来源：5G行业智库
新基础设施是一种新型的基础设施体系，思维和诉求深刻，5G是新基础设施的核心领先技术。工业互联网是智能制造发展的基础，也是工业智能的重要支撑。5G与工业互联网的深度融合，可以促进传统制造企业智能生产转型升级，提高生产效率和产品质量，具有广阔的发展前景。面对未来，可以综合考虑5G全连接、5G专网建设和5G网络化改造有三个关键因素，建设量质并进的新型5G 工业互联网。
新基建；5G；工业互联网。
在2018年中央经济工作会议上，首次提出了新基础设施的概念。新基础设施的提出有着深刻的思考和需求：一方面是基于当前全球低增长经济形势、科技发展和创新领域的相对低潮和反全球化风险的急剧增加，为有效解决这些不利因素创造条件；另一方面，希望促进需求侧产业的数字化发展和转型升级，为数字经济的进一步发展创造优越的环境，确保数字产业的可持续竞争力。事实上，包括美国先进制造战略和德国工业4在内的全球170多个国家都发布了数字发展战略.日本制造创新3.由此可见，世界各国都将数字经济视为其国民经济的重要组成部分。自改革开放以来，中国在制造业方面享有全球声誉，但近年来受到劳动人口红利和土地资源供应的限制，加上外部市场的不确定性，无法继续以传统的规模扩张模式发展新的经济动力。
2020年4月20日，国家发改委正式解读了新基础设施的范围，指出新基础设施是以新发展理念为指导，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，提供数字化转型、智能化升级、综合创新等服务的基础设施体系。包括三个方面(如图1所示):一是包括以5G、以物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施；以人工智能、云计算、区块链为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的计算能力基础设施等信息基础设施；二是基于互联网、大数据、人工智能等技术的深度应用，支持传统基础设施转型的综合基础设施；三是支持科研、技术开发和产品开发的公益性基础设施。
狭义的新基础设施包括5G网络、人工智能、工业互联网、物联网、数据中心、充电桩等领域的集合也是新基础设施的核心部分；除了狭义的新基础设施外，新基础设施还可以包括利用新一代信息技术对传统基础设施的转型升级，即传统基础设施的数字转型。
5G作为当前信息基础设施的核心领先技术，具有高速、大容量、低延迟、高可靠性等优点。G网络切片、边缘计算、超级上级等关键技术，可根据特定行业的需要构建定制专网，实现网络延迟、网络速率、QoS保障、安全隔离等关键因素的差异化能力，深入赋予垂直产业信息化、智能化、数字化转型。
人类一直生活和工作在传统的物理社会，环境包含大量的物理设备和生活生产要素，但未来的数字社会将通过数据反映传统物理社会的物体相关状态，通过更智能的手段感知和控制社会功能，因此需要新一代信息技术提供基本保障，实现实时数据传输和实时交互映射。人类自从懂得利用电磁波进行无线通信以来，一直在为如何让通信质量变得更好而努力，所谓的通信质量，包括了传输带宽、通信时延和网络容量等，这些指标一直成为制约无线通信应用发展的瓶颈。5G高带宽、低延迟、大连接网络的特点正好解决了这些发展瓶颈，有效赋予了数字社会权力。
回顾前几代人类移动通信技术，第一代移动通信技术主要通过模拟电路实现行走通话；第二代移动通信技术实现了数字化，大大提高了通话质量，降低了移动终端成本，促进了个人通信的普及；第三代移动通信技术实现了移动互联网，除了语音通信，它还可以扩展到多样化的信息交互方式，如看图片和视频；第四代移动通信更好地满足了人类在移动互联网上的需求，感知比以前更流畅、更舒适。但纵观前四代移动通信技术，只实现了人与人之间的互联，转化为人与物、物与物之间的通信。但纵观前四代移动通信技术，只实现了人与人之间的互联，转化为人与物、物与物之间的通信。G万物互联不再停留在概念阶段。
中国移动通信产业发展起步较晚，经历了1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步阶段，在多年的积累中，已经有了5G引领基础。在标准方面，3GPP Rel-2020年7月冻结16标准，中国3GPP文稿占32%以上，5G标准必要专利占30%以上，是标准和专利占比最高的国家。此外，在5G我国在基站建设数量上也处于世界领先地位。据统计，2020年全国共建成5年G基站超过71.8万个，5G网络覆盖全国地级以上城市5个G终端连接超过2亿。此外，在系统设备方面，主要在欧洲和中国形成了产业模式，华为已成为世界上商业合同最多的企业。
如上述，5G它可以促进人工智能、工业互联网、物联网、数据中心应用等领域的发展。因此，在面对特定领域时，不能简单粗暴地使用5G作为数据传输的渠道，需要与各行业深度融合，制定5G与各行业的一体化数字解决方案和智能解决方案。
