工业自动化中的 5G 实际应用
投稿人:DigiKey 北美编辑
2021-06-16
无线通信技术对于工业自动化通信来说已变得越来越关键。现在,第五代 (5G) 蜂窝通信被普遍视为推进第四次工业革命、工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 的关键无线技术。有些方面甚至声称,5G 将是使消费者和其他非工业物联网装置无处不在的关键,这在很大程度上是因为 5G 促进了数量惊人的设备互连,无论这些设备碰巧位于何处。
图 1:第三代合作伙伴项目 (3GPP) 将电信标准组织联合起来,使得蜂窝电信技术尽可能地交叉且向后兼容。(徽标来源:3GPP)
但是,5G 会取代目前正在实行的一系列无线标准吗?在其他技术目前领先的应用中,5G 的性能会超过 WiFi、蓝牙和 IEEE 802.15.4 吗?或者说,5G 仅仅是针对少数使用旧蜂窝技术的自动化应用的一种改进?5G 的性能优势是什么,这些优势在多大程度上已经可以被利用?
要了解这些问题的答案,首先要考虑 5G 与其他蜂窝和非蜂窝通信有什么不同。5G——目前正在移动电话和工业网络中推广,它建立在以前的 2G、3G 和 4G 数字蜂窝技术之上。从来就没有所谓的 1G,因为 2G 的前身是一种模拟无线电话技术,与今天的网络没有什么共同之处。随着 2G 的出现,出现了第一个数字技术和加密的电话和短信息服务 (SMS) 通信。全球移动通信系统 (GSM) 标准定义了允许全双工语音通话的 2G 电路交换网络。多年来,2G 网络通过第一个通用分组无线服务 (GPRS) 和随后的增强型数据速率 GSM 演进技术 (EDGE) 得到了进一步加强。GRPS 和 EDGE 实现了通用数据包传输,用于互联网连接,数据率不断提高,这就是为什么具有这些功能的网络有时分别被称为 2.5G 和 2.75G 技术。
3G 进一步提高了数据传输率——甚至实现了视频通话。相关的标准包括 CDMA2000 和各种形式的高速分组接入 (HSPA)。
接下来是 4G,以及通过利用多输入、多输出 (MIMO) 传输的长期演进 (LTE) 和 WiMax 标准实现的更大数据传输率。
5G 是从 4G 发展而来的,第一批商业化的 5G 网络产品于 2018 年底发布。关于这一发展前奏的历史信息,请阅读这篇 2016 年的 DigiKey 文章:《5G 将如何改变工业物联网》。私人和商业用户最感兴趣的是 5G 网络必须能够支持数万名用户几十 Mb/s 上网数据速率。它们还必须能够为特定办公室内的数十人提供 1Gb/s 的连接。
5G 还有几个与工业自动化应用最相关的其他特征。更具体地说,5G 网络必须允许数十万人同时连接,并具有极低的延迟和高度可靠的覆盖。这些功能是与 IIoT 和机器控制应用相关的大规模传感器部署的关键。
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频谱和毫米波数据通信
有一点需要注意,移动网络上联网设备的激增带来了频谱短缺的威胁。一般来说,低频段能提供更大的范围,而高频段则允许在一个小范围内提供更多的连接。具体例证:1G AMPS 标准使用 800-MHz 频段,而 2G GSM 最初使用 1900MHz。今天,许多 GSM 手机支持三个或四个不同的频段,以实现国际通用,而且目前的移动网络频率范围为 700 MHz 至 2.6 GHz。然而,随着物联网增加了连接到移动网络的设备数量,这些现有频段上的可用频谱越来越少。这就是为什么 5G 已经开始向更高的频率推进,如 6 GHz,甚至 24 GHz 以上的所谓毫米波频率——包括 28 GHz 以及 38 GHz。
图 2:Sliver 高速互连支持 25 Gbps 数据速率和 5G AAS 应用,包括数据中心以及电信交换和路由。(图片来源:TE Connectivity)
毫米波通信频率能够实现更高的带宽和更多的连接。缺点是这些频率的数据传输范围有限,并且在穿越固体物体时,会出现巨大的耗散。在干燥的空气中,相比其他频率的通信,毫米波通信衰减可能更少,但会受到雨水的强烈影响。
如何利用这些更高频率的更好带宽(但要避免范围问题),有一个解决方案就是波束形成。通过这种技术,集中的通信光束指向一个特定的目标,而不是简单地向所有方向广播。波束形成技术很快就能使毫米波通信达到目前更常用的低频范围——甚至在最大程度上减少通信干扰。
人们正在制订 5G 新无线电 (NR) 标准,以指定 5G 的无线电接入技术。它包括两个频率范围:频率范围 1 在 6 GHz 以下,频率范围 2 在 24 GHz 至 100 GHz 的毫米波范围。
自动化领域的 5G 大规模连接
提高频率以获得更多的频谱将是解决方案的一部分,从而实现完全兑现物联网承诺所需的大规模连接,例如更大的传感器密度。因此,随着 5G 网络的推广,能够连接到 5G 网络的设备数量可能会立即得到改善。
