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            5G與智能工廠!2018-08-29 14:33:10
                 
                 
            智能工廠是5G技術的重要應用場景之一。利用5G網絡將生產設備無縫連接
            ,并進一步打通設計、采購、倉儲、物流等環節,使生產更加扁平化、定制化、智能化,從而構造一個面向未來的智能制造網絡。
             

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            移動通信技術的發展

             

            回顧移動通信技術的發展歷程,第一代采用的是模擬技術,只能支持區域和距離限制的語音通話;第二代實現了數字化語音通訊,能進行簡單的語音和文字類交互,比如短信和郵件等;第三代就是大家熟知的3G技術,以多媒體通訊為特征,可以支持語音、文字和視頻交互,但由于帶寬有限,在進行大量數據交互時,如視頻交互時很難保證效果的流暢;第四代是正在鋪建的4G技術,通訊速率大幅提升,標志著進入無線寬帶年代。

             

            5G,即第五代移動通信技術,國際電聯將5G應用場景劃分為移動互聯網和物聯網兩大類。5G呈現出低時延、高可靠、低功耗的特點,已經不再是一個單一的無線接入技術,而是多種新型無線接入技術和現有無線接入技術(4G后向演進技術)集成后的解決方案總稱。

             

             

             

             

            從當前電信服務商做的基站測試結果看,5G的速度將會比4G更快且功耗更低,理論帶寬將突破每秒10G。這保證你能夠在一秒鐘內下載一部高清電影,而4G需要至少10分鐘。恰是由于這一得天獨厚的優勢,業界普遍認為,5G將對智能工業、無人駕駛汽車、VR以及物聯網等領域產生重要推動作用。

             

             

             

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            解讀5G技術

             

             

            ① 5G定義的三大場景

            2016年,華為主推的PolarCode方案被國際無線標準化機構3GPP確定為eMBB場景的控制信道編碼方案,而數據信道的上行和下行短碼方案則歸屬高通LDPC碼。eMBB即增強移動寬帶,是3GPP會議上定義5G三大場景之一。華為的PolarCode信道編碼技術只是5G眾多核心技術的一種。除eMBB之外,5G場景還包括mMTC和URLLC。

             

            5G定義的三大場景

             

            ② 5G支撐技術

            1.網絡切片

            網絡切片,本質上就是將運營商的物理網絡劃分為多個虛擬網絡,每一個虛擬網絡根據不同的服務需求,比如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分,以靈活的應對不同的網絡應用場景。

             

            就5G而言,由于涵蓋的應用場景比較廣,包括移動寬帶、大規模物聯網和關鍵任務型物聯網。

             

            2.網絡的自組織

            自組織的網絡是5G的重要技術,這就是網絡部署階段的自規劃和自配置;網絡維護階段的自優化和自愈合。自配置即新增網絡節點的配置可實現即插即用,具有低成本、安裝簡易等優點。自規劃的目的是動態進行網絡規劃并執行,同時滿足系統的容量擴展、業務監測或優化結果等方面的需求。自愈合指系統能自動檢測問題、定位問題和排除故障,大大減少維護成本并避免對網絡質量和用戶體驗的影響。

             

            3.超密集異構網絡

            5G網絡是一個超復雜的網絡,在2G時代,幾萬個基站就可以做全國的網絡覆蓋,但是到了4G中國的網絡超過500萬個。而5G需要做到每平方公里支持100萬個設備,這個網絡必須非常密集,需要大量的小基站來進行支撐。同樣一個網絡中,不同的終端需要不同的速率、功耗,也會使用不同的頻率,對于QoS的要求也不同。這樣的情況下,網絡很容易造成相互之間的干擾。5G網絡需要采用一系列措施來保障系統性能:不同業務在網絡中的實現、各種節點間的協調方案、網絡的選擇以及節能配置方法等。

             

            4.內容分發網絡

            在5G網絡中,會存在大量復雜業務,尤其是一些音頻、視頻業務大量出現,某些業務會出現瞬時爆炸性的增長,這會影響用戶的體驗與感受。這就需要對網絡進行改造,讓網絡適應內容爆發性增長的需要。

             

