無線通信技術(shù)對于工業(yè)自動化通信來說已變得越來越關(guān)鍵。現(xiàn)在，第五代 (5G) 蜂窩通信被普遍視為推進(jìn)第四次工業(yè)革命、工業(yè) 4.0 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的關(guān)鍵無線技術(shù)。有些方面甚至聲稱，5G 將是使消費(fèi)者和其他非工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)裝置無處不在的關(guān)鍵，這在很大程度上是因?yàn)?5G 促進(jìn)了數(shù)量驚人的設(shè)備互連，無論這些設(shè)備碰巧位于何處。

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圖 1：第三代合作伙伴項(xiàng)目 (3GPP) 將電信標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)合起來，使得蜂窩電信技術(shù)盡可能地交叉且向后兼容。（徽標(biāo)來源：3GPP）

但是，5G 會取代目前正在實(shí)行的一系列無線標(biāo)準(zhǔn)嗎？在其他技術(shù)目前領(lǐng)先的應(yīng)用中，5G 的性能會超過 WiFi、藍(lán)牙和 IEEE 802.15.4 嗎？或者說，5G 僅僅是針對少數(shù)使用舊蜂窩技術(shù)的自動化應(yīng)用的一種改進(jìn)？5G 的性能優(yōu)勢是什么，這些優(yōu)勢在多大程度上已經(jīng)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(yè)網(wǎng)絡(luò)中推廣，它建立在以前的 2G、3G 和 4G 數(shù)字蜂窩技術(shù)之上。從來就沒有所謂的 1G，因?yàn)?2G 的前身是一種模擬無線電話技術(shù)，與今天的網(wǎng)絡(luò)沒有什么共同之處。隨著 2G 的出現(xiàn)，出現(xiàn)了第一個數(shù)字技術(shù)和加密的電話和短信息服務(wù) (SMS) 通信。全球移動通信系統(tǒng) (GSM) 標(biāo)準(zhǔn)定義了允許全雙工語音通話的 2G 電路交換網(wǎng)絡(luò)。多年來，2G 網(wǎng)絡(luò)通過第一個通用分組無線服務(wù) (GPRS) 和隨后的增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率 GSM 演進(jìn)技術(shù) (EDGE) 得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。GRPS 和 EDGE 實(shí)現(xiàn)了通用數(shù)據(jù)包傳輸，用于互聯(lián)網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)率不斷提高，這就是為什么具有這些功能的網(wǎng)絡(luò)有時分別被稱為 2.5G 和 2.75G 技術(shù)。

3G 進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸率——甚至實(shí)現(xiàn)了視頻通話。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)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?shù)拈L期演進(jìn) (LTE) 和 WiMax 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的更大數(shù)據(jù)傳輸率。

5G 是從 4G 發(fā)展而來的，第一批商業(yè)化的 5G 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品于 2018 年底發(fā)布。關(guān)于這一發(fā)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)》。私人和商業(yè)用戶最感興趣的是 5G 網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持?jǐn)?shù)萬名用戶幾十 Mb/s 上網(wǎng)數(shù)據(jù)速率。它們還必須能夠?yàn)樘囟ㄞk公室內(nèi)的數(shù)十人提供 1Gb/s 的連接。

5G 還有幾個與工業(yè)自動化應(yīng)用最相關(guān)的其他特征。更具體地說，5G 網(wǎng)絡(luò)必須允許數(shù)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(jī)器控制應(yīng)用相關(guān)的大規(guī)模傳感器部署的關(guān)鍵。

頻譜和毫米波數(shù)據(jù)通信

有一點(diǎn)需要注意，移動網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(nèi)提供更多的連接。具體例證：1G AMPS 標(biāo)準(zhǔn)使用 800-MHz 頻段，而 2G GSM 最初使用 1900MHz。今天，許多 GSM 手機(jī)支持三個或四個不同的頻段，以實(shí)現(xiàn)國際通用，而且目前的移動網(wǎng)絡(luò)頻率范圍為 700 MHz 至 2.6 GHz。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)增加了連接到移動網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，這些現(xiàn)有頻段上的可用頻譜越來越少。這就是為什么 5G 已經(jīng)開始向更高的頻率推進(jìn)，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。

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圖 2：Sliver 高速互連支持 25 Gbps 數(shù)據(jù)速率和 5G AAS 應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)更高的帶寬和更多的連接。缺點(diǎn)是這些頻率的數(shù)據(jù)傳輸范圍有限，并且在穿越固體物體時，會出現(xiàn)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(qiáng)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(shù)，集中的通信光束指向一個特定的目標(biāo)，而不是簡單地向所有方向廣播。波束形成技術(shù)很快就能使毫米波通信達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，以指定 5G 的無線電接入技術(shù)。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。

自動化領(lǐng)域的 5G 大規(guī)模連接

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(shí)現(xiàn)完全兌現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)承諾所需的大規(guī)模連接，例如更大的傳感器密度。因此，隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的推廣，能夠連接到 5G 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)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(shè)備連接，但需要窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

NB-IoT 是一種專注于低成本、低功耗設(shè)備室內(nèi)覆蓋的低功率技術(shù)。目前 NB-IoT 連接遠(yuǎn)未達(dá)到 100 萬臺設(shè)備，蜂窩技術(shù)目前支持 10,000 萬臺設(shè)備。機(jī)器長期演進(jìn) (LTE-M) 是另一種低功耗技術(shù)，它比 NB-IoT 提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲，但設(shè)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(qū)。

