引言/导读

以中国移动为代表的运营商积极推进5G等新一代信息通信技术的创新发展，为行业数智化转型构建数字基础设施底座。特别在5G+工业互联网领域，中国移动提出从辅助生产到融入生产再到改变生产的发展路径，全面推进5G赋能数智工厂高质量发展，已在工业制造、能源、港口、矿山等行业，围绕工业领域30多个典型应用场景，实现5G专网项目的批量落地。随着5G与工业生产的融合融通，也将进一步影响并带动工业生产模式的改变。

为了向工业客户提供一流的确定性5G专网服务，中国移动推动确定性能力从外挂式叠加向内生式供给演进，通过5G架构与确定性能力的深度耦合，实现内生确定性服务的一体化供给，即“确定能力内生供给、确定性能极致服务、确定可靠全局保障”。

确定能力内生供给：通过对5G网络架构的优化调整以及网络能力的增强，内生提供组网融通、极致通信、运营保障等端到端确定性服务能力，极小化甚至无需对外部工业网络提出适配性的改造要求，实现轻量化、插件化部署；

确定性能极致服务：全方位推动5G通信性能的极致化演进，补齐极致低时延、有界低抖动的性能短板，拉长通信大带宽、空间广覆盖的长板，锻造设备低功耗、网络高安全的新板，提供满足工业制造核心生产环节的极致性能服务；

确定可靠全局保障：用全局视角构建5G适配工业网络的确定可靠安全能力，系统性提供多维度、多层级的可靠性保障手段和安全防护措施，确保工业生产的稳定运行，保障通信网络以及工业数据的安全。

一、关键词

5G确定性、工业生产网、高精度时间同步、运动控制、智能分拣

二、测试床项目承接主体

发起公司和主要联系人联系方式

中国移动通信有限公司研究院

徐要强：13581714550

彭伟杰：18813015878

合作公司

中兴通讯股份有限公司

罗克韦尔自动化（中国）有限公司

三菱电机自动化（中国）有限公司

施耐德电气(中国)有限公司

宏电技术股份有限公司

摩莎科技(上海)有限公司

新华三技术有限公司

航天新通科技有限公司

思博伦通信公司

三、测试床项目目标

在推动5G从辅助生产走向融入生产的过程中，出现了许多新的行业痛点需求。例如，在当前工业生产中的旋转场景，通常使用滑环实现旋转设备与周边固定设备之间的通讯，但滑环通信依赖机械接触，易老化破损，需定期替换，增加生产成本；传统工业制造常采用有线方式，产线不易调整，且调整时布线成本高，无法满足柔性生产需求。面向5G融入生产的这些新需求，亟待攻关解决5G服务于OT工业控制的“组网融通”、“5G确定性”能力提升以及工业控制“算网一体化”等关键问题。

确定性通信是指以高精度时间同步为基础，提供低时延、高可靠、时延抖动有界的通信服务能力，本测试床旨在探索5G+工业确定性网络的解决方案，锚定工业界最先进、智能的输送和分拣场景，针对实时I/O通信、机器安全控制、运动控制、虚拟化PLC等工业全场景提供满足行业需求的确定性服务能力，避免因网络不稳定，导致产品质量下降、产线停机等问题，助力5G融入工业生产。

实时I/O通信是离散制造、流程工业中最为普遍也最为基础的通信方式。在测试床规划中，需验证5G服务于单/双无线实时I/O通信、冗余PLC与实时I/O通信、双发选收冗余传输I/O实时通信等通信场景。

运动控制特指PLC控制伺服电机实现精准运动的自动化控制方式，对通信要求最为苛刻。测试床需验证PLC控制单伺服电机、单PLC控制多伺服电机轴同步运动、多业务流混合组网等场景。

虚拟化PLC是将传统的硬件PLC以软件化的方式部署在5G边缘算力平台上，进一步降低PLC南向5G控制的时延。需验证基于5G UPF基座的虚拟化PLC满足通过5G进行实时IO控制、变频运动控制、伺服运动控制、触摸屏交互、调试站交互等工业场景。

5G确定性工业生产网测试床将构建端到端技术验证平台、产品测试认证平台、商用解决方案孵化平台，贯彻国家5G+工业互联网发展战略，满足工业发展需求，推动5G应用需要向工业生产核心环节渗透。