毫米波 5G 能够处理每平方公里 100 万个设备连接,但需要窄带物联网 (NB-IoT) 来实现这一目标。
NB-IoT 是一种专注于低成本、低功耗设备室内覆盖的低功率技术。目前 NB-IoT 连接远未达到 100 万台设备,蜂窝技术目前支持 10,000 万台设备。机器长期演进 (LTE-M) 是另一种低功耗技术,它比 NB-IoT 提供更高的数据速率和更低的延迟,但设备成本和功耗更大。另一个解决方案是使用更小的蜂窝,特别是在高需求的地区。
5G 延迟:公布值和实际性能
5G 应该实现低于 1 毫秒的延迟...但这个招牌规范在大多数时候都没有实现。事实上,对于低功率,NB-IoT 技术的延迟在正常覆盖范围内约为一秒,在扩展覆盖范围时则增加到几秒。对于 LTE-M 来说,延迟要好一些,在正常范围内约为 100 毫秒,但仍远未达到实时控制应用所需的 1 毫秒。
图 3:各种形式的 5G 已经在全球范围内迅速普及。(图片来源:Design World)
用集中式网络实现低于 1 毫秒的延迟是不可能的,因为往返就需要 50 到 100 毫秒。解决这个问题的办法是在蜂窝内执行处理,尽管这需要在蜂窝层面设置服务器。这是一种简化,因为当连接的设备在蜂窝之间移动时(如在自主驾驶车辆中)就必须保持控制和协调的连续性。这反过来又要求在网络内组合进行分布式和集中式控制。小蜂窝也可以帮助减少延迟。
5G 中使用的另一种减少延迟的方法被称为网络切片。在这里,网络带宽被划分为可单独管理的通道,以便通过在这些通道上保持较低流量,为低延迟传输保留一些通道。因此,需要这种能力的工业控制应用就可以使用这些保留的通道。
目前 5G 网络正在实现低于 30 毫秒的延迟,但离实时控制所需的 1 毫秒还很遥远。
其他 5G 优势:低功耗和高可靠性
使用较小的蜂窝自然会减少能源消耗,但会在一定程度上会被较大数量的设备所抵消。更智能的能源管理也将在减少 5G 网络的能源使用中发挥作用。NB-IoT 能将使许多设备的电池寿命延长至超过 10 年,范围达到 10 公里。
覆盖更可靠是 5G 的另一个优势。5G 正在迅速普及。NB-IoT 和 LTE-M 网络已经推广到了全球大部分地区。在这个阶段,低延迟预留通道的可用性有些不太明确。
替代非蜂窝无线连接
5G 蜂窝技术并不是工业设备进行无线连接的唯一方式。替代方式包括 WiFi、蓝牙和基于 IEEE 802.15.4 的技术。
WiFi 的延迟通常为 20 至 40 毫秒,并且在连接稳定性方面有一些问题——这意味着它一般不用于控制和工业自动化应用。但目前这种技术常用于监测机器、运动传感器和条码扫描器的状态。IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) 运行频率在 900 MHz 左右,范围达 1 公里,功耗非常低。这使得它成为物联网专用 5G 技术的有力竞争者,尽管它无法与低延迟和高传感器密度相提并论。
低功耗蓝牙 (Bluetooth LE) 提供低成本、低功耗连接,其速度和范围有限,但专注于消费设备。基于 IEEE 802.15.4 的技术也强调低成本和低功耗,而不是速度和范围,其速度仅为 250 千比特/秒,范围仅为 10 米。然而,由于支持网状网络拓扑结构,网络可以扩展到 10 米以外,只要任何设备与网络中的一个其他设备的距离不超过 10 米。许多低成本物联网设备使用像 6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 这样的技术。WirelessHART 是其中最注重工业化,得到了包括 ABB、西门子、现场总线基金会和 Profibus 在内的众多工业组织的支持。
结语
5G 必须看成一个技术家族。吸引人的性能声明(包括非常高的带宽、大规模的传感器密度和超低的延迟)并不是任何单一技术可以同时实现的。这意味着最重要的工业自动化 5G 实现不会仅仅随着 5G 移动网络服务的普及而出现。自动化装置的高传感器密度将需要使用物联网专用技术,如 NB-IoT 和 LTE-M。好消息是,这种技术已经正推进中,发达国家以及发展中国家都见证这些技术应用的不断普及。工程师们可以预期,在未来几年内 5G 网络能力将稳步提升。
视频:对 5G 能有什么预期
将 5G 用于需要较低延迟的控制应用仍然有些遥远。低功耗技术,如 NB-IoT 和 LTE-M 5G(专门的物联网特定改进)将在实现工业 4.0 和使机器更智能、工厂更灵活、流程更少浪费方面发挥重要作用。当然,5G 将继续与非蜂窝式 WiFi、蓝牙和基于 IEEE 802.15.4 的技术竞争。最终,所有这些将催生更高的自动化生产力。
简而言之,5G 和其他形式的安全、灵活型无线连接将实现大数据分析所需的传感器密度,以全面描述生产工艺特征,优化维护程序,协调材料流动,并实现自主机器人协作。
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