5G技術—機器人發展必經之路

作者 : Khushboo Kalyani,LitePoint產品經理

對於工業、汽車和製造業的機器人應用,5G技術可實現高速、可靠、密集和低延遲的連接,適於固定地點或移動等用例…

對於工業、汽車和製造業的機器人應用,5G技術可實現高速、可靠、密集和低延遲的連接,適於固定地點或移動等用例。

在提及5G令人震撼的應用場景時,醫療保健、自動駕駛車、無人機和需要高頻寬的消費類服務成為備受矚目的領域,但5G是一種率先實現協作和高資料傳輸速率的無線技術,具有低延遲特性,支援大量資訊的交換,因而可為機器和機器人產業帶來顛覆性的改變。

機器人利用人工智慧(AI)來指導其操作漸成趨勢,因此5G的快速資料傳輸速率有利於實現機器人與AI伺服器之間的順暢通訊,從而實現訓練或推論。

5G切片

透過5G網路切片(network slicing),性能特性截然不同的無數個用例可以共用相同的網路基礎設施。切片可供需要高速、高頻寬性能的救援機器人,需要低延遲的無人駕駛車,或需要大規模連接的製造業協作機器人等應用。每一種應用都有自己的私人網路切片,這使5G技術能夠推動創新機器人應用的發展。

機器人OEM的選擇之一是使用5G連接。這些廠商可自行生產板載晶片(CoB),並組裝數據機、天線、射頻(RF)和中頻(IF)前端等所有必要的元件,以對介面進行工程設計。另一種選擇是使用適用於多種應用的預製5G模組。對於機器人OEM來說,在工業機器人中配置這類模組的門檻不高,並可為機器人系統實現一系列增值的功能和特性,顯示其為可行的選擇。

無論做出哪種選擇,這些5G連接功能在內建於機器人之後,都必須加以測試。即使是經過預先測試的模組,在與其他元件封裝在一起並整合於機器人後,也可能遇到共存、訊號干擾或其他無線品質等問題。這些狀況會影響最終產品的整體功能。

對OEM來說,5G測試並不是新的要求,但工業機器人的測試可能頗具挑戰性。其中一個原因在於,迄今為止,OEM及其生產線的配置只能用於製造和測試不具備蜂巢式功能的機器人。因此,為了整合5G測試,就必須升級測試設置和治具。

5G技術可提供靈活的實體層(PHY)設計,支援一系列的頻率、不同的頻寬、子載波間隔和調變機制。對許多機器人設計來說,5G測試尚屬新興需求,因此需要增加較新的測試用例,以驗證每個測試領域中的一些新功能。這項工作可由研發(R&D)中心、設計驗證測試中心、抽樣檢測中心、生產中心或服務中心來完成。

而這一切都需要重新審視傳統的測試方法,並利用蜂巢式信令(signaling)測試或非信令(non-signaling)測試技術,以確保產品和性能測試的品質。

信令測試和非信令測試

首先,必須對兩種蜂巢式測試技術(信令測試和非信令測試)加以區分(1)。

信令測試與非信令測試的簡化方塊圖。

儘管非信令測試主要針對製造應用,並且為此進行了最佳化,但這種測試幾乎在產品開發的每個階段都會進行。此類技術需要使用RF訊號產生器和分析儀,側重於設備RF發射器和接收器性能的校準和驗證。這種測試在不涉及呼叫的處理模式下執行,並利用晶片組特定的測試模式來測量預先設定的傳輸模式,從而最大限度地縮短測試時間並降低測試成本。

另一方面,信令測試在研發和設計驗證測試等產品開發階段得到廣泛應用,並使用基地台模擬器與待測物(DUT)建立端到端的用戶端呼叫。這種方法已經過擴展,不僅使用控制端信令和用戶端流量的組合來測量DUT在現實測試條件下的實際性能,還有助於驗證協議堆疊的每一層,以執行綜合的設備測試。

這兩種測試方法為滿足不同的測試需求而設計,針對在不同產品生命週期的使用進行了最佳化。但是,在這兩種方法之中做出選擇的主要依據是硬體設計、測試重點、測試類型、測試時間和測試成本等參數。

5G的應用範圍不斷擴大,因此接下來的部份將著重於介紹5G測試對確保工業機器人品質的重要意義。

IP67 tactile switches

品質保證

在使用自主設計的CoB建構產品時,務必在產品的設計和開發階段執行協議和功能測試,以確保裝置在投入生產前經過廣泛的功能測試和軟體回歸。

然而,在使用協力廠商蜂巢式模組/RF子系統/天線模組建構產品時,測試動態會發生變化。這是因為,即使採購的模組已經過認證,也不能保證最終產品能夠在現場發揮應有的作用。各種元件被封裝在一起後,會對彼此產生明顯的影響,並會影響產品在實際網路配置中的整體表現。

下表重點介紹了一些影響5G通訊的常見問題。


影響
5G通訊營運的一些常見問題和潛在原因。

表中的每個功能問題都會顯著降低通訊的可靠性,進而增加延遲時間並影響速度。

  • 鑒於各元件之間的這種相互關聯性和非相互排斥性,在生產前和生產階段進行5G品質測試以對產品進行整體測試的重要性和必要性不言而喻。
  • 測試需要驗證:確保端到端產品功能的基本設備註冊和呼叫流程,因為硬體元件和系統固件可能會影響機器人的無線性能;
  • 天線性能,因為最終產品的外殼缺陷、實現問題和調諧誤差可能會導致訊號遺失並影響天線輻射方向圖,從而引起機器人和5G網路之間的通訊故障;
  • RF性能,確保訊號品質在實際通道條件下不會嚴重下降,並達到3GPP和其他認證機構規定的可接受訊號收發水準;
  • 資料輸送量,因為在實際條件下,裝置必須能夠因應各種層級用戶端流量和服務品質要求;
  • 實際用戶體驗,如移動性和切換功能;
  • 先進功能特性,如嵌入式SIM卡、多SIM卡的即時連接測試。

相較於傳統的蜂巢式技術,5G的靈活性更高,功能更豐富。全面的產品測試有助於在不同的部署模式下確保產品的整體品質。大致介紹品質測試的重要性之後,接下來,同樣重要的是選擇一種測試途徑,不僅支援多種功能測試,還能提高平行測試的效率。

此外,生產測試團隊和測試供應商之間的共識,有助於供應商開發支援快速的發射器和接收器(Tx-Rx)診斷測試工具,並支援自動測試,以縮短上市時間並控制測試成本。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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