垂直行業(yè)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求白皮書 （電子信息、汽車制造領(lǐng)域）

垂直行業(yè)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

頻譜需求白皮書

（電子信息、汽車制造領(lǐng)域）

（2021年）

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）

2022年4月

編寫說明

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入推進，5G與工業(yè)互聯(lián)

網(wǎng)的融合將加速中國新型工業(yè)化進程，為中國經(jīng)濟發(fā)展注入新動能。

2020年政府工作報告中，第一次寫入“加強新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，表

示“新基建”正式上升為國家戰(zhàn)略。而在新基建建設(shè)中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

作為其重點組成部分，也將迎來前所未有的機遇，通過技術(shù)層面和

商業(yè)模式層面的積極創(chuàng)新，不斷推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

通信網(wǎng)絡(luò)是工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的必

要基礎(chǔ)。本報告針對電子信息、汽車制造領(lǐng)域的生產(chǎn)需求，結(jié)合新

型制造與5G技術(shù)的融合，研究和分析該行業(yè)對頻譜的具體需求，進

而為監(jiān)管機構(gòu)未來的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜分配政策提供參考。

牽頭編寫單位：上海諾基亞貝爾股份有限公司、高通無線通信

技術(shù)（中國）有限公司、中興通訊股份有限公司

參與編寫單位：，吉利汽車研究院（寧波）有限公司、深圳艾

靈網(wǎng)絡(luò)有限公司、愛立信（中國）通信有限公司、中國信息通信研

究院

編寫組成員（排名不分先后）：

上海諾基亞貝爾股份有限公司：王麗娜、劉薦樺

高通無線通信技術(shù)（中國）有限公司：高路、王婷

中興通訊股份有限公司：孫瑩

吉利汽車研究院（寧波）有限公司：姚軍

深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司：榮樂天、付錫華

愛立信（中國）通信有限公司：王衛(wèi)

中國信息通信研究院：李曉帆、付有奇、劉琪

一、引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等

為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的加速融合，全球新一輪科技

革命和產(chǎn)業(yè)變革正蓬勃興起。在此背景下，作為智能制造關(guān)鍵基礎(chǔ)

的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)隨之孕育而生。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代ICT技

術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)（OT）全方位融合所形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)，是工業(yè)

智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。

以5G為代表的無線網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)具有明顯優(yōu)

勢。一是可以大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護成本。無線網(wǎng)絡(luò)能夠快速部

署，無須在現(xiàn)場、車間、廠房等區(qū)域鋪設(shè)線纜及相關(guān)保護裝置。以

工業(yè)測控系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)有線系統(tǒng)的布線成本為30-100美元/米，

在一些惡劣環(huán)境下可達到2000美元/米1。此外，工業(yè)測控系統(tǒng)還需

要不斷檢測系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障后需立即更換線纜。使用無線技術(shù)

將使測控系統(tǒng)的安裝與維護成本降低90%。二是可以顯著提高生產(chǎn)

效率。使用無線技術(shù)后，現(xiàn)場設(shè)備擺脫了線纜的束縛，增加了現(xiàn)場

儀表、被控設(shè)備的移動性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性以及工程應(yīng)用的多樣

性，用戶可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需求，快速、靈活、方便、低成本的重

構(gòu)系統(tǒng)。三是可以實現(xiàn)對老舊設(shè)備的監(jiān)測。通過加裝無線傳感器等

監(jiān)測節(jié)點，實現(xiàn)對工業(yè)全流程的“泛在感知”。

5G網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之一，頻譜是發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

關(guān)鍵、稀缺的戰(zhàn)略性資源。關(guān)于5G技術(shù)的特點及其在工業(yè)不同制造

領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟相關(guān)工作組已經(jīng)做了大量研究，

并完成大量白皮書供業(yè)界參考，因此在本白皮書中，將不再就這方

1自動化博覽2009.1《工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA標準體系與關(guān)鍵技術(shù)》

1

面進行重復(fù)闡述，而是重點圍繞電子信息、汽車制造行業(yè)的典型場

景，針對5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點應(yīng)用的頻譜需求進行分析和計算，為

相關(guān)部門工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率管理以及運營商頻率使用提供重要參考。

二、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用

在2019年“綻放杯”工業(yè)案例中[1]，從工業(yè)應(yīng)用角度統(tǒng)計分析，

前十大應(yīng)用主要包括AR/VR應(yīng)用占比14%，工業(yè)視覺類應(yīng)用占比14%，

無人巡檢類應(yīng)用占比11%，工業(yè)數(shù)據(jù)采集類占比10%，工業(yè)AGV應(yīng)用

占比9%，環(huán)境監(jiān)控類應(yīng)用占比6%，高清視頻監(jiān)控類應(yīng)用占比6%，

遠程監(jiān)控運維管理類應(yīng)用占比6%，遠程控制類應(yīng)用占比5%，移動辦

公類應(yīng)用占比4%。前十大應(yīng)用占比總計85%，其他如物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用、

無人駕駛類應(yīng)用、工業(yè)控制類應(yīng)用、位置定位類應(yīng)用、數(shù)字孿生等

占比總計15%。

圖1：2019年“綻放杯”工業(yè)應(yīng)用占比分析

2

在2020年“綻放杯”工業(yè)案例中[2]，與2019年相比，產(chǎn)業(yè)數(shù)字

化項目比例獲得17%的增長，5G技術(shù)加速與垂直行業(yè)深度融合。5G

行業(yè)應(yīng)用方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目占比連續(xù)三年增長，占據(jù)全部項目

