發布日期：2022-04-17 點擊率：30
無線通信技術對于工業自動化通信來說已變得越來越關鍵。現在，第五代 (5G) 蜂窩通信被普遍視為推進第四次工業革命、工業 4.0 或工業物聯網 (IIoT) 的關鍵無線技術。有些方面甚至聲稱，5G 將是使消費者和其他非工業物聯網裝置無處不在的關鍵，這在很大程度上是因為 5G 促進了數量驚人的設備互連，無論這些設備碰巧位于何處。
圖 1：第三代合作伙伴項目 (3GPP) 將電信標準組織聯合起來，使得蜂窩電信技術盡可能地交叉且向后兼容。（徽標來源：3GPP）
但是，5G 會取代目前正在實行的一系列無線標準嗎？在其他技術目前領先的應用中，5G 的性能會超過 WiFi、藍牙和 IEEE 802.15.4 嗎？或者說，5G 僅僅是針對少數使用舊蜂窩技術的自動化應用的一種改進？5G 的性能優勢是什么，這些優勢在多大程度上已經可以被利用？
要了解這些問題的答案，首先要考慮 5G 與其他蜂窩和非蜂窩通信有什么不同。5G——目前正在移動電話和工業網絡中推廣，它建立在以前的 2G、3G 和 4G 數字蜂窩技術之上。從來就沒有所謂的 1G，因為 2G 的前身是一種模擬無線電話技術，與今天的網絡沒有什么共同之處。隨著 2G 的出現，出現了第一個數字技術和加密的電話和短信息服務 (SMS) 通信。全球移動通信系統 (GSM) 標準定義了允許全雙工語音通話的 2G 電路交換網絡。多年來，2G 網絡通過第一個通用分組無線服務 (GPRS) 和隨后的增強型數據速率 GSM 演進技術 (EDGE) 得到了進一步加強。GRPS 和 EDGE 實現了通用數據包傳輸，用于互聯網連接，數據率不斷提高，這就是為什么具有這些功能的網絡有時分別被稱為 2.5G 和 2.75G 技術。
3G 進一步提高了數據傳輸率——甚至實現了視頻通話。相關的標準包括 CDMA2000 和各種形式的高速分組接入 (HSPA)。
接下來是 4G，以及通過利用多輸入、多輸出 (MIMO) 傳輸的長期演進 (LTE) 和 WiMax 標準實現的更大數據傳輸率。
5G 是從 4G 發展而來的，第一批商業化的 5G 網絡產品于 2018 年底發布。關于這一發展前奏的歷史信息，請閱讀這篇 2016 年的 Digi-Key 文章：《5G 將如何改變工業物聯網》。私人和商業用戶最感興趣的是 5G 網絡必須能夠支持數萬名用戶幾十 Mb/s 上網數據速率。它們還必須能夠為特定辦公室內的數十人提供 1Gb/s 的連接。
5G 還有幾個與工業自動化應用最相關的其他特征。更具體地說，5G 網絡必須允許數十萬人同時連接，并具有極低的延遲和高度可靠的覆蓋。這些功能是與 IIoT 和機器控制應用相關的大規模傳感器部署的關鍵。
閱讀 Digi-Key 相關文章：《5G 目前還無法兌現所有承諾》
有一點需要注意，移動網絡上聯網設備的激增帶來了頻譜短缺的威脅。一般來說，低頻段能提供更大的范圍，而高頻段則允許在一個小范圍內提供更多的連接。具體例證：1G AMPS 標準使用 800-MHz 頻段，而 2G GSM 最初使用 1900MHz。今天，許多 GSM 手機支持三個或四個不同的頻段，以實現國際通用，而且目前的移動網絡頻率范圍為 700 MHz 至 2.6 GHz。然而，隨著物聯網增加了連接到移動網絡的設備數量，這些現有頻段上的可用頻譜越來越少。這就是為什么 5G 已經開始向更高的頻率推進，如 6 GHz，甚至 24 GHz 以上的所謂毫米波頻率——包括 28 GHz 以及 38 GHz。
圖 2：Sliver 高速互連支持 25 Gbps 數據速率和 5G AAS 應用，包括數據中心以及電信交換和路由。（圖片來源：TE Connectivity）
毫米波通信頻率能夠實現更高的帶寬和更多的連接。缺點是這些頻率的數據傳輸范圍有限，并且在穿越固體物體時，會出現巨大的耗散。在干燥的空氣中，相比其他頻率的通信，毫米波通信衰減可能更少，但會受到雨水的強烈影響。
如何利用這些更高頻率的更好帶寬（但要避免范圍問題），有一個解決方案就是波束形成。通過這種技術，集中的通信光束指向一個特定的目標，而不是簡單地向所有方向廣播。波束形成技術很快就能使毫米波通信達到目前更常用的低頻范圍——甚至在最大程度上減少通信干擾。
人們正在制訂 5G 新無線電 (NR) 標準，以指定 5G 的無線電接入技術。它包括兩個頻率范圍：頻率范圍 1 在 6 GHz 以下，頻率范圍 2 在 24 GHz 至 100 GHz 的毫米波范圍。
提高頻率以獲得更多的頻譜將是解決方案的一部分，從而實現完全兌現物聯網承諾所需的大規模連接，例如更大的傳感器密度。因此，隨著 5G 網絡的推廣，能夠連接到 5G 網絡的設備數量可能會立即得到改善。
毫米波 5G 能夠處理每平方公里 100 萬個設備連接，但需要窄帶物聯網 (NB-IoT) 來實現這一目標。
