在5G推出之前，每一代手機技術的主要目的是改善手機的操作。第一代移動電話網(wǎng)絡是模擬系統(tǒng)，為語音呼叫提供足夠的帶寬。1990G于2年代初推出，是第一種數(shù)字移動技術，而3年代后期的1990G使手機可以攜帶電子郵件并提供對網(wǎng)頁的基本訪問。

直到4年采用2008G技術，才實現(xiàn)了真正的智能手機能力：4G移動寬帶導致了智能手機應用程序的發(fā)展，多媒體和流媒體服務的激增，以及隨時隨地訪問高速互聯(lián)網(wǎng)。

最近安裝的5G網(wǎng)絡標志著新一代移動技術首次圍繞機器和系統(tǒng)的需求而不是手機用戶的需求而構(gòu)建。電信行業(yè)的5G計劃設想在三個主要參數(shù)上取得技術突破：

延遲、可靠性和確定性

連接密度

帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速度

提高這些參數(shù)性能的原因是能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制并發(fā)通信的密集集中設備。例如，在智慧城市場景中，5G有望在附近汽車的導航系統(tǒng)中顯示有關可用路邊停車位位置的實時信息。這種智能停車系統(tǒng)將需要在一個小區(qū)域內(nèi)同時連接數(shù)千個接近傳感器或攝像頭以及數(shù)千輛汽車，不斷傳輸有關空間可用性和位置的實時數(shù)據(jù)。

5G 標準規(guī)范中體現(xiàn)的三項技術增強功能滿足了此應用和其他應用對延遲、密度和帶寬的要求：

用于實時控制系統(tǒng)的超可靠低延遲通信 （URLLC）

增強型移動寬帶 （eMBB），支持新的帶寬相關用例，包括增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實

用于低功耗、廣域無線網(wǎng)絡的增強型/大規(guī)模機器類型通信 （eMTC）

這些5G技術特性使其能夠支持工廠控制系統(tǒng)對實時確定性和六個九（99.9999%）可用性的要求。然而，大多數(shù)移動手機用戶訪問2G、3G或4G網(wǎng)絡的實際體驗仍然涉及覆蓋較弱或不存在的黑點，以及偶爾和不可預測的連接中斷。

替代成熟的4 mA至20 mA技術

盡管圍繞最先進的5G技術進行了所有炒作，但現(xiàn)實情況是，當今大多數(shù)過程設備安裝都包括通過成熟的有線4 mA至20 mA鏈路進行控制 - 這是一種可追溯到1950年代的成熟，可靠的技術。這說明了行業(yè)在實施關鍵任務或安全控制系統(tǒng)時對確定性和避免風險的需求。

但是，變革的浪潮不可能永遠被擊退，工廠運營方式的創(chuàng)新使控制系統(tǒng)設計人員有充分的理由評估4 mA至20 mA技術的替代方案。隨著工業(yè)4.0和其他全球現(xiàn)象加快了工廠運營的發(fā)展步伐，兩個趨勢正在推動新網(wǎng)絡技術的引入：自主移動機械的引入和更靈活的制造設施的開發(fā)，以滿足消費者對個性化或配置產(chǎn)品日益增長的需求。

在工廠和倉庫環(huán)境中，使用自動導引車（AGV）、協(xié)作機器人和其他類型的自主移動設備提供了一種提高效率和生產(chǎn)力的有效方法。隨著自動化設備承擔執(zhí)行重復性和平凡任務的負擔，工人可以自由地轉(zhuǎn)移到機器無法執(zhí)行的更高價值和更有趣的工廠操作。

AGV等新一代自主移動設備需要無線通信連接，為實時控制提供低延遲，高帶寬來傳輸來自多個傳感器（如LIDAR掃描儀和攝像機）的信號，以及高抗干擾能力，這是5G移動網(wǎng)絡的標志。

當工廠運營商用無線連接取代有線連接時，他們還可以靈活地快速重新配置工廠設備，以滿足消費者的新需求或變化需求。電子商務的興起提高了消費者對訂購產(chǎn)品的近乎即時交付的期望，以及從比以往更廣泛的產(chǎn)品選項中進行選擇的能力。更快、更輕松地移動生產(chǎn)或工藝設備的能力正在變得越來越有價值。固定的有線通信基礎設施不如設備可以從任何位置連接的無線網(wǎng)絡靈活。無線網(wǎng)絡還降低了安裝通信電纜所涉及的成本、不便和技術難度。

