1引言
移動技術對技術進步的需求呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。從一開始，電子通信網(wǎng)絡的設計、優(yōu)化和尺寸確定就成為信息基礎設施和電信發(fā)展不可分割的一部分。這些網(wǎng)絡問題已經(jīng)轉(zhuǎn)向4G/5G無線網(wǎng)絡以及網(wǎng)絡融合[1]。由于這些移動網(wǎng)絡的發(fā)展，當前的用戶需求可以得到適當?shù)姆?，但是行業(yè)的利益相關者需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。為此，服務提供商已經(jīng)做出了重大努力，以便在全國范圍內(nèi)的農(nóng)村、郊區(qū)和工業(yè)區(qū)提供4G網(wǎng)絡。
在機對機（Machine to Machine，M2M）通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能工廠領域，4G很可能無法充分滿足制造業(yè)和工業(yè)自動化技術不斷增長的需求?；诰W(wǎng)絡物理制造系統(tǒng)（Cyber Physical Manufacturing System，CPMS）的智能制造已成為當今世界的發(fā)展趨勢，得到了世界各國的廣泛認可。從CPMS的發(fā)展趨勢來看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）具有自動化、協(xié)同化、實時監(jiān)控和智能連接控制等特點，是關鍵發(fā)展方向之一。隨著先進技術在制造業(yè)中的應用，在制造過程中會產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。目前的移動技術、3G和4G等通信系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足CPMS對高可靠性、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲等方面的要求，阻礙了CPMS的發(fā)展。因此，效率的提升和持續(xù)的改進必須通過各種制造工藝的創(chuàng)新來實現(xiàn)。例如，在不久的將來，機器人、倉庫運輸操作等將需要不斷提升的數(shù)據(jù)傳輸效率來支撐。因此，處于標準化狀態(tài)的5G技術可能是制造領域能滿足高數(shù)據(jù)傳輸率的關鍵技術，5G將為那些希望使用尖端技術并保持競爭力和盈利能力的制造商和電信運營商提供解決方案。如果5G最終滿足了利益相關者的期望，那么未來的生活將會大不相同。通過新一代移動網(wǎng)絡，可以選擇建立智能工廠，并在故障排除中利用人工智能、自動化、物聯(lián)網(wǎng)或增強現(xiàn)實等新技術。5G最重要的技術要求是高可用性、低數(shù)據(jù)錯誤概率、高可靠性、超低延遲、極強的網(wǎng)絡安全性、高連接密度和超大帶寬[2]。5G將在制造過程中提供實時控制，并在需要時保持不同操作位置之間的實時連接，并具有促進IIoT和CPMS的巨大潛力。
本文將說明5G技術如何改變制造業(yè)（如汽車工業(yè)、機器人技術、物流等）以及新的移動技術是否符合制造業(yè)、機器和用戶不斷增長的需求；本文還將探討促進工業(yè)部門發(fā)展的室內(nèi)移動服務。
2制造業(yè)中的無線電系統(tǒng)
移動業(yè)務可分為室內(nèi)系統(tǒng)和室外（宏）系統(tǒng)兩部分。如果由于場強、容量或質(zhì)量問題，宏基站單元無法滿足設施的需求，則需要室內(nèi)系統(tǒng)。室內(nèi)基站包括獨立的室內(nèi)天線系統(tǒng)和其他確保制造設施的移動通信系統(tǒng)。大型建筑可能對移動網(wǎng)絡容量有很高的需求，因此這些室內(nèi)系統(tǒng)應該得到實施以確保在2G、3G和4G網(wǎng)絡上有良好的覆蓋率、容量和質(zhì)量。目前，制造商在整個制造過程中都依賴于固定線路網(wǎng)絡，這些固定線路不靈活、成本高，因此室內(nèi)系統(tǒng)應推廣應用移動通信技術。4G能夠提供高數(shù)據(jù)速率，但工業(yè)利益相關者也必須考慮是否應用有線或無線技術。