NB-IoT 是一種專注于低成本、低功耗設備室內覆蓋的低功率技術。目前 NB-IoT 連接遠未達到 100 萬臺設備，蜂窩技術目前支持 10,000 萬臺設備。機器長期演進 (LTE-M) 是另一種低功耗技術，它比 NB-IoT 提供更高的數據速率和更低的延遲，但設備成本和功耗更大。另一個解決方案是使用更小的蜂窩，特別是在高需求的地區。
5G 應該實現低于 1 毫秒的延遲...但這個招牌規范在大多數時候都沒有實現。事實上，對于低功率，NB-IoT 技術的延遲在正常覆蓋范圍內約為一秒，在擴展覆蓋范圍時則增加到幾秒。對于 LTE-M 來說，延遲要好一些，在正常范圍內約為 100 毫秒，但仍遠未達到實時控制應用所需的 1 毫秒。
圖 3：各種形式的 5G 已經在全球范圍內迅速普及。（圖片來源：Design World）
用集中式網絡實現低于 1 毫秒的延遲是不可能的，因為往返就需要 50 到 100 毫秒。解決這個問題的辦法是在蜂窩內執行處理，盡管這需要在蜂窩層面設置服務器。這是一種簡化，因為當連接的設備在蜂窩之間移動時（如在自主駕駛車輛中）就必須保持控制和協調的連續性。這反過來又要求在網絡內組合進行分布式和集中式控制。小蜂窩也可以幫助減少延遲。
5G 中使用的另一種減少延遲的方法被稱為網絡切片。在這里，網絡帶寬被劃分為可單獨管理的通道，以便通過在這些通道上保持較低流量，為低延遲傳輸保留一些通道。因此，需要這種能力的工業控制應用就可以使用這些保留的通道。
目前 5G 網絡正在實現低于 30 毫秒的延遲，但離實時控制所需的 1 毫秒還很遙遠。
使用較小的蜂窩自然會減少能源消耗，但會在一定程度上會被較大數量的設備所抵消。更智能的能源管理也將在減少 5G 網絡的能源使用中發揮作用。NB-IoT 能將使許多設備的電池壽命延長至超過 10 年，范圍達到 10 公里。
覆蓋更可靠是 5G 的另一個優勢。5G 正在迅速普及。NB-IoT 和 LTE-M 網絡已經推廣到了全球大部分地區。在這個階段，低延遲預留通道的可用性有些不太明確。
5G 蜂窩技術并不是工業設備進行無線連接的唯一方式。替代方式包括 WiFi、藍牙和基于 IEEE 802.15.4 的技術。
WiFi 的延遲通常為 20 至 40 毫秒，并且在連接穩定性方面有一些問題——這意味著它一般不用于控制和工業自動化應用。但目前這種技術常用于監測機器、運動傳感器和條碼掃描器的狀態。IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) 運行頻率在 900 MHz 左右，范圍達 1 公里，功耗非常低。這使得它成為物聯網專用 5G 技術的有力競爭者，盡管它無法與低延遲和高傳感器密度相提并論。
低功耗藍牙 (Bluetooth LE) 提供低成本、低功耗連接，其速度和范圍有限，但專注于消費設備。基于 IEEE 802.15.4 的技術也強調低成本和低功耗，而不是速度和范圍，其速度僅為 250 千比特/秒，范圍僅為 10 米。然而，由于支持網狀網絡拓撲結構，網絡可以擴展到 10 米以外，只要任何設備與網絡中的一個其他設備的距離不超過 10 米。許多低成本物聯網設備使用像 6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 這樣的技術。WirelessHART 是其中最注重工業化，得到了包括 ABB、西門子、現場總線基金會和 Profibus 在內的眾多工業組織的支持。
5G 必須看成一個技術家族。吸引人的性能聲明（包括非常高的帶寬、大規模的傳感器密度和超低的延遲）并不是任何單一技術可以同時實現的。這意味著最重要的工業自動化 5G 實現不會僅僅隨著 5G 移動網絡服務的普及而出現。自動化裝置的高傳感器密度將需要使用物聯網專用技術，如 NB-IoT 和 LTE-M。好消息是，這種技術已經正推進中，發達國家以及發展中國家都見證這些技術應用的不斷普及。工程師們可以預期，在未來幾年內 5G 網絡能力將穩步提升。
將 5G 用于需要較低延遲的控制應用仍然有些遙遠。低功耗技術，如 NB-IoT 和 LTE-M 5G（專門的物聯網特定改進）將在實現工業 4.0 和使機器更智能、工廠更靈活、流程更少浪費方面發揮重要作用。當然，5G 將繼續與非蜂窩式 WiFi、藍牙和基于 IEEE 802.15.4 的技術競爭。最終，所有這些將催生更高的自動化生產力。
簡而言之，5G 和其他形式的安全、靈活型無線連接將實現大數據分析所需的傳感器密度，以全面描述生產工藝特征，優化維護程序，協調材料流動，并實現自主機器人協作。
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