因此，從長遠來看，工廠運營商對無線控制功能以及已建立的有線通信技術的好處持開放態(tài)度。然而，在不久的將來，行業(yè)必須優(yōu)先考慮其最重要的要求，即：

高可靠性和可用性

安全

堅固耐用，可應對具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)操作條件

超低延遲

這些因素是工廠通信4 mA至20 mA標準壽命長的基礎。雖然工廠運營商正在尋求取代4 mA至20 mA技術，但他們目前的重點是實施有線工業(yè)以太網(wǎng)通信的時間敏感網(wǎng)絡（TSN）標準，而不是任何無線標準。

TSN已成為工廠中高帶寬有線數(shù)據(jù)通信的首選標準，因為它提供了可靠性，穩(wěn)健性，高數(shù)據(jù)傳輸速率，以微秒為單位的低延遲以及與企業(yè)IT網(wǎng)絡系統(tǒng)輕松集成的理想組合。

由于TSN規(guī)范是一個受益于跨行業(yè)支持的標準，它正在迅速開發(fā)一個由TSN元件和系統(tǒng)供應商組成的豐富生態(tài)系統(tǒng)，其中包括ADI公司。

OpenRAN：非公共網(wǎng)絡能夠驗證對5G性能的聲明

隨著TSN網(wǎng)絡的實施，通過實施無線網(wǎng)絡來加強工廠運營的范圍也在積極評估中。工業(yè)界的一些早期采用者已經(jīng)開始在工廠內(nèi)測試、驗證和評估5G網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行情況，同時用新的TSN以太網(wǎng)網(wǎng)絡取代傳統(tǒng)的4 mA至20 mA系統(tǒng)。此驗證過程將找到最適合5G技術的應用。

因此，工廠運營商現(xiàn)在開始測試5G規(guī)范的創(chuàng)新功能，例如大規(guī)模MIMO功能，即使用天線陣列在發(fā)射器和接收器之間提供多條物理傳輸路徑。陣列可以配置為形成多天線波束，傳輸?shù)蕉鄠€接收器。這允許實施信道強化、波束成形、快速信道估計和天線（空間）分集等技術，與 4G 移動網(wǎng)絡相比，其效果是顯著提高可靠性并減少延遲。

事實上，5G標準開發(fā)人員的目標之一是使無線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牧鶄€九可靠性，與有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡相當，相當于1：1，000，000的數(shù)據(jù)包錯誤率。延遲也只有1毫秒，這完全在很多工業(yè)控制應用的限制范圍內(nèi)。

問題是，在工廠內(nèi)部經(jīng)歷的真實條件下，通信設備可能會受到多種高振幅射頻干擾、瞬態(tài)電壓事件、高溫和其他干擾的影響，這種性能能否實現(xiàn)？

在驗證5G安裝的實際性能時，工廠系統(tǒng)設計人員有一個選擇：他們當然可以利用移動網(wǎng)絡服務提供商提供的5G覆蓋。但5G標準也規(guī)定了私有系統(tǒng)或所謂的非公共網(wǎng)絡（NPN）的實施，例如覆蓋工業(yè)園區(qū)或大型工廠綜合體。不同的工業(yè)用戶和用例將有利于不同的公共或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡選擇。

OpenRAN（開放式無線接入網(wǎng)絡）規(guī)范的移動網(wǎng)絡運營商的發(fā)展也促進了工廠中5G網(wǎng)絡的實施。這為5G無線電和核心設備打開了市場，除了傳統(tǒng)上服務于電信設備市場的供應商之外，還有更廣泛的供應商。這有可能擴大可用設備的選擇，以滿足與大眾市場公共網(wǎng)絡運營商不同的用例需求，并鼓勵專注于工業(yè)市場的供應商開發(fā)5G產(chǎn)品。

作為TSN設備和5G基礎設施制造商的物理層組件和協(xié)議軟件供應商，ADI公司非常適合評估每種技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用前景。雖然不久的將來屬于有線工業(yè)以太網(wǎng)技術，但很容易想象未來工廠內(nèi)的AGV和機器人通過5G網(wǎng)絡發(fā)送和接收時間和任務關鍵型數(shù)據(jù)有效載荷，而5G網(wǎng)絡覆蓋的可用性意味著這是一個實際的可能性，而不是理論上的可能性。

審核編輯：郭婷