5G应用前瞻深度报告
——无人机、智能制造
阎贵成
业界常说“4G改变生活，5G改变社会”。我们认为，5G最革命性的意义在于与文化娱乐、工业设施、医疗仪器、交通工具等的深度融合，有效满足娱乐、工业、医疗、交通等各个垂直行业的多样化业务需求，进而实现万物互联。
推荐理由:宋朝人懂得享受美食，一碗简单的面，能做出六七种形态，八九种配料，十余种风味。我们熟悉的臊子面、染色面、冷面早已出现在宋人的餐桌上。并且这些美食大都平易近人，如苏轼钟爱的蜜煎樱桃、林洪难以忘怀的“拨霞供”兔肉火锅、流传至今的宋嫂鱼羹、莲房鱼包，以及名噪一时的盏蒸羊。即使宫廷菜也不像满汉全席般遥不可及，在自己厨房中便可重现。在家中举办小型主题宴会时，与朋友们分享这些有故事的古早美食，办一场有声有色的宋宴，不失为一件好玩的事。
根据国际电联ITU的5G愿景，5G将会面向三大应用场景：增强移动宽带场景（enhanced mobile broadband，eMBB）、低时延高可靠场景（ultra-reliable and low latency communications，uRLLC）和大连接低功耗场景（Massive machine type communications，mMTC）。
eMBB主要面向超高清视频、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、高速移动上网等大流量移动宽带应用，是5G对4G移动宽带场景的增强，单用户接入带宽可与目前的固网宽带接入达到类似量级，接入速率增长数十倍，对承载网提出超大带宽需求。mMTC主要面向以传感和数据采集为目标的物联网等应用场景，具有小数据包、海量连接、更多基站间协作等特点，连接数将从亿级向千亿级跳跃式增长，要求承载网具备多连接通道、高精度时钟同步、低成本、低功耗、易部署及运维等支持能力。uRLLC主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用场景，要求5G的无线和承载网络要具备低时延和高可靠等处理能力。
自我国改革开放以来，国与国之间的交流更加频繁，人们对外国文化越来越感兴趣。电影作为主要文化传播方式之一，宽阔了人们的视野，丰富了人们的知识。但是人们在看电影的过程中会遇到一些不理解的现象，为了使人们准确地理解，好的字幕翻译就至关重要。
（2）师：这个魔方是由多少个小方块组成的呢？（大部分回答27块，也有回答54块、12块、18块的）你们是怎么看出来的？
5G的商用将给生活方式和生产方式带来显著的变化，给社会带来良好效益。从5G技术相关度、市场潜力两方面出发，华为认为5G的十大应用场景包括：云VR/AR、车联网、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、网联无人机、社交网络、个人AI辅助、智慧城市。
智能制造是制造业的发展方向，其主要发展方向有精益生产、数字化以及生产柔性化等。
近年来，兰山区扎实推进林产品质量安全工作，强化宣传与培训，引导种植户及市民食用林产品安全意识。突出食用林产品重点区域、重点品种和关键环节，组织开展“守护舌尖上的安全”等专项整治活动，抓实日常监管，做好隐患排查，严厉打击违法、违规行为，坚决守住食用林产品质量安全底线，确保全区食用林产品质量总体安全。
我们认为，5G作为移动通信网络，其核心优势在于移动状态下的高速率、高可靠、低时延，因此其主要应用场景可能还是要充分发挥上述特性，而且可能率先应用的场景还是2C，然后是2B。
一、无人机
根据中国移动5G联合创新中心估计，2013—2018年全球民用无人机市场在消费级无人机带动下保持着每年35%以上的同比增速，2018年起，伴随工业级无人机应用的兴起，民用无人机市场将进入爆发式增长期，在2020年前后增速达到顶峰。到2025年，全球民用无人机市场规模将达到1475亿美元，年均复合增长率达到43%。我国无人机市场的成长明显更加快速，在全球市场的份额占比逐年提升，预计到2025年，我国民用无人机市场产值将达到1800亿人民币，约占全球无人机市场份额的17.5%。工业级无人机行业应用服务将占据市场的绝对份额，市场规模达1500亿元人民币，其中农林植保、安防巡检、测绘和物流是我国无人机行业应用的主要场景。
图15G三大场景应用
资料来源：IMT-2020(5G)，中信建投证券研究发展部
图25G潜在应用对时延与速率的要求
资料来源：IMT-2020(5G)，中信建投证券研究发展部