            內容分發網絡是在傳統網絡中添加新的層次,即智能虛擬網絡。CDN系統綜合考慮各節點連接狀態、負載情況以及用戶距離等信息,通過將相關內容分發至靠近用戶的CDN代理服務器上、實現用戶就近獲取所需的信息,使得網絡擁塞狀況得以緩解,縮短響應時間,提高響應速度。

             

             

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            全球5G產業發展現狀

             

            2017年,全球5G移動通信時代腳步越來越近,各國政府紛將5G建設及應用發展視為國家重要目標,各技術陣營的5G電信營運商及設備業者亦蓄勢待發,5G市場戰火一觸即發。 

             

            2018年,美國運營商將在局部城市開始5G部署,Verizon將在28GHz的毫米波頻段開始針對固定無線接入場景的非3GPP標準的5G獨立組網部署,隨后將轉向3GPP標準的5G部署;而AT&T則宣稱將開始基于3GPP標準的5G NSA的商用部署。而韓國KT在2018年2月的平昌冬奧會上展示28GHz的,基于非3GPP標準的5G系統的應用,隨后也將轉向3GPP的5G NR的NSA部署。

             

            1、中國

            我國計劃于2018年完成IMT-2020標準的征集,預計2020年實現5G的商用。我國“十三五”期間,將重點推動形成全球統一的5G標準,基本完成5G芯片及終端、系統設備研發,推動5G支撐移動互聯網、物聯網應用融合創新發展,為2020年啟動5G商用奠定了產業基礎。

             

            2、美國

            早在2016年年中,美國政府就對5G網絡的無線電頻率進行了分配,計劃在2018年實現全面的商用。當時美國政府也向電信公司提供了資助,在四座城市進行5G的先期試驗。

             

            2017年,美國運營商Verizon正式宣布將于2018年下半年在美國部分地區部署5G商用無線網和5G核心網。由設備商愛立信提供5G核心網、5G無線接入網、傳輸網以及和相關服務,這將加快基于3GPP標準的5G解決方案的商用。

             

            3、日本

            與韓國冬奧會相似,日本2020年東京奧運會以及殘奧會也成了日本發展5G的重要助力。為配合2020年東京奧運會和殘奧會的舉辦,日本各運營商將在東京都中心等部分地區啟動5G的商業利用,隨后逐漸擴大區域。

             

            日本三大移動運營商NTT DoCoMo、KDDI和軟銀計劃將于2020年在一部分地區啟動5G服務,預計在2023年左右將5G的商業利用范圍擴大至日本全國,而總投資額或達5萬億日元之多。

             

            4、歐盟

            作為歐洲地區規模較大的區域性經濟合作的國際組織,歐盟也不會允許自己在這場全球5G盛宴中缺席。

             

            2017年7月初步協議的基礎上,歐盟不久前確立了5G發展路線圖,該路線圖列出了主要活動及其時間框架。通過路線圖,歐盟就協調5G頻譜的技術使用和目的以及向電信運營商分配的計劃達成了一致。歐盟電信委員會的成員國代表同意到2025年將在歐洲各城市推出5G的計劃。

             

            5、韓國

            相較于全球其他國家計劃在2020年實現5G商用化的目標,韓國似乎想更早一點開展實踐行動。在2017年4月,韓國第二大電信商韓國電信(KT)和愛立信以及其他技術合作伙伴宣布已經就2017年進行5G試驗網的部署和優化的步驟和細節達成共識,包括技術聯合開發計劃等。

             

            2018平昌冬季奧運會,韓國實現了5G首秀,由韓國電信運營商KT聯手愛立信(基站設備等)、三星(終端設備等)、思科(數據設備等)、英特爾(芯片等)、高通(芯片等)等產業鏈各環節公司全程提供的5G網絡服務,成為5G全球首個大范圍的準商用服務。

             

             

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            5G在智能工廠的主要應用場景

             

            1.物聯網

            隨著工廠智能化轉型的推進,物聯網作為連接人、機器和設備的關鍵支撐技術正受到企業的高度關注。這種需求在推動物聯網應用落地的同時,也極大的刺激了5G技術的發展。面對復雜的工業互聯需求,5G技術需要適應不同的工業場景,能滿足物聯網的絕大部分連接需求。因此,5G與物聯網是相輔相成的關系,物聯網應用落地依賴于5G提供不同場景的無線連接方案,而5G技術標準的成熟也需要物聯網應用需求的刺激和推動。