四、测试床方案架构

1、测试床应用场景

本测试床测试验证5G应用于数据采集、普通IO控制、机器安全控制、运动控制等工业通信的效果和能力；本测试床测试验证虚拟化PLC部署于5G边缘算力平台实现基于5G通信的南向控制效果和能力。测试床还测试验证5G用于控制当前较先进工业设备融入工业生产输送、分拣等核心环节的能力。具体的场景包括：

通过5G控制多私服电机协同运动

通过5G实现机器视觉信息的上传

通过5G控制Delta分拣机器人

通过5G控制磁驱轨道输送系统

2、测试床架构

本测试床属于AII总体架构中网络互联部分，其应用场景在AII《工业互联网体系架构（版本2.0）》中的位置如下图所示。在关键技术验证上，本测试床重点测试验证5G端到端确定性技术在高精度时间同步精度、可靠性、时延和抖动等维度可提供的通信服务能力；在应用场景验证上，本测试床重点测试验证5G确定性通信技术应用于PLC南向控制现场设备的能力和效果。

AII 工业互联网实施框架总体视图（2.0）

3、测试床方案

测试床构建了“工业以太网over 5G”、“工业以太网over 5G TSN”，以及“5G UPF基座虚拟化PLC”三大技术测试路径：

工业以太网Over 5G

工业以太网Over 5G：5G满足以EtherNet/IP为代表的工业协议对标准以太网络的通信和组网需求。

工业控制协议Over 5G + TSN

工业控制协议Over 5G + TSN：5G满足以CC-Link IE TSN为代表的工业协议对TSN网络的通信和组网需求。

UPF服务器虚拟化PLC控制

UPF服务器虚拟化PLC控制：5GUPF服务器满足施耐德EAE虚拟化PLC的运行要求，同时满足与南向设备的通信需求。

测试床测试方法

在测试方法上，测试床按工业生产网络的实际应用场景设计用例，按OT设备的最终工况来评判测试结果，关注5G关键技术指标，固化测试成果。

4、方案重点技术

5G确定性工业生产网需要5G端到端确定性技术来保障。5G确定性技术是一个技术体系，以5G LAN组网、高精度时间同步为基础，以低时延、抖动有界，高可靠通信为关键目标。通过多种原子技术组合可以分档分级满足不同业务的通信需求。

5G LAN工业组网

基于Ethernet PDU会话的5G LAN技术是实现工业设备通过5G实现层二组网的关键技术。5G LAN可独立组网，也可以与现存控制网络融合组网。不同的LAN网络可以通过不同的5G VN组进行业务隔离，在同一个5G VN组内可以实现设备之间单播、组播、广播等通信方式。

5G LAN二层组网

5G LAN组播通信

通过5G LAN组网，5G LAN内部的组播通信，实现主备PLC的冗余部署。

5G高精度时间同步

高精度时间同步是实现工业自动化领域运动控制的基础技术。PLC与伺服驱动器之间需要完成时间同步，并基于相同的时间基准通过闭环控制实现运动控制。通过5G网络实现运动控制，需要5G参与时间同步，并保证时间同步精度满足业务需求。

3GPP标准定义了较为完善的时间同步方案，包括IEEE 1588，TSN 802.1AS等多种时间同步协议，5G对外授时或业务透传5G进行授时等多种部署方案，以及时间同步能力开放等功能。

3GPP标准高精度时间同步方案

5G低时延，抖动有界

5G低时延保障，以优化无线空口时延为主，优化传输网络时延，核心网设备处理时延为辅。优化无线空口时延主要通过调度策略的优化、帧结构优化、空口资源的冗余传输等技术来实现。