的28%，成為最具熱度的5G融合應(yīng)用領(lǐng)域。隨著5G融合應(yīng)用的不

斷發(fā)展和演進，應(yīng)用重點行業(yè)和領(lǐng)域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦

山、港口等領(lǐng)域，逐步獲得業(yè)界認可，并初步形成了有望規(guī)模商用

的應(yīng)用場景。

圖2：2018-2020“綻放杯”大賽參賽項目各類行業(yè)應(yīng)用占比

工業(yè)領(lǐng)域部分5G典型應(yīng)用案例如下：

（一）移動機器人（AGV）

AGV(自動導(dǎo)航車輛AutomaticGuidedVehicle)需要與控制

系統(tǒng)、其它AGV以及周邊設(shè)備保持安全可靠的無線通信，對通信時

延、可靠性、確定性和時鐘同步提出嚴格要求。同時AGV的移動性，

要求無線網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)或者室外具備連續(xù)覆蓋，并支持無縫切換。一

3

種迅速崛起的導(dǎo)航方式是基于視覺實現(xiàn)AGV導(dǎo)航，視覺導(dǎo)航對無線

通訊要求高，如果采用4K或8K攝像頭，且視頻上傳邊緣節(jié)點做實

時分析，那么無線網(wǎng)絡(luò)需要支持幾十甚至上百Mbps的吞吐量。

（二）運動控制

工業(yè)機器人是自動化產(chǎn)線上不可或缺的一部分。傳統(tǒng)機器人通

常搭配固定的PLC硬件，執(zhí)行特定功能，而隨著制造業(yè)向智能制造、

柔性制造發(fā)展，未來機器人也將向云化發(fā)展。通過將控制、編程功

能移向云端（包含邊緣云），使得機器人可以利用云端的計算能力

完成復(fù)雜的判斷、行動以及協(xié)作，比如圖像識別，兩臺機器人一些

協(xié)作搬運更大的貨物等等。這種情況下，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)

遠端機器人和云端的控制器之間的通信，就變得更靈活。根據(jù)應(yīng)用

場景的不同，遠端機器人既可能工作在室外，也可能在室內(nèi)，甚至

有可能是地下，回傳的信息可以是設(shè)備狀態(tài)、圖像甚至視頻等信息，

而云端控制器則需要發(fā)送運動控制指令給遠程機器人，因此一個靈

活、能支持豐富傳輸特性的網(wǎng)絡(luò)將變得非常重要。就運動控制指令

而言，一個低時延、高可靠的傳輸通道尤為重要。

（三）大規(guī)模連接

5G的mMTC場景可以支持平方千米內(nèi)擁有百萬用戶。現(xiàn)代化工

廠依賴傳感器接入技術(shù)，將設(shè)備、環(huán)境和流程集成在一起，實現(xiàn)工

業(yè)生產(chǎn)的智能化監(jiān)控。海量傳感器接入技術(shù)為老舊設(shè)備和車間環(huán)境

升級到工業(yè)4.0提供了解決方案。大量傳感器被部署到生產(chǎn)環(huán)境和

生產(chǎn)設(shè)備中，推動制造領(lǐng)域向自動化、智能化方向發(fā)展。分辨率高

達8K的工業(yè)攝像機、聲音檢測傳感器和溫度傳感器被安裝在生產(chǎn)線

4

上，以監(jiān)控生產(chǎn)線生產(chǎn)情況，執(zhí)行生產(chǎn)質(zhì)量檢查。傳感器還安裝在

關(guān)鍵位置，用于預(yù)防意外事故（如：火災(zāi)），或者安裝在相關(guān)工具

上，如：滅火器，以確保其工作狀態(tài)正常。5G海量接入和低功耗終

端的特性，促進長周期、小數(shù)據(jù)包的傳感器更容易部署在電池更換

周期長的生產(chǎn)環(huán)境中，滿足信息制造場景的需求。

（四）機器視覺（質(zhì)檢）

機器視覺，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。隨著4K、8K

等超高清視頻技術(shù)的發(fā)展，機器視覺結(jié)合5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以發(fā)

展出大量的創(chuàng)新型應(yīng)用。不僅可以實現(xiàn)精細原材料識別、精密定位

測量等環(huán)節(jié)，還可應(yīng)用于工業(yè)可視化、機器人巡檢、人機協(xié)作交互

等場景，利用機器視覺、人工智能算法，提高工業(yè)自動化、智能化

水平。

利用VR/AR技術(shù)提高工作效率將是智能制造的一大趨勢。虛擬

現(xiàn)實VR（VirtualReality），則通過計算機仿真技術(shù)生成虛擬的

全沉浸式、可交互的三維場景，使用戶與現(xiàn)實世界隔離。而增強現(xiàn)

實AR（AugmentedReality），通過在現(xiàn)實世界環(huán)境和物體中，疊

加虛擬信息，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界信息的增強，使用戶獲得超感知體驗。

在工業(yè)制造中，VR適用于3D產(chǎn)品設(shè)計、員工培訓(xùn)等場景。采

用VR技術(shù)，基于3D仿真進行產(chǎn)品設(shè)計和交互，提供設(shè)計產(chǎn)品的測

試能力，既降低了驗證成本，同時提高了設(shè)計效率。VR技術(shù)用于員

工培訓(xùn)，特別是工藝復(fù)雜、操作性強的制造領(lǐng)域，通過模擬真實工

作場景，解決傳統(tǒng)培訓(xùn)操作性不足的缺陷。

5

在機器視覺中，由于具體應(yīng)用采用不同的編碼率、像素深度、

幀率以及壓縮比，對應(yīng)的速率都不相同，表1中給出的是本文計算

采用的速率。

表1：不同格式的視頻數(shù)據(jù)速率計算

三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求測算方法

在對比分析了IMT常用的頻率需求測算方法基礎(chǔ)上，針對工業(yè)

