基于5G技術的工廠無線通信系統(tǒng)設計

陳光 趙旭

(天津理工大學中環(huán)信息學院,天津 300380)

傳統(tǒng)工廠一般采用有線通信方式將成百上千的儀器、傳感器、檢測器及PLC等設備相互連接,形成一個控制網(wǎng)絡,采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),監(jiān)控設備狀態(tài)。然而有線通信方式不僅耗時耗力耗材,使用起來也很復雜。隨著移動機器人、AGV小車的出現(xiàn),有線通信方式已不能滿足工廠對數(shù)據(jù)傳輸實時性及可靠性的要求。本文針對有線通信網(wǎng)絡的不足及工廠對無線通信網(wǎng)絡的需求,設計了設備互聯(lián)的無線通信系統(tǒng),利用D2D技術實現(xiàn)設備間的直接通信,滿足工廠對設備通信速率的需求。

1 5G無線通信技術概述

新型第五代移動通信技術簡稱5G無線通信技術,是在4G無線通信技術的基礎上改造升級而來。它將最新的IP地址作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕?把搜集到的大量實時數(shù)據(jù)信息放入此IP地址的移動終端,極大地提高了數(shù)據(jù)的有效性和安全性[1]。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,它將在第一時間覺察到異常,及時啟動保護措施,不會讓信息傳輸過程出現(xiàn)任何形式的差錯。它運用LSAS技術有效地提高了頻譜效率,完成了區(qū)分空間地位的功用,進一步提升了傳輸服務水平,并在提高無線信號覆蓋范圍的基礎上,加快了信息傳輸速度。除此之外,它克服了全頻譜共享、多載波等關鍵性技術問題,在一定程度上提高了頻譜的抗干擾能力。作為一種具備獨特優(yōu)勢的網(wǎng)絡技術,5G無線通信技術將為社會的智能化發(fā)展提供強有力的支持。

2 5G技術的三大關鍵技術

2.1 毫米波技術

毫米波技術具備帶寬大、波束窄、安全性高及方向性好的優(yōu)勢[2],成為5G網(wǎng)絡不可或缺的一部分。5G網(wǎng)絡信號使用頻譜范圍為30～300GHz的毫米波,可用的頻譜資源達到4G網(wǎng)絡的200倍以上,傳輸速度達到4G網(wǎng)絡的10倍以上,延遲時間卻不到4G網(wǎng)絡的1/5。相比4G網(wǎng)絡使用的微波,毫米波波束要窄得多,因此被截獲率有所降低,受到干擾的可能性變小,傳播的精度也有所提高。低延遲、實時傳輸和安全通信對工業(yè)自動化的發(fā)展非常重要。

2.2 Massive MIMO技術

Massive MIMO技術稱為大規(guī)模天線陣列技術,以其靈活的空間復用能力,成為5G關鍵技術之一,可以有效提高系統(tǒng)容量,改善通信質量[3]。Massive MIMO系統(tǒng)在狹窄的空間傳送信號,天線陣列通過自適應調整每個天線發(fā)射信號的相位,使得基站與鏈路之間的能源損耗減小,非常適用于5G網(wǎng)絡通信,也符合未來工業(yè)綠色通信的要求。

2.3 M2M通信技術

M2M(Machine-to-Machine)稱為機器對機器通信技術,首先在機器上安裝傳感器、信息處理裝置及傳輸裝置,使機器具備收集、處理和交流信息的能力,其次在IT系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡之間建立橋梁,實現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉換,從而實現(xiàn)機器間的數(shù)據(jù)互通。M2M技術的快速發(fā)展有利于工廠設備互聯(lián)通信系統(tǒng)的構建。

