面向数字孪生的5G现场网体系架构白皮书_29页_1mb

面向数字孪生的5G+现场网体系架构白皮书总结

核心内容

本白皮书系统介绍了面向数字孪生的5G+现场网体系架构，强调其在工业、医疗、交通等垂直行业中的关键作用。5G+现场网作为连接物理设备与数字孪生系统的桥梁，是实现设备低时延、高精度定位、高可靠通信的基础，推动行业向数智化转型。

主要观点

• 数字孪生是未来行业发展的方向，通过数据与模型的融合，实现对物理实体的实时映射、模拟与优化。
• 行业现场网是实现设备与业务平台数据互通的关键技术，结合5G技术，能够满足多样化、高可靠、低时延的通信需求。
• 5G+现场网体系架构分为三层：实体层、能力层、应用层，分别对应“感、通、算、数、智、用”六个技术维度，旨在构建高效、灵活、智能的网络与业务交互平台。
• 六个发展趋势：扁平化、无线化、IP化、智能化、可控化、精准化，推动现场网技术向更广泛场景拓展。
• 五个连接技术：5G+新型无源通信、5G+新型短距通信、5G+确定性传输、5G+高精度室内定位、5G与中低速网络，是实现数字孪生系统的重要支撑。

关键信息

1. 数字孪生概念与发展历程

• 数字孪生是一种通过数据与模型集成融合，实现对物理对象全生命周期的模拟、预测与控制的数字化技术。
• 概念最早源于航天领域，2003年由Grieves教授提出，近年来在工业、城市管理等领域加速渗透。
• 数字孪生系统由数据采集与控制层、核心层、用户实体层组成，跨域实体实现数据互通与安全保障。

2. 行业现场网的概念与关键技术

• 行业现场网是物联网技术在企业内网的应用落地，实现设备与业务平台的数据互通。
• 关键技术包括新型无源物联、新型短距通信、确定性传输、高精度定位、中低速网络等。
• 5G与现场网融合，可提升网络连接能力、数据传输效率和智能化水平。

3. 面向数字孪生的5G+现场网体系架构

• 体系架构采用“Cube365”模型，其中“3”代表三层架构（实体层、能力层、应用层），“6”代表六个发展趋势和技术维度，“5”代表五个连接技术。

• 三层架构：

  • 实体层：负责数据采集和通信，包含“感”与“通”。
  • 能力层：实现“算、数、智”功能，依托边缘计算、协议适配、AI等技术。
  • 应用层：提供“用”能力，实现行业应用的高效网络与业务管理。

• 六个技术维度：

  • “感”-感知：实现多源异构数据的精准采集与实时交互。
  • “通”-通信：支持海量设备连接、低时延、高可靠性通信。
  • “算”-计算：通过边缘计算、存算一体芯片等技术提升计算效率与能效。
  • “数”-数据：实现数据统一接入、多协议适配、网络数据监测与运维。
  • “智”-智能：利用边缘智能、云边协同等技术实现现场级智能分析与决策。
  • “用”-应用：支持数字孪生平台提供网络与业务全生命周期管理服务。

• 五个连接技术：

  • 5G+新型无源通信：采用分离式架构，解决传统自干扰问题，支持资产自动盘点与远程管理。
  • 5G+新型短距通信：基于星闪技术，支持超低时延、高可靠通信，适用于智能制造、远程控制等场景。
  • 5G+确定性网络：结合TSN、TAN等技术，实现带宽、时延、抖动等指标的确定性保障。
  • 5G+高精度室内定位：利用载波相位信息、UTDOA、AOA等技术，实现亚米级甚至厘米级定位精度。
  • 5G与中低速网络：支持低速、低功耗、广覆盖的物联网连接，满足资产追踪、环境监测等场景需求。

4. 典型应用场景

• 工程机械制造：通过新型无源物联技术实现模具全生命周期管理，提升资产利用率和运营效率。
• 智慧矿山：支持无人化采掘、远程操控，满足高可靠、低时延、大带宽通信需求。
• 智慧钢铁：实现高精度定位、设备协同作业，推动炼铁工艺智能化和自动化。
• 智慧楼宇：提升停车管理、资产管理、人员管理与楼宇节能等能力。
• 智慧医疗：实现病人信息实时获取、医疗设备自动追踪，提升医疗效率与安全性。

技术挑战与发展方向

• 当前行业现场网面临协议碎片化、网络管理复杂、数据互通困难等问题。
• 5G+现场网技术通过融合与协同，有望解决这些问题，推动行业向“万物智联”演进。
• 未来技术演进方向包括：标准统一、协议兼容、智能化水平提升、网络部署灵活化、定位精度与效率优化等。

联合编写单位及作者

• 中国移动通信有限公司研究院物联网技术与应用研究所：季瓒、王迪、魏颖慧、郑师应、罗达、睢菲菲、韦安妮、左辰、孙琳、李宜铮、王晴、李响
• 华为技术有限公司：李汉涛、阮韬、汪孙节、伍勇
• 北京紫光展锐科技有限公司：康国昌、汪大海、周晓萌
• 新华三技术有限公司：张元
• 徐州重型机械集团有限公司：李忠福、张翔
• 首钢集团：宋海洋
• 南京钢铁股份有限公司：楚觉非、王芳、林锦斌、汝金同、鹿玮、马子义
• 宝信软件：杨海荣
• 华菱湘潭钢铁有限公司：周晏昊
• 联发科技股份有限公司：范恭达、李旭

参考文献

• [1] 《5G+工业互联网应用场景白皮书》，中国移动，2019.12
• [2]《工业互联网园区网络白皮书》，工业互联网联盟，2019.
• [3]《5G毫米波(mmWave)技术白皮书》中兴，2020.12
• [4]《基于UWB与GNSS融合定位的港口高精度定位技术》，天津港股份有限公司，交通运输部水运科学研究所，2019
• [5]《5G确定性网络为提升业务体验和优化成本打造专业性“联接”》，周艳、银宇、周汉，2020.06
• [6]《5G确定性网络架构产业白皮书》，5G确定性网络产业联盟2021.02
• [7] «EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz - 960 MHz», EPCGlobal, 2006.06
• [8]《5G+煤矿智能化白皮书》，阳泉煤业(集团)有限责任公司、中国移动，2020.10
• [9]《5G室内融合定位白皮书》，中国移动、中兴通讯，2020.10
• [10]《Theory of Operation for TSN-enabled Systems》，AVnu Alliance, Tech. Rep., 2017.02
• [11]《White paper: TSN - Time Sensitive Networking》，Belden, Tech. Rep., 2017.02
• [12]《3GPP.3GPP TS 23.501: System architecture for the 5G System》Stage 2 [S], 2017.
• [13]《3GPP.3GPP TR 23.734: Study on 5GS Enhanced support of Vertical and LAN Services[R]》，2017.