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特點，我們認為基于應(yīng)用的測算方法更適用于工業(yè)互聯(lián)

網(wǎng)頻率需求測算。相關(guān)頻率需求測算方法見附件。

（一）基于應(yīng)用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率測算方法

該方法采用ITU-RM.1651建議書[3]的方法，關(guān)于應(yīng)用的輸入

參數(shù)可以反映各個國家的不同情況。

為了在該方法中計算頻率總需求量R（Hz），使用以下等式：

Rts=(C×A×U)/I/S（1）

Rt=∑Rts（2）

R=max(Rt)（3）

在上面的等式中，Rts表示給定的電信密度和服務(wù)類型中的一

組頻率需求，可以由連接密度(用戶數(shù)/km2)C、應(yīng)用數(shù)據(jù)速率

(bits/s)A、使用模式(%)U、以及無線技術(shù)相關(guān)的參數(shù)（每平方公

里的小區(qū)個數(shù)I小區(qū)面積和小區(qū)平均頻譜效率S）計算而得到。其

6

中，連接密度C的定義在ITU-R建議書M.2083[4]中給出，可以由

公式1連接密度C=(給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù))×(激活因子)計算得

到。使用模式U定義了給定電信密度下使用一定類型的業(yè)務(wù)的用戶

比例，該參數(shù)值可能因區(qū)域或者國家的不同而有所區(qū)別，單位為%。

激活因子和使用模式可能被不同頻率影響，以反應(yīng)不同的運營環(huán)境。

表示給定電信密度的一組頻率需求(Hz)。頻率總需求量R。

頻率需??求應(yīng)該取不同電信密度條件下最大的頻率需求值。

當用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)頻率分析時，可以對不同場景下

的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)頻率需求采用不同的參數(shù)分別進行評估，總的頻率需

求應(yīng)該在各種不同場景中取其中的最大值。值得注意的是，工廠中

的無線電傳播環(huán)境可能與5G系統(tǒng)的其他應(yīng)用領(lǐng)域的情況有很大區(qū)別

[5]。它的典型特征是非常豐富的多徑，由發(fā)射機和接收機周圍的大

量常見金屬物體引起，以及由電機，電弧焊等引起的潛在高干擾。

因此，應(yīng)評估工廠無線傳播環(huán)境下無線技術(shù)的小區(qū)覆蓋范圍和小區(qū)

頻譜效率。

（二）相關(guān)測算參數(shù)設(shè)定

針對工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)不同部署場景下，可能具有不同的應(yīng)用以及部

署情況。應(yīng)盡量針對不同部署場景和業(yè)務(wù)收集相關(guān)參數(shù)，如下為某

一個場景的參數(shù)集，如表2所示。

表2：基于應(yīng)用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率需求分析的基本應(yīng)用參數(shù)

參數(shù)說明

工廠面積FactoryArea（平方米）

小區(qū)總數(shù)TotalCellNumber可由工廠面積與站間距計算得到

用戶總數(shù)N

7

業(yè)務(wù)1激活因子業(yè)務(wù)1用戶有空口業(yè)務(wù)發(fā)送的激活時間比

（%）例

??????????????1

業(yè)務(wù)使用模式業(yè)務(wù)1的用戶數(shù)占總用戶數(shù)的比例

（%）

????????????1

業(yè)務(wù)1平均數(shù)據(jù)速率

（kbps）

????????1

業(yè)務(wù)2激活因子業(yè)務(wù)2用戶有空口業(yè)務(wù)發(fā)送的激活時間比

（%）例

??????????????2

業(yè)務(wù)2使用模式使用業(yè)務(wù)2的用戶占全部用戶總數(shù)的比例

（%）

????????????2

業(yè)務(wù)2平均數(shù)據(jù)速率

（kbps）

????????2

…

業(yè)務(wù)n激活因子業(yè)務(wù)n用戶有空口業(yè)務(wù)發(fā)送的激活時間比

（%）例

???????????????

業(yè)務(wù)n使用模式使用業(yè)務(wù)n的用戶占全部用戶總數(shù)的比例

（%）

?????????????

業(yè)務(wù)n平均數(shù)據(jù)速率

（kbps）

?????????

針對應(yīng)用的無線技術(shù)，應(yīng)通過鏈路預(yù)算或者系統(tǒng)級仿真結(jié)合候

選頻率范圍研究以下參數(shù)和假設(shè)，如表3所示。

表3：基于應(yīng)用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻率需求分析的基本無線參數(shù)

參數(shù)說明

站間距（米）根據(jù)鏈路預(yù)算或者系統(tǒng)級仿真估計站間距

每個站址的小區(qū)數(shù)量如果采用更好方向性的天線、毫米波段頻率達到高

totalcellnumber效的空分復(fù)用，采用更高效的小區(qū)分裂技術(shù)，可以

使得每個站址支持更多小區(qū)數(shù)量。

頻率效率S根據(jù)無線技術(shù)規(guī)范和系統(tǒng)級仿真等，確定每小區(qū)平

（b/s/Hz/cell）均頻譜效率

負載因子負載因子應(yīng)反映不同可靠性要求的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)負載

()%的要求，可靠性要求越高網(wǎng)絡(luò)負載因子越低。

總的頻率需求可以用如下公式計算得到：

loadingfactor?

1（4）

??????????????=??

