行業(yè)將測試新5G移動技術(shù)的“六個九”功能

在5G推出之前，每一代手機技術(shù)的主要目的是改善手機的操作。第一代移動電話網(wǎng)絡(luò)是模擬系統(tǒng)，為語音呼叫提供足夠的帶寬。1990G于2年代初推出，是第一種數(shù)字移動技術(shù)，而3年代后期的1990G使手機可以攜帶電子郵件并提供對網(wǎng)頁的基本訪問。

直到4年采用2008G技術(shù)，才實現(xiàn)了真正的智能手機能力：4G移動寬帶導致了智能手機應(yīng)用程序的發(fā)展，多媒體和流媒體服務(wù)的激增，以及隨時隨地訪問高速互聯(lián)網(wǎng)。

最近安裝的5G網(wǎng)絡(luò)標志著新一代移動技術(shù)首次圍繞機器和系統(tǒng)的需求而不是手機用戶的需求而構(gòu)建。電信行業(yè)的5G計劃設(shè)想在三個主要參數(shù)上取得技術(shù)突破：

延遲、可靠性和確定性

連接密度

帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度

提高這些參數(shù)性能的原因是能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制并發(fā)通信的密集集中設(shè)備。例如，在智慧城市場景中，5G有望在附近汽車的導航系統(tǒng)中顯示有關(guān)可用路邊停車位位置的實時信息。這種智能停車系統(tǒng)將需要在一個小區(qū)域內(nèi)同時連接數(shù)千個接近傳感器或攝像頭以及數(shù)千輛汽車，不斷傳輸有關(guān)空間可用性和位置的實時數(shù)據(jù)。

5G 標準規(guī)范中體現(xiàn)的三項技術(shù)增強功能滿足了此應(yīng)用和其他應(yīng)用對延遲、密度和帶寬的要求：

用于實時控制系統(tǒng)的超可靠低延遲通信 （URLLC）

增強型移動寬帶 （eMBB），支持新的帶寬相關(guān)用例，包括增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實

用于低功耗、廣域無線網(wǎng)絡(luò)的增強型/大規(guī)模機器類型通信 （eMTC）

這些5G技術(shù)特性使其能夠支持工廠控制系統(tǒng)對實時確定性和六個九（99.9999%）可用性的要求。然而，大多數(shù)移動手機用戶訪問2G、3G或4G網(wǎng)絡(luò)的實際體驗仍然涉及覆蓋較弱或不存在的黑點，以及偶爾和不可預測的連接中斷。

替代成熟的4 mA至20 mA技術(shù)

盡管圍繞最先進的5G技術(shù)進行了所有炒作，但現(xiàn)實情況是，當今大多數(shù)過程設(shè)備安裝都包括通過成熟的有線4 mA至20 mA鏈路進行控制 - 這是一種可追溯到1950年代的成熟，可靠的技術(shù)。這說明了行業(yè)在實施關(guān)鍵任務(wù)或安全控制系統(tǒng)時對確定性和避免風險的需求。

但是，變革的浪潮不可能永遠被擊退，工廠運營方式的創(chuàng)新使控制系統(tǒng)設(shè)計人員有充分的理由評估4 mA至20 mA技術(shù)的替代方案。隨著工業(yè)4.0和其他全球現(xiàn)象加快了工廠運營的發(fā)展步伐，兩個趨勢正在推動新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入：自主移動機械的引入和更靈活的制造設(shè)施的開發(fā)，以滿足消費者對個性化或配置產(chǎn)品日益增長的需求。

在工廠和倉庫環(huán)境中，使用自動導引車（AGV）、協(xié)作機器人和其他類型的自主移動設(shè)備提供了一種提高效率和生產(chǎn)力的有效方法。隨著自動化設(shè)備承擔執(zhí)行重復性和平凡任務(wù)的負擔，工人可以自由地轉(zhuǎn)移到機器無法執(zhí)行的更高價值和更有趣的工廠操作。

AGV等新一代自主移動設(shè)備需要無線通信連接，為實時控制提供低延遲，高帶寬來傳輸來自多個傳感器（如LIDAR掃描儀和攝像機）的信號，以及高抗干擾能力，這是5G移動網(wǎng)絡(luò)的標志。

當工廠運營商用無線連接取代有線連接時，他們還可以靈活地快速重新配置工廠設(shè)備，以滿足消費者的新需求或變化需求。電子商務(wù)的興起提高了消費者對訂購產(chǎn)品的近乎即時交付的期望，以及從比以往更廣泛的產(chǎn)品選項中進行選擇的能力。更快、更輕松地移動生產(chǎn)或工藝設(shè)備的能力正在變得越來越有價值。固定的有線通信基礎(chǔ)設(shè)施不如設(shè)備可以從任何位置連接的無線網(wǎng)絡(luò)靈活。無線網(wǎng)絡(luò)還降低了安裝通信電纜所涉及的成本、不便和技術(shù)難度。

