【導讀】在5G問世之前，每一代手機技術的主要目的都是改善手機運行。第一代手機網(wǎng)絡屬于模擬系統(tǒng)，帶寬僅夠語音通話使用。2G是首個數(shù)字移動技術，于20世紀90年代早期問世；3G于20世紀90年代晚期問世，允許手機傳輸電子郵件信息，并提供對網(wǎng)頁的基本訪問。
直到2008年采用4G技術，智能手機功能才真正實現(xiàn)：以4G移動寬帶為基礎，開發(fā)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(lián)網(wǎng)。
最近安裝的5G網(wǎng)絡標志著新一代的移動技術首次以設備和系統(tǒng)需求為核心，而不是手機用戶。電信行業(yè)的5G計劃設想在三個主要參數(shù)上實現(xiàn)技術突破：
● 延遲、可靠性和確定性
● 連接密度
● 帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度
之所以提高這些參數(shù)的性能，是為了實時監(jiān)測和控制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能夠實時提供街邊空余停車位的位置信息，并顯示在附近的車輛的導航系統(tǒng)中。這樣的智能停車系統(tǒng)需要同時連接小范圍內(nèi)的數(shù)千個接近傳感器或攝像頭以及小范圍內(nèi)的數(shù)千輛汽車，不斷傳輸關于空余停車位及其位置的實時數(shù)據(jù)。
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(guī)范中的三項技術改進來滿足：
● 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)，用于支持基于帶寬的新用例，包括增強現(xiàn)實和虛擬顯示現(xiàn)實
● 面向低功率、廣域無線網(wǎng)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制系統(tǒng)對實時確定性和六九(99.9999%)可用性的要求。但是，在現(xiàn)實生活中，大多數(shù)手機用戶在訪問2G、3G或4G網(wǎng)絡時，仍然會遇到黑點（網(wǎng)絡覆蓋較弱或不存在），偶爾還會發(fā)生意外掉線。
那么，使用手機技術來連接任務關鍵型且對時間敏感的工業(yè)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(xiàn)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鏈接實施控制，這是20世紀50年代推出的技術，久經(jīng)考驗。這說明行業(yè)在執(zhí)行任務關鍵型或安全關鍵型控制系統(tǒng)時，需要保證確定性，規(guī)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(chuàng)新，控制系統(tǒng)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(yè)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(wǎng)絡技術：引入自動移動設備；開發(fā)更靈活的制造設備以滿足消費者對個性化或配置產(chǎn)品不斷增長的需求。
工廠和倉庫環(huán)境中會使用無人搬運車(AGV)、協(xié)作機器人和其他類型的自主移動設備，以便快速提高效率和生產(chǎn)力。隨著自動化設備接手執(zhí)行單調的重復性任務，工人可以轉而執(zhí)行價值更高、更有趣且機器無法執(zhí)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(wǎng)絡連接來提供實時控制，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(wǎng)絡的特點。
工廠運營商將有線連接替換為無線連接之后，也獲得了靈活性，可以快速重新配置工廠設備，以滿足消費者的新需求。電子商務的興起拔高了消費者的期望，他們希望購買的商品能夠近乎即時送達，且可挑選的商品名錄比以往更廣泛。更快速、更輕松地移動生產(chǎn)或工藝設備，這種能力也在不斷升值。固定的有線通信基礎設施不如無線網(wǎng)絡靈活，后者支持從任意位置連接設備。無線網(wǎng)絡減少了安裝通信電纜時的成本、麻煩和技術難度。
因此長遠來看，在成熟的有線通信技術之外，工廠運營商樂于接受無線控制網(wǎng)絡帶來的好處。但是，在不久的將來，行業(yè)會優(yōu)先考慮對其而言最重要的要求，包括：
● 高可靠性和可用性
● 安全性
● 應對挑戰(zhàn)性工業(yè)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(xiàn)在，他們傾向于面向有線工業(yè)以太網(wǎng)通信的時間敏感性網(wǎng)絡(TSN)標準，而不是無線技術。
TSN已成為工廠高帶寬有線數(shù)據(jù)通信的首選標準，因為它兼具可靠性、耐用性、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲（以微秒為測量單位），且易于與企業(yè)IT網(wǎng)絡系統(tǒng)集成。
TSN規(guī)范是一項得到跨行業(yè)支持的標準，所以它快速建立了豐富的TSN組件和系統(tǒng)供應商生態(tài)系統(tǒng)，也包ADI公司含在內(nèi)。
OpenRAN：非公共網(wǎng)絡支持驗證關于5G性能的言論
除了推行TSN網(wǎng)絡外，我們也在積極評估通過采用無線網(wǎng)絡來改善工廠運營的范圍。工業(yè)領域的一些早期采用者已開始測試、驗證和評估工廠內(nèi)5G網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行效果，同時使用新推出的TSN以太網(wǎng)網(wǎng)絡來替換傳統(tǒng)的4 mA至20 mA系統(tǒng)。這一驗證過程將找到最合適的5G技術應用。
工廠運營商現(xiàn)在已開始測試5G技術的創(chuàng)新特性，例如大規(guī)模MIMO功能——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個天線波束，以發(fā)送至多個接收器。這樣就可以采用信道加固、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(wǎng)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(fā)人員的目標之一是使無線網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)包傳輸方面達到99.9999%的可靠性，與有線以太網(wǎng)的可靠性相當，相當于數(shù)據(jù)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(yè)控制應用的要求。
但在真實工廠環(huán)境中，通信設備可能受到多個高振幅射頻干擾源、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設備的真實性能時，工廠系統(tǒng)設計人員有一個選擇：利用移動網(wǎng)絡服務提供商提供的5G覆蓋。但是，5G標準也為實施私有系統(tǒng)或所謂的非公開網(wǎng)絡(NPN)做了規(guī)定，例如覆蓋工業(yè)園區(qū)或大型工廠的網(wǎng)絡。不同的工業(yè)用戶和用例會選擇不同的公共網(wǎng)絡或專用網(wǎng)絡。
移動網(wǎng)絡運營商制定OpenRAN（開放式無線接入網(wǎng)絡）規(guī)范，這也推動了工廠的5G網(wǎng)絡部署。除了傳統(tǒng)服務于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范圍，滿足與大眾市場公共網(wǎng)絡運營商不同的用例，鼓勵工業(yè)市場供應商開發(fā)5G產(chǎn)品。
作為為TSN設備和5G基礎設施制造商提供物理層組件和協(xié)議軟件的供應商，ADI公司可以公正地評估用于實施工業(yè)控制系統(tǒng)的各種技術。雖然當下有線工業(yè)以太網(wǎng)技術仍占主導，但可以想象，未來工廠內(nèi)的AGV和機器人將通過5G網(wǎng)絡發(fā)送和接收時間關鍵型和任務關鍵型數(shù)據(jù)負載——5G網(wǎng)絡的覆蓋意味著這一夢想已經(jīng)成為現(xiàn)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(yè)行業(yè)經(jīng)驗，他曾就職于Tellabs、Apple和ADI公司。他目前擔任ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務部總經(jīng)理。聯(lián)系方式：brendan.odowd@analog.com。
推薦閱讀：