在5G在网络的支持下，工业互联网可以实现网络 数据 算法的有机融合发挥了更大的价值。5G与工业互联网的有机融合是实现智能制造的关键途径G在以新技术为代表的推动下，制造业数字化转型从单一要素需求转向要素 能力一站式服务，如图2所示，通过5G以云计算、边缘计算为代表的计算技术，为制造业高效准确地分析大量数据提供了强有力的支持；产业链各环节产生的大量数据是提高智能制造精度的核心；以人工智能和机制模型为代表的算法技术帮助智能制造业找到规则并提供智能决策支持。
与主流发达国家相比，我国的工业互联网在基础能力、产业应用水平和要素保障能力上仍然存在一定差距，需加速突破。
虽然我国现有制造业数字化发展不平衡不足，但有些企业已经达到3.0级，但大多数企业仍处于2级.0阶段，数字化水平低，网络化、智能化进化基础薄弱；工业网络标准、技术、行业对外依赖性高，无统一标准，互通性弱；工厂外网主要依靠公共网络，安全、实时、可靠的工业生产要求难以满足；IPv4.资源接近枯竭，难以满足工业互联网发展的大量地址需求；需要提高中小企业经营者对工业互联网建设重要性的认识和投资。
我国缺乏综合解决方案和全领域覆盖能力的龙头企业，前瞻性、系统性、技术含量不足，难以引领国际发展；工业互联网产品和解决方案与发达国家领先水平存在一定差距；国内平台的核心能力和生态建设仍有待提高。
我国工业互联网要素的保障能力主要体现在资金投入和专业人才上。由于工业互联网领域资金投入不足，难以造成模效应；在专业人才培养方面，由于工业互联网发展涉及工业、IT和通信等领域的多维度整合，适合工业互联网发展的专业人才除了需要精通软件开发和应用开发之外，还需同时对工业和ICT领域有深入了解，目前人才缺口依然巨大。
从产业整体观察，当前5G+工业互联网面临着规模小、价值不清晰、试验性示范多、应用创新碎片化、商业模式不明朗等挑战，具体可归结为以下三点：
虽然无线电频谱的使用成本是透明的，但由于当前5G网络的覆盖率比起4G网络仍然处于较低水平，此外制造企业对于5G网络与其必需组件的部署费用、新系统新应用的开发、操作以及后续运营维护成本等仍然缺乏了解。
大部分制造企业目前由于缺乏移动连接的使用经验，企业对于5G网络安全可靠方面的信心尚未建立，对于当今对工序链时序要求严格的企业而言，网络连接中断是不可接受的。只有当技术效益和成本优势明显，并且风险被证明处于可控范围时，制造企业对5G网络的需求才会开始增加。
目前能真正独立且通过时间检验的工业5G基础设施仍然较少，同时产业链上也缺乏足够的工业兼容通信组件可用，只有少数模块制造商已经开始为工业互联网领域生产了5G模组，但尚未形成规模效应。
近年来，我国政府相关部门对工业互联网的发展提供了较坚实的政策后盾，为工业互联网领域的发展提供了指引。2018年6月，《工业互联网发展行动计划（2018-2020）》提出，到2020年底我国将实现“初步建成工业互联网基础设施和产业体系”的发展目标，包括了建成5个左右标识解析国家顶级节点、遴选10个左右跨行业跨领域平台、推动30万家以上工业企业上云、培育超过30万个工业APP等内容。
经历了三年的发展，2021年1月，工业和信息化部再次印发了《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》，提出到2023年，我国工业互联网新型基础设施建设量质并进，新模式、新业态大范围推广，产业综合实力显著提升；新型基础设施进一步完善、融合应用成效进一步彰显、技术创新能力进一步提升、产业发展生态进一步健全、安全保障能力进一步增强。新版本的行动计划明确将开展网络体系强基行动、标识解析增强行动、平台体系壮大行动、数据汇聚赋能行动、新型模式培育行动、融通应用深化行动、关键标准建设行动、技术能力提升行动、产业协同发展行动、安全保障强化行动、开放合作深化行动等11项重点任务。其中，在“网络体系强基行动”该项重点任务中，特别提及了需深化“5G+工业互联网”，这为5G+工业互联网后续的推进和发展提供了明确的政策指引方向。
如前文所述，尽管目前仍存在着一些挑战，但5G+工业互联网仍然有着良好的发展前景。依照《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》中提及的“深化’5G+工业互联网的具体任务，：
（1）支持工业企业建设5G全连接工厂，推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透，加快典型场景推广；
（2）探索5G专网建设及运营模式，规划5G工业互联网专用频率，开展工业5G专网试点；
（3）建设公共服务平台，提供5G网络化改造、应用孵化、测试验证等服务。
由此可见，在应用范围上将不断从外到内渗透形成5G全连接的环境，在网络环境构建上通过5G专网解决制造企业对数据隐私安全和实时可靠的痛点，将成为5G+工业互联网的发展趋势。此外，由于5G+工业互联网和目前制造企业主流的网络标准存在兼容度不足的问题，因此也需不断进行测试验证，持续迭代，逐步完善解决方案。
