5G IIoT如何释放工业4.0全部潜能

本期内容包括：

1.分级式工厂正在不断发展

2.5G：支持各种IIoT连接应用

3.5G RedCap（NR-Light）： 物联网连接难题中缺失的一环

4.5G：实现室内外无缝定位和授时

5.工业4.0的核心赋能者

作者

Sylvia Lu

u-blox公司战略部；5G-ACIA董事会成员

与我们的家以及城市一样，工厂也变得越来越智能。借助远程监控、自动化和其他智能技术，工业4.0有望使制造业更安全、更高效、更具有生产力。与此同时，5G生态系统正在迅速扩展，提供了非常适合智能工业的多功能混合技术。

然而，要在工业4.0框架内充分释放5G在工业物联网 (IIoT) 中的潜力，至少还缺少两个关键要素。

首先，需要为中层物联网应用提供稳健可靠的连接。其次，需要精确无缝的室内定位、导航和授时（PNT）功能。

在了解5G IIoT如何释放工业4.0的全部潜能之前，让我们先简要探讨一下工厂中发生的演变。

分级式工厂正在不断发展

向工业4.0转型要求我们重新思考工厂的蓝图。如今，大多数工厂都采用传统的金字塔式分层设计。最上面是信息技术领域，是企业资源规划（ERP）功能的所在地。下面是操作技术（OT）领域。这通常包括与一系列控制器相连的制造执行系统，这些控制器又与工厂中的不同设备相连。

OT领域通常非常分散。各设备孤岛都使用不同的连接技术和协议，如Profibus、Profinet和EtherCAT。网关将不同的设备岛分隔开来。这种设置造成了操作的复杂性和不灵活性。

当前的系统虽然有效，但分段式设计阻碍了工厂的数字化进程。未来的工厂将不再采用自上而下的金字塔模式，而是采用完全连接的方式，从而提高生产率、灵活性、运营效率和可用性。在这种模式下，单个设备、工厂应用程序和外部系统将能够直接相互通信，而无需通信网关。5G将是实现这一目标的核心推动力之一。

图 1：得益于5G连接，明天的工厂将今非昔比。

1资料来源 《利用5G无线连接促进智能制造》，爱立信技术评论

5G：支持各种IIoT连接应用

5G在IIoT领域的主要优势在于，它提供的连接解决方案能够满足现代工厂中许多不同的应用。

例如，自动导引车（AGV），如用于将零件从仓库运送到生产线的自动导引车，或装配线上的机器人控制器，都需要超可靠、低延迟、高度安全和更灵活的通信。

监控生产线的工业无线传感器有着截然不同的需求。能够使用多年的电池寿命、较低的复杂性以及可支持小范围内的大量设备正是关键所在。但数据传输速率并不需要很高。

在其他地方，人工操作控制人员拿着笔记本电脑或平板电脑在现场走来走去，确实需要更高的数据传输速率和更低的用户界面延迟。5G的增强型移动宽带（eMBB）就非常适合这种应用。

不过，还有一类IIoT应用有着不同的要求。这就是我们所说的“中层”。在这些应用中，设备成本低、外形尺寸小、数据传输速率适中都非常重要。接下来，让我们来关注一下这类设备。

5G RedCap（NR-Light）：

物联网连接难题中缺失的一环

监控摄像头和可穿戴设备等工业应用属于这种中间层的连接要求。对数据传输速率的需求高于NB-IoT和LTE-M1等技术所能支持的水平，但全面的5G-NR连接则显得过高。

这就是5G RedCap（也称为NR-Light）将填补重要空白的地方。它是中层IIoT应用的最佳选择，在数据传输速率和复杂性方面实现了更佳融合。5G Redcap以20 MHz部署时，能够提供10 Mbps到220 Mbps左右的中等数据传输速率，非常适合许多此类应用，其中一些应用目前可能正在使用LTE Cat 1和Cat 4。

图 2：5G RedCap位于LTE-M1/NB-IoT和5G-NR之间。

虽然LTE网络仍将使用数年，但随着时间的推移，我们将不可避免地看到向5G独立网络的过渡。此外，根据不同的配置，RedCap可以实现比LTE Cat 4更高的峰值数据速率和更低的延迟，从而为设备制造商提供改进产品和服务的机会。RedCap还能在专用网络中提供与5G核心网的固有连接，从而使关注网络寿命的工厂主和运营商受益。

因此，5G RedCap为目前使用LTE Cat 1和LTE Cat 4的用户提供了一条向先进5G技术过渡的战略途径。我们认为，随着5G RedCap开始大规模应用，目前使用LTE Cat 1或Cat 4的IIoT用例将不可避免地过渡到5G RedCap，欧洲和美洲可能从2026年开始。

5G：实现室内外无缝定位和授时

虽然围绕5G的讨论大多集中在连接性上，但该技术还提供定位和授时功能，这是我们拼图中所缺少的第二块。

室内定位是一个不断增长的市场，尤其是在制造业。应用包括跟踪工具、机械和其他资产。在这种情况下，需要亚米级的精度，但功耗必须保持在较低水平，而且部署必须简单快捷。然而，室内PNT的应用一直进展缓慢，原因是铺设必要的基础设施需要高昂的资本和运营成本（因为全球导航卫星系统 (GNSS) 信号无法穿透建筑物）。此外，市场已经碎片化，就更需要部署一系列技术和解决方案。

5G利用现有基础设施为这一问题提供了解决方案。我们预计，随着5G设备生态系统的日渐成熟，5G在室内定位方面的应用需求将开始增加。这很可能与更广泛的RedCap采用时间表一致，即从2026年开始。

同样，定时对于智能工厂的数据记录和机器管理也很重要。通常的做法是与世界时间同步，但在室内使用卫星信号可能会出现误差。我们展示了如何利用5G蜂窝信号在室内环境中实现许多工业应用所需的亚微秒精度。

工业4.0的核心赋能者

随着我们进入2020年代后半期，工业5G的采用率正在稳步上升。我们正在从早期的概念炒作到实用、可扩展的解决方案，目前已经部署了一千多个专用网络。到2028年，专用工业5G网络的数量将比2024年第一季度部署的数量增长八倍多。发展轨迹显而易见：工业5G正在发展壮大，代表着行业运营方式的转变，利用5G推动效率和创新。

由于工业设备和基础设施需要较长的使用寿命，因此IIoT设备的设计者必须采用具有开放接口和可扩展架构的灵活模块化解决方案。这将使5G成为推动未来工业4.0推广的关键技术。

/关于u-blox公司/

瑞士u-blox公司（SIX:UBXN）专注于为客户提供丰富的芯片和模块产品以及全面的物联网服务，赋能客户以实现精准定位与万物互联。我们凭借业界领先的解决方案持续推动未来汽车与物联网行业的创新升级。u-blox公司总部设于瑞士苏黎世塔尔维尔，目前全球员工约1,400名，可为客户量身打造出兼具精准、智能和可持续性的解决方案。