??×????????????×??????????????×????????×??????????????

(???????????????)×?8

其中，小區(qū)平均頻譜效率S，原則上可以根據(jù)無線技術(shù)規(guī)范和

系統(tǒng)級仿真等，確定每小區(qū)平均頻譜效率，但譜效與小區(qū)無線參數(shù)

配置強相關(guān)，故此在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求預(yù)測場景中，我們采用

ITU-RM.2410中對室內(nèi)熱點場景的平均頻譜效率的最小要求值作為

頻譜預(yù)測的平均譜效。ITU-RM.2410對IMT-2020技術(shù)的需求中，

不同場景的上下行平均頻譜效率最小需求如下：

表4平均頻譜效率最小需求

應(yīng)用環(huán)境下行(bit/s/Hz/TRxP)上行(bit/s/Hz/TRxP)

室內(nèi)熱點–eMBB96.75

密集城區(qū)–eMBB7.85.4

郊區(qū)–eMBB3.31.6

針對測算涉及的參數(shù)，一方面，需要結(jié)合工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)采用的空

口無線技術(shù)和候選頻率范圍進行分析，比如采用基于5G的技術(shù)，則

應(yīng)采取5G空口設(shè)計在工廠網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對應(yīng)的小區(qū)覆蓋和頻譜效率，

最終得到不同場景下的頻率需求。另一方面，還需要考慮到高速率

高可靠性業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)負載的要求。為了保證一定的時延和抖動性能，

需要考慮空中接口的負載冗余以滿足高可靠性業(yè)務(wù)的要求。因此，

建議針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求研究，在無線參數(shù)中針對不同應(yīng)用考

慮不同的負載因子。

四、汽車制造場景下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求計算

在不同工業(yè)領(lǐng)域中，汽車制造屬于自動化實現(xiàn)程度較高的行業(yè)。

隨著競爭加劇，整車制造商們急需實現(xiàn)產(chǎn)品個性化，提高整車質(zhì)量，

提升生產(chǎn)效率，因此對生產(chǎn)過程中的柔性制造、質(zhì)量檢測和流程監(jiān)

控提出了更高的要求。

9

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，培育了新模式新業(yè)態(tài)。通過構(gòu)建連接

企業(yè)信息系統(tǒng)、智能機器、物料、人等的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，貫穿汽

車智能制造全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的全面感

知、動態(tài)傳輸、實時分析，為智能制造、個性化定制生產(chǎn)模式創(chuàng)新

提供良好支撐和契機。很多國內(nèi)外汽車制造企業(yè)，已經(jīng)開始在工廠

中試點和部署5G網(wǎng)絡(luò)，利用5G低時延，高可靠，大帶寬的特性，

更好的支撐工業(yè)場景下多傳感器、移動云機器人、視頻監(jiān)控、AR/VR

遠程指導(dǎo)和輔助操、AI機器視覺質(zhì)量檢測、遠程控制、物流運送等

先進應(yīng)用對高效連接、低時延、高可靠和大容量數(shù)據(jù)傳輸特性的需

求。

（一）汽車制造場景的無線參數(shù)假設(shè)

做為精益生產(chǎn)的典型場景，汽車制造的整個業(yè)務(wù)流程，都是基

于嚴密而精確的設(shè)計，發(fā)送什么類型的數(shù)據(jù)，什么時候發(fā)送，都具

有很強的計劃性和確定性。因此，在計算汽車制造場景的頻譜需求

時，可以采用第3章中基于應(yīng)用的方式，公式（4）也可以表述如下：

Fes=Totaltrafficdatarate/Nbofsectors/loadfactor/SpectralEfficiency

（5）

FesTotal=(Fesuplink+Fesdownlink)（6）

其中：Fes表示需要的頻譜數(shù)量

Totaltrafficdatarate（數(shù)據(jù)速率總量）：假設(shè)一天24小

時的生產(chǎn)時間周期，因此將根據(jù)工廠的業(yè)務(wù)設(shè)計，統(tǒng)計24小時內(nèi)的

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)總量，再計算出該工廠內(nèi)平均每秒所需的總吞吐率。

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Loadfactor（網(wǎng)絡(luò)負載因子）：考慮到工業(yè)場景中有大量

URLLC類型的數(shù)據(jù)，它們數(shù)據(jù)包不大，但對可靠性和時延都有很高

的需求，因此該式中的LoadFactor取值為50%。

SpectralEfficiency（頻譜效率）：頻譜效率采用ITU-R對

5G室內(nèi)熱點場景的最小需求值,上行為6.75bit/s/Hz，下行為9

bit/s/Hz。

工廠環(huán)境和業(yè)務(wù)模型假設(shè)：工廠面積為10000m2，里面有100個

操作工位，每個工位平均面積100m2。

圖3：工廠環(huán)境拓撲假設(shè)示意圖

其中基站的部署采用矩陣模型，根據(jù)3GPP的參數(shù)，站間距設(shè)為

20m,對應(yīng)也就是25個基站，假設(shè)每基站采用3扇區(qū)天線，則工廠

內(nèi)一共有75個小區(qū)。

（二）汽車制造場景下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型

2018年11月，在通信、汽車制造行業(yè)會員的努力下，工業(yè)互

聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布了《無線應(yīng)用場景白皮書—汽車制造領(lǐng)域（2018年）》