5G时延抖动有界保障，当前主要通过TSN 802.1Qbv的时间门口机制来实现，即通过分别位于UE和UPF的DS-TT和NW-TT来实现时延的调节。

5G低时延、抖动有界保障方案

5G可靠性保障

5G网络的可靠性保障，主要通过冗余传输来实现，包括无线空口的冗余传输、5G内部的冗余传输（TSN 802.1CB）、业务级的冗余传输（比如基于TAN协议）等。

5G可靠性保障方案

5、方案自主研发性、创新性及先进性

（1）自主研发性

本测试床的测试需求、测试方案、测试用例由中国移动研究院主导，联合合作伙伴共同完成。

（2）创新性

创新性地设计了IEEE 1588和TSN 802.1AS等多种时间同步协议多模态的融合部署技术和组网方案。

创新性地解决了5G LAN组播通信实现工业自动化中主备PLC冗余部署的堵点问题。

（3）先进性

业界领先的探索5G在PLC南向进行数据采集、普通IO、机器安全控制、运动控制全场景覆盖验证的测试床；

业界领先的探索5G与EtherNet/IP，CC-LINK IE TSN等多种工业协议融合的测试床；

测试床成果在2022年《中国移动5G确定性工业生产网白皮书》中发布；

测试床成果《5G确定性工业生产网在绿色电网和工业控制中的创新实践》在2022年第五届“绽放杯”5G应用征集大赛5G增强技术专题赛获得三等奖。

测试床关键技术、组网方案等测试成果通过构建的“5G确定性工业生产网旋转台电子齿轮系统”在2023年北京展、上海展进行展示，获得业界关注和好评。

测试床最新成果《5G UPF基座虚拟化PLC部署方案》在2024年世界物联网博览会“面向工业生产控制的5G-A确定性关键技术研究与应用示范联合创新”论坛进行发布。

6、方案安全风险控制

本测试床从5G网络安全、机器安全控制两个方面提供安全风险控制。

5G网络安全：采用5G专网尊享模式，独享5G无线、核心网设备，满足生产网络安全需求，在用5G LAN技术满足企业业务隔离的业务需求。

机器控制安全：采用安全PLC组网，实现SIL3的机器安全控制级别。

五、测试床实施部署

1、测试床实施规划

2022年04月-2022年08月：需求调研，架构设计，测试方案设计；

2022年08月-2022年12月：5G确定性工业生产网测试床两轮组队测试，验证5G网络架构、关键技术应用于PLC南向设备控制的可行性；

2023年01月-2023年06月：构建5G确定性生产网旋转台电子齿轮系统，验证5G确定性技术用于PLC南向多伺服电机协同运动控制的效果和能力；

2023年07月-2023年12月：构建5G确定性生产网智能输送分拣系统，验证5G确定性技术用于PLC南向控制先前输送、分拣设备融入工业生产核心环节的能力；

2023年12月-2024年8月：构建5G UPF基座虚拟化PLC部署测试系统，验证5G UPF服务器是否满足施耐德EAE虚拟化PLC的运行要求，验证5G通信是否满足与南向设备的通信需求；

2023年12月-未来：基于测试床，继续验证5G新方案、新能力；同时对合作伙伴开放测试床在5G高精度授时、5G LAN工业组网、5G确定性通信的测试验证能力。

2、测试床实施的技术支撑及保障措施

测试床由中国移动研究院主建，由罗克韦尔自动化（中国）、三菱电机（中国）、施耐德电气（中国）、中兴通讯、宏电科技、MOXA、H3C、航天新通等合作伙伴提供工业自动化、5G、TSN等领域技术支撑。

3、测试床实施的自主可控性

本测试床采用的5G网络、5G终端、TSN交换机等设备由国产合作伙伴研发完成，具有自主可控性。PLC、伺服驱动器、私服电机、机器视觉等关键设备和关键部件，为国际主流自动化厂商生产，工业通信协议遵循国际标准。

六、测试床预期成果

1、测试床的预期可量化实施结果

本测试床预期将获得如下成果：

5G组网架构实现5G确定性工业生产网的可行性，以及5G关键技术的实施效果；

验证5G设备以及TSN通信设备等关键产业能力和短板；

构建可以固化测试床成果的集成系统，并提供可对外开放的测试验证能力。

2、测试床的商业价值、经济效益

本测试床充分验证5G确定性方案在工业控制核心环节全场景的应用，

5G提供高速、低时延的数据传输能力，使得工控系统能够实时、准确的获取控制数据，从而优化生产流程，提高生产效率；

5G对核心控制环节改造可以与人工智能、大数据等技术相结合，推动工控系统智能化转型，实现自动化、智能化的生产和管理；

5G实现企业“一网到底”，大大降低企业生产和运营网络的建设和成本。

3、测试床的社会价值

本测试床可广泛应用在工业各行业数智化改造的5G+核心控制环节，尤其是多品种小批量的离散制造业。5G确定性工业生产网创新解决方案，旨在打造5G满足PLC南向与现场设备之间通信，特别是支持工业中对通信要求最为严苛的运动控制场景的解决方案。现场展示中，以工业元素、工业形式，非常直观的呈现了5G在系列确定性技术加持下，服务于PLC无线化控制多轴伺服电机高速啮合的运动控制效果。该方案的成功实施，充分展示了5G确定性通信能力，对提振产业信心，促进5G全连接工厂的场景、连接上量，促进5G真正融入生产核心环节有着重要意义。

