5G專網工業設備的設計與測試

作者 : Jessy Cavazos,Keysight Technology

5G和多接取邊緣運算(MEC)是未來智慧工廠必不可少的技術。Release 16的即時性促進了工業物聯網(IIoT)的發展,作為對5G的補充以支援IIoT控制應用,MEC為5G系統提供即時感知,有助於實現更低的延遲。

5G和多接取邊緣運算(MEC)是未來智慧工廠必不可少的技術。Release 16 (3GPP發佈的最新5G標準)的即時性促進了工業物聯網(IIoT)的發展,作為對5G的補充以支援IIoT控制應用,MEC為5G系統提供即時感知,同時透過將運算資源更靠近用戶,從而有助於實現更低的延遲。

即將發佈的標準版本將為工業應用帶來新的功能。Release 17將於2022年上半年實現商業化,將增加5G與時效性網路(TSN)的整合。該版本還將導入改善5G定位和減少延遲的功能,這些功能對於工廠自動化和遠端控制應用來說至關重要。

下一版,即Release 18,則被宣傳為5G標準演進中一個階躍式的功能增強版,它將是3GPP的第一個正式歸屬於「5G Advanced 」保護傘下的首個版本。這一版本將大幅增強網路智慧,包括在網路的不同層上實現機器學習(ML)技術。這是因為人工智慧(AI)增強功能對於要求更高的工業應用來說尤為重要。

圖1:Release 16賦予5G網路支援工業應用的能力。(來源:ADI)

5G專網興起

無線連接、邊緣運算能力和人工智慧是第四次工業革命的關鍵推動因素,這些能力促進了5G在製造業的應用。凱捷研究院(Capgemini Research Institute)最近對1,000家產業組織的高階主管進行了一項調查,其中30%的人表示他們處於試點階段或更高階段,40%的人表示他們預計在未來兩年內,將在單個網站大規模推出5G。此外,60%的早期用戶表示5G幫助他們提高了營運效率,43%的人表示5G讓他們的網路更加靈活。

同一項調查顯示,許多公司(64%)計畫在未來3年內採用基於5G的邊緣運算服務;而超過三分之一的受訪產業組織表示他們更願意部署5G專用網路,尤其是高科技、航空航太和國防領域。

與商業網路一樣,5G專用網路亦由三個主要元素組成:使用者設備、無線接取網(RAN)和核心網路。但專網通常利用MEC,這並不奇怪,因為工業設備與商業設備有很大不同,這為設計工程師帶來了新的挑戰。

設計驗證期間需考慮的關鍵問題

不同的工業設備之間差別很大,它們涵蓋用於程序控制和監控應用的感測器、適配器和遠端I/O、用於擴增實境(AR)和資產管理的智慧眼鏡,以及用於遠端存取和維護的無人機。還有一些設備類型,如用於運動控制、移動機器人和其他各種應用的橋接器、路由器和閘道。

這些設備普遍具有一些特點。例如在惡劣的工業環境中使用的IP67感測器,用於進行閉迴路程序控制和監控,或在某些事件發生時發出警報,還必須有一個堅固的外殼。有的感測器中甚至填充了環氧樹脂或其他絕緣液體化合物,以保護其內部的電子元件,而且它們只有少量甚至根本就沒有外部介面。

另一個使用案例是,在調試智慧現場設備、執行維護任務和視覺化過程資料時為技術人員提供支援的5G智慧眼鏡。它們要求上行鏈路(UL)/下行鏈路(DL)流量高、延遲小,並由電池供電,而且還能工作在爆炸性環境等特殊環境中。

無人機還具有高可用性和低延遲要求,以及即時定位和高上行頻寬需求。支援5G的無人機可以有效地監控大而遙遠的區域,但這需要高性能通訊。無人機上的感測器不斷向使用者發送資料,因此,高可用性、安全性、低延遲、即時定位資訊和時間同步服務是無人機控制的關鍵考慮因素。

其次,為自動導引車(AGV)和其他移動機器,以及連接設備的局域網(LAN)交換機提供服務的5G無線路由器,為工程師帶來了獨特的挑戰。具有流量管理系統和其他IT功能的移動機器,將使用基於IP的流量,以及像PROFINET這類的工業乙太網路協定。