11

[6]，對整車制造場景下的無線應(yīng)用場景做了非常詳細的介紹。因此，

本次頻譜需求的計算，主要采用了該白皮書中的業(yè)務(wù)模型，并通過

和具體整車汽車制造廠家討論調(diào)研，對各應(yīng)用場景下的消息數(shù)據(jù)包

大小，發(fā)送頻率，終端密度等數(shù)據(jù)進行了初步估計，從而計算出整

車制造場景下的無線通信數(shù)據(jù)總量范圍。

汽車制造從流程上分為沖壓，焊接，涂裝和總裝四道工序。其

中，總裝車間，由于同時兼具視頻檢測和基于VR/AR的裝配輔助應(yīng)

用場景，無線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量是最高的（表5和表6給出了三類工序下

的業(yè)務(wù)模型），因此最終的汽車制造場景下的頻譜需求取值總裝場

景下的頻譜計算結(jié)果。

在所有的業(yè)務(wù)中，視頻類業(yè)務(wù)比如紅外相機、機器視覺以及

VR/AR眼鏡是最消耗帶寬的應(yīng)用。《無線應(yīng)用場景白皮書—汽車制

造領(lǐng)域（2018年）》中指出，在汽車制造車輛質(zhì)檢中，會用到紅外

相機、機器視覺。根據(jù)我們和整車制造企業(yè)的交流，目前行業(yè)正在

試驗將機器視覺應(yīng)用于汽車生產(chǎn)的不同環(huán)節(jié)中，比如出廠前的劃痕

檢測，因為劃痕較為細小，因此會更多采用基于8K的視頻解決方案。

同時，4K/8KVR/AR眼鏡也被認為在遠程維護指導(dǎo)、裝配指導(dǎo)等方

面具有很大的應(yīng)用潛力。

在本場景下的頻譜計算中，機器視覺以及AR/VR的速率值，直

接引用第一章表1數(shù)據(jù)，并根據(jù)工廠對新型智能應(yīng)用的程度，給出

了高、中、低三種智能終端數(shù)量配置。

表5汽車制造三類工藝下的上行業(yè)務(wù)速率計算

12

表6汽車制造三類工藝下的DL業(yè)務(wù)速率計算

（三）汽車制造場景頻譜需求計算結(jié)果

由于頻譜的熱點效應(yīng)，頻譜需求的測算需要基于累加業(yè)務(wù)量需

求最高的場景進行計算，因此在汽車制造的4類車間中，選擇總裝

車間作為汽車制造場景頻譜需求計算結(jié)果。

可以得出汽車制造場景頻譜需求計算結(jié)果如下表所示：

表7：汽車制造場景頻譜需求計算結(jié)果

13

頻譜需求三扇區(qū)部署

（MHz）高中低

下行1523810

上行452291181

總計604329191

五、電子信息制造場景下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頻譜需求計算

在電子信息制造業(yè)，工業(yè)通信是整個企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，自動化、

智能化的生產(chǎn)更離不開高效、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)4.0的到

來，柔性化、智能化生產(chǎn)的需求日益強烈，同時5G通信技術(shù)在可靠

性和時延上的突破，為無線應(yīng)用到制造領(lǐng)域提供了可能。在未來工

廠中，由無線通信提供的靈活、移動、通用的連接，必將對制造業(yè)

生命周期中的生產(chǎn)、運輸和服務(wù)帶來革命性的發(fā)展[7]。

針對5G應(yīng)用到電子制造場景的不同發(fā)展時期的業(yè)務(wù)部署需求，

通過研究兩種電子信息制造工廠面積內(nèi)的典型業(yè)務(wù)量情況，即電子

信息制造場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型1和電子信息制造場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型2，

結(jié)合5G無線系統(tǒng)性能參數(shù)和無線基站部署的假設(shè)，對頻譜需求總量

進行評估。

（一）電子信息制造場景的無線參數(shù)假設(shè)

根據(jù)第三章的研究方法中無線參數(shù)集，通過5G系統(tǒng)級仿真研究

提出以下參數(shù)和假設(shè)，如表8所示。

表8：基于應(yīng)用的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)頻譜需求分析的基本無線參數(shù)

參數(shù)數(shù)值說明

站間距（米）20根據(jù)鏈路預(yù)算或者系統(tǒng)級仿真估計站間距

14

每個站址的小區(qū)1或者3如果考慮小站常用全向天線配置，則每站

數(shù)量址小區(qū)數(shù)量為1。如果采用更好方向性的天

線、毫米波段頻率達到高效的空分復(fù)用，

采用更高效的小區(qū)分裂技術(shù)，可以使得每

個站址支持更多小區(qū)數(shù)量，比如3。

下行頻譜效率9ITU-RM.2410indoorhotspot

（b/s/Hz/cell）

上行頻譜效率6.75ITU-RM.2410indoorhotspot

（b/s/Hz/cell）

負載因子50%負載因子應(yīng)反映不同可靠性要求的應(yīng)用對

網(wǎng)絡(luò)負載的要求，可靠性要求越高網(wǎng)絡(luò)負

載因子越低。

（二）電子信息制造場景下的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型

1.電子信息制造場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型1

假定工廠廠房面積為8000平米，為長200米寬40米的矩形，

在工廠內(nèi)一共部署18個站址，如果每個站址上部署1個三扇區(qū)小區(qū)

(cell)，則在此廠房內(nèi)共有54個小區(qū)(cell)。廠房站址和基站位置

的拓撲所圖4示。

圖4：電子信息制造工廠和基站部署拓撲示意圖

15

參考《電子信息制造業(yè)5G應(yīng)用需求白皮書》[7]，針對不同數(shù)