因此，從長遠來看，工廠運營商對無線控制功能以及已建立的有線通信技術(shù)的好處持開放態(tài)度。然而，在不久的將來，行業(yè)必須優(yōu)先考慮其最重要的要求，即：

高可靠性和可用性

安全

堅固耐用，可應(yīng)對具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)操作條件

超低延遲

這些因素是工廠通信4 mA至20 mA標準壽命長的基礎(chǔ)。雖然工廠運營商正在尋求取代4 mA至20 mA技術(shù)，但他們目前的重點是實施有線工業(yè)以太網(wǎng)通信的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）標準，而不是任何無線標準。

TSN已成為工廠中高帶寬有線數(shù)據(jù)通信的首選標準，因為它提供了可靠性，穩(wěn)健性，高數(shù)據(jù)傳輸速率，以微秒為單位的低延遲以及與企業(yè)IT網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輕松集成的理想組合。

由于TSN規(guī)范是一個受益于跨行業(yè)支持的標準，它正在迅速開發(fā)一個由TSN元件和系統(tǒng)供應(yīng)商組成的豐富生態(tài)系統(tǒng)，其中包括ADI公司。

OpenRAN：非公共網(wǎng)絡(luò)能夠驗證對5G性能的聲明

隨著TSN網(wǎng)絡(luò)的實施，通過實施無線網(wǎng)絡(luò)來加強工廠運營的范圍也在積極評估中。工業(yè)界的一些早期采用者已經(jīng)開始在工廠內(nèi)測試、驗證和評估5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行情況，同時用新的TSN以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的4 mA至20 mA系統(tǒng)。此驗證過程將找到最適合5G技術(shù)的應(yīng)用。

因此，工廠運營商現(xiàn)在開始測試5G規(guī)范的創(chuàng)新功能，例如大規(guī)模MIMO功能，即使用天線陣列在發(fā)射器和接收器之間提供多條物理傳輸路徑。陣列可以配置為形成多天線波束，傳輸?shù)蕉鄠€接收器。這允許實施信道強化、波束成形、快速信道估計和天線（空間）分集等技術(shù)，與 4G 移動網(wǎng)絡(luò)相比，其效果是顯著提高可靠性并減少延遲。

事實上，5G標準開發(fā)人員的目標之一是使無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牧鶄€九可靠性，與有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相當，相當于1：1，000，000的數(shù)據(jù)包錯誤率。延遲也只有1毫秒，這完全在很多工業(yè)控制應(yīng)用的限制范圍內(nèi)。

問題是，在工廠內(nèi)部經(jīng)歷的真實條件下，通信設(shè)備可能會受到多種高振幅射頻干擾、瞬態(tài)電壓事件、高溫和其他干擾的影響，這種性能能否實現(xiàn)？

在驗證5G安裝的實際性能時，工廠系統(tǒng)設(shè)計人員有一個選擇：他們當然可以利用移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商提供的5G覆蓋。但5G標準也規(guī)定了私有系統(tǒng)或所謂的非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）的實施，例如覆蓋工業(yè)園區(qū)或大型工廠綜合體。不同的工業(yè)用戶和用例將有利于不同的公共或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)選擇。

OpenRAN（開放式無線接入網(wǎng)絡(luò)）規(guī)范的移動網(wǎng)絡(luò)運營商的發(fā)展也促進了工廠中5G網(wǎng)絡(luò)的實施。這為5G無線電和核心設(shè)備打開了市場，除了傳統(tǒng)上服務(wù)于電信設(shè)備市場的供應(yīng)商之外，還有更廣泛的供應(yīng)商。這有可能擴大可用設(shè)備的選擇，以滿足與大眾市場公共網(wǎng)絡(luò)運營商不同的用例需求，并鼓勵專注于工業(yè)市場的供應(yīng)商開發(fā)5G產(chǎn)品。

作為TSN設(shè)備和5G基礎(chǔ)設(shè)施制造商的物理層組件和協(xié)議軟件供應(yīng)商，ADI公司非常適合評估每種技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。雖然不久的將來屬于有線工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，但很容易想象未來工廠內(nèi)的AGV和機器人通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收時間和任務(wù)關(guān)鍵型數(shù)據(jù)有效載荷，而5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可用性意味著這是一個實際的可能性，而不是理論上的可能性。

審核編輯：郭婷