工业自动化中的 5G 实际应用

作者：Jody Muelaner

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 Digi-Key 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。

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。

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。