無線電基站是接入網(wǎng)，有3個重要組成部分：第一個是基帶單元（Baseband Unit，BBU），具有適當?shù)挠布?、軟件并能確保上行鏈路和下行鏈路的基帶處理；第二個是遠程無線電單元（Remote Radio Unit，RRU）包含一個無線電頻率發(fā)射機和接收機。此放大器設備負責確保適當?shù)墓β?，并通過光纖連接到BBU；第三個是同軸電纜（“跨接”電纜），同軸電纜設置在RRU和無源天線之間，給定技術的無線電波通過天線以適當?shù)奶匦园l(fā)射，圖1給出了無線電基站的基本要素。
圖1無線電基站要素
2.1室外無線電系統(tǒng)
如圖2所示，無線電基站設備最常用的結(jié)構(gòu)是格子塔、單極塔和木塔3種，其中格子塔的應用最廣泛，單極塔和木塔的承載能力相對較小，需要的物理空間也較小，施工相對容易，而美學上看起來是離散的，木塔在自然保護區(qū)被廣泛使用。
圖2基站（格子塔、單極塔、木塔）
在農(nóng)村環(huán)境中，由于立法的要求，無線電基站的建造可能會很復雜。因此，移動服務提供商通常選擇遷入現(xiàn)有對象，而不是建造新的基站。如有些寺廟、筒倉或水塔由于高度足夠，能夠確保移動服務的覆蓋范圍和質(zhì)量，因此基站可以依托它們來建（見圖3）。
圖3基站對象（寺廟、水塔）
在城市環(huán)境中，建設基站也面臨同樣的困難。在城市地區(qū)，由于地方當局的規(guī)定和可能的居民投訴，很少建造無線電基站。因此，為確保移動服務的覆蓋范圍，好的方法是如圖4所示，選擇在現(xiàn)有建筑對象（如屋頂、工業(yè)煙囪、路燈柱等）上建基站。
圖4基站對象（燈柱、屋頂、屋頂下）
2.2室內(nèi)無線電系統(tǒng)
如果宏（室外）網(wǎng)絡不能保證建筑物內(nèi)的移動覆蓋，則需要一個室內(nèi)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。例如，如果基站離目標建筑物太遠，無線電信號將不能穿透進入建筑物的室內(nèi)。在這種情況下，需要在建筑物室內(nèi)安裝無線電系統(tǒng)，以確保移動服務足夠的覆蓋范圍和質(zhì)量。室內(nèi)無線設備與室外基站相同，也有BBU、RRU和天線系統(tǒng)，主要區(qū)別是室內(nèi)無線系統(tǒng)集成了更多的天線和無源設備。另一個不同之處是，室內(nèi)基站使用更長的同軸電纜，導致無線電信號衰減更多，并降低了信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）。然而，基站收發(fā)子系統(tǒng)（Base Station Transceiver，BTS）與終端用戶之間的距離很小，因此較長的同軸電纜不會對特定點的服務造成影響。對于室外基站，一個RRU只給一個天線供電，RRU安裝在天線附近，并通過短饋線同軸電纜連接到天線；而在室內(nèi)基站中，一般為整個室內(nèi)移動系統(tǒng)安裝一個RRU，供大量天線使用。信號可以到達所有的天線使用無源元件，如分路器和耦合器。RRU與一個稱為混合矩陣的無源元件相連接，此無源元件用于連接不同的技術和不同的RRU，以便將所有的技術放在一根同軸電纜中，電纜被連接到室內(nèi)系統(tǒng)的所有天線上。分路器用于將無線電信號分成兩個方向，耦合器可以不平衡的功率分配信號，這點在給定方向天線較多的情況下非常重要。
3寬帶移動網(wǎng)絡
3.1 3G網(wǎng)絡
3G網(wǎng)絡是單頻寬帶網(wǎng)絡，即每一個3G移動蜂窩在同一個寬帶頻率上工作，并且相互干擾，周圍小區(qū)之間也會干擾，因此信噪比受到很大影響。所以應考慮增加3G蜂窩，同時減少3G蜂窩服務區(qū)的重疊和干擾，以接近理論上數(shù)據(jù)傳輸速率最優(yōu)值。室內(nèi)系統(tǒng)由3G蜂窩來滿足建筑物、工廠或其他工業(yè)設施的需求，網(wǎng)絡延遲約100 ms~500 ms。3G蜂窩技術可以達到的理論最大下載速度為42 Mbit/s。
3.2 4G網(wǎng)絡
4G網(wǎng)絡與3G網(wǎng)絡基本相似，每個4G蜂窩使用相同的寬帶頻率并相互干擾[3]。4G的規(guī)劃策略也與3G類似，如應最大化信噪比、最小化重疊和干擾，以達到理論上最大數(shù)據(jù)傳輸速率，網(wǎng)絡延遲約10 ms。4G網(wǎng)絡下與頻率相關的理論數(shù)據(jù)傳輸速率如圖5所示。