随着智能手机增长率的放缓以及无人机终端化的趋势，移动运营商们纷纷推出了面向无人机应用的移动通信解决方案。这类方案目前采用成熟商用2G、3G、4G网络，通过定义套餐、开发贴片SIM卡组件、天线定制等方式，使无人机作为终端接入商用网络。运营商提供的蜂窝移动通信能力为无人机，尤其是行业级无人机赋能，延展各行各业的立体丰富应用。当前已有很多无人机的应用在4G现网上运行，例如农业、物流、基础设施巡检等，通信运营商与设备商也进行了大量的低空覆盖测试和研究。中国移动近期分别组织测试了4G网络在8天线和大规模天线（mMIMO）下的低空覆盖能力。通过测试可以得出：4G网络基本满足对带宽和时延要求不敏感的网联无人机业务，但尚不支持高速率、低时延等特定场景的需求。主要体现为：
目前，消费类无人机占据更多的市场份额，但行业无人机也正在被看好，诸多领域已显现出“无人机+行业应用”的蓬勃发展势头。无人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通信、气象监视、农林作业、海洋水文监测、矿产勘探等领域的应用前景较好，在灾害评估、生化探测、污染采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐、野生动物保护等方面也有广阔前景。
图35G技术与无人机结合示意图
资料来源：IMT-2020(5G)，中信建投证券研究发展部
图4 无人机关键技术
资料来源：中国移动5G联合创新中心，中信建投证券研究发展部
接入低空移动通信网络的网联无人机，可以实现设备的监视和管理、航线的规范、效率的提升，促进空域的合理利用，从而极大地延展无人机的应用领域，产生巨大经济价值。新一代蜂窝移动通信网络——5G为网联无人机赋予了实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，全球将形成一个数以千万计的无人机智能网络，7x24小时不间断地提供航拍、送货、勘探等各种各样的个人及行业服务，进而构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”。
无人机系统主要由三部分组成，分别为飞行器、控制站与通信链路。通信链路根据传输信息类型的不同，可分为三类：无人机与地面站之间的通信链路、卫星通信链路和无人机到无人机的通信链路。其中，上行通信链路主要负责地面站到无人机的遥控指令的发送和接收，下行通信链路主要负责无人机到地面站的遥测数据、红外或电视图像的发送和接收。通信链路是无人机实现飞行控制和完成各种搭载任务的必要条件，是无人机的真正价值所在。
目前大部分无人机基于点对点私有协议在840.5～845MHz、1430～1444MHz 和 2408～2440MHz 频段进行小范围局域网作业。基于上述频段的私有Wifi等通信方式基本能实现短距离的个人航拍等消费级应用，但难以满足日益增长的行业市场需求。
②三稿式写作教学模式可以改善学生作文中词汇、语法、句式、一致性、连贯性、篇章结构和写作规范等方面的问题，提高大学英语写作课堂教学效率。
表1MINO应用提升无人机的低空覆盖能力
无人机是利用无线遥控和程序控制的不载人飞机，它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人类完成空中作业。
挑战一：覆盖高度受限。随着高度升高，低空覆盖能力恶化较明显，较难满足多高度的无人机覆盖需求。4G蜂窝小区覆盖为地面用户设计，120米以上空域存在较多盲区。
挑战二：数据传输性能受限。上下行干扰信号强度大，较难满足无人机连续可靠的传输需求。目前4G网络并未针对低空进行组网优化，无人机高度不在地面站天线主瓣范围内，空中信号杂乱，无主覆盖小区，频繁切换，造成终端下行干扰较大（SINR为-5dB～5dB)，在部分区域可能出现无法解调，出现断线失联问题，可能触发长时间处于该区域的无人机降落或返航。
具有新型应用技术特征的二维码通过一些特定的集合图案在一定规律下平铺与二维平面上记录数据。就应用原理角度来看，在代码编制上，二维码巧妙并充分的利用了计算机的比特流概念，主要指的是//10和/00这两个内部逻辑基础理论，从而实现了数值信息的多样表现形式，比如对应不同的二进制生成的几何图形，最后经过图像输入设备的分析和处理环节，将隐藏于其中的图像、音频和数字等信息识别出来。
挑战三：上行容量传输能力受限。带宽受限，较难满足上行高密度高清视频等并发大容量业务的需求。基于8天线的上行平均速率为5Mbps，可支持720P图传业务。基于mMIMO的上行平均速率为7Mbps，基本支持1080P图传业务。