             

            2.工業自動化控制

            自動化控制是制造工廠中最基礎的應用,核心是閉環控制系統。在該系統的控制周期內每個傳感器進行連續測量,測量數據傳輸給控制器以設定執行器。典型的閉環控制過程周期低至ms級別,所以系統通信的時延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統實現精確控制,同時對可靠性也有極高的要求。如果在生產過程中由于時延過長,或者控制信息在數據傳送時發生錯誤可能導致生產停機,會造成巨大的財務損失。

             

            5G可提供極低時延長、高可靠,海量連接的網絡,使得閉環控制應用通過無線網絡連接成為可能?;谌A為5G的實測能力:空口時延可到0.4ms,單小區下行速率達到20Gbps,小區最大可支持1000萬+連接數。由此可見,移動通信網絡中僅有5G網絡可滿足閉環控制對網絡的要求。

             

            3.物流追蹤

            在目前已成規模的機器對機器市場中,其應用將包括人員跟蹤和在途高價商品等。但(較)高連接成本限制了該市場的增長。預計5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本(規模經濟)以及作為3GPP標準技術方面提供額外優勢。5G提供的改進將包括在廣泛產業中優化物流,提升工人安全和提高資產定位與跟蹤的效率,從而最小化成本。它還將擴展能力以實現動態跟蹤更廣泛的在途商品。隨著在線購物增多,資產跟蹤將變得更加重要。 

             

            在物流方面,從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術。此外,虛擬工廠的端到端整合跨越產品的整個生命周期,要連接分布廣泛的已售出的商品,也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網絡,企業內部或企業之間的橫向集成也需要無所不在的網絡,5G網絡能很好的滿足這類需求。

             

            4.工業AR

            在未來智能工廠生產過程中,人將發揮更重要的作用。然而由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性,這將對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務和生產活動的需求,增強現實AR將發揮很關鍵作用,在智能制造過程中可用于如下場景:如:監控流程和生產流程。生產任務分步指引,例如手動裝配過程指導;遠程專家業務支撐,例如遠程維護。 

             

            在這些應用中,輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性,以便維護工作高效開展。因此需要將設備信息處理功能上移到云端,AR設備僅僅具備連接和顯示的功能,AR設備和云端通過無線網絡連接。AR設備將通過網絡實時獲取必要的信息(例如,生產環境數據、生產設備數據、以及故障處理指導信息)。在這種場景下AR眼鏡的顯示內容必須與AR設備中攝像頭的運動同步,以避免視覺范圍失步現象。通常從視覺移動到AR圖像反應時間低于20ms,則會有較好的同步性,所以要求從攝像頭傳送數據到云端到AR顯示內容的云端回傳需要小于20mms,除去屏幕刷新和云端處理的時延,則需無線網絡的雙向傳輸時延在10ms內才能滿足實時性體驗的需求。而該時延要求,LTE網絡無法滿足。

             

            5.云化機器人

            在智能制造生產場景中,需要機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產,這就帶來了機器人對云化的需求。和傳統的機器人相比,云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心,基于超高計算能力的平臺,并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。

             

             

            通過云技術機器人將大量運算功能和數據存儲功能移到云端,這將大大降低機器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求,機器人需要滿足可自由移動的要求。因此在機器人云化的過程中,需要無線通信網絡具備極低時延和高可靠的特征。

             

            5G技術已經成為支撐智能制造轉型的關鍵使能技術。5G技術可以利用三大場景將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來,構建統一的互聯網絡。由于實時性和可靠性高,5G技術不但能應用于工業場景中,還能支撐起個人移動化互聯網應用。5G技術的發展可以幫助制造企業擺脫以往無線網絡技術較為混亂的應用狀態,這對于推動工業互聯網的實施以及智能制造的深化轉型有著積極的意義。

             

             

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            5G推動智能工廠生產與管理變革

             

            ① 助推柔性制造 

            5G利用其自身無可比擬的獨特優勢,助力柔性化生產的大規模普及。 

             

            ② 工廠維護模式升級 

            5G帶來的不僅是萬物互聯,還有信息交互,使得味蕾智能工廠的維護工作突破工廠邊界。 

             