圖5 LTE-Advanced理論數(shù)據(jù)傳輸速率
3.3 5G網(wǎng)絡
第五代移動網(wǎng)絡的標準化進程正在進行中，電信市場的各方都密切參與了這項合作，預計到2020年5G將被首次發(fā)布[4]。5G網(wǎng)絡的分配頻率將高于3G和4G網(wǎng)絡。移動通信使用的最高頻段之一是2600 MHz，但分配給5G技術的主要頻段預計將在6 GHz。就移動服務而言，這是一個相對較高的頻段范圍。無線電信號的傳播隨著頻率的增加而減弱，通過物體和材料的傳播衰減也會更大。為了確保5G網(wǎng)絡全國覆蓋，基站數(shù)量應該增加，這可能意味著移動運營商在接入、核心和傳輸網(wǎng)絡方面將作出很大的投入。假設700 MHz和3500 MHz頻段也將用于5G網(wǎng)絡，那么700 MHz頻段對于實現(xiàn)全國范圍或室內(nèi)的信號覆蓋將起到至關重要的作用。
5G將為許多領域以及制造業(yè)提供新的變革，其最重要的貢獻是近實時的通信。5G技術的數(shù)據(jù)傳輸速率預計為10 Gbit/s~20 Gbit/s，5G蜂窩容量將是3G和4G蜂窩容量總和的1000倍以上。與4G相比，5G網(wǎng)絡的復雜度會降低，5G設備的電池預計將使用4G終端設備所需能量的100%。5G也被期望服務于機器設備行業(yè)，截止到2020年，使用5G技術的機器設備數(shù)量將增加到數(shù)百億臺。圖6所示為現(xiàn)有移動技術的數(shù)據(jù)傳輸速率比較詳情。
圖6 3G、4G、5G數(shù)據(jù)傳輸速率對比
4 5G+工業(yè)制造
通過安裝室內(nèi)無線電系統(tǒng)，5G將有足夠的信號覆蓋范圍，并為制造業(yè)帶來變革。5G具有超低的網(wǎng)絡延遲、極高的容量、超高可的靠性、極高的帶寬和連接密度、極低的設備成本和能耗，能夠很好地為制造業(yè)互聯(lián)系統(tǒng)服務。經(jīng)驗證，目前只有有線系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)5G的技術優(yōu)勢，而現(xiàn)有的移動技術并不能實現(xiàn)，因此現(xiàn)實中制造商主要依賴有線技術來提供服務。相對于有線技術，5G能夠提供更高的靈活性、更低的成本和零延遲的信號，因此5G在制造業(yè)中的應用具有更好的前景。5G有望推動數(shù)字化進程，從孤立系統(tǒng)鏈接到大數(shù)據(jù)集成。隨著5G的不斷擴展，其他潛在的工業(yè)用途也將出現(xiàn)，如智能工廠、增強現(xiàn)實輔助維護等。預計到2020年年底，全球?qū)⒂谐^500億個低成本傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)，這些傳感器能夠以前所未有的高速度收集、感知和傳輸數(shù)據(jù)。
當前的移動技術旨在提高頻譜效率，滿足用戶高帶寬需求，而5G技術發(fā)展的驅(qū)動力來源于各種新涌現(xiàn)的用戶需求案例。5G蜂窩系統(tǒng)將成為機器類通信（Machine Type of Communication，MTC）的一個新范式，同時也能滿足對人流量的需求。MTC將包含多種概念，如工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)、智能功能等。每一個概念都有自己的功能要求，從有限的能源消耗、傳感器集成的智能城市到具有無線傳遞、零延遲的智能化工廠，5G需要綜合考慮這些方面的需求，才能成為未來產(chǎn)業(yè)廣泛使用的技術。
4.1大規(guī)模機器通信