挑战四：时延传输能力受限。网络设计和端到端网络质量较难满足高下行低时延的控制指令传输需求。时延范围基本在 200～300ms之间，300米高度时延会达到500～600ms，满足上行状态信息采集时延和部分满足飞行管控命令下发，较难满足实时图传需求。
总之，相较4G，5G网络满足了绝大部分无人机应用场景的通信需求，5G网联无人机有望广泛应用于安防、物流、测绘、直播、农业植保、编队等领域。
一是MIMO作为5G的关键技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。
为了保证建筑物平面尺寸和各层标高的正确，砌筑前应认真做好抄平、放线工作，砌砖时必须跟线走。铺灰不能半边厚、半边薄，以免造成砖面倾斜，砌筑时应做到“三层一吊，五层一靠”。
图55G无人机实时直播业务示意图
资料来源：中国移动5G联合创新中心，信建投证券研究发展部
图6 商用UAV市场规模预测（十亿美元）
资料来源：机器人网，中信建投证券研究发展部
图7 全球小型无人机市场空间（亿美元）
资料来源：ABI Research，华为，中信建投证券研究发展部
MIMO的典型应用场景一般是热点地区、高楼或者需要深度覆盖的区域，对于无人机通信而言，通过MIMO垂直面和水平面的波束赋形，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，形成精准的窄波束进行发送和接收，因此能量能够更加准确地集中指向无人机。对于下行链路，精准的窄波束一方面提高了无人机的覆盖，另一方面也减少了小区内或者小区间的干扰。对于上行链路，既可以是基站侧形成接收波束，也可以是用户侧形成发送波束，从而既可以实现无人机上行大容量高清视频的传输，也可以减少无人机对地面终端的干扰。
二是5G移动边缘计算满足超低时延业务需求。
在4G网络中，4G计算资源仅能部署于骨干核心网之上，由于核心网的高位置部署，传输时延比较大，不能满足超低时延业务需求；此外，业务完全在云端终结并非完全有效，尤其一些区域性业务不在本地终结，既浪费带宽，也增加时延。5G移动边缘计算兼顾时延和计算能力等需求，分场景灵活选择MEC的部署位置。接入机房适用于部署定位、AR/VR等极高实时性业务，以及企业网等内容本地化高隔离业务；普通汇聚机房适用于部署监控视频分析等高传输带宽节省业务、云游戏等较高实时性业务及园区网等内容本地化高隔离业务；重要汇聚机房适用于部署mCDN等高计算/存储业务及天线权值优化等区域协同业务。以5G无人机实时直播业务为例，为保证直播的实时性，可在MEC服务器集成视频编解码能力，实现本地视频推送。
图8 全球民用无人机市场规模（亿美元）
资料来源：中国移动，中信建投证券研究发展部
图9 2025年中国无人机服务市场规模预测
资料来源：中国移动，中信建投证券研究发展部
表2 无人机安防市场规模预测
表3 无人机末端物流市场规模预测
相较4G，5G网络能力满足了绝大部分无人机的应用场景的通信需求。5G网联无人机的无人机终端和地面控制终端均通过5G网络进行数据传输和控制指令传输，并通过业务服务器加载各类场景的应用。5G网络将提供增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延（uRLLC）能力，全面提升速率、时延、覆盖等网络性能指标。此外，通过引入大规模天线（mMIMO）、网络切片、移动边缘计算（MEC）等多项关键技术，5G网络将为无人机的覆盖和移动性增强、端到端业务质量保障、高效识别和管控等需求提供新的技术保障，从而全面保障智能化的网联无人机应用。
老福始终没说一句话，他默默地看着小宋，等着她往下说；这会儿母亲也没招儿了，求助地看着老福，老福还是不说话，用眼神鼓励小宋说下去。
2.潜在市场空间
2018年6月结束的2018世界无人机大会预测，未来5年，全球无人机行业将保持迅猛发展态势，预计到2022年市场总值将达到150亿美元，为2016年的近12倍，其出货量将突破62万架，是2016年的6倍。根据ABI Research的估计，小型无人机市场将从2016年的53亿美元迅速增长到2026年的339亿美元，包括来自软件、硬件、服务和应用服务的收入。
表4 无人机支干线物流市场规模预测
表5 无人机植保市场规模预
表6 无人机测绘市场规模预测
1.应用场景简介
图10机器人控制对通信系统的性能需求
资料来源：华为，中信建投证券研究发展部
