【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。第一代手機網絡屬于模擬系統，帶寬僅夠語音通話使用。2G是首個數字移動技術，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：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網絡標志著新一代的移動技術首次以設備和系統需求為核心，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中。這樣的智能停車系統需要同時連接小范圍內的數千個接近傳感器或攝像頭以及小范圍內的數千輛汽車，不斷傳輸關于空余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標準規范中的三項技術改進來滿足：
● 實時控制系統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，包括增強現實和虛擬顯示現實
● 面向低功率、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制系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。
那么，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鏈接實施控制，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制系統時，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，控制系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；開發更靈活的制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力。隨著自動化設備接手執行單調的重復性任務，工人可以轉而執行價值更高、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絡靈活，后者支持從任意位置連接設備。無線網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絡帶來的好處。但是，在不久的將來，行業會優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，他們傾向于面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），且易于與企業IT網絡系統集成。
TSN規范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組件和系統供應商生態系統，也包ADI公司含在內。
OpenRAN：非公共網絡支持驗證關于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范圍。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網絡系統的運行效果，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系統。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——使用天線陣列在發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面達到99.9999%的可靠性，與有線以太網的可靠性相當，相當于數據包的錯誤率為1:1,000,000。延遲達到1 ms也是可期的，完全符合許多工業控制應用的要求。
但在真實工廠環境中，通信設備可能受到多個高振幅射頻干擾源、瞬態電壓事件、高溫和其他干擾的影響，這種性能能否實現？
在驗證5G設備的真實性能時，工廠系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標準也為實施私有系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。
移動網絡運營商制定OpenRAN（開放式無線接入網絡）規范，這也推動了工廠的5G網絡部署。除了傳統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基礎設施制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于實施工業控制系統的各種技術。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，他曾就職于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。聯系方式：brendan.odowd@analog.com。
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