機器類通信系統(tǒng)（Machine Type of Communication System，MTCs）在5G通信方面具有重要意義，它定義了與3GPP相關的大規(guī)模機器類型通信（Massive Machine Type of Communication，mMTC）和超可靠機器類型通信（Ultra-reliable Machine Type of Communication，uMTC）。mMTC可以實現(xiàn)數(shù)百億臺機器設備的無線連接，uMTC能夠?qū)崿F(xiàn)連接的高可靠性與低延遲性。在mMTC中，人們關注的焦點是短數(shù)據(jù)包發(fā)送終端的高效連接，而這一問題目前還沒有在人型通信的移動網(wǎng)絡中得到解決。mMTC需要足夠的廣域覆蓋，并且廣域覆蓋能夠在建筑物內(nèi)使用，同時還要求具有節(jié)能和低成本的特點。對于mMTC一個很好的例子是從大量傳感器中收集測量數(shù)據(jù)，uMTC的典型例子是交通設備通信和工業(yè)控制應用。在傳統(tǒng)的4G技術中，用戶主要關注高的數(shù)據(jù)傳輸速率下進行人型通信與大數(shù)據(jù)包下載的體驗，而隨著M2M通信和5G的出現(xiàn)，用戶的需求正在發(fā)生變化。
4.2工業(yè)4.0
正處于新的工業(yè)革命邊緣的今天，工業(yè)4.0正在促進真實網(wǎng)絡和虛擬網(wǎng)絡的合并。工業(yè)4.0是網(wǎng)絡和生產(chǎn)中的物聯(lián)網(wǎng)，連接產(chǎn)品、機械和人員系統(tǒng)，以實現(xiàn)大部分自動化流程，形成一個包括最初的想法、設計、開發(fā)和制造、維護、服務和回收每個階段的系統(tǒng)。在工業(yè)4.0中，所有作業(yè)過程都是完全集成的，并可實時相互連接。如今，電子、IT和蒸汽機正被智能互聯(lián)系統(tǒng)所取代，這些系統(tǒng)正在從根本上改變生產(chǎn)方式。就整個價值鏈而言，智能互聯(lián)系統(tǒng)將有可能實現(xiàn)大多數(shù)流程的自動化。機器之間通過使用傳感器收集數(shù)據(jù)并進行相互通信和自主決策。在數(shù)字化的基礎上，面向未來的技術和“智能”對象領域的互聯(lián)網(wǎng)技術的結(jié)合，導致了工業(yè)生產(chǎn)的根本轉(zhuǎn)變，包含了高效和模塊化的制造系統(tǒng)，并描述了產(chǎn)品控制生產(chǎn)鏈的場景。
4G室內(nèi)系統(tǒng)只能在幾十毫秒的往返延遲下運行，相當于網(wǎng)絡蜂窩與云服務器通信的時間。如圖7所示，下一步系統(tǒng)的發(fā)展可能是將每個機器人控制器中的控制功能（如任務計劃器、軌跡規(guī)劃器、反向運動學）也移動到云中。為了實現(xiàn)這一目標，延遲需控制在5 ms內(nèi)，但4G技術不能滿足這一要求，只能由下一代移動網(wǎng)絡5G技術來解決，最后一步則是將機器人的控制回路也移入云中。
圖7云控制的虛擬化：邁向5G支持的云機器人
在工業(yè)4.0中，重點不再放在工業(yè)作業(yè)上，而是放在IT系統(tǒng)、機器人、自動環(huán)境和效率上。工業(yè)4.0的技術基礎是信息物理系統(tǒng)（CYBER Physical System，CPS），CPS通過物聯(lián)網(wǎng)相互通信。第四次工業(yè)革命在信息、操作和通信技術方面對社會和全球經(jīng)濟產(chǎn)生了巨大影響。工業(yè)4.0將提供一個使生產(chǎn)和控制設備在不需要人工干預的情況下自動協(xié)調(diào)和組織的生產(chǎn)環(huán)境，代表著從傳統(tǒng)自動化到生產(chǎn)停機時間更少、能力更強的全連接系統(tǒng)的飛躍。實時調(diào)整和獲取信息的能力可以使智能工廠更高效、更主動、更具預測性，并能夠避免停機。根據(jù)這一點，產(chǎn)品和生產(chǎn)設備也將相互通信，并且產(chǎn)品本身可通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）芯片為生產(chǎn)設備提供信息?；谶@些數(shù)據(jù)，產(chǎn)品能夠沿著生產(chǎn)線運輸并控制生產(chǎn)的各個階段。隨著這一改進，一個全自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、集成的機器控制將達到一個新階段。隨著5G的使用，產(chǎn)品的設計將更加高效，還將實現(xiàn)低延遲、高數(shù)據(jù)流量和高容量，因此5G將能夠滿足智能工廠和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)服務的需求。通過創(chuàng)新工具、高級分析、云計算平臺和傳感器，5G將推動生產(chǎn)設施數(shù)字化改造為智能工廠的進程。