【導讀】5G 不僅僅是局限于對移動通訊技術的改進，更高的下載速度可能會增強智能手機的瀏覽體驗，但 5G 的真正影響巨大的應用更有可能尚未出現。本文中我們討論5G如何會影響工業和汽車行業，以及您如何把 5G 構建到您的下一個設計項目。。
5G 不僅僅是局限于對移動通訊技術的改進，更高的下載速度可能會增強智能手機的瀏覽體驗，但 5G 的真正影響巨大的應用更有可能尚未出現。本文中我們討論5G如何會影響工業和汽車行業，以及您如何把 5G 構建到您的下一個設計項目。
為什么要在工業制造領域使用5G？
當今的許多智能工廠都受限于已有的有線架構限制，這些有線架構采用工業以太網、Profinet 和 CANbus 等經過驗證的網絡來連接自動化設備中的各種傳感器、執行器和控制器。這種硬連線連接使得哪怕對生產設施的微小修改既費時又成本昂貴。
包括更快速4G/LTE在內的前幾代無線網絡，一直無法提供自動控制所需的實時響應能力和低延遲。此外，工廠車間是一個嚴苛的工作環境，較高的電氣噪聲和干擾對許多以前的無線通信技術性能構成巨大挑戰，而5G 增強的網絡功能（見圖 1）可以解決其中一些問題，能夠提高系統效率和靈活性。
圖 1：5G 支持廣泛的工業應用。（來源：5GACIA）
對于所以自動化工廠而言，其關鍵功能之一是監控。 5G 帶來了大規模機器類通信 (mMTC) 能力，可滿足廣泛的無線傳感器網絡 (WSN) 需求。 相比前代無線技術，5G也更加節能，這對于延長互連設備的電池壽命至關重要，也可以最大限度地減少維護。
對于需要高精度和實時靈敏度的運動控制和工業機器人應用，采用有線工業以太網的時間敏感網絡 (TSN) 已成為首選網絡技術。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器人應用。
在工廠環境中正在得到應用的三種相關技術是虛擬現實（VR）、增強現實（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行處理。這種應用場景下，可以在云端執行功率密集型計算，從而在現場可部署不太復雜和成本較低的設備。
實施5G既有挑戰也有機遇
為了保護對先前有線和無線網絡技術的已有投資，5G 項目必須無縫集成到現有基礎設施中，迄今為止的主要挑戰之一是，室內覆蓋從來都不是移動網絡運營商 (MNO) 的優先考慮事項。 Open-RAN 技術的發展降低了 5G 無線電接入網絡 (5G RAN) 的擁有成本，使專有 5G網路，也稱為非公共網絡 (NPN) 的部署成為現實的可能性。對于喜歡這種方案的企業，全球監管機構正在為專有 5G網路提供專用、具有成本效益的頻譜。此外，根據工廠的運營需求，專有5G網路既可以與公網完全隔離，也可以實現共享。
5G和互聯汽車時代
盡管 5 級 (L5) 自動駕駛成為商業現實可能還需要幾年時間，業界預估汽車行業將處于 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網，以管理遠程信息處理、蜂窩車聯網 (C-V2X) 和信息娛樂等系統。
圖 2：5G下的互聯汽車。（來源：貿澤電子）
當今的互連汽車每天可以產生多達 4TB 的數據，相當于大約 500 部電影，C-V2X 通信技術的最新進展已經在以多種方式使用這些數據。例如，來自發動機管理系統的數據現在被發送到遠程服務中心進行預測性維護；有關當地交通狀況和天氣的信息也可以傳輸到公共安全系統中。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據支持。
在過去 5 年中，第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 是蜂窩電信技術的全球標準機構，其中的電信技術包括無線電接入、核心網絡和服務能力等，可為移動電信提供完整的系統描述，3GPP一直在按照蜂窩網絡技術的發展增加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 (ADAS) 鋪平了道路。
圖 3：3GPP C-V2X 標準的演進。（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，但已經有一些非常引人注目的試驗。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的發展。目前許多高端車輛已經具備一定程度的自動駕駛能力，有些甚至達到 3 級（L3），這也依賴于 C-V2X 技術。
盡管 4G/LTE 網絡也能夠支持上述許多應用，但不斷增加的共享數據量給可用帶寬帶來了越來越大壓力。此外，隨著關鍵的車載安全和能源管理系統變得越來越復雜，低延遲已經變得更加重要。網絡速度和云端-邊緣處理能力必須支持人為反射級別的延遲，以實現更高程度的自動駕駛。同樣，對于更復雜的 ADAS，互聯汽車必須實時響應周圍事件，而當前的無線網絡正在達到極限，并且越來越成為發展障礙。沒有 5G，就不會有自動駕駛汽車。
結論
大多數 5G 網絡部署都在集中使用 3GPP 的 5G 新空口非獨立組網（5G NR NSA）第 15 版規范來對4G/LTE升級，這使得推出有限范圍的 5G 服務成為可能。然而，5G 的真正潛力是基于 3GPP 第 16 版和更遠的第 17 版部署，自動駕駛汽車和工廠自動化等應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絡時才會真正成為現實。5G 的最初推出有些謹慎，這受到了全球新冠大流行的影響。第二波5G網絡的推出肯定會加速對一些尚待開發廣泛應用的需求。
（來源：貿澤電子，作者：Mark Patrick）
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