5G为制造业带来机遇,但也面临技术难题

佚名
2020-05-11
来源:中国传动网

一、5G概述:

第五代移动通信技术,简称5G,是最新一代蜂窝移动通信技术,继4G、3G和2G系统后的延伸。在这种网络中,供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样,当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时,他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。

从技术层面上看,5G技术通过大规模天线、边缘计算、网络功能虚拟化等一系列硬件和软件技术创新,各项性能指标都比4G有大幅提升,具备“超可靠、低时延、广覆盖、大连接”等特点;从业务体系看,5G将全面向互联网化发展,从过去的封闭性、专用性变为强调开放性与通用性;从应用场景看,前四代技术主要是面向个人通信,5G将扩展到产业互联网和智慧城市应用。

二、5G产业链

2020年3月,工信部表示,今年5G网络建设将加速又加量,预计三大运营商今年年底前将开通60万5G基站。从5G基站的建设需求来看,5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式。根据赛迪顾问发布的《2018年中国5G产业与应用发展白皮书》,预计5G宏站增量将达到360-500万个,小基站数量将达到720-1000万个,合计基站总数量将是4G基站的3.3-4.6倍,将会带来一轮原有基站改造和新基站建设热潮。

5G基站主要分类

从5G基站产业链来看,上游基站主设备包括了基站天线、基站射频、基站光模块和小微基站;基站射频器件包含滤波器、功放、PCB、集成功率放大器(PA)和天线振子;传输设备包括光纤光缆、光模块、有源/无源/半有源波分以及SDN/NFV解决方案。中游通信运营商负责基站维护以及收取使用费用等;下游应用包括终端设备及应用厂商,涉及工业互联网、物联网、智能装备、手机/移动终端等。

在5G基站主设备中,印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)作为最基础的连接装置将被广泛使用。PCB是指在基材上按照预先设计好的形成点之间连接和印刷元件的基板。PCB的功能是让电子元器件按照预定电路连接(就是关键互连件)。首先5G基站的天线阵子需要使用PCB作为连接;其次5G基站的滤波器等元器件将大幅增加,需要使用一块单独的PCB来连接这些元器件;最后5G基站的CU/DU等部分也需要使用PCB。5G 建设初期,对于PCB 的需求增量直接体现在无线网和传输网上,对PCB 背板、高频板、高速多层板的需求较大。

5G产业链的下游应用场景主要包含增强移动宽带 eMBB、大连接物联网 mMTC、超高可靠超低时延通信uRLLC。我国IMT-2020(5G)推进小组发布的《5G概念白皮书》中也明确了四大应用场景:连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠。

在消费领域,5G应用场景有远程医疗、自动驾驶、无人机高清航拍、实时直播、多人影像投射同步在线、智慧零售等,这些都是在4G时代的基础上更进一步改善使用体验,并没有带来颠覆性的变化。更多的是通过新技术新概念带动消费升级,促进了4G智能手机等消费电子的更新换代,5G智能手机上下游产业链迎来发展新机遇,如上游的摄像头光学、功率半导体、PCB板等。

在工业领域,5G基本能满足工业自动化中对无线通信低延迟、高可靠性、低成本的要求,适用于AGV控制、视觉信号传递、柔性生产线等大部分应用场景。我国现在工业分类中有39个工业大类,具备大而全的完整工业体系,不同工业门类对5G需求也各不相同,更多应用场景还在探索当中。

5G与工业互联网的融合发展,被认为是我国把握第四次工业革命历史机遇,在全球新一轮科技产业竞争中占据先机的重要一环。我国“5G+工业互联网”已经在工业制造、能源电网、智慧港口等领域开启了探索之路,应用已逐渐由巡检、监控等外围环节向生产控制、质量检测等生产内部环节延伸。

在5G产业网络中,处于关键位置的产品主要有通信设备、电子电路、半导体芯片、电子制造、电路元件、电线电缆、电子元件、传感器等产品。在5G产业的布局中,围绕这些重点关键性产品进行布局,能够较好地支撑起5G产业网络,形成产业集群,从而推动产业发展。

三、5G面临的技术难题

5G网络技术面临着很多挑战,中国工程院院士邬贺铨曾感叹:“5G标准很理想,但网络现实很骨感。”尤其是在工业领域的应用,5G还有很长的一段路要走。

5G具有具备高网速(最快可达每秒 10G 数据传输)、大带宽(满足海量设备接入)、低延时(空口对空口小于 1ms 时延,同步精度达到 100ns,抖动小于 100ns)、高可靠(稳定性可达到 99.999%)、低功耗等优点,但这些优点并不能全部同时发挥作用。这些性能指标之间常常存在着一定程度的此消彼长、相互权衡的关系,一个维度性能的优化往往会导致另一个维度性能的退化。因此只能通过切片技术来实现选择保留一部分、牺牲一部分,以合理权衡与协调各性能指标实现之间的关系。

通过网络切片管理为每一个业务组织形成一个VPN(虚拟专用网络),这是一个非常好的想法,但实际上这种全链路的VPN很难。把网络切片向大客户开放,由客户发现、选择、生成和管理VPN,给大客户提供按需实时动态调整的权利,但VPN并不能实现跨运营商。可取的办法是只是对时延、丢包率、可靠性有比较严格的业务提供网络切片。

目前,满足R15标准的5G在低时延这一性能上,无法满足运动控制伺服电机的要求。5G的1ms时延是指从端口到相邻端口的时间,而不是通常意义上的从控制器到控制器的时间,如果整个控制回路全部用5G,那么时延还要更长。华为XLab 实验室与倍福工业联合开发的测试平台得出结果表明,采用5G通信实现从PLC到PLC的数据传输,时延是10mS。据业内人士预测,即使是最终版本R17标准,能达到5mS延迟就算是比较理想的状态,而伺服要求时延控制在2ms以内。

小结:

在中国积极推进数字产业化、产业数字化,引导数字经济和实体经济深度融合之际,5G技术是不可或缺的关键基础设施。同时,我们也要看到,5G技术在仍有部分局限性,期待有更多的企业探索5G的关键技术及行业应用。当5G与云计算、AR/VR、人工智能、大数据、机器人、远程控制、传感器等其他新一代信息技术深度融合后,能够满足超高清视频传送、智能制造、智能交通、远程医疗、智慧城市、VR/AR等新兴业务对移动网络的需求,成为数字化社会转型的基础。

来源:中国传动网 肖滢


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