3 5G技術的三大工業(yè)場景

5G無線通信成為工業(yè)AR、云機器人、工業(yè)自動化控制等工業(yè)場景中的關鍵支持技術。URLLC(Ultra-reliableand Low Latency Communications)通過無線連接生產(chǎn)設備,節(jié)省線纜及布線工作量,降低生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)線重組時間,是一種低時延且高可靠的通信技術,適合遠程制造、無人駕駛、工業(yè)應用控制等場景;eMBB(Enhance Mobile Broadband)通過大幅度提升網(wǎng)速,提高設備響應速度,是一種增強移動帶寬技術,適合4K/8K超高清視頻及VR/AR等大流量、高帶寬的應用場景;mMTC(massive Machine Type of Communication)是一種海量機器類通信技術,適合低功耗、快傳輸?shù)膽脠鼍啊?G技術在工業(yè)場景中的應用將助力智能工廠的構建以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉型升級。

4 基于D2D技術的設備互聯(lián)通信組網(wǎng)設計

4.1 D2D技術概述

D2D(Device-to-Device)全稱為終端通信技術,使用密集部署在網(wǎng)絡中的專用中繼站即可完成通信終端的直接通信。BS可以在任何擁堵的情況下,通過LOS鏈接將波束方向引導到中繼站,從而到達目標用戶,完全掩蓋并降低延遲,完成高數(shù)據(jù)速率傳輸,滿足設備快速通信的需求。D2D技術提高了5G通信技術的SDN(軟件定義網(wǎng)絡)和NFV(網(wǎng)絡功用虛擬化)功能,同時提高了網(wǎng)絡的可靠性,其發(fā)展將引起人類生活及工業(yè)界的巨大改變。

4.2 D2D技術通信的過程

圖1 通信組網(wǎng)圖Fig.1 Communication network diagram

第一步:終端1通過5G基站向終端2發(fā)送D2D通信請求,5G基站等待接收終端2的回復,若終端2接受終端1的D2D通信請求,5G基站將檢測這兩個終端是否在同一個基站小區(qū),若不在,D2D通信請求失敗,若在,5G基站給這兩個終端分配IP地址,為下一步工作做好準備。第二步:5G基站根據(jù)兩個終端的信息進行模式選擇,判斷使用蜂窩通信還是D2D通信,若兩個終端滿足D2D通信的條件,5G基站將允許兩個終端進行D2D通信。第三步:5G基站為兩個終端分配合適的時頻資源。第四步:自主建立通信鏈路。第五步:兩個終端進行D2D通信。

4.3 設備互聯(lián)的通信組網(wǎng)設計

由數(shù)據(jù)中心、5G通信網(wǎng)絡和終端三部分組成的設備互聯(lián)通信網(wǎng)絡如圖1所示。生產(chǎn)現(xiàn)場的終端設備(如智能終端、移動機器人、AGV車)內(nèi)嵌5G通信模組,利用5G無線通信技術接入企業(yè)云或數(shù)據(jù)中心,實時采集現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù),分析生產(chǎn)情況,實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化及無線化。數(shù)據(jù)中心隨時接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、處理,根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的需要控制設備的狀態(tài),合理安排生產(chǎn)線,實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。終端與終端之間不需要基站中轉,通過5G蜂窩網(wǎng)絡的D2D技術,就可以實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)通信,完成終端之間的“密切協(xié)同”以及“無碰撞作業(yè)”,實現(xiàn)終端的流暢化、協(xié)同化。D2D的通信進一步地提高了通信速率,降低了通信時延,為實現(xiàn)工廠的智能化提供了技術支持。

4 結語

5G無線通信技術是實現(xiàn)物理世界與信息世界互聯(lián)的關鍵,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。5G無線通信技術的低時延、大帶寬、海量連接等特點滿足工業(yè)環(huán)境下設備互聯(lián)的應用需求,工廠企業(yè)利用5G構建設備互聯(lián)通信系統(tǒng),將人、機器及設備相互連接起來,利用5G的D2D技術實現(xiàn)設備與設備之間的直接通信,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性,實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的透明化、扁平化、定制化、靈活化與數(shù)字化,提高了工廠設備生產(chǎn)事故的可追溯性及發(fā)展趨勢的可預測性。5G無線通信技術的發(fā)展將助力企業(yè)完成從傳統(tǒng)工廠到智能工廠的轉變。