【導(dǎo)讀】5G 不僅僅是局限于對移動(dòng)通訊技術(shù)的改進(jìn)，更高的下載速度可能會增強(qiáng)智能手機(jī)的瀏覽體驗(yàn)，但 5G 的真正影響巨大的應(yīng)用更有可能尚未出現(xiàn)。本文中我們討論5G如何會影響工業(yè)和汽車行業(yè)，以及您如何把 5G 構(gòu)建到您的下一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。。
5G 不僅僅是局限于對移動(dòng)通訊技術(shù)的改進(jìn)，更高的下載速度可能會增強(qiáng)智能手機(jī)的瀏覽體驗(yàn)，但 5G 的真正影響巨大的應(yīng)用更有可能尚未出現(xiàn)。本文中我們討論5G如何會影響工業(yè)和汽車行業(yè)，以及您如何把 5G 構(gòu)建到您的下一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
為什么要在工業(yè)制造領(lǐng)域使用5G？
當(dāng)今的許多智能工廠都受限于已有的有線架構(gòu)限制，這些有線架構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng)、Profinet 和 CANbus 等經(jīng)過驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)來連接自動(dòng)化設(shè)備中的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器。這種硬連線連接使得哪怕對生產(chǎn)設(shè)施的微小修改既費(fèi)時(shí)又成本昂貴。
包括更快速4G/LTE在內(nèi)的前幾代無線網(wǎng)絡(luò)，一直無法提供自動(dòng)控制所需的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和低延遲。此外，工廠車間是一個(gè)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，較高的電氣噪聲和干擾對許多以前的無線通信技術(shù)性能構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)，而5G 增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能（見圖 1）可以解決其中一些問題，能夠提高系統(tǒng)效率和靈活性。
圖 1：5G 支持廣泛的工業(yè)應(yīng)用。（來源：5GACIA）
對于所以自動(dòng)化工廠而言，其關(guān)鍵功能之一是監(jiān)控。 5G 帶來了大規(guī)模機(jī)器類通信 (mMTC) 能力，可滿足廣泛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 需求。 相比前代無線技術(shù)，5G也更加節(jié)能，這對于延長互連設(shè)備的電池壽命至關(guān)重要，也可以最大限度地減少維護(hù)。
對于需要高精度和實(shí)時(shí)靈敏度的運(yùn)動(dòng)控制和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，采用有線工業(yè)以太網(wǎng)的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 已成為首選網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。憑借5G超可靠的低延遲通信 (URLLC)，因而它是一種可行的無線替代方案，此外還能夠支持基于云端計(jì)算的機(jī)器人應(yīng)用。
在工廠環(huán)境中正在得到應(yīng)用的三種相關(guān)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和人工智能（AI），憑借5G的高速和 URLLC，因而能夠支持在邊緣進(jìn)行處理。這種應(yīng)用場景下，可以在云端執(zhí)行功率密集型計(jì)算，從而在現(xiàn)場可部署不太復(fù)雜和成本較低的設(shè)備。
實(shí)施5G既有挑戰(zhàn)也有機(jī)遇
為了保護(hù)對先前有線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的已有投資，5G 項(xiàng)目必須無縫集成到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中，迄今為止的主要挑戰(zhàn)之一是，室內(nèi)覆蓋從來都不是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商 (MNO) 的優(yōu)先考慮事項(xiàng)。 Open-RAN 技術(shù)的發(fā)展降低了 5G 無線電接入網(wǎng)絡(luò) (5G RAN) 的擁有成本，使專有 5G網(wǎng)路，也稱為非公共網(wǎng)絡(luò) (NPN) 的部署成為現(xiàn)實(shí)的可能性。對于喜歡這種方案的企業(yè)，全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)正在為專有 5G網(wǎng)路提供專用、具有成本效益的頻譜。此外，根據(jù)工廠的運(yùn)營需求，專有5G網(wǎng)路既可以與公網(wǎng)完全隔離，也可以實(shí)現(xiàn)共享。
