直到2008年采用4G技術，智能手機功能才真正實現：以4G移動寬帶為基礎，開發出智能手機應用
、多媒體和流傳輸服務，且可以隨時訪問高速互聯網。

 

最近安裝的5G網絡標誌著新一代的移動技術首次以設備和係統需求為核心，而不是手機用戶。電信行業的5G計劃設想在三個主要參數上實現技術突破：

 

●     延遲、可靠性和確定性

●     連接密度

●     帶寬和數據傳輸速度

 

之所以提高這些參數的性能
，是為了實時監測和控製同時通信的設備的密集程度。例如，在智慧城市場景中，我們期望5G能(neng)夠(gou)實(shi)時(shi)提(ti)供(gong)街(jie)邊(bian)空(kong)餘(yu)停(ting)車(che)位(wei)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)

，並(bing)顯(xian)示(shi)在(zai)附(fu)近(jin)的(de)車(che)輛(liang)的(de)導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)中(zhong)。這(zhe)樣(yang)的(de)智(zhi)能(neng)停(ting)車(che)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)連(lian)接(jie)小(xiao)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)數(shu)千(qian)個(ge)接(jie)近(jin)傳感器或攝像頭以及小範圍內的數千輛汽車，不斷傳輸關於空餘停車位及其位置的實時數據。

 

該應用和其他應用對延遲、密度和帶寬的要求通過5G標準規範中的三項技術改進來滿足：

 

●     實時控製係統的超可靠低延遲通信(URLLC)

●     增強型移動寬帶(eMBB)，用於支持基於帶寬的新用例，包括增強現實和虛擬顯示現實

●     麵向低功率、廣域無線網絡的增強/大型機械式機器類通信(eMTC)

 

這些5G技術特性使其能夠支持工廠控製係統對實時確定性和六九(99.9999%)可用性的要求。但是，在現實生活中，大多數手機用戶在訪問2G
、3G或4G網絡時

，仍然會遇到黑點（網絡覆蓋較弱或不存在），偶爾還會發生意外掉線。

 

那麼

，使用手機技術來連接任務關鍵型且對時間敏感的工業設備是否有前景
？

 

替代成熟的4 mA至20 mA技術

 

盡管圍繞先進的5G技術進行了大肆宣傳，但現實情況是
，如今的大部分工藝設備裝置都通過成熟的有線4 mA至20 mA鏈接實施控製
，這是20世紀50年代推出的技術，久經考驗。這說明行業在執行任務關鍵型或安全關鍵型控製係統時，需要保證確定性，規避風險。

 

但是
，改革浪潮無法阻擋，隨著工廠運營的方式不斷創新
，控製係統設計人員開始評估可以替代4 mA至20 mA技術的技術。隨著工業4.0和全球局勢迫使工廠不斷改變運營方式，兩種趨勢迫切需要新的網絡技術：引入自動移動設備
；開發更靈活的製造設備以滿足消費者對個性化或配置產品不斷增長的需求。

 

工廠和倉庫環境中會使用無人搬運車(AGV)、協xie作zuo機ji器qi人ren和he其qi他ta類lei型xing的de自zi主zhu移yi動dong設she備bei
，以yi便bian快kuai速su提ti高gao效xiao率lv和he生sheng產chan力li。隨sui著zhe自zi動dong化hua設she備bei接jie手shou執zhi行xing單dan調tiao的de重zhong複fu性xing任ren務wu，工gong人ren可ke以yi轉zhuan而er執zhi行xing價jia值zhi更geng高gao
、更有趣且機器無法執行的工廠操作。

 

新一代自主移動設備（例如AGV）需要低延遲無線通信網絡連接來提供實時控製，需要高帶寬來傳輸來自多個傳感器（例如LIDAR掃描儀和攝像機）的信號，且需要高抗擾度——這是5G移動網絡的特點。

 

工gong廠chang運yun營ying商shang將jiang有you線xian連lian接jie替ti換huan為wei無wu線xian連lian接jie之zhi後hou
，也ye獲huo得de了le靈ling活huo性xing，可ke以yi快kuai速su重zhong新xin配pei置zhi工gong廠chang設she備bei，以yi滿man足zu消xiao費fei者zhe的de新xin需xu求qiu。電dian子zi商shang務wu的de興xing起qi拔ba高gao了le消xiao費fei者zhe的de期qi望wang
，他ta們men希xi望wang購gou買mai的de商shang品pin能neng夠gou近jin乎hu即ji時shi送song達da，且qie可ke挑tiao選xuan的de商shang品pin名ming錄lu比bi以yi往wang更geng廣guang泛fan。更geng快kuai速su
、更(geng)輕(qing)鬆(song)地(di)移(yi)動(dong)生(sheng)產(chan)或(huo)工(gong)藝(yi)設(she)備(bei)，這(zhe)種(zhong)能(neng)力(li)也(ye)在(zai)不(bu)斷(duan)升(sheng)值(zhi)。固(gu)定(ding)的(de)有(you)線(xian)通(tong)信(xin)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)不(bu)如(ru)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)靈(ling)活(huo)，後(hou)者(zhe)支(zhi)持(chi)從(cong)任(ren)意(yi)位(wei)置(zhi)連(lian)接(jie)設(she)備(bei)。無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)減(jian)少(shao)了(le)安(an)裝(zhuang)通(tong)信(xin)電(dian)纜(lan)時(shi)的(de)成(cheng)本(ben)
、麻煩和技術難度。