5G具备更低的时延、更高的速率、更大接入数量、更高稳定性，有望成为未来工业互联网的网络基石。按制造企业不同场景的网络指标要求，5G预计能满足70%以上的工业控制场景。
现有的大部分制造企业的工业互联网应用只着眼于外围辅助功能，较少涉及核心的生产环节。5G全连接与现有的传统数字工厂最大的区别，在于以数据来驱动管理。制造企业可结合人工智能、大数据和云计算等新技术，通过5G工业生产网络连接工厂内部的全生产要素，包括人、机、料、法、环等，实现车间内的柔性化连接，从而大幅度提升生产效率。
5G专网可分为两种模式，一类是基于公网的5G专网，另一类是基于NPN（Non-Public Network）的5G专网。按照3GPP Rel-16的定义，基于NPN的5G专网也包含两种类型：PNI-NPN（Public Network Integrated NPN）和SNPN（Standalone NPN），。PNI-NPN通过PLMN网络来提供NPN服务，相当于利用运营商的公网来部署5G+工业互联网，例如通过为NPN分配一个或多个网络切片实体来实现非公共网络功能，但由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络，因此可以选择闭合接入组（CAG，Cell Access Group）用于接入控制。SNPN则不依赖于PLMN的网络功能，相当于独立部署5G+工业互联网，因此不支持SNPN和PLMN网络间的切换，无法在小区选择和重选阶段控制不同类型用户接入。
因此，在5G专网建设的选择上，可根据不同需求使用不同的建设模式。在侧重于低建设与维护成本，需要快速部署时，应选择基于运营商公网部署的方案；在对差异化服务有要求时，为便于在SNPN和PLMN网络间实现切换，应选择PNI-NPN方案；在对保密性有较高要求时,且对应的制造企业有较强的经济实力和技术能力的情况下，应选择独立部署的SNPN方案。
工业有线网络主要分为现场总线与工业以太网，适合于带宽、可靠性、实时性要求高且位置相对固定的设备接入。用于生产的现场总线协议多达几十种，包括主流的Modbus、Profibus、IO-link、CAN/CANopen、CC-link等，主要用于PLC南向的简单数据量和模拟量接入，传输距离一般较短，数据传输速率较低，抗干扰能力、安全性相对较差。工业以太网同样协议数量众多，主流协议有DeviceNet、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus-TCP，多数用于PLC北向输出，其优点是通信速率高、网络拓扑灵活，但存在协议间互联互通性较差等问题，难以进行灵活部署与快速扩展。
工业无线网络主要包括WiFi、LoRa、ZigBee、ISA 100.11a、Wireless Hart、WIA FA/PA等，适用于广覆盖、移动性强但可靠性、带宽要求不高的场景。在各种工业无线网络协议中，WiFi部署容易、组网灵活，但可靠性和安全性难以满足工业级需求；ZigBee等技术受限于传输距离或传输速率。
由此可见，工业制造领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭，工业设备互联互通难，严重制约了设备上云，亟需构建能够兼容多种协议的新一代无线技术体系，因此需进行5G网络化改造，在此基础上孵化新的5G+工业互联网应用，并对新应用进行测试验证。
2021年是“十四五”的开局之年，预计我国将继续通过5G的增强试验加快推进5G上下游产业的成熟。未来5年将进入我国5G发展的关键时期，5G+工业互联网建设也将大大提速，形成智能化制造、网络化协同、服务化延伸、个性化定制、数字化管理等新模式。
高级工程师，现任中睿通信规划设计有限公司移动通信技术专家/5G物联网研究院院长，中国通信企业协会团体标准专家，长期从事移动通信网络规划、工程咨询设计等工作，主要研究方向为移动通信网络部署与实施方案以及垂直应用产品创新研发。
高级工程师，现任于中睿通信规划设计有限公司督导，拥有多年政企、运营商等领域的战略咨询经验，长期专注于智慧城市、大数据、区块链等前沿技术的场景应用跟踪以及DICT产业的政策研究工作。
现任职于中睿通信规划设计有限公司，主要从事数据分析、前沿技术跟踪和通信咨询相关工作。
《广东通信技术》(月刊)创刊于1981年，由广东省通信学会和广东省电信情报中心站主办，编辑部设在中国电信股份有限公司广东研究院内。多次荣获国家部委优秀科技期刊奖、广东省优秀科技期刊奖。目前是中国学术期刊综合评价数据统计源期刊，中国核心期刊(遴选)数据库期刊。
校审：闻磊、张启迪
排版：张启迪
来源：5G行业智库
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