5G技术在工业制造中的应用研究文档格式.docx

5G技术在工业制造中的应用研究文档格式.docx

《5G技术在工业制造中的应用研究文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5G技术在工业制造中的应用研究文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

移动技术对技术进步的需求呈现出不断增长的趋势。

从一开始，电子通信网络的设计、优化和尺寸确定就成为信息基础设施和电信发展不可分割的一部分。

这些网络问题已经转向4G/5G无线网络以及网络融合[1]。

由于这些移动网络的发展，当前的用户需求可以得到适当的服务，但是行业的利益相关者需要更高的数据传输速率。

为此，服务提供商已经做出了重大努力，以便在全国范围内的农村、郊区和工业区提供4G网络。

在机对机（MachinetoMachine，M2M）通信、物联网、大数据和智能工厂领域，4G很可能无法充分满足制造业和工业自动化技术不断增长的需求。

基于网络物理制造系统（CyberPhysicalManufacturingSystem，CPMS）的智能制造已成为当今世界的发展趋势，得到了世界各国的广泛认可。

从CPMS的发展趋势来看，工业物联网（IndustrialInternetofThings，IIoT）具有自动化、协同化、实时监控和智能连接控制等特点，是关键发展方向之一。

随着先进技术在制造业中的应用，在制造过程中会产生了大量的数据。

目前的移动技术、3G和4G等通信系统已经不能满足CPMS对高可靠性、高数据传输速率、低延迟等方面的要求，阻碍了CPMS的发展。

因此，效率的提升和持续的改进必须通过各种制造工艺的创新来实现。

例如，在不久的将来，机器人、仓库运输操作等将需要不断提升的数据传输效率来支撑。

因此，处于标准化状态的5G技术可能是制造领域能满足高数据传输率的关键技术，5G将为那些希望使用尖端技术并保持竞争力和盈利能力的制造商和电信运营商提供解决方案。

如果5G最终满足了利益相关者的期望，那么未来的生活将会大不相同。

通过新一代移动网络，可以选择建立智能工厂，并在故障排除中利用人工智能、自动化、物联网或增强现实等新技术。

5G最重要的技术要求是高可用性、低数据错误概率、高可靠性、超低延迟、极强的网络安全性、高连接密度和超大带宽[2]。

5G将在制造过程中提供实时控制，并在需要时保持不同操作位置之间的实时连接，并具有促进IIoT和CPMS的巨大潜力。

本文将说明5G技术如何改变制造业（如汽车工业、机器人技术、物流等）以及新的移动技术是否符合制造业、机器和用户不断增长的需求；

本文还将探讨促进工业部门发展的室内移动服务。

2 

制造业中的无线电系统

移动业务可分为室内系统和室外（宏）系统两部分。

如果由于场强、容量或质量问题，宏基站单元无法满足设施的需求，则需要室内系统。

室内基站包括独立的室内天线系统和其他确保制造设施的移动通信系统。

大型建筑可能对移动网络容量有很高的需求，因此这些室内系统应该得到实施以确保在2G、3G和4G网络上有良好的覆盖率、容量和质量。

目前，制造商在整个制造过程中都依赖于固定线路网络，这些固定线路不灵活、成本高，因此室内系统应推广应用移动通信技术。

4G能够提供高数据速率，但工业利益相关者也必须考虑是否应用有线或无线技术。

无线电基站是接入网，有3个重要组成部分：

第一个是基带单元（BasebandUnit，BBU），具有适当的硬件、软件并能确保上行链路和下行链路的基带处理；

第二个是远程无线电单元（RemoteRadioUnit，RRU）包含一个无线电频率发射机和接收机。

此放大器设备负责确保适当的功率，并通过光纤连接到BBU；

第三个是同轴电缆（“跨接”电缆），同轴电缆设置在RRU和无源天线之间，给定技术的无线电波通过天线以适当的特性发射，图1给出了无线电基站的基本要素。

图1 

无线电基站要素 

2.1 

室外无线电系统如图2所示，无线电基站设备最常用的结构是格子塔、单极塔和木塔3种，其中格子塔的应用最广泛，单极塔和木塔的承载能力相对较小，需要的物理空间也较小，施工相对容易，而美学上看起来是离散的，木塔在自然保护区被广泛使用。

