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5G技術如何“使能”智能制造？--飛宇信
發(fā)布時間：
2019-09-09 14:39
作為新一代移動通信技術，5G技術的迅猛發(fā)展正好切合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉型對無線網(wǎng)絡的應用需求，5G技術定義的三大場景不但覆蓋了高帶寬、低延時等傳統(tǒng)應用場景，而且還能滿足工業(yè)環(huán)境下的設備互聯(lián)和遠程交互應用需求，這種廣域網(wǎng)全覆蓋的特點為企業(yè)構建統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡提供了可能。
移動通信技術的發(fā)展
回顧移動通信技術的發(fā)展歷程，第一代采用的是模擬技術，只能支持區(qū)域和距離限制的語音通話；第二代實現(xiàn)了數(shù)字化語音通訊，能進行簡單的語音和文字類交互，比如短信和郵件等；第三代就是大家熟知的3G技術，以多媒體通訊為特征，可以支持語音、文字和視頻交互，但由于帶寬有限，在進行大量數(shù)據(jù)交互時，如視頻交互時很難保證效果的流暢；第四代是正在鋪建的4G技術，通訊速率大幅提升，標志著進入無線寬帶年代。
從當前電信服務商做的基站測試結果看，5G的速度將會比4G更快且功耗更低，理論帶寬將突破每秒10G。這保證你能夠在一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影，而4G需要至少10分鐘。恰是由于這一得天獨厚的優(yōu)勢，業(yè)界普遍認為，5G將對智能工業(yè)、無人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等領域產(chǎn)生重要推動作用。
目前，5G標準尚未確定。AT＆T總裁史密斯認為，對于5G的定義可能于2018年確定，正式的5G標準將于2019年由聯(lián)合國行動通信聯(lián)盟編寫成文。5G標準將定義哪些無線技術可稱為5G，以及5G有哪些特征等問題。
5G定義的三大場景
2016年，華為主推的PolarCode方案被國際無線標準化機構3GPP確定為eMBB場景的控制信道編碼方案，而數(shù)據(jù)信道的上行和下行短碼方案則歸屬高通LDPC碼。eMBB即增強移動寬帶，是3GPP會議上定義5G三大場景之一。華為的PolarCode信道編碼技術只是5G眾多核心技術的一種。除eMBB之外，5G場景還包括mMTC和URLLC。
eMBB（增強移動寬帶）：主要面向3D／超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務，eMBB除了在6GHz以下的頻譜發(fā)展相關技術，也會發(fā)展在6GHz以上的頻譜。而小型基地臺將會是發(fā)展eMBB的重要設備，由于目前6GHz以下的頻譜，大多是以大型基地臺發(fā)展的傳統(tǒng)網(wǎng)絡模式為主，而較以6GHz以上頻譜的毫米波技術，便須要小型基地臺來把速度沖得更快。
mMTC（海量機器類通信）：主要面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。mMTC將會發(fā)展在6GHz以下的頻段，其將會應用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)上，目前較可見的發(fā)展是NB－IoT。以往普遍的Wi－Fi、Zigbee、藍牙等，較屬于家庭用的小范圍技術，回傳線路主要都是靠LTE，近期隨著大范圍覆蓋的NB－IoT、LoRa等技術標準的出爐，可望讓物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更為廣泛。
URLLC（超可靠低時延）：主要面向無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務。在智慧工廠，由于大量的機器都內(nèi)建傳感器，從傳感器、后端網(wǎng)絡、下指令，再傳送回機器本身的這些過程，若以現(xiàn)有的網(wǎng)絡傳輸，將出現(xiàn)很明顯的延遲，可能引發(fā)工安事故。有鑒于此，URLLC將網(wǎng)絡等待時間的目標壓低到1毫秒以下。
5G支撐的工業(yè)應用
物聯(lián)網(wǎng)
隨著工廠智能化轉型的推進，物聯(lián)網(wǎng)作為連接人、機器和設備的關鍵支撐技術正受到企業(yè)的高度關注。這種需求在推動物聯(lián)網(wǎng)應用落地的同時，也極大的刺激了5G技術的發(fā)展。面對復雜的工業(yè)互聯(lián)需求，5G技術需要適應不同的工業(yè)場景，能滿足物聯(lián)網(wǎng)的絕大部分連接需求。因此，5G與物聯(lián)網(wǎng)是相輔相成的關系，物聯(lián)網(wǎng)應用落地依賴于5G提供不同場景的無線連接方案，而5G技術標準的成熟也需要物聯(lián)網(wǎng)應用需求的刺激和推動。
在推動物聯(lián)網(wǎng)落地過程中，5G三大場景能分別支撐不同的功能應用需求。比如eMBB能支撐起遠程視頻監(jiān)控、視頻會議等高帶寬的應用場景；mMTC能滿足大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求。URLLC可以將網(wǎng)絡等待時間的目標壓低到1毫秒以下，以支撐工業(yè)自動化控制過程中系統(tǒng)和設備對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性的諸多指標和要求。
工業(yè)自動化控制
自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制周期內(nèi)每個傳感器進行連續(xù)測量，測量數(shù)據(jù)傳輸給控制器以設定執(zhí)行器。典型的閉環(huán)控制過程周期低至ms級別，所以系統(tǒng)通信的時延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，同時對可靠性也有極高的要求。如果在生產(chǎn)過程中由于時延過長，或者控制信息在數(shù)據(jù)傳送時發(fā)生錯誤可能導致生產(chǎn)停機，會造成巨大的財務損失。