這些設備也變得越來越複雜。例如,未來的機械手臂將嵌入多種元件,以提高定位精確度和具備更多功能。它們將直接連接到5G基地台或直通閘道,如圖2所示。

圖2:具有嵌入式蜂巢設備的機械手臂透過閘道或直接連接到5G基地台。(來源:5G-ACIA)

將蜂巢模組整合到機械手臂等工業設備中尤其具有挑戰性。驗證設備的連線性、可靠性和穩定性,以及設備的功能和性能至關重要,因為製造過程中的停機和錯誤的代價可能會更高昂。

對於消費者蜂巢設備而言,通常只需要進行全部驗證和一致性測試。而幾乎所有工業設備都需要在苛刻的環境中工作,因此出現了新的考慮因素。一旦晶片和其他元件組裝到系統中,可能需要進行一致性測試,以確保在設備部署後能符合標準的一致性和互通性。雖然目前還不普遍,但一些提供託管服務的私人網路營運商,可能希望透過補充測試來確保工業設備品質。

工程師可以使用網路模擬器(如Keysight的UXM5G平台)執行一致性測試。在協議和射頻/無線電資源管理(RRM)域,嚴格的測試對於獲得認證至關重要。

圖3:網路模擬平台涵蓋協議、射頻、功能和性能,可以從台式研發儀器擴展到全機架接受度測試。(來源:Keysight)

資料安全對於智慧工廠來說也相當重要,需要端到端的生命週期策略。這種策略從設備開始到結束運轉,它們是抵禦網路攻擊的第一道也是最後一道防線。隨著新的漏洞不斷出現,新的建構導入了新的或未知的問題,徹底評估工業設備的安全性,是設計驗證過程中不應忽視的一個步驟。

此外,5G還利用超可靠低延遲通訊(URLLC)功能來滿足TSN相關的QoS。5G專網中設備之間的時間同步、可保證的延遲和無壅塞損失的需求,都推動了對TSN和URLLC測試設備的需求。

通道建模

除了考慮工業設備的特殊性外,瞭解工業網路環境的特點對於確保高效使用5G專網也很重要。如圖4所示,工廠大量使用金屬和高速旋轉機器;使用者和物理物體也會阻礙無線電頻率,這些「阻礙」是利用引起反射、折射和衰落來降低訊號品質。

圖4:典型的工廠環境阻擋和反射射頻訊號。(來源:Keysight)

代表工廠環境的訊號傳播模型對於驗證工業設備的性能至關重要。典型的工廠環境包括高垂直空間和金屬表面,對無線通道的影響是動態大幅可變的。複製此環境的模型,需要包括大的仰角擴展、多路徑、反射、大角度和長延遲擴展,以及動態傳播條件。

工業設備上的天線接收到來自基地台的多個訊號,包括直接訊號和反射訊號。如何透過隔離設備和基地台來創建通道模型是建模過程的第一步,通道模型透過考慮路徑損耗等傳播因素,來估計多路訊號之間的延遲,以及基地台收發訊號的角度。

模型建構好後,通道模擬器就可以重置模型,以驗證設備在這些條件下的性能,如圖5所示。接下來,網路模擬器可以取代基地台,並用固定的一組參數來創建可重複訊號,不過,該設備需要在良好的條件下接收訊號。透過將設備隔離在試驗測試室中,即可創建評估設備所需的可重複環境。

圖5:通道模擬器有助於測試設備能夠滿足具有挑戰性的工廠環境需求。(來源:Keysight)

工業設備驗證和一致性

5G專網的生命週期跨越多個階段,工業設備的驗證和一致性只是第一步,但卻是關鍵的一步。工業設備的獨特功能、整合需求和日益成長的複雜性帶來了許多挑戰,推動了對測試和通道建模的需求。

目前,只有少數工業設備支援5G,部分原因是蜂巢技術對許多工業設備製造商來說是新事物,這為該產業帶來數位化轉型方面需要解決的挑戰。所幸,應對該挑戰的解決方案已經問世,如Keysight的網路和通道模擬解決方案。該方案可支援多種技術,包括LTE和5G,因此工程師可以根據需要,利用該解決方案來驗證5G工業設備的設計和認證。另外,一個全面的測試和驗證平台還有助於節省過程時間和成本。

(參考原文:Designing and testing industrial devices for 5G private networks,by Jessy Cavazos)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年7月號

 

 

 

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