【導(dǎo)讀】5G 不僅僅是局限于對移動通訊技術(shù)的改進(jìn)，更高的下載速度可能會增強(qiáng)智能手機(jī)的瀏覽體驗(yàn)，但 5G 的真正影響巨大的應(yīng)用更有可能尚未出現(xiàn)。本文中我們討論5G如何會影響工業(yè)和汽車行業(yè)，以及您如何把 5G 構(gòu)建到您的下一個設(shè)計項目。。
5G 不僅僅是局限于對移動通訊技術(shù)的改進(jìn)，更高的下載速度可能會增強(qiáng)智能手機(jī)的瀏覽體驗(yàn)，但 5G 的真正影響巨大的應(yīng)用更有可能尚未出現(xiàn)。本文中我們討論5G如何會影響工業(yè)和汽車行業(yè)，以及您如何把 5G 構(gòu)建到您的下一個設(shè)計項目。
為什么要在工業(yè)制造領(lǐng)域使用5G？
當(dāng)今的許多智能工廠都受限于已有的有線架構(gòu)限制，這些有線架構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng)、Profinet 和 CANbus 等經(jīng)過驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)來連接自動化設(shè)備中的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器。這種硬連線連接使得哪怕對生產(chǎn)設(shè)施的微小修改既費(fèi)時又成本昂貴。
包括更快速4G/LTE在內(nèi)的前幾代無線網(wǎng)絡(luò)，一直無法提供自動控制所需的實(shí)時響應(yīng)能力和低延遲。此外，工廠車間是一個嚴(yán)苛的工作環(huán)境，較高的電氣噪聲和干擾對許多以前的無線通信技術(shù)性能構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)，而5G 增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能（見圖 1）可以解決其中一些問題，能夠提高系統(tǒng)效率和靈活性。
圖 1：5G 支持廣泛的工業(yè)應(yīng)用。（來源：5GACIA）
對于所以自動化工廠而言，其關(guān)鍵功能之一是監(jiān)控。 5G 帶來了大規(guī)模機(jī)器類通信 (mMTC) 能力，可滿足廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 需求。 相比前代無線技術(shù)，5G也更加節(jié)能，這對于延長互連設(shè)備的電池壽命至關(guān)重要，也可以最大限度地減少維護(hù)。
對于需要高精度和實(shí)時靈敏度的運(yùn)動控制和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，采用有線工業(yè)以太網(wǎng)的時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 已成為首選網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。憑借5G超可靠的低延遲通信 (URLLC)，因而它是一種可行的無線替代方案，此外還能夠支持基于云端計算的機(jī)器人應(yīng)用。
在工廠環(huán)境中正在得到應(yīng)用的三種相關(guān)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和人工智能（AI），憑借5G的高速和 URLLC，因而能夠支持在邊緣進(jìn)行處理。這種應(yīng)用場景下，可以在云端執(zhí)行功率密集型計算，從而在現(xiàn)場可部署不太復(fù)雜和成本較低的設(shè)備。
實(shí)施5G既有挑戰(zhàn)也有機(jī)遇
為了保護(hù)對先前有線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的已有投資，5G 項目必須無縫集成到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中，迄今為止的主要挑戰(zhàn)之一是，室內(nèi)覆蓋從來都不是移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (MNO) 的優(yōu)先考慮事項。 Open-RAN 技術(shù)的發(fā)展降低了 5G 無線電接入網(wǎng)絡(luò) (5G RAN) 的擁有成本，使專有 5G網(wǎng)路，也稱為非公共網(wǎng)絡(luò) (NPN) 的部署成為現(xiàn)實(shí)的可能性。對于喜歡這種方案的企業(yè)，全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在為專有 5G網(wǎng)路提供專用、具有成本效益的頻譜。此外，根據(jù)工廠的運(yùn)營需求，專有5G網(wǎng)路既可以與公網(wǎng)完全隔離，也可以實(shí)現(xiàn)共享。
5G和互聯(lián)汽車時代
盡管 5 級 (L5) 自動駕駛成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)可能還需要幾年時間，業(yè)界預(yù)估汽車行業(yè)將處于 5G 部署的前沿。但在此之前，您購買的下一輛車卻很可能會支持互聯(lián)網(wǎng)，以管理遠(yuǎn)程信息處理、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X) 和信息娛樂等系統(tǒng)。
圖 2：5G下的互聯(lián)汽車。（來源：貿(mào)澤電子）
當(dāng)今的互連汽車每天可以產(chǎn)生多達(dá) 4TB 的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于大約 500 部電影，C-V2X 通信技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)在以多種方式使用這些數(shù)據(jù)。例如，來自發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)現(xiàn)在被發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)中心進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)；有關(guān)當(dāng)?shù)亟煌顩r和天氣的信息也可以傳輸?shù)焦舶踩到y(tǒng)中。甚至駕駛員行為和車輛行駛里程也可以為基于使用情況的保險計劃提供數(shù)據(jù)支持。
在過去 5 年中，第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 是蜂窩電信技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，其中的電信技術(shù)包括無線電接入、核心網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)能力等，可為移動電信提供完整的系統(tǒng)描述，3GPP一直在按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展增加C-V2X 的功能（見圖 3），第 16 版（Release 16）的功能為高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 鋪平了道路。
圖 3：3GPP C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。（來源：5GAA，更新的C-V2X 部署時間表）
盡管自動駕駛汽車的廣泛普及似乎還需要一段時間，但已經(jīng)有一些非常引人注目的試驗(yàn)。特斯拉、谷歌和寶馬都因此而成為頭條新聞，他們加固了公眾的期望并推動了自動駕駛技術(shù)的發(fā)展。目前許多高端車輛已經(jīng)具備一定程度的自動駕駛能力，有些甚至達(dá)到 3 級（L3），這也依賴于 C-V2X 技術(shù)。
盡管 4G/LTE 網(wǎng)絡(luò)也能夠支持上述許多應(yīng)用，但不斷增加的共享數(shù)據(jù)量給可用帶寬帶來了越來越大壓力。此外，隨著關(guān)鍵的車載安全和能源管理系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，低延遲已經(jīng)變得更加重要。網(wǎng)絡(luò)速度和云端-邊緣處理能力必須支持人為反射級別的延遲，以實(shí)現(xiàn)更高程度的自動駕駛。同樣，對于更復(fù)雜的 ADAS，互聯(lián)汽車必須實(shí)時響應(yīng)周圍事件，而當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)正在達(dá)到極限，并且越來越成為發(fā)展障礙。沒有 5G，就不會有自動駕駛汽車。
結(jié)論
大多數(shù) 5G 網(wǎng)絡(luò)部署都在集中使用 3GPP 的 5G 新空口非獨(dú)立組網(wǎng)（5G NR NSA）第 15 版規(guī)范來對4G/LTE升級，這使得推出有限范圍的 5G 服務(wù)成為可能。然而，5G 的真正潛力是基于 3GPP 第 16 版和更遠(yuǎn)的第 17 版部署，自動駕駛汽車和工廠自動化等應(yīng)用只有在能夠輕松訪問下一個具備如此級別性能的無線網(wǎng)絡(luò)時才會真正成為現(xiàn)實(shí)。5G 的最初推出有些謹(jǐn)慎，這受到了全球新冠大流行的影響。第二波5G網(wǎng)絡(luò)的推出肯定會加速對一些尚待開發(fā)廣泛應(yīng)用的需求。
（來源：貿(mào)澤電子，作者：Mark Patrick）
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