5G專網與工業4.0的未來

推動工業運營現代化以支持工業4.0應用將會是一個非常復雜的挑戰。當工廠仍使用傳統的以太網設施將機器連接到中心位置時，面臨的挑戰尤為艱巨。在網絡設施已經從有線網絡過渡到無線網絡的背景下，轉變會相對容易些，但是在這過程中，暴露出商用Wi-Fi和LTE蜂窩網絡的局限性。這是因為工業4.0使用高度自動化、智能和協作的信息物理系統，這些系統需要非常穩定、低延遲的無線連接。

結果就是，越來越多的制造業、能源、采礦、配電、物流和其他領域的企業開始轉向專網。他們正在遠離傳統的網絡運營商，創建他們自己的無線網絡。

無線技術帶來的靈活性和性能

在過渡到無線專網后，可根據需要靈活地重新配置、升級和更替設置，從而保證工廠順利、高效地運營。在設計、部署和運營私有網絡時，還可以針對一系列特定需求進行優化，例如覆蓋范圍、隱私安全和性能。即使在商業網絡連接受限的環境中，也能保證持續、可靠的網絡連接覆蓋。由于數據不會通過更易受到剽竊或攻擊的公共信道進行傳播，因此就能更好地保護專有信息。運營無線專網還能簡化網絡配置或功能，例如保護高層數據或支持特定數據速率，這些是商業網絡提供商無法提供的。

當前專用網絡中使用的無線技術多種多樣。一些應用采用相對簡單的基于802.11的設置，而其他應用使用蜂窩網絡協議，例如700 MHz LTE蜂窩網絡。2008年，美國聯邦通信委員會(FCC)授權將這一網絡用于商業用途。

5G可實現長期增長

隨著5G蜂窩網絡的普及，我們期望工業4.0依靠5G作為其專用無線網絡服務。工業自動化是5G的重點之一，并且也是逐步推出的5G標準的重要組成部分。

在2019年，5G Release 15標準擴展了對目前工業物聯網(IoT)中使用的低功耗廣域(LPWA)技術的支持，并引入了新無線電(NR)，以此為更高級功能提供基礎。計劃于2020年發布的Release 16標準將通過引入超可靠低延遲通信(URLLC)為工業自動化提供進一步的支持。

借助URLLC，工廠車間的無線連接將變得異常穩定，并且可以以接近或低于一毫秒的端到端延遲速率運行。超高可靠性、高可用性和超低延遲的結合意味著URLLC可以為使用人工智能、增強現實和先進機器人技術的智能工廠提供支持。5G的URLLC功能使蜂窩網絡具備推動工業自動化更進一步的能力。

得益于5G為工業自動化提供的誘人承諾，包括德國和日本在內的多個國家已經在這類部署中分配頻譜以供5G專網使用。

需要的5G功能

5G標準通過兩種方式滿足工廠自動化的需求——通過5G NR無線電通信技術和通過5G系統架構。在無線電通信中，靈活參數集、空間分集、多點協作(CoMP)操作、精確到厘米的定位、服務質量(QoS)和頻譜結構的靈活性（包括工作在非授權的NR頻段）等特性能夠提高網絡的穩定性，并減少網絡延遲。在系統中，網絡切片、增強的安全性、全新身份驗證方法、易用的邊緣云部署以及支持時間敏感網絡(TSN)等功能增強了5G對工廠自動化的支持。

恩智浦觀點

恩智浦是工業自動化專用5G網絡的堅定支持者。我們將5G視為工業運營的未來，并正在努力實現這一未來。為此，我們依靠我們在工業應用領域的專業知識和領先地位。

恩智浦產品組合一直以來都立足于工業網絡和控制領域。我們行業領先的Layerscape LS1043、LS1028和i.MX系列支持高級連接，同時還提供工業應用所需的可靠性和長期可用性。擴展此功能以支持5G連接是合理的下一步。

2019年10月，恩智浦推出全新Layerscape Access完全可編程基帶產品系列，面向5G Access Edge系統。這個全新的5G系列基于我們現有Layerscape處理器、面向5G蜂窩基站的Airfast系列射頻多芯片模塊以及EdgeVerse解決方案組合。結果就是，對于工業4.0等高級應用，我們優化了從天線到處理器功能。我們還通過高度靈活、基于軟件的解決方案為其提供支持，并得到了軟件供應商生態系統的協助以提供完整的解決方案。

本文作者：Stuart Forbes

Stuart Forbes在半導體行業擁有36年的豐富經驗。他目前是恩智浦邊緣處理產品管理團隊的成員，專門負責推廣Layerscape Access產品線。

要了解有關恩智浦5G路徑和工業應用中使用專用無線網絡的更多信息，請訪問：nxp.com/5g。