據(jù)速率應(yīng)用的情況，分別總結(jié)了近期部署的業(yè)務(wù)參數(shù)如表9，以及

中遠期部署的業(yè)務(wù)參數(shù)假設(shè)如表10。假設(shè)近期部署的場景中，涉及

到視頻的業(yè)務(wù)以4K分辨率為主；而中遠期部署的場景中，涉及到視

頻的業(yè)務(wù)以8K分辨率為主。

表9：模型1近期部署的基本業(yè)務(wù)參數(shù)

下行上行

數(shù)據(jù)速率集總數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)速率集總數(shù)

終端平均激活終端總平均激活

應(yīng)用每終端速率每終端據(jù)速率

總數(shù)因子數(shù)因子

(kbps)(kbps)(kbps)(kbps)

設(shè)備內(nèi)工

業(yè)控制50100150005010015000

線體內(nèi)工

業(yè)控制250100125000250100125000

整間車間

生產(chǎn)控制250100001250000025010001250000

AGV控制10020120001002012000

AGV視頻

(4K)000032000201640000

缺陷檢測

(4K)00006400015019600000

震動傳感

器0000480150172000

海量傳感

器110000110000110000110000

音頻電話10020120001002012000

視頻電話153610115360153610115360

AR(4K)640003212048000640003212048000

智能診斷

維護500100.0015500100.0015

表10：模型1中遠期部署的基本業(yè)務(wù)參數(shù)

16

下行上行

數(shù)據(jù)速率平均集總數(shù)據(jù)平均集總數(shù)據(jù)

終端數(shù)據(jù)速率每終終端

應(yīng)用每終端激活速率激活速率

總數(shù)端(kbps)

(kbps)因子(kbps)總數(shù)因子(kbps)

設(shè)備內(nèi)

50100150005010015000

工業(yè)控制

線體內(nèi)

250100125000250100125000

工業(yè)控制

整間車間

25010000125000002501000012500000

生產(chǎn)控制

AGV控制10020120001002012000

AGV視頻

00101270002012540000

(8K)

缺陷檢測

0010254000150138100000

(8K)

震動傳感器0010480150172000

海量傳感器110000110000110000110000

音頻電話10020120001002012000

視頻電話153610115360153610115360

AR(8K)25500032181600002550003218160000

智能診斷

500100.0015500100.0015

維護

2.電子信息制造場景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型2

本節(jié)參考《電子信息制造業(yè)5G應(yīng)用需求白皮書》[7]中的基于

海量終端接入的工廠監(jiān)控應(yīng)用案例給出的技術(shù)要求和技術(shù)指標作出

以下假設(shè)：工廠廠房面積為1000000平米，假設(shè)站間距20米，每站

址1小區(qū)，共有2500個站址。如果每個站址上部署1個全向小區(qū)

(cell)，則在此廠房內(nèi)共有2500個小區(qū)(cell)。如果每個站址上部

署1個三扇區(qū)小區(qū)(cell)，則在此廠房內(nèi)共有7500個小區(qū)(cell)。

假定用戶總數(shù)為1000000，近期預(yù)估采用每平方千米1百萬用戶，

遠期預(yù)估采用每平方千米2百萬用戶。

表11：模型2近期部署的基本業(yè)務(wù)參數(shù)

17

近期

下行上行

數(shù)據(jù)速數(shù)據(jù)速

平均集總數(shù)據(jù)平均集總數(shù)據(jù)

率每終終端總用戶率每終終端總

應(yīng)用激活速率激活速率

端數(shù)比例端數(shù)

因子(kbps)因子(kbps)

(kbps)(kbps)

設(shè)備內(nèi)工業(yè)控

5050000125000005%505000012500000

制

線體內(nèi)工業(yè)控

250500001125000005%25050000112500000

制

整間車間生產(chǎn)

25010000012500000010%250100000125000000

控制

AGV控制100400014000000.40%10040001400000

AGV視頻(4K)320003000000.30%320003000196000000

AGV視頻(8K)1270001000000.10%12700010001127000000

缺陷檢測(4K)640003000000.30%6400030001192000000

缺陷檢測(8K)2540001000000.10%25400010001254000000

震動傳感器4804000000.40%480400011920000

海量傳感器1750000175000075%17500001750000

音頻電話10010000110000001%1001000011000000

視頻電話1536100001153600001%153610000115360000

AR(4K3D)64000300011920000000.30%6400030001192000000

AR(8K3D)255000100012550000000.10%25500010001255000000

智能診斷維護500100000.00150001%500100000.0015000

表12：模型2中遠期部署的基本業(yè)務(wù)參數(shù)

中遠期

下行上行

數(shù)據(jù)速數(shù)據(jù)速

平均集總數(shù)據(jù)平均集總數(shù)據(jù)

率每終終端總率每終終端總

應(yīng)用激活速率激活速率

端數(shù)端數(shù)

因子(kbps)因子(kbps)

(kbps)(kbps)

設(shè)備內(nèi)工業(yè)控制50100000150000005010000015000000

線體內(nèi)工業(yè)控制250100000125000000250100000125000000

整間車間生產(chǎn)控制250200000150000000250200000150000000

18

AGV控制1008000180000010080001800000

AGV視頻(4K)320005000003200050001160000000

AGV視頻(8K)12700030000012700030001381000000

缺陷檢測(4K)640005000006400050001320000000

缺陷檢測(8K)25400030000025400030001762000000

震動傳感器480800000480800013840000

海量傳感器11500000115000001150000011500000

音頻電話10020000120000001002000012000000

視頻電話153620000130720000153620000130720000

AR(4K3D)64000500013200000006400050001320000000

AR(8K3D)2550003000176500000025500030001765000000

智能診斷維護500200000.00110000500200000.00110000

（三）電子信息制造場景頻譜需求計算結(jié)果

結(jié)合表4無線參數(shù)，以及表9、表10、表11和表12的業(yè)務(wù)