5G和互聯(lián)汽車時(shí)代
盡管 5 級 (L5) 自動(dòng)駕駛成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)可能還需要幾年時(shí)間，業(yè)界預(yù)估汽車行業(yè)將處于 5G 部署的前沿。但在此之前，您購買的下一輛車卻很可能會支持互聯(lián)網(wǎng)，以管理遠(yuǎn)程信息處理、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X) 和信息娛樂等系統(tǒng)。
圖 2：5G下的互聯(lián)汽車。（來源：貿(mào)澤電子）
當(dāng)今的互連汽車每天可以產(chǎn)生多達(dá) 4TB 的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于大約 500 部電影，C-V2X 通信技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)在以多種方式使用這些數(shù)據(jù)。例如，來自發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)現(xiàn)在被發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)中心進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)；有關(guān)當(dāng)?shù)亟煌顩r和天氣的信息也可以傳輸?shù)焦舶踩到y(tǒng)中。甚至駕駛員行為和車輛行駛里程也可以為基于使用情況的保險(xiǎn)計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持。
在過去 5 年中，第三代合作伙伴計(jì)劃 (3GPP) 是蜂窩電信技術(shù)的全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，其中的電信技術(shù)包括無線電接入、核心網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)能力等，可為移動(dòng)電信提供完整的系統(tǒng)描述，3GPP一直在按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展增加C-V2X 的功能（見圖 3），第 16 版（Release 16）的功能為高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 鋪平了道路。
圖 3：3GPP C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。（來源：5GAA，更新的C-V2X 部署時(shí)間表）
盡管自動(dòng)駕駛汽車的廣泛普及似乎還需要一段時(shí)間，但已經(jīng)有一些非常引人注目的試驗(yàn)。特斯拉、谷歌和寶馬都因此而成為頭條新聞，他們加固了公眾的期望并推動(dòng)了自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展。目前許多高端車輛已經(jīng)具備一定程度的自動(dòng)駕駛能力，有些甚至達(dá)到 3 級（L3），這也依賴于 C-V2X 技術(shù)。
盡管 4G/LTE 網(wǎng)絡(luò)也能夠支持上述許多應(yīng)用，但不斷增加的共享數(shù)據(jù)量給可用帶寬帶來了越來越大壓力。此外，隨著關(guān)鍵的車載安全和能源管理系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，低延遲已經(jīng)變得更加重要。網(wǎng)絡(luò)速度和云端-邊緣處理能力必須支持人為反射級別的延遲，以實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)駕駛。同樣，對于更復(fù)雜的 ADAS，互聯(lián)汽車必須實(shí)時(shí)響應(yīng)周圍事件，而當(dāng)前的無線網(wǎng)絡(luò)正在達(dá)到極限，并且越來越成為發(fā)展障礙。沒有 5G，就不會有自動(dòng)駕駛汽車。
結(jié)論
大多數(shù) 5G 網(wǎng)絡(luò)部署都在集中使用 3GPP 的 5G 新空口非獨(dú)立組網(wǎng)（5G NR NSA）第 15 版規(guī)范來對4G/LTE升級，這使得推出有限范圍的 5G 服務(wù)成為可能。然而，5G 的真正潛力是基于 3GPP 第 16 版和更遠(yuǎn)的第 17 版部署，自動(dòng)駕駛汽車和工廠自動(dòng)化等應(yīng)用只有在能夠輕松訪問下一個(gè)具備如此級別性能的無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)才會真正成為現(xiàn)實(shí)。5G 的最初推出有些謹(jǐn)慎，這受到了全球新冠大流行的影響。第二波5G網(wǎng)絡(luò)的推出肯定會加速對一些尚待開發(fā)廣泛應(yīng)用的需求。
（來源：貿(mào)澤電子，作者：Mark Patrick）
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