5G 延遲：公布值和實(shí)際性能

5G 應(yīng)該實(shí)現(xiàn)低于 1 毫秒的延遲...但這個招牌規(guī)范在大多數(shù)時候都沒有實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，對于低功率，NB-IoT 技術(shù)的延遲在正常覆蓋范圍內(nèi)約為一秒，在擴(kuò)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(nèi)約為 100 毫秒，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)時控制應(yīng)用所需的 1 毫秒。

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圖 3：各種形式的 5G 已經(jīng)在全球范圍內(nèi)迅速普及。（圖片來源：Design World）

用集中式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低于 1 毫秒的延遲是不可能的，因?yàn)橥稻托枰?50 到 100 毫秒。解決這個問題的辦法是在蜂窩內(nèi)執(zhí)行處理，盡管這需要在蜂窩層面設(shè)置服務(wù)器。這是一種簡化，因?yàn)楫?dāng)連接的設(shè)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(xié)調(diào)的連續(xù)性。這反過來又要求在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)組合進(jìn)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(wǎng)絡(luò)切片。在這里，網(wǎng)絡(luò)帶寬被劃分為可單獨(dú)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(yè)控制應(yīng)用就可以使用這些保留的通道。

目前 5G 網(wǎng)絡(luò)正在實(shí)現(xiàn)低于 30 毫秒的延遲，但離實(shí)時控制所需的 1 毫秒還很遙遠(yuǎn)。

其他 5G 優(yōu)勢：低功耗和高可靠性

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(shù)量的設(shè)備所抵消。更智能的能源管理也將在減少 5G 網(wǎng)絡(luò)的能源使用中發(fā)揮作用。NB-IoT 能將使許多設(shè)備的電池壽命延長至超過 10 年，范圍達(dá)到 10 公里。

覆蓋更可靠是 5G 的另一個優(yōu)勢。5G 正在迅速普及。NB-IoT 和 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)推廣到了全球大部分地區(qū)。在這個階段，低延遲預(yù)留通道的可用性有些不太明確。

替代非蜂窩無線連接

5G 蜂窩技術(shù)并不是工業(yè)設(shè)備進(jìn)行無線連接的唯一方式。替代方式包括 WiFi、藍(lán)牙和基于 IEEE 802.15.4 的技術(shù)。

WiFi 的延遲通常為 20 至 40 毫秒，并且在連接穩(wěn)定性方面有一些問題——這意味著它一般不用于控制和工業(yè)自動化應(yīng)用。但目前這種技術(shù)常用于監(jiān)測機(jī)器、運(yùn)動傳感器和條碼掃描器的狀態(tài)。IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) 運(yùn)行頻率在 900 MHz 左右，范圍達(dá) 1 公里，功耗非常低。這使得它成為物聯(lián)網(wǎng)專用 5G 技術(shù)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(lán)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(fèi)設(shè)備?；?IEEE 802.15.4 的技術(shù)也強(qiáng)調(diào)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展到 10 米以外，只要任何設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的一個其他設(shè)備的距離不超過 10 米。許多低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用像 6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 這樣的技術(shù)。WirelessHART 是其中最注重工業(yè)化，得到了包括 ABB、西門子、現(xiàn)場總線基金會和 Profibus 在內(nèi)的眾多工業(yè)組織的支持。

結(jié)語

5G 必須看成一個技術(shù)家族。吸引人的性能聲明（包括非常高的帶寬、大規(guī)模的傳感器密度和超低的延遲）并不是任何單一技術(shù)可以同時實(shí)現(xiàn)的。這意味著最重要的工業(yè)自動化 5G 實(shí)現(xiàn)不會僅僅隨著 5G 移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的普及而出現(xiàn)。自動化裝置的高傳感器密度將需要使用物聯(lián)網(wǎng)專用技術(shù)，如 NB-IoT 和 LTE-M。好消息是，這種技術(shù)已經(jīng)正推進(jìn)中，發(fā)達(dá)國家以及發(fā)展中國家都見證這些技術(shù)應(yīng)用的不斷普及。工程師們可以預(yù)期，在未來幾年內(nèi) 5G 網(wǎng)絡(luò)能力將穩(wěn)步提升。

將 5G 用于需要較低延遲的控制應(yīng)用仍然有些遙遠(yuǎn)。低功耗技術(shù)，如 NB-IoT 和 LTE-M 5G（專門的物聯(lián)網(wǎng)特定改進(jìn)）將在實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 和使機(jī)器更智能、工廠更靈活、流程更少浪費(fèi)方面發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，5G 將繼續(xù)與非蜂窩式 WiFi、藍(lán)牙和基于 IEEE 802.15.4 的技術(shù)競爭。最終，所有這些將催生更高的自動化生產(chǎn)力。

簡而言之，5G 和其他形式的安全、靈活型無線連接將實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析所需的傳感器密度，以全面描述生產(chǎn)工藝特征，優(yōu)化維護(hù)程序，協(xié)調(diào)材料流動，并實(shí)現(xiàn)自主機(jī)器人協(xié)作。

來源：Digi-Key
作者：Jody Muelaner

關(guān)鍵詞： 工業(yè)自動化 毫米波通信 頻率范圍 解決方案 設(shè)備數(shù)量