裝置中的應用，加強行業定制化工業5G終端裝置研發，綜合利用5G、人工智能等技術，提升工業5G終端裝置的智能化水準。

在标準研制方面，加快面向不同行業、典型應用場景的工業5G終端裝置标準研制，鼓勵“産學研用”各方積極參與标準制定，凝聚産業共識，促進産業的規範化發展。

展望未來，産業界應從加快通用及定制5G工業模組研發降本、加強供需比對對接、推動産品研發和産業深度融合、加快工業5G終端裝置标準研制等方面，推動工業5G終端裝置創新發展。