图2 

基站（格子塔、单极塔、木塔）

在农村环境中，由于立法的要求，无线电基站的建造可能会很复杂。

因此，移动服务提供商通常选择迁入现有对象，而不是建造新的基站。

如有些寺庙、筒仓或水塔由于高度足够，能够确保移动服务的覆盖范围和质量，因此基站可以依托它们来建（见图3）。

图3 

基站对象（寺庙、水塔）

在城市环境中，建设基站也面临同样的困难。

在城市地区，由于地方当局的规定和可能的居民投诉，很少建造无线电基站。

因此，为确保移动服务的覆盖范围，好的方法是如图4所示，选择在现有建筑对象（如屋顶、工业烟囱、路灯柱等）上建基站。

图4 

基站对象（灯柱、屋顶、屋顶下）

2.2 

室内无线电系统如果宏（室外）网络不能保证建筑物内的移动覆盖，则需要一个室内无线网络系统。

例如，如果基站离目标建筑物太远，无线电信号将不能穿透进入建筑物的室内。

在这种情况下，需要在建筑物室内安装无线电系统，以确保移动服务足够的覆盖范围和质量。

室内无线设备与室外基站相同，也有BBU、RRU和天线系统，主要区别是室内无线系统集成了更多的天线和无源设备。

另一个不同之处是，室内基站使用更长的同轴电缆，导致无线电信号衰减更多，并降低了信噪比（Signal-NoiseRatio，SNR）。

然而，基站收发子系统（BaseStationTransceiver，BTS）与终端用户之间的距离很小，因此较长的同轴电缆不会对特定点的服务造成影响。

对于室外基站，一个RRU只给一个天线供电，RRU安装在天线附近，并通过短馈线同轴电缆连接到天线；

而在室内基站中，一般为整个室内移动系统安装一个RRU，供大量天线使用。

信号可以到达所有的天线使用无源元件，如分路器和耦合器。

RRU与一个称为混合矩阵的无源元件相连接，此无源元件用于连接不同的技术和不同的RRU，以便将所有的技术放在一根同轴电缆中，电缆被连接到室内系统的所有天线上。

分路器用于将无线电信号分成两个方向，耦合器可以不平衡的功率分配信号，这点在给定方向天线较多的情况下非常重要。

3 

宽带移动网络

3.1 

3G网络3G网络是单频宽带网络，即每一个3G移动蜂窝在同一个宽带频率上工作，并且相互干扰，周围小区之间也会干扰，因此信噪比受到很大影响。

所以应考虑增加3G蜂窝，同时减少3G蜂窝服务区的重叠和干扰，以接近理论上数据传输速率最优值。

室内系统由3G蜂窝来满足建筑物、工厂或其他工业设施的需求，网络延迟约100ms~500ms。

3G蜂窝技术可以达到的理论最大下载速度为42Mbit/s。

3.2 

4G网络4G网络与3G网络基本相似，每个4G蜂窝使用相同的宽带频率并相互干扰[3]。

4G的规划策略也与3G类似，如应最大化信噪比、最小化重叠和干扰，以达到理论上最大数据传输速率，网络延迟约10ms。

4G网络下与频率相关的理论数据传输速率如图5所示。

图5 

LTE-Advanced理论数据传输速率

3.3 

5G网络第五代移动网络的标准化进程正在进行中，电信市场的各方都密切参与了这项合作，预计到2020年5G将被首次发布[4]。

5G网络的分配频率将高于3G和4G网络。

移动通信使用的最高频段之一是2600MHz，但分配给5G技术的主要频段预计将在6GHz。

就移动服务而言，这是一个相对较高的频段范围。

无线电信号的传播随着频率的增加而减弱，通过物体和材料的传播衰减也会更大。

为了确保5G网络全国覆盖，基站数量应该增加，这可能意味着移动运营商在接入、核心和传输网络方面将作出很大的投入。

假设700MHz和3500MHz频段也将用于5G网络，那么700MHz频段对于实现全国范围或室内的信号覆盖将起到至关重要的作用。

