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「5G增强的可靠性和延迟可如何帮助重启工厂」5g会降低延迟吗

放大字体  缩小字体 来源:小编 2022-09-24 00:02  浏览次数:6

工厂依靠运行技术(OT)来生存和呼吸,OT是监视和控制物理设备的系统。多年来,OT在开发速度和性能方面一直落后于IT。一个重要的原因:人们认为OT系统需要可靠性远远超过处理速度。当工厂IT系统发生故障时,人们可能会失去其互联网连接。当工厂的OT系统发生故障时,生产线可能会开始制造有故障的零件或对工人造成人身伤害。结果,OT倾向于遵循“如果还没破裂……”的哲学,尽管这使工厂感到嗡嗡作响,但它也错过了与先进数据服务更好地集成所提供的无数改进机会。

现在,随着OT和IT之间的界线变得模糊,对速度的需求正在增加。越来越多的工厂正在采用IT技术,例如互联网协议(IP),Linux和分析。这样做可以提高系统安全性,迁移到数字工厂模型并在整个制造组织中更全面地采用物联网(IoT)。反过来,这可以带来更大的价值和投资回报率。但是,一项关键挑战是将数据从设备送入(或可能从)边缘处理系统送入数据中心。这就是5G的来龙去脉,也是5G第16版(“第2阶段”)可以为实现工业环境中的超可靠性和低延迟铺平道路的地方。

让我们看一下5G是如何释放连线并加快工厂环境的。

关键点

随着工业运营技术(OT)与IT融合,有线工厂网络不足。

凭借性能,成本和灵活性方面的优势,5G现在可以取代以太网成为制造中的首选无线设备。

5G Release 16(第2阶段)的增强使一系列制造用例受益。更多内容请参见2021/2022中的版本17。

满足工厂的无线需求

有线连接在制造操作中很流行-但只有在方便且价格合理的情况下才可以使用。通常不是。诚然,有线以太网可提供快速吞吐量,通常较低的延迟和较高的可靠性。延迟尤其重要,因为工业应用通常需要1 ms或更短的响应时间。甚至千兆以太网都无法提供足够低的延迟来满足OT需求。工业部署通常使用循环架构,串联的菊花链设备。每个设备跃点都会累积延迟和开销。制造环境中的更多设备意味着网络速度变慢。而将CAT电缆穿过制造环境可能会耗费大量人力且成本很高。

即便如此,与设备的无线连接替代有线的速度仍然很慢。甚至Wi-Fi 6所产生的延迟都在40毫秒以下。几十年来,以太网一直是有线传感器的行业标准,但无线技术尚无此类规范。低速率个人区域网(LR-WPAN,IEEE 802.15.4)存在通用规范,强调低功耗,可伸缩性和安全性。专有的解决方案填补了空白,但部署起来往往成本高昂且管理麻烦。

低功耗蓝牙(BLE)是制造中无线连接的一种候选方案。它提供价格合理的传感器,并且设备电池寿命长。但是,吞吐量非常低(0.27 Mb / s),延迟仍然徘徊在6 ms左右。蓝牙5通过支持网状拓扑在BLE上进行了改进,但蓝牙通常仍然受到距离限制的限制,距离限制可能是大型工业环境中的一个因素。2018年,英特尔开展了一项有趣的概念证明项目该公司使用蓝牙在自己的一家工厂中部署了250个节点的无线传感器网络。该测试成功证明了无线传感器的功能,低功耗和高密度。但是,部署方案对时延不敏感,研究人员发现传输距离大约为90英尺。英特尔的论文将5G作为工业设置的一种可能的无线解决方案,但指出该技术缺乏安全性和低能耗。

不过那是在2018年。今天是另一回事了。

对制造业中的5G的全新了解

与最复杂且不断发展的规范一样,随着时间的流逝,5G已逐步出现。最初的5G新无线电(NR)规范称为非独立(NSA)规范于2017年底问世。3GPPRelease 15(“第一阶段”)是第一个完整的5G规范,随后于2018年发布。从去年6月首次亮相的在第16版(“第2阶段”)中,我们终于看到了适合工业和制造环境的成熟标准。

第一阶段为工业应用奠定了坚实的基础。它将三个关键指标链接到用例:

增强型移动宽带(eMBB)要求峰值数据速率超过10 Gb / s。eMBB致力于为诸如增强现实和虚拟现实之类的应用增加无线带宽,这些应用在工业环境中占有明显的位置。实际上,波音公司开创了增强现实技术的首批使用方法之一,并在二十年后继续这样做。英特尔最近与SK Telecom一起展示了如何实现用户平面软件堆栈,以优先处理网络中所有5G流量,从而最大程度地减少延迟和抖动。

大规模的机器类型通信(mMTC)每平方公里需要超过1百万个连接。设备在正常使用下至少需要10年的电池运行时间,并且每个20字节封装的等待时间少于10秒,这对于灭火器传感器来说很好,但是与需要实时反馈的系统无关,例如高速装配线上的点焊机器人。

超可靠的低延迟通信(URLLC)需要不到1毫秒的延迟。URLLC解决了mMTC在实时应用中的滞后缺点,其中可能包括工厂车间的自动驾驶或大型高RPM风扇系统上的振动传感器。