4、测试床初步推广应用案例

中国移动5G确定性工业生产网测试床，深度契合5G融入生产核心控制环节的需求，一阶段成果已在2023北京PT展、上海MWC展、中移合大等展会展出，二阶段成果已在2024年世界物联网博览会上发布，获得行业伙伴的广泛关注，未来在工业企业的核心控制环节5G化改造具有指导和借鉴意义。

七、测试床成果验证

1、测试床成果验证计划

按照计划，5G确定性工业生产网测试床的构建氛围三个阶段：

阶段一：基础探索，2022-04~2022-12，已完成

验证5G确定性技术的能力，验证产业的支持度，验证5G与工业协议的融合度，验证5G通信能力对工业自动化应用场景（数据采集、普通IO、机器安全控制、运动控制）的覆盖能力，发现并解决存在的问题。

阶段二：综合构建，2023-01~2024-04，已完成

将测试床成果应用到综合测试平台上，验证5G用于真实工业设备（电子齿轮、磁驱轨道、Delta分拣机器人等）的控制效果。构建5G UPF基座虚拟化PLC部署测试系统，验证5G UPF服务器上部署施耐德EAE虚拟化PLC，通过5G与南向设备的通信的效果。

阶段三：能力开放，2025~未来，实施中

测试床测试能力对外开放，吸纳更多的合作伙伴，孵化面向商用的解决方案，丰富产业配套设备。

2、测试床成果验证方案

阶段一：关键测试用例（部分）

基于EtherNet/IP的5G确定性技术测试方案

阶段二：综合测试平台（5G确定性工业生产网旋转台电子齿轮系统）组网和实物图

5G确定性工业生产网旋转台电子齿轮系统组网图

5G确定性工业生产网旋转台电子齿轮系统实物图（工业部分）

阶段二：验证5G UPF服务器上部署施耐德EAE虚拟化PLC，通过5G与南向设备的通信的效果，测试用例和测试结果

5G UPF服务器上部署虚拟化PLC测试用例和测试结果

八、与已存在AII测试床的关系

5G确定性端到端测试床是对现有AII测试床体系的补充，丰富了5G确定性技术在实时IO控制、机器安全控制、伺服运动控制、磁驱控制以及机器人控制等场景的测试验证方法。

九、测试床成果交付

1、测试床成果交付件

测试床的交付件包括：

测试方案和测试报告；测试平台两套，“5G确定性工业生产网旋转台电子齿轮系统”、“5G确定性工业生产网智能输送分拣系统”；专利若干。

2、测试床可复制性

测试床成果可在工业制造领域，特别是基于EtherNet/IP、CC-LINK IE TSN、Modbus TCP等工业协议的数据采集、普通IO控制、安全控制等场景进行推广复制，在运动控制等对通信严苛的应用场景做商用探索。

3、测试床开放性

本测试床从构建之初就凝聚了包括5G厂商，自动化头部企业，以及IT通信等合作伙伴的广泛共识。在中国移动研究院的主导下，大家共同发掘行业关键痛点问题，识别5G关键、讨论测试方案制、构建落地测试床，共同推荐5G的向工业生产核心环节渗透。

十、其他信息

测试床使用者：测试床初期仅限现有合作伙伴使用，待成熟后面向行业伙伴征集技术合作测试项目。

测试床知识产权说明：中国移动通信有限公司研究院对本测试床的建设、运营以及使用拥有产权，本测试床相关的技术、专利、软件著作权等在测试建设合作单位中根据情况协商确定。

测试床运营及访问使用：测试床部署在中国移动国际信息港（北京昌平）。初期仅限项目参与单位开展技术验证，待成熟后将征集更多合作伙伴共同规划新技术验证。

测试床资金：三年总投入预计约200万人民币，中国移动研究院自主投入。部分设备合作伙伴提供。

测试床时间轴

本测试床通过两年的运行，目前已取得多项阶段性进展，并进行了发布。2024年的工作重点包括，继续按原计划进行5G确定性关键技术的验证和商用方案的孵化，推动测试床验证能力的对外开发，吸纳更多的合作伙伴参与进来，为5G在行业的发展做更多的贡献。

中国移动5G确定性工业生产网测试床工作计划时间轴