對于智能工廠，無線傳感器和寬帶網(wǎng)絡（如4G和5G）的結(jié)合發(fā)揮了關鍵作用，它們可以從生產(chǎn)線收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)，以便進行持續(xù)監(jiān)控。從商業(yè)潛力、機器學習、大數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺來看，工業(yè)4.0可能是5G技術的主要用戶之一。因為5G能夠保證工廠物流與產(chǎn)品、人類和機器人之間的實時通信[5]。
工業(yè)4.0帶來的變革是人機交互的出現(xiàn)，因此機器人可以支持人類執(zhí)行不同的動作，并具有高可靠性和安全性，還能夠解釋直接的用戶指令。而今，利用人類智慧和人工智能的結(jié)合，學習創(chuàng)造出能夠提供高水平工業(yè)自動化的解決方案已經(jīng)成為可能。通過對制造過程的革命，人類將在下一階段實現(xiàn)工業(yè)4.0，而5G網(wǎng)絡將在所有構(gòu)建塊中提供支持。5G技術包括大數(shù)據(jù)分析、云計算、IT能力，將在工業(yè)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關鍵作用。
4.3智能工廠
智能工廠這個詞在工業(yè)和科學領域都在使用，這個概念是在一個即將到來的技術發(fā)展的漫長道路上解決的多維問題。智能工廠的概念定義是：一種制造解決方案，它允許自適應和靈活的生產(chǎn)過程，能夠解決邊界條件快速動態(tài)變化的生產(chǎn)設施上出現(xiàn)的問題。其解決方案可以是硬件、軟件（自動化）的結(jié)合，從而減少不必要的資源和勞動力浪費。技術和網(wǎng)絡系統(tǒng)的迅速發(fā)展能夠使智能機器在某些情況下具有思考、記憶和給出解決方案的能力。這些智能機器塑造了工作、生產(chǎn)系統(tǒng)和制造過程。智能機器還需要智能產(chǎn)品，這樣生產(chǎn)歷史直接記錄在產(chǎn)品上，使制造過程更加高效。智能產(chǎn)品的重點是傳遞有關生產(chǎn)階段和產(chǎn)品本身特性的信息。智能傳感器作為一種無源器件，如電阻，其值隨外界激勵的變化而變化，直接影響著計算機技術的發(fā)展。智能傳感器能夠根據(jù)信息做出邏輯決策，并據(jù)此執(zhí)行動作，還能夠?qū)⑿畔魉偷礁叩膶哟?。為了滿足日益復雜的應用需求，智能傳感器制造商努力降低生產(chǎn)成本。物聯(lián)網(wǎng)在新的無線通信場景中正迅速占據(jù)一席之地，物聯(lián)網(wǎng)的基本思想是傳感器、手機等，能夠?qū)崿F(xiàn)相互間的互聯(lián)和協(xié)作。
5結(jié)束語
本文從制造、室外和室內(nèi)無線電系統(tǒng)以及現(xiàn)有和未來的移動技術等方面對移動通信進行了分析。制造業(yè)對創(chuàng)新的需求是無限的，因此服務提供商和工業(yè)設施必須采用最先進的技術和功能，才能保持競爭力，跟上不斷增長的數(shù)據(jù)流量和容量的趨勢。5G將為制造過程帶來新的解決方案，并以優(yōu)異的質(zhì)量為關鍵系統(tǒng)提供服務，這也意味著工廠將把固定的有線系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌途W(wǎng)絡延遲、超高容量、高帶寬、低成本、低能耗和可靠的無線系統(tǒng)。移動技術是靈活的，能夠使大量的機器就沒有電線的情況下連接起來。對于5G，通過超高的數(shù)據(jù)傳輸速率和非常低的延遲，潛在的干擾可以實時發(fā)生。在全自動化環(huán)境的智能工廠中，高傳輸率和低延遲是重點，但成本也是一個重要因素?？傊?，5G的使用是合理的、有利的，而且相對于光網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡，5G的成本效益也很高。故此，5G可以給制造業(yè)帶來創(chuàng)新和變革，其網(wǎng)絡的傳輸能力和容量符合工業(yè)4.0的概念。
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