參數(shù)，采用本報告第二章中頻譜需求預(yù)測方案，可以計算得出電子

信息制造場景下的頻譜需求計算結(jié)果分別如表13和表14所示。

表13：電子信息制造場景數(shù)據(jù)模型1的頻譜需求計算結(jié)果

三扇區(qū)小區(qū)部署

近期中遠期

上行頻譜需求69MHz282MHz

下行頻譜需求19MHz44MHz

合計頻譜需求88MHz326MHz

上下行時隙配比3.7：16.4：1

表14：電子信息制造場景數(shù)據(jù)模型2的頻譜需求計算結(jié)果

19

三扇區(qū)小區(qū)部署

近期中遠期

上行頻譜需求46MHz111

下行頻譜需求19MHz36

合計頻譜需求61MHz147

上下行時隙配比3:13:1

六、總結(jié)和建議

根據(jù)“綻放杯”的應(yīng)用情況以及之前章節(jié)對具體行業(yè)的實際應(yīng)

用需求分析，可以看出未來工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級，離不開

頻譜資源的供給。

根據(jù)第四、五章的模型、參數(shù)和計算，電子信息制造行業(yè)估算

需要61-326MHz頻譜，汽車制造行業(yè)估算需要191-604MHz的頻譜。

初步分析如下：

隨著5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷結(jié)合，工業(yè)對頻譜提出了

更多的需求；

高清圖像、視頻在質(zhì)檢以及和其它云機器人、AGV導(dǎo)航等工

業(yè)場景中的應(yīng)用，成為頻譜需求的主要驅(qū)動力；

工業(yè)應(yīng)用中，上行業(yè)務(wù)需求遠大于下行需求；

根據(jù)室內(nèi)、室外應(yīng)用的需求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)可通過中頻段

或中頻段加毫米波頻段滿足其覆蓋和容量需求。

綜合以上分析，可以看出電子信息和汽車制造領(lǐng)域5G+工業(yè)互

聯(lián)網(wǎng)的頻譜需求較大，需要規(guī)劃新的頻率來滿足行業(yè)迫切需求。其

他垂直行業(yè)的頻譜資源需求仍需要進一步研究。

20

附件：頻譜需求預(yù)測方法分析

ITU-RWP5D從IMT-2000一直到IMT-2020系統(tǒng)，結(jié)合無線系統(tǒng)

技術(shù)演進和不斷增強增加的場景，持續(xù)針對系統(tǒng)頻率的需求進行預(yù)

測評估。

ITU-RM.1768[8]針對IMT系統(tǒng)提出了一種基于排隊論理論的預(yù)

測計算方法，在2006年ITU-RM.2078[9]采用M.1768的方法針對

IMT2000系統(tǒng)以及IMT-advanced系統(tǒng)進行了頻率需求的評估；在

2013年針對WRC15議題1.1，ITU-RM.2290[10]報告采用M.1768

的方法根據(jù)當時IMT技術(shù)發(fā)展、全球移動市場的業(yè)務(wù)增長和部署情

況，對IMT2000以及IMT-advanced頻率需求相關(guān)參數(shù)和結(jié)果預(yù)測進

行了更新。

針對WRC19AI1.13議題，WP5D針對IMT-2020系統(tǒng)的毫米波頻

段頻率需求進行預(yù)測和計算[8]，主要采用兩種方法：其中一種方法

采用ITU-RM.1651建議書[3]基于應(yīng)用的方法，M.1651是在WRC-03

研究周期中制定和使用的，也曾在WRC-15議題1.1下用于計算

RLAN頻率需求；另外一種方法，是基于系統(tǒng)性能關(guān)鍵指標（比如峰

值速率，用戶體驗速率，小區(qū)邊緣數(shù)據(jù)速率要求，頻譜效率等）的

方法，進行頻率需求分析。

附件針對M.1768和WP5DIMT-2020的頻率需求方法以及所需

要的參數(shù)集進行介紹，并進行對比分析。

一、ITU-RM.1768頻率需求預(yù)測方法

21

M.1768針對分組業(yè)務(wù)和電路域業(yè)務(wù)的頻率需求分別進行預(yù)測并

疊加[8]。這里主要考慮針對分組業(yè)務(wù)的頻率需求預(yù)測方法，采用排

隊論理論針對分組業(yè)務(wù)的容量和頻率需求進行預(yù)測。

排隊論模型采用M/G/1先進先出排隊系統(tǒng)，既假設(shè)系統(tǒng)中只有

一個服務(wù)窗，顧客到達系統(tǒng)的時間間隔服從參數(shù)為的泊松分布，而

服務(wù)窗的服務(wù)時間是一般分布G。排隊系統(tǒng)中，當λ系統(tǒng)為一個顧客

服務(wù)時，當前服務(wù)不能被中斷，新來的客戶只能進入隊列排隊等待。

對于每個分組業(yè)務(wù)都可以設(shè)定優(yōu)先級，不同分組業(yè)務(wù)也可以具有相

同優(yōu)先級。服務(wù)時間由分組包長和無線接入技術(shù)調(diào)制編碼速率決定。

此種方法需要比較多的業(yè)務(wù)模型相關(guān)的參數(shù)，比如分組數(shù)據(jù)包

大小的平均值和二階矩、會話到達率和會話平均時長等，需要提前

針對不同業(yè)務(wù)場景的具體業(yè)務(wù)流量建模深入研究，才能達到比較好

的預(yù)測效果。此方法在5G毫米波頻率需求預(yù)測過程中，沒有被采用。

二、ITU-RIMT-2020毫米波頻率需求預(yù)測方法和參數(shù)