5G将为许多领域以及制造业提供新的变革，其最重要的贡献是近实时的通信。

5G技术的数据传输速率预计为10Gbit/s~20Gbit/s，5G蜂窝容量将是3G和4G蜂窝容量总和的1000倍以上。

与4G相比，5G网络的复杂度会降低，5G设备的电池预计将使用4G终端设备所需能量的100%。

5G也被期望服务于机器设备行业，截止到2020年，使用5G技术的机器设备数量将增加到数百亿台。

图6所示为现有移动技术的数据传输速率比较详情。

图6 

3G、4G、5G数据传输速率对比 

4 

5G+工业制造 

通过安装室内无线电系统，5G将有足够的信号覆盖范围，并为制造业带来变革。

5G具有超低的网络延迟、极高的容量、超高可的靠性、极高的带宽和连接密度、极低的设备成本和能耗，能够很好地为制造业互联系统服务。

经验证，目前只有有线系统能够实现5G的技术优势，而现有的移动技术并不能实现，因此现实中制造商主要依赖有线技术来提供服务。

相对于有线技术，5G能够提供更高的灵活性、更低的成本和零延迟的信号，因此5G在制造业中的应用具有更好的前景。

5G有望推动数字化进程，从孤立系统链接到大数据集成。

随着5G的不断扩展，其他潜在的工业用途也将出现，如智能工厂、增强现实辅助维护等。

预计到2020年年底，全球将有超过500亿个低成本传感器接入互联网，这些传感器能够以前所未有的高速度收集、感知和传输数据。

当前的移动技术旨在提高频谱效率，满足用户高带宽需求，而5G技术发展的驱动力来源于各种新涌现的用户需求案例。

5G蜂窝系统将成为机器类通信（MachineTypeofCommunication，MTC）的一个新范式，同时也能满足对人流量的需求。

MTC将包含多种概念，如工业4.0、物联网、智能功能等。

每一个概念都有自己的功能要求，从有限的能源消耗、传感器集成的智能城市到具有无线传递、零延迟的智能化工厂，5G需要综合考虑这些方面的需求，才能成为未来产业广泛使用的技术。

4.1 

大规模机器通信机器类通信系统（MachineTypeofCommunicationSystem，MTCs）在5G通信方面具有重要意义，它定义了与3GPP相关的大规模机器类型通信（MassiveMachineTypeofCommunication，mMTC）和超可靠机器类型通信（Ultra-reliableMachineTypeofCommunication，uMTC）。

mMTC可以实现数百亿台机器设备的无线连接，uMTC能够实现连接的高可靠性与低延迟性。

在mMTC中，人们关注的焦点是短数据包发送终端的高效连接，而这一问题目前还没有在人型通信的移动网络中得到解决。

mMTC需要足够的广域覆盖，并且广域覆盖能够在建筑物内使用，同时还要求具有节能和低成本的特点。

对于mMTC一个很好的例子是从大量传感器中收集测量数据，uMTC的典型例子是交通设备通信和工业控制应用。

在传统的4G技术中，用户主要关注高的数据传输速率下进行人型通信与大数据包下载的体验，而随着M2M通信和5G的出现，用户的需求正在发生变化。

4.2 

工业4.0正处于新的工业革命边缘的今天，工业4.0正在促进真实网络和虚拟网络的合并。

工业4.0是网络和生产中的物联网，连接产品、机械和人员系统，以实现大部分自动化流程，形成一个包括最初的想法、设计、开发和制造、维护、服务和回收每个阶段的系统。

在工业4.0中，所有作业过程都是完全集成的，并可实时相互连接。

如今，电子、IT和蒸汽机正被智能互联系统所取代，这些系统正在从根本上改变生产方式。

就整个价值链而言，智能互联系统将有可能实现大多数流程的自动化。

机器之间通过使用传感器收集数据