5G可提供極低時延長、高可靠，海量連接的網(wǎng)絡，使得閉環(huán)控制應用通過無線網(wǎng)絡連接成為可能?；谌A為5G的實測能力：空口時延可到0．4ms，單小區(qū)下行速率達到20Gbps，小區(qū)最大可支持1000萬＋連接數(shù)。由此可見，移動通信網(wǎng)絡中僅有5G網(wǎng)絡可滿足閉環(huán)控制對網(wǎng)絡的要求。
物流追蹤
在目前已成規(guī)模的機器對機器市場中，其應用將包括人員跟蹤和在途高價商品等。但（較）高連接成本限制了該市場的增長。預計5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本（規(guī)模經(jīng)濟）以及作為3GPP標準技術方面提供額外優(yōu)勢。5G提供的改進將包括在廣泛產(chǎn)業(yè)中優(yōu)化物流，提升工人安全和提高資產(chǎn)定位與跟蹤的效率，從而最小化成本。它還將擴展能力以實現(xiàn)動態(tài)跟蹤更廣泛的在途商品。隨著在線購物增多，資產(chǎn)跟蹤將變得更加重要。
在物流方面，從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術。此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產(chǎn)品的整個生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網(wǎng)絡，企業(yè)內(nèi)部或企業(yè)之間的橫向集成也需要無所不在的網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡能很好的滿足這類需求。
工業(yè)AR
在未來智能工廠生產(chǎn)過程中，人將發(fā)揮更重要的作用。然而由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性，這將對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務和生產(chǎn)活動的需求，增強現(xiàn)實AR將發(fā)揮很關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：如：監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程。生產(chǎn)任務分步指引，例如手動裝配過程指導；遠程專家業(yè)務支撐，例如遠程維護。
在這些應用中，輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護工作高效開展。因此需要將設備信息處理功能上移到云端，AR設備僅僅具備連接和顯示的功能，AR設備和云端通過無線網(wǎng)絡連接。AR設備將通過網(wǎng)絡實時獲取必要的信息（例如，生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)、以及故障處理指導信息）。在這種場景下AR眼鏡的顯示內(nèi)容必須與AR設備中攝像頭的運動同步，以避免視覺范圍失步現(xiàn)象。通常從視覺移動到AR圖像反應時間低于20ms，則會有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數(shù)據(jù)到云端到AR顯示內(nèi)容的云端回傳需要小于20mms，除去屏幕刷新和云端處理的時延，則需無線網(wǎng)絡的雙向傳輸時延在10ms內(nèi)才能滿足實時性體驗的需求。而該時延要求，LTE網(wǎng)絡無法滿足。
云化機器人
在智能制造生產(chǎn)場景中，需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來滿足柔性生產(chǎn)，這就帶來了機器人對云化的需求。和傳統(tǒng)的機器人相比，云化機器人需要通過網(wǎng)絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對生產(chǎn)制造過程進行實時運算控制。通過云技術機器人將大量運算功能和數(shù)據(jù)存儲功能移到云端，這將大大降低機器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求，機器人需要滿足可自由移動的要求。因此在機器人云化的過程中，需要無線通信網(wǎng)絡具備極低時延和高可靠的特征。
5G網(wǎng)絡與云化機器人
5G網(wǎng)絡是云化機器人理想的通信網(wǎng)絡，是使能云化機器人的關鍵。5G切片網(wǎng)絡能夠為云化機器人應用提供端到端定制化的網(wǎng)絡支撐。5G網(wǎng)絡可以達到低至1ms的端到端通信時延，并且支持99．999％的連接可靠性，強大的網(wǎng)絡能力能夠極大滿足云化機器人對時延和可靠性的挑戰(zhàn)。
總結
5G技術已經(jīng)成為支撐智能制造轉型的關鍵使能技術。5G技術可以利用三大場景將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來，構建統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)絡。由于實時性和可靠性高，5G技術不但能應用于工業(yè)場景中，還能支撐起個人移動化互聯(lián)網(wǎng)應用。5G技術的發(fā)展可以幫助制造企業(yè)擺脫以往無線網(wǎng)絡技術較為混亂的應用狀態(tài)，這對于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實施以及智能制造的深化轉型有著積極的意義。
深圳市飛宇信電子有限公司成立于2007年，是一家專業(yè)從事無線通信產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售一體的高新技術型企業(yè)。專注于天線類、模塊類、應用解決方案、應用終端等產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。聯(lián)系人：13802709089 楊經(jīng)理(微信同號）
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