產業計畫測試新5G行動技術的 Six Nines(99.9999%) 功能

作者:ADI工業自動化業務部總經理Brendan O'Dowd


在5G問世之前,每一代手機技術的主要目的都是在改良手機運行。第一代手機網路屬於類比系統,頻寬僅夠語音通話使用。2G是第一種數位行動技術,於20世紀90年代早期問世;3G於20世紀90年代晚期問世,允許手機傳輸電子郵件資訊,並提供對網頁的基本瀏覽。

直到2008年採用4G技術,智慧手機功能才真正實現:以4G行動寬頻為基礎,開發出智慧型手機應用、多媒體和串流傳輸服務,且可以隨時瀏覽高速互聯網路。

最近安裝的5G網路,則標示著新一代的行動技術以設備和系統需求為核心,而不是手機用戶。電信業的5G計畫設想在三個主要參數上實現技術突破:

  • 延遲、可靠性和確定性
  • 連接密度
  • 頻寬和資料傳輸速度

之所以提高這些參數的性能,是為了即時監測和控制同時通訊的設備的密集程度。例如,在智慧城市場景中,我們期望5G能夠即時提供街邊空餘停車格的位置資訊,並顯示在附近的車輛的導航系統中。這樣的智慧停車系統需要同時連接小範圍內的數千個接近感測器或攝影機以及數千輛汽車,不斷傳輸關於空餘停車位及其位置的即時資料。

該應用和其他應用對延遲、密度和頻寬的要求透過5G標準規範中的三項技術改良來滿足:

  • 即時控制系統的超可靠低延遲通訊(URLLC)
  • 增強型行動寬頻(eMBB),用於支援基於頻寬的新用例,包括擴增實境和虛擬實境
  • 針對低功率、廣域無線網路的增強/大型機器類通訊(eMTC)

這些5G技術特性使其能夠支援工廠控制系統對即時確定性和six nines(99.9999%) 可用性要求。但是,在現實生活中,大多數手機用戶在瀏覽2G、3G或4G網路時,仍然會遇到黑點(網路覆蓋較弱或不存在),偶爾還會發生意外離線。

So is there a realistic prospect

那麼,使用手機技術來連接任務關鍵型且對時間敏感的工業設備是否有前景?

取代成熟的4 mA至20 mA技術

儘管圍繞先進的5G技術進行了大肆宣傳,但現實情況是,如今的大部分製程設備裝置都透過成熟的有線4 mA至20 mA連結實施控制,這是20世紀50年代推出的技術,歷經考驗。這說明產業在執行任務關鍵型或安全關鍵型控制系統時,需要保證確定性,規避風險。

但是,改革浪潮無法阻擋,隨著工廠營運的方式不斷創新,控制系統設計人員開始評估可以替代4 mA至20 mA技術的技術。隨著工業4.0和全球局勢迫使工廠不斷改變營運方式,兩種趨勢迫切需要新的網路技術:引入自動行動設備;開發更彈性的製造設備以滿足消費者對個性化或配置產品不斷增加的需求。

工廠和倉庫環境中會使用無人搬運車(AGV)、協作機器人和其他類型的自主移動設備,以便快速提高效率和生產力。隨著自動化設備接手執行單調的重複性任務,工人可以轉而執行價值更高、更有趣且機器無法執行的工廠操作。

新一代自主行動裝置(例如AGV)需要低延遲無線通訊網路連接來提供即時控制,並需要高頻寬來傳輸來自多個感測器(例如LIDAR掃描器和攝影機)的訊號,且需要高抗擾度——這是5G行動網路的特點。

工廠營運商將有線連接取代為無線連接之後,也獲得了彈性,可以快速重新配置工廠設備,以滿足消費者的新需求。電子商務的興起提高了消費者的期望,他們希望購買的商品能夠近乎即時送達,且可挑選的商品目錄比以往更廣泛。更快速、更輕鬆地移動生產或製程設備,這種能力也在不斷升值。固定的有線通訊基礎設施不如無線網路彈性,後者支援從任意位置連接設備。無線網路減少了安裝通訊電纜時的成本、麻煩和技術難度。

因此長遠來看,在成熟的有線通訊技術之外,工廠營運商樂於接受無線控制網路帶來的好處。但是,在不久的將來,產業會優先考慮對其而言最重要的要求,包括:

  • 高可靠性和可用性
  • 安全性
  • 因應挑戰性工業操作條件的耐用性
  • 超低延遲

這些因素決定了4 mA至20 mA工廠通訊標準的使用期限。雖然工廠營運商希望替換4 mA至20 mA技術,但現在,他們傾向於針對有線工業乙太網路通訊的時間敏感性網路(TSN)標準,而不是無線技術。

TSN已成為工廠高頻寬有線資料通訊的優選標準,因為它兼具可靠性、耐用性、高資料傳輸速率、低延遲(以微秒為測量單位),且易於與企業IT網路系統整合。

TSN規範是一項得到跨產業支援的標準,所以它快速建立了豐富的TSN元件和系統供應商生態系統,也包ADI含在內。

OpenRAN:非公共網路支援驗證關於5G性能的言論

除了推行TSN網路外,我們也在積極評估透過採用無線網路來改善工廠營運的範圍。工業領域的一些早期採用者已開始測試、驗證和評估工廠內5G網路系統的運行效果,同時使用新推出的TSN乙太網路來取代傳統的4 mA至20 mA系統。這一項驗證過程將能找到最合適的5G技術應用。

工廠營運商現在已開始測試5G技術的創新特性,例如大規模MIMO功能——使用天線陣列在發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個天線波束,以發送至多個接收器。如此便可採用通道加固、波束成型、快速通道評估和天線(空間)分集等技術,與使用4G行動網路相比,可以明顯提高可靠性和降低延遲。

事實上,5G標準開發人員的目標之一是使無線網路在資料包傳輸方面達到99.9999%的可靠性,與有線乙太網路的可靠性相當,相當於資料封包的錯誤率為1:1,000,000。延遲達到1 ms也是可預期的,完全符合許多工業控制應用的要求。

但在真實工廠環境中,通訊設備可能受到多個高振幅射頻干擾源、瞬態電壓事件、高溫和其他干擾的影響,這種性能能否實現?

在驗證5G設備的真實性能時,工廠系統設計人員有一個選擇:利用行動網路服務提供商提供的5G覆蓋。但是,5G標準也為實施私有系統或所謂的非公開網路(NPN)做了規定,例如覆蓋工業園區或大型工廠的網路。不同的工業用戶和用例會選擇不同的公共網路或私人網路。

行動網路營運商制定OpenRAN(開放式無線存取網路)規範,這也推動了工廠的5G網路部署。除了傳統服務於電信設備市場的提供商之外,更多供應商即將進入5G射頻和核心設備市場。這有可能擴大可用設備的選擇範圍,滿足與大眾市場公共網路營運商不同的用例,鼓勵工業市場供應商開發5G產品。

作為為TSN設備和5G基礎設施製造商提供實體層元件和協定軟體的供應商,ADI可公正地評估用於實施工業控制系統的各種技術。雖然目前有線工業乙太網路技術仍占主導,但可以想像,未來工廠內的AGV和機器人將透過5G網路發送和接收時間關鍵型和任務關鍵型資料負載——5G網路的覆蓋表示這一夢想已經成為現實,不再是理論上的可能性。