集

IMT-2020毫米波頻率需求預(yù)測中采用的計算方法，主要有兩種

類型：基于應(yīng)用的方法和基于性能的方法。

（一）基于應(yīng)用的方法

該方法采用ITU-RM.1651建議書[3]的方法，關(guān)于應(yīng)用的輸入

參數(shù)可以反映各個國家的不同情況。

為了在該方法中計算頻率總需求量R（Hz），使用以下等式：

Rts=(C×A×U)/I/S

22

Rt=∑Rts

R=max(Rt)

在上面的等式中，Rts表示給定的電信密度和服務(wù)類型中的一

組頻率需求，可以由連接密度(用戶數(shù)/km2)C、應(yīng)用數(shù)據(jù)速率

(bits/s)A、使用模式(%)U、以及無線技術(shù)相關(guān)的參數(shù)（每平方公

里的小區(qū)個數(shù)I小區(qū)面積和小區(qū)平均頻譜效率S）計算而得到。其

中，連接密度C的定義在ITU-R建議書M.2083[4]中給出，可以由

公式連接密度C=(給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù))×(激活因子)計算得到。

使用模式U定義了給定電信密度下使用一定類型的業(yè)務(wù)的用戶比例，

該參數(shù)值可能因區(qū)域或者國家的不同而有所區(qū)別，單位為%。激活因

子和使用模式可能被不同頻率影響，以反應(yīng)不同的運營環(huán)境。

表示給定電信密度的一組頻率需求(Hz)。頻率總需求量

R。頻??率需求應(yīng)該取不同電信密度條件下最大的頻率需求值。

（二）基于性能的方法

基于性能的方法的概念是指無線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，比如支

持的峰值數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、用戶體驗的數(shù)據(jù)速率、預(yù)期的設(shè)備

密度等因素，會影響頻率需求。此外，使用場景，包括其相關(guān)的預(yù)

期覆蓋區(qū)域、部署環(huán)境和目標應(yīng)用，會直接或間接地影響頻率需求

的技術(shù)要求和條件。

可以根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)性能要求（例如，峰值數(shù)據(jù)速率、用戶體驗

數(shù)據(jù)速率和區(qū)域流量容量）對頻率需求進行簡單粗略的估計，或者

可以在鏈路預(yù)算和系統(tǒng)級仿真的基礎(chǔ)上取得關(guān)鍵參數(shù)，進行詳細計

算。

WP5D針對基于性能的方法中，又分成兩種類型。

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類型1

在類型1的方法中，使用非常簡單的公式來估計系統(tǒng)頻率需求，

如下：

B=(D×N)/S

其中，

B：頻率需求，單位是Hz

D：平均用戶數(shù)據(jù)速率，單位是b/s

N:同時服務(wù)的用戶數(shù)

S：頻譜效率，單位是b/s/Hz

表15是WP5D給出的基于類型1方法計算的頻率需求示例。

表15：WP5D聯(lián)絡(luò)函中基于性能方法中類型1方法的頻率需求示例

示例頻率需求

＃1-基于ITU-RM.2083建議書用戶體驗數(shù)據(jù)速率1Gbit/s:

[4]中的小區(qū)邊緣用戶吞吐量和頻3.33GHz(N=1),6.67GHz(N=2),13.33

譜效率目標，N個用戶/設(shè)備同時GHz(N=4),例如室內(nèi)

服務(wù)于小區(qū)邊緣。用戶體驗數(shù)據(jù)速率100Mbits/s:

0.67GHz(N=1),1.32GHz(N=2),2.64

GHz(N=4),例如廣域覆蓋

類型2

根據(jù)IMT-2020的不同技術(shù)性能要求估算頻率需求，包括用戶體

驗數(shù)據(jù)速率，峰值數(shù)據(jù)速率和區(qū)域業(yè)務(wù)容量。頻率需求應(yīng)基于每個

技術(shù)性能要求遍歷進行估算，并結(jié)合所有IMT-2020部署方案。這些

情景可分為室內(nèi)熱點、密集城區(qū)的微小區(qū)和宏小區(qū)、以及城市的宏

小區(qū)層?？紤]到頻率需求應(yīng)滿足網(wǎng)絡(luò)的所有關(guān)鍵能力，從不同技術(shù)

性能要求獲得的最大頻率需求結(jié)果被視為IMT-2020的最終頻率需求。

在ITU-RWP5D的基于性能方法的類型2分析中，進行了以下假

設(shè)：

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-用于無縫廣域覆蓋的密集城區(qū)和城區(qū)場景中的宏小區(qū)由6

GHz以下的頻率范圍提供。

-24.25-86GHz之間的頻率范圍提供滿足極高傳輸速率要求的

密集城區(qū)和室內(nèi)熱點場景。在24.25-86GHz的頻率中，由于更好的

傳播特性，24.25-43.5GHz的頻率適合于微小區(qū)場景。

基于以上所述，表16提供了在類型2分析中假設(shè)的IMT-2020

的部署方案和頻率范圍之間的關(guān)系。

表16：IMT-2020在類型2中假設(shè)的部署場景和頻率范圍

密集城區(qū)

部署場景室內(nèi)熱點城區(qū)marco

MicroMacro

24.25-24.25-

頻率范圍<6GHz<6GHz

86GHz43.5GHz

WP5D向TG5/