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5G技術如何“使能”智能制造？--飛宇信
發布時間：
2019-09-09 14:39
作為新一代移動通信技術，5G技術的迅猛發展正好切合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，5G技術定義的三大場景不但覆蓋了高帶寬、低延時等傳統應用場景，而且還能滿足工業環境下的設備互聯和遠程交互應用需求，這種廣域網全覆蓋的特點為企業構建統一的無線網絡提供了可能。
移動通信技術的發展
回顧移動通信技術的發展歷程，第一代采用的是模擬技術，只能支持區域和距離限制的語音通話；第二代實現了數字化語音通訊，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，在進行大量數據交互時，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勢，業界普遍認為，5G將對智能工業、無人駕駛汽車、VR以及物聯網等領域產生重要推動作用。
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年由聯合國行動通信聯盟編寫成文。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，而數據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務，eMBB除了在6GHz以下的頻譜發展相關技術，也會發展在6GHz以上的頻譜。而小型基地臺將會是發展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展的傳統網絡模式為主，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）：主要面向大規模物聯網業務。mMTC將會發展在6GHz以下的頻段，其將會應用在大規模物聯網上，目前較可見的發展是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，可望讓物聯網的發展更為廣泛。
URLLC（超可靠低時延）：主要面向無人駕駛、工業自動化等需要低時延、高可靠連接的業務。在智慧工廠，由于大量的機器都內建傳感器，從傳感器、后端網絡、下指令，再傳送回機器本身的這些過程，若以現有的網絡傳輸，將出現很明顯的延遲，可能引發工安事故。有鑒于此，URLLC將網絡等待時間的目標壓低到1毫秒以下。
5G支撐的工業應用
物聯網
隨著工廠智能化轉型的推進，物聯網作為連接人、機器和設備的關鍵支撐技術正受到企業的高度關注。這種需求在推動物聯網應用落地的同時，也極大的刺激了5G技術的發展。面對復雜的工業互聯需求，5G技術需要適應不同的工業場景，能滿足物聯網的絕大部分連接需求。因此，5G與物聯網是相輔相成的關系，物聯網應用落地依賴于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網應用需求的刺激和推動。
在推動物聯網落地過程中，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據連接與傳輸需求。URLLC可以將網絡等待時間的目標壓低到1毫秒以下，以支撐工業自動化控制過程中系統和設備對數據傳輸的實時性的諸多指標和要求。
工業自動化控制
自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環控制系統。在該系統的控制周期內每個傳感器進行連續測量，測量數據傳輸給控制器以設定執行器。典型的閉環控制過程周期低至ms級別，所以系統通信的時延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統實現精確控制，同時對可靠性也有極高的要求。如果在生產過程中由于時延過長，或者控制信息在數據傳送時發生錯誤可能導致生產停機，會造成巨大的財務損失。
5G可提供極低時延長、高可靠，海量連接的網絡，使得閉環控制應用通過無線網絡連接成為可能?；谌A為5G的實測能力：空口時延可到0．4ms，單小區下行速率達到20Gbps，小區最大可支持1000萬＋連接數。由此可見，移動通信網絡中僅有5G網絡可滿足閉環控制對網絡的要求。
物流追蹤
在目前已成規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（規模經濟）以及作為3GPP標準技術方面提供額外優勢。5G提供的改進將包括在廣泛產業中優化物流，提升工人安全和提高資產定位與跟蹤的效率，從而最小化成本。它還將擴展能力以實現動態跟蹤更廣泛的在途商品。隨著在線購物增多，資產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絡，企業內部或企業之間的橫向集成也需要無所不在的網絡，5G網絡能很好的滿足這類需求。
工業AR
在未來智能工廠生產過程中，人將發揮更重要的作用。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活動的需求，增強現實AR將發揮很關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：如：監控流程和生產流程。生產任務分步指引，例如手動裝配過程指導；遠程專家業務支撐，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絡連接。AR設備將通過網絡實時獲取必要的信息（例如，生產環境數據、生產設備數據、以及故障處理指導信息）。在這種場景下AR眼鏡的顯示內容必須與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據到云端到AR顯示內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，則需無線網絡的雙向傳輸時延在10ms內才能滿足實時性體驗的需求。而該時延要求，LTE網絡無法滿足。
云化機器人
在智能制造生產場景中，需要機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產，這就帶來了機器人對云化的需求。和傳統的機器人相比，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產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據存儲功能移到云端，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，需要無線通信網絡具備極低時延和高可靠的特征。
5G網絡與云化機器人
5G網絡是云化機器人理想的通信網絡，是使能云化機器人的關鍵。5G切片網絡能夠為云化機器人應用提供端到端定制化的網絡支撐。5G網絡可以達到低至1ms的端到端通信時延，并且支持99．999％的連接可靠性，強大的網絡能力能夠極大滿足云化機器人對時延和可靠性的挑戰。
總結
5G技術已經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，構建統一的互聯網絡。由于實時性和可靠性高，5G技術不但能應用于工業場景中，還能支撐起個人移動化互聯網應用。5G技術的發展可以幫助制造企業擺脫以往無線網絡技術較為混亂的應用狀態，這對于推動工業互聯網的實施以及智能制造的深化轉型有著積極的意義。
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