5G 對工業(yè)應(yīng)用有哪些益處？

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

5G 對工業(yè)應(yīng)用有哪些益處？

首批 5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)正如人們期待的那樣已經(jīng)于 2018 年底推出，目前，在全球范圍內(nèi)，這項革命性技術(shù)的推出步伐正在加快，大多數(shù)運營商已經(jīng)為其市場提供了一定程度的 5G 服務(wù)。長期以來，工業(yè)制造領(lǐng)域一直被認(rèn)為是 5G 技術(shù)的潛在采用行業(yè)和用戶，這主要是基于其低延遲屬性，可提供實時自動化和控制應(yīng)用所需的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)水平。在本文中，我們在工業(yè)自動化 (IA) 的應(yīng)用環(huán)境下展望一下 5G應(yīng)用，考慮一些新興應(yīng)用，并討論一下目前的現(xiàn)實是否達(dá)到了5G炒作的程度。

工業(yè)制造領(lǐng)域的主要趨勢

工業(yè) 4.0 或第四次工業(yè)革命的概念最初是由德國政府提出，它旨在通過將德國制造的機械和設(shè)備出口到競爭日益激烈的工業(yè)市場來支持其GDP 增長，并認(rèn)為未來的工業(yè)領(lǐng)域是一個以全球化、城市化、個性化和人口等變化不斷增大為特征的市場。

最近持續(xù)的新冠大流行和隨之而來的劇變放大了這些趨勢，更凸顯了運營靈活性的重要，并導(dǎo)致制造商加速對數(shù)字技術(shù)的依賴和投資。

工業(yè) 4.0 的核心是智能工廠，它能夠利用靈活、模塊化和多功能的生產(chǎn)技術(shù)來提高效率，同時保持產(chǎn)量和質(zhì)量（圖 1）。智能工廠以靈活的流程取代了傳統(tǒng)的靜態(tài)、順序化生產(chǎn)系統(tǒng)，它是將人類專業(yè)知識與機器人技術(shù)、人工智能 (AI)、量子計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)、5G 無線技術(shù)和 3D 打印等新興技術(shù)有機結(jié)合。

圖1：工業(yè)4.0是基于智能工廠，（來源：Deloitte（德勤））

許多工廠都受制于是否存在現(xiàn)成的有線網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)往往使用工業(yè)以太網(wǎng)、Profinet 和 CANbus 等通信協(xié)議來連接自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器。這些有線連接解決方案會導(dǎo)致相對不靈活的控制架構(gòu)，即使對生產(chǎn)設(shè)施進行很小的修改也可能意味著非常耗時且成本昂貴的工廠重新配置。工業(yè) 4.0 需要強大而高效的無線通信來滿足智能工廠在延遲、可用性、抖動和確定性等方面的要求。工業(yè)4.0需要5G！

強大的5G使智能工廠成為可能

多樣化和異構(gòu)的制造環(huán)境包含廣泛的自動化應(yīng)用范例，具體分為 5 類：

●工廠自動化

●過程自動化

●人機界面 (HMI) 和生產(chǎn) IT

●物流倉儲

●監(jiān)控和預(yù)防性維護

其中許多用例需要實時響應(yīng)和低延遲，而前幾代無線網(wǎng)絡(luò)無法提供這些。此外，工廠車間是一個極其嚴(yán)苛的操作環(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)提出了巨大挑戰(zhàn)，而5G更強的網(wǎng)絡(luò)性能（圖 2）可用于解決其中一些問題，提高系統(tǒng)效率和靈活性。

圖 2：5G 的網(wǎng)絡(luò)功能支持廣泛的工業(yè)用例。（來源：5GACIA）

監(jiān)控是自動化工廠中的一項關(guān)鍵功能，5G 的大規(guī)模機器類型通信 (mMTC) 功能非常適合大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 的要求，這種網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)量巨大的連接設(shè)備，更長的電池壽命(因此要求低功率通信）是避免耗時維護的關(guān)鍵特性要求。

運動控制和工業(yè)機器人需要精確和實時的響應(yīng)能力，而這些則推動了（有線）工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 發(fā)展趨勢。憑借其可靠性和超低延遲，5G 的超可靠低延遲通信 (URLCC) 現(xiàn)在可為這些應(yīng)用提供一種可行的無線替代方案，并支持云機器人。

虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和人工智能 (VR/AR/AI) 是工廠環(huán)境中使用越來越多的三種相關(guān)技術(shù)，特別是在產(chǎn)品原型設(shè)計、培訓(xùn)和維護以及機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。 5G 的高吞吐量和低延遲能夠?qū)崿F(xiàn)真正的云端邊緣處理，而那些高耗能的密集型計算可以在云端進行，通過使用連接在“邊緣”的不太復(fù)雜、成本更低設(shè)備（在工廠車間）完成。

5G實施的挑戰(zhàn)和機遇

5G實施并非沒有挑戰(zhàn)。為了保護先前的投資，5G 項目必須無縫集成到現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施。室內(nèi)覆蓋從來都不是移動網(wǎng)絡(luò)運營商 (MNO) 的優(yōu)先事項，而 5G 頻率的傳播特性使情況變得更糟，尤其是現(xiàn)在的工廠存在極具挑戰(zhàn)性的射頻 (RF) 環(huán)境。

Open-RAN 技術(shù)的發(fā)展正在降低 5G 無線接入網(wǎng)絡(luò) (5G RAN) 的擁有成本，使非公共網(wǎng)絡(luò) (NPN) 部署成為企業(yè)的現(xiàn)實選擇，無論是直接部署還是通過越來越多的專業(yè)系統(tǒng)部署集成商。世界各地的監(jiān)管機構(gòu)都認(rèn)識到 NPN 在 5G 部署中的重要性，并正在為喜歡這種選擇的機構(gòu)提供專用的高性價比頻譜。

NPN 可設(shè)計為滿足工廠的某些特定運營需求，但也可以在 NPN 和 MNO 的 5G 網(wǎng)絡(luò)之間混合和匹配網(wǎng)絡(luò)功能（圖 3）。例如，NPN能夠與公共網(wǎng)絡(luò)完全隔離，但可以與其共享RAN，它還可以共享 RAN 和控制平面功能，或者在某些情況下，完全由 MNO 托管。

圖 3：與公共網(wǎng)絡(luò)共享 RAN 是 4 個 NPN 部署選項之一。（來源：5G-ACIA）

結(jié)論

工業(yè)領(lǐng)域自動化水平的提高催生了對 5G 網(wǎng)絡(luò)功能的需求，隨著生產(chǎn)周期縮短，制造商需要管理定制需求和預(yù)期的上市速度，5G 在不影響吞吐量或響應(yīng)能力的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)無線部署的靈活性。

如需了解更多關(guān)于5G的信息，請訪問貿(mào)澤電子的“Empowering Innovation Together（一起推動創(chuàng)新）”網(wǎng)站： https://www.mouser.com/empowering-innovation/5G。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)應(yīng)用 人工智能 能夠?qū)崿F(xiàn) 解決方案 預(yù)防性維護