阶段2:大规模MIMO,TSN等

阶段2的核心,至少就制造商而言,是多用户,多输入多输出(MU-MIMO)技术的增强,通常称为Massive MIMO。MU-MIMO首次出现在Wi-Fi 5中,它使用多天线波束成形将无线信号聚焦在发射器和接收器之间,以提高性能。单用户MIMO只能在一对无线设备之间传递数据,而MU-MIMO则允许多对同时流传输数据,直到特定路由器或接入点确定的限制。MU-MIMO将允许制造环境根据需要提高设备功率水平和功率效率,以实现更快,更可靠的性能。

尝试最大化5G部署价值时,电源管理是关键。第2阶段实现了一种称为唤醒信号(WUS)的功能,该功能指示设备仅在进行数据通信时才打开其控制信号监视系统的电源,然后在传输完成后将这些系统非常快速地恢复为低功耗待机状态。由于此类事件频繁发生,因此累积的电量节省可能非常可观,这意味着随着时间的推移更换电池的次数将大大减少,从而节省了电池成本和维护工时。

对于制造商来说,第二阶段的另一个核心要素是为5G网络引入时间敏感型网络(TSN)。从历史上看,以太网上的TSN是在整个生产车间或机械系统中同步设备的唯一可行的途径,因此任何或所有设备都可以精确地同时运行,甚至可以达到亚毫秒级的精度。正如工业互联网联盟所指出的那样,“ TSN将向工业互联网开放关键的控制应用程序,例如机器人控制,驱动控制和视觉系统。”

但是,TSN不仅仅是同步。为了使TSN在无线上发挥其魔力,需要实现新的效率。英特尔高级首席工程师理查德·伯比奇,谁主持的3GPP RAN2组2015至19年,提供VentureBeat的一个例子。

“工厂中的工业用例通常具有非常特殊的流量特性,与通常在为智能手机提供服务的移动网络中看到的流量特性不同。工厂通常需要以非常时间敏感的方式传送非常小的数据包。目的是支持通过5G代替有线网络,并且由于加入那些有线和无线网络是很常见的,因此有可能在5G上运行以太网流量。因此,我们在时间同步方面增加了一项功能,即能够压缩以太网报头。如果删除以太网头,则可以减少开销。这不仅仅与工厂应用程序通常关注的延迟和可靠性元素有关,而是非常针对工业领域。”

TSN是URLLC功能的一部分,该功能在从版本15到版本16的扩展中得到了扩展。英特尔在Bosch的概念验证中展示了TSN的巨大影响。该项目“专注于高速旋转轮的角度和速度同步的运动控制,其中主控制器和辅助控制器使用开放标准的开放平台通信统一架构协议通过5G进行通信。英特尔5G原型系统中的3.7 GHz频谱也同时通过空中传送了4K HD视频流量。”

第2阶段还增加了对5 GHz和6 GHz频带中未许可5G频谱(NR-U)的支持。NR-U将为人们提供负担得起的新性能和新功能,例如能够同时在多个频段上运行以及聚合来自不同运营商的服务的能力。这将有助于提高工厂设置中的可用性,可靠性和性能。结合第二阶段非公共网络(NPN)的另一个方面,制造商将能够在其内部建立私有5G网络,这可以增强性能并增强安全性。

尤其重要的是,第2阶段合并了对低功耗,广域(LPWA)协议的支持,例如NB-IoT和LTE-M。两种协议都存在于4G / LTE中,但是它们在5G中的采用为移动IoT,大规模IoT和LPWA用例的实现打开了新的大门,并提高了性能。

推进制造业

随着5G的先进性现在出现在第2阶段的功能和支持之中,制造商可以预见到进一步的激动人心的发展。例如,正如通信网络越来越多地转向软件定义的操作和虚拟化以提高灵活性和成本效益一样,将来期望5G具有类似的功能。英特尔一直致力于为5G基础架构提供一系列硬件,软件和解决方案,并在支持客户使用软件定义的,敏捷的和可扩展的基础架构来转变其网络方面拥有十多年的经验,以实现这一目标。将这种云体系结构引入网络可带来与数年前改变数据中心相同的服务器经济性。

即将推出,在2021年(正式)寻找5G Release 17,或者如VentureBeat报道的那样,在2022年很有可能。Release 17将通过卫星提供5G,增强5G中已经存在的设备定位精度,并支持NR-Light。NR-Light的目标是在数据速率和电池寿命方面,在eMTC / NB-IoT提供的性能与NR为eMBB类型服务提供的性能之间存在差距。NR-Light只能在10或20 MHz的无线电带宽上提供100/50 Mbps的上行/下行吞吐量。这可以大大增强整个工厂中部署的工业物联网相机,传感器,甚至可穿戴设备。

最后,5G准备好发展工厂和运营系统,为更大的IT集成,效率和许多改进之门打开大门。最终,所有这些机会都来自3GPP及其许多成员所做的工作。

英特尔公司的Burbidge说:“ 3GPP是生态系统中众多公司的巨大协作,它们共同努力以产生一个标准。”“这导致了符合标准的设备的竞争市场。现在,许多过去的工作都针对移动网络运营商,但是最近3GPP也一直试图针对其他垂直部门。工业部门及其合作伙伴有可能开发满足其需求的专有解决方案。但是,通过利用5G等标准化技术,您将有机会利用这一庞大的协作开发成果。基于标准的解决方案将导致设备供应和所有规模经济的激烈竞争。”

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