 

因(yin)此(ci)長(chang)遠(yuan)來(lai)看(kan)，在(zai)成(cheng)熟(shu)的(de)有(you)線(xian)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)之(zhi)外(wai)，工(gong)廠(chang)運(yun)營(ying)商(shang)樂(le)於(yu)接(jie)受(shou)無(wu)線(xian)控(kong)製(zhi)網(wang)絡(luo)帶(dai)來(lai)的(de)好(hao)處(chu)。但(dan)是(shi)，在(zai)不(bu)久(jiu)的(de)將(jiang)來(lai)，行(xing)業(ye)會(hui)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)對(dui)其(qi)而(er)言(yan)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)要(yao)求(qiu)
，包(bao)括(kuo)：

 

●     高可靠性和可用性

●     安全性

●     應對挑戰性工業操作條件的耐用性

●     超低延遲

 

這些因素決定了4 mA至20 mA工廠通信標準的使用期限。雖然工廠運營商希望替換4 mA至20 mA技術，但現在，他們傾向於麵向有線工業以太網通信的時間敏感性網絡(TSN)標準


，而不是無線技術。

 

TSN已成為工廠高帶寬有線數據通信的首選標準，因為它兼具可靠性、耐用性、高數據傳輸速率、低延遲（以微秒為測量單位）
，且易於與企業IT網絡係統集成。

 

TSN規範是一項得到跨行業支持的標準，所以它快速建立了豐富的TSN組件和係統供應商生態係統，也包ADI公司含在內。

 

OpenRAN：非公共網絡支持驗證關於5G性能的言論

 

除了推行TSN網絡外，我們也在積極評估通過采用無線網絡來改善工廠運營的範圍。工業領域的一些早期采用者已開始測試、驗證和評估工廠內5G網絡係統的運行效果，同時使用新推出的TSN以太網網絡來替換傳統的4 mA至20 mA係統。這一驗證過程將找到最合適的5G技術應用。

 

工廠運營商現在已開始測試5G技術的創新特性

，例如大規模MIMO功能——使shi用yong天tian線xian陣zhen列lie在zai發fa射she器qi和he接jie收shou器qi之zhi間jian提ti供gong多duo條tiao物wu理li傳chuan輸shu路lu徑jing。陣zhen列lie可ke以yi配pei置zhi為wei形xing成cheng多duo個ge天tian線xian波bo束shu，以yi發fa送song至zhi多duo個ge接jie收shou器qi。這zhe樣yang就jiu可ke以yi采cai用yong信xin道dao加jia固gu、波束成型、快速信道評估和天線（空間）分集等技術，與使用4G移動網絡相比，可以顯著提高可靠性和降低延遲。

 

事實上
，5G標準開發人員的目標之一是使無線網絡在數據包傳輸方麵達到99.9999%的可靠性，與有線以太網的可靠性相當，相當於數據包的錯誤率為1:1,000,000。延遲達到1 ms也是可期的
，完全符合許多工業控製應用的要求。

 

但在真實工廠環境中
，通信設備可能受到多個高振幅射頻幹擾源



、瞬態電壓事件
、高溫和其他幹擾的影響
，這種性能能否實現
？

 

在驗證5G設備的真實性能時，工廠係統設計人員有一個選擇：利用移動網絡服務提供商提供的5G覆蓋。但是，5G標準也為實施私有係統或所謂的非公開網絡(NPN)做了規定，例如覆蓋工業園區或大型工廠的網絡。不同的工業用戶和用例會選擇不同的公共網絡或專用網絡。

 

移動網絡運營商製定OpenRAN（開放式無線接入網絡）規範，這也推動了工廠的5G網絡部署。除了傳統服務於電信設備市場的提供商之外
，更多供應商即將進入5G射頻和核心設備市場。這有可能擴大可用設備的選擇範圍
，滿足與大眾市場公共網絡運營商不同的用例，鼓勵工業市場供應商開發5G產品。

 

作為為TSN設備和5G基礎設施製造商提供物理層組件和協議軟件的供應商，ADI公司可以公正地評估用於實施工業控製係統的各種技術。雖然當下有線工業以太網技術仍占主導，但可以想象，未來工廠內的AGV和機器人將通過5G網絡發送和接收時間關鍵型和任務關鍵型數據負載——5G網絡的覆蓋意味著這一夢想已經成為現實，不再是理論上的可能性。

 

作者簡介

 

Brendan O’Dowd擁有30多年的工業行業經驗，他曾就職於Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔任ADI公司工業自動化業務部總經理。聯係方式：brendan.odowd@analog.com。

 

 

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