中国移动5G联合创新中心对无人机重要细分市场的规模进行了预测。
二、智能制造
1.应用场景简介
中国移动5G联创中心基于时延和速率两个维度，也列举了大量的5G潜在应用，包括AR/VR/高清视频4K、网联无人机、智能网联汽车、智能电网、智慧医疗等等。
智能制造的基本商业理念是通过更灵活高效的生产系统，更快地将高质量的产品推向市场，其主要优点包括：①通过协作机器人和AR智能眼镜提高工作效率，协作机器人需要不断交换分析数据以同步和协作自动化流程，智能眼镜使员工能够更快、更准确地完成工作；②通过基于状态的监控、机器学习、基于物理的数字仿真和数字孪生手段，准确预测未来的性能变化，从而优化维护计划并自动订购零件，减少停机时间和维护成本；③通过优化供应商内部和外部数据的可访问性和透明度，降低物流和库存成本。如果制造企业要充分利用工业物联网的机会，就需要实施涵盖供应链、生产车间和整个产品生命周期的端到端解决方案。
基于随机多层相位屏仿真方法，数值研究了贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的强度分布、在轴闪烁指数和质心抖动.如没有特殊申明，参数设置为：贝塞尔高斯涡旋光束拓扑荷l=3，波形参数p=10，光束宽度w0=0.07 m，波长λ=1 550 nm，传输距离功率谱指数α=11/3，湍流内尺度l0=0.01 m，湍流外尺度L0=10 m，湍流各向异性参数分别设置为ξx=5，ξy=1.相位屏尺寸Dx=Dy=1.706 5 m，网格数Nx=Ny=512，每层相位屏间距Δz=50 m.结果中每一个相位屏仿真得到的数据点均由500组数据统计取平均得到.
传统模式下，制造商依靠有线技术来连接应用。近些年，Wi-Fi、蓝牙和WirelessHART等无线解决方案也已经在制造车间立足，但这些无线解决方案在带宽、可靠性和安全性等方面都存在局限性，而且可能存在干扰问题。对于最新最尖端的智慧制造应用，灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠的通信是基本的要求，这给5G在工业领域的应用打开了空间。
柔性制造和云化MES作为工业制造行业的发展趋势，其对实时性、安全性、低时延等的要求非常高，而5G网络的能力可较好地满足工业自动控制与管理等业务的场景需求，实现大规模定制化生产及实时数据传输。此外，工厂内外的信息交互及大规模生产协同，也需要5G提供大连接能力，将机械臂等设备连网，实现信息采集，集中调度。
在MWC2017展会上，华为和库卡展示了5G协作机器人，两台机器人以同步方式一起敲鼓。库卡创新实验室报告显示网络时延低至1毫秒，可靠性达99.999%。
博世预测未来智能制造对多数据源的实时数据分析网络有着重大的需求。2017年6月，博世在其mPad移动控制单元上展示了其无线可编程逻辑控制器（PLC）软件。mPad通过5G连接控制博世APAS协作机器人，用户可以从mPad配置和监控机器人。博世认为Wi-Fi对于这些操作来说不够可靠。此外，博世还计划使工作站与AR眼镜和协作机器人进行通信。可穿戴设备、眼镜和机器人上的传感器会发出警报，以便在工作人员接近或准备停止机器人的时候减慢机器人，防止其对工作人员造成安全威胁，此时5G能够提供足够的带宽和超高的可靠性。
2.潜在市场空间
目前，固定网络在工业物联网连接数量方面仍占主导地位。但预测显示，从2022年到2026年，5G IIoT的平均年复合增长率（CAGR）将达到464%。2025年，全球工业机器人的出货量也将从2017年的36万台增加到105万台。
第五个支出是社会保障支出，关于社会保障支出的主要有以下几个问题：社会保障支出总量不足；社会保障支出增长缓慢；社会保障支出结构不合理、地区差异显著；社会保障基金增值困难、安全隐患。这个具体的数据大概说一下：2010年的时候我们国家社会保障支出占GDP的2.28%。这个与同期国家比较，比如说以中等发达国家为例，中等发达国家社会保障支出比重是30%，我们是2.28%，社会保障构建上严重投入不足，今天我们所讲的全民享有的、能够覆盖13亿人口的社会保障体系尚未完全建立起来。
我们认为，智能制造主要涉及工业制造企业，但工业涉及到的子行业众多，因此市场空间测算较难。中国移动测算认为，预计到2020年，工业互联网的市场空间约为11.6万亿美元。
（作者单位：中信建投证券）
标签：无人机论文; 地面站论文; 应用场景论文; 通信链路论文; 中国移动论文; 低时延论文; 协作机器人论文; 智能制造论文; 中信建投证券论文;