5G 对工业应用有哪些益处？
作者：贸泽电子Mark Patrick
5G 对工业应用有哪些益处？
首批 5G 网络服务正如人们期待的那样已经于 2018 年底推出，目前，在全球范围内，这项革命性技术的推出步伐正在加快，大多数运营商已经为其市场提供了一定程度的 5G 服务。长期以来，工业制造领域一直被认为是 5G 技术的潜在采用行业和用户，这主要是基于其低延迟属性，可提供实时自动化和控制应用所需的网络响应水平。在本文中，我们在工业自动化 (IA) 的应用环境下展望一下 5G应用，考虑一些新兴应用，并讨论一下目前的现实是否达到了5G炒作的程度。
工业制造领域的主要趋势
工业 4.0 或第四次工业革命的概念最初是由德国政府提出，它旨在通过将德国制造的机械和设备出口到竞争日益激烈的工业市场来支持其GDP 增长，并认为未来的工业领域是一个以全球化、城市化、个性化和人口等变化不断增大为特征的市场。
最近持续的新冠大流行和随之而来的剧变放大了这些趋势，更凸显了运营灵活性的重要，并导致制造商加速对数字技术的依赖和投资。
工业 4.0 的核心是智能工厂，它能够利用灵活、模块化和多功能的生产技术来提高效率，同时保持产量和质量（图 1）。智能工厂以灵活的流程取代了传统的静态、顺序化生产系统，它是将人类专业知识与机器人技术、人工智能 (AI)、量子计算、工业物联网 (IIoT)、5G 无线技术和 3D 打印等新兴技术有机结合。
图1：工业4.0是基于智能工厂，（来源：Deloitte（德勤））
许多工厂都受制于是否存在现成的有线网络，这些网络往往使用工业以太网、Profinet 和 CANbus 等通信协议来连接自动化生产系统中的各种传感器、执行器和控制器。这些有线连接解决方案会导致相对不灵活的控制架构，即使对生产设施进行很小的修改也可能意味着非常耗时且成本昂贵的工厂重新配置。工业 4.0 需要强大而高效的无线通信来满足智能工厂在延迟、可用性、抖动和确定性等方面的要求。工业4.0需要5G！
强大的5G使智能工厂成为可能
多样化和异构的制造环境包含广泛的自动化应用范例，具体分为 5 类：
●工厂自动化
●过程自动化
●人机界面 (HMI) 和生产 IT
●物流仓储
●监控和预防性维护
其中许多用例需要实时响应和低延迟，而前几代无线网络无法提供这些。此外，工厂车间是一个极其严苛的操作环境，较高的电气噪声和干扰对许多以前的无线通信技术提出了巨大挑战，而5G更强的网络性能（图 2）可用于解决其中一些问题，提高系统效率和灵活性。
图 2：5G 的网络功能支持广泛的工业用例。（来源：5GACIA）
监控是自动化工厂中的一项关键功能，5G 的大规模机器类型通信 (mMTC) 功能非常适合大型无线传感器网络 (WSN) 的要求，这种网络具有数量巨大的连接设备，更长的电池寿命(因此要求低功率通信）是避免耗时维护的关键特性要求。
运动控制和工业机器人需要精确和实时的响应能力，而这些则推动了（有线）工业以太网解决方案的时间敏感网络 (TSN) 发展趋势。凭借其可靠性和超低延迟，5G 的超可靠低延迟通信 (URLCC) 现在可为这些应用提供一种可行的无线替代方案，并支持云机器人。
虚拟现实、增强现实和人工智能 (VR/AR/AI) 是工厂环境中使用越来越多的三种相关技术，特别是在产品原型设计、培训和维护以及机器学习等领域。 5G 的高吞吐量和低延迟能够实现真正的云端边缘处理，而那些高耗能的密集型计算可以在云端进行，通过使用连接在“边缘”的不太复杂、成本更低设备（在工厂车间）完成。
5G实施的挑战和机遇
5G实施并非没有挑战。为了保护先前的投资，5G 项目必须无缝集成到现有的通信基础设施。室内覆盖从来都不是移动网络运营商 (MNO) 的优先事项，而 5G 频率的传播特性使情况变得更糟，尤其是现在的工厂存在极具挑战性的射频 (RF) 环境。
Open-RAN 技术的发展正在降低 5G 无线接入网络 (5G RAN) 的拥有成本，使非公共网络 (NPN) 部署成为企业的现实选择，无论是直接部署还是通过越来越多的专业系统部署集成商。世界各地的监管机构都认识到 NPN 在 5G 部署中的重要性，并正在为喜欢这种选择的机构提供专用的高性价比频谱。
NPN 可设计为满足工厂的某些特定运营需求，但也可以在 NPN 和 MNO 的 5G 网络之间混合和匹配网络功能（图 3）。例如，NPN能够与公共网络完全隔离，但可以与其共享RAN，它还可以共享 RAN 和控制平面功能，或者在某些情况下，完全由 MNO 托管。
图 3：与公共网络共享 RAN 是 4 个 NPN 部署选项之一。（来源：5G-ACIA）
结论
工业领域自动化水平的提高催生了对 5G 网络功能的需求，随着生产周期缩短，制造商需要管理定制需求和预期的上市速度，5G 在不影响吞吐量或响应能力的情况下能够实现无线部署的灵活性。