            ③ 機器替代人做管理 

            5G使機器人成為中基層管理人員,通過信息計算和精確判斷,進行生產協調和生產決策。

             

            ④ 網絡資源按需分配 

            5G利用網絡切片技術保證按需分配網絡資源,以滿足不同制造場景下對網絡的要求。 

             

            5G時代的智能工廠將大幅改善勞動條件,減少生產線人工干預,提高生產過程可控性,最重要的是借助于信息化技術打通企業的各個流程,實現從設計、生產到銷售各個環節的互聯互通,并在此基礎上實現資源的整合優化,從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。

             

             

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            5G產業鏈布局與供應商分析

             

            ① 基帶芯片產業鏈

            在5G技術架構中,基帶芯片是用來合成即將發射的基帶信號,或對接收到的基帶信號進行解碼。具體地說,就是發射時,把音頻信號編譯成用來發射的基帶碼;接收時,把收到的基帶碼解譯為音頻信號。同時,也負責地址信息(手機號、網站地址)、文字信息(短訊文字、網站文字)、圖片信息的編譯?;鶐酒?G技術的核心支撐,實現了信號從發射編譯到接收解碼的全過程。

             


             

             

            從基帶芯片出貨量看,2016年高通、聯發科、展訊、三星、Intel和海思位列全球手機基帶芯片市場前六位,占比分別為33.7%、29.7%、23.4%、4.7%、3%和2.1%。從技術上實力分析,高通、Intel、三星和海思比較強,占據了高端市場。

             

            ② 無線通信模組產業鏈

            無線通信模塊是連接物聯網感知層和網絡層的關鍵環節,屬于底層硬件環節,具備其不可替代性,無線模組按功能分為"通信模組"與"定位模組"。

             


             

             

            目前,在無線通信模組領域,國外龍頭主要有Sierra、TelIT、U-blox等,無論是規模還是毛利率要遠高于國內廠商。國內第一梯隊公司有芯訊通、移遠通信、中興物聯、廣和通等,按出貨量算已經可以和國外龍頭相媲美。但由于國內競爭比較激烈,這些廠商的毛利率普遍低于國外。隨著品牌和規模效應進一步增強,產業很可能會形成“贏者通吃”的局面,產業集中度有望進一步提升。

             

            ③ 射頻芯片產業鏈

            就是將無線電信號通信轉換成一定的無線電信號波形, 并通過天線諧振發送出去的一個電子元器件。射頻芯片架構包括接收通道和發射通道兩大部分。
             

             

             

            射頻前端芯片是移動智能終端產品的核心組成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技術升級的主要驅動力,也是芯片設計研發的主要方向。射頻前端芯片與處理器芯片不同,后者依靠不斷縮小制程實現技術升級,而作為模擬電路中應用于高頻領域的一個重要分支,射頻電路的技術升級主要依靠新設計、新工藝和新材料的結合。

             

            ④ 光模塊產業鏈

            光模塊的作用就是光電轉換,發送端把電信號轉換成光信號,通過光纖傳送后,接收端再把光信號轉換成電信號。光模塊由光電子器件、功能電路和光接口等組成。

             


             

             

            光芯片是模塊中價值量最集中的環節,在光模塊中成本占比30%-50%,高端產品中占比甚至能夠達到50%-70%。目前,光芯片及上游材料競爭行業壁壘較高,高端芯片主要由美國等海外廠商壟斷,國外大廠占據高端光芯片90%以上市場份額,被美、日廠商壟斷;國內光芯片廠商以10G及以下產品為主,核心技術能力亟待突破。目前國內具有成熟光芯片制造能力的廠商主要有光迅科技、昂納科技、海信寬帶。

             

            ⑤ 系統集成產業鏈

            面向應用場景的產業鏈環節在于系統集成與應用服務,主要包括系統集成與行業解決方案、大數據應用、物聯網平臺解決方案、增值業務和行業應用等部分。

             

             

            5G面向應用場景的產業鏈環節在于系統集成與應用服務,主要包括系統集成與行業解決方案、大數據應用、物聯網平臺解決方案、增值業務和行業應用等部分。各環節的主流廠商包括系統平臺綜合集成的華為、中興通訊、烽火通信、新華三、星網銳捷;大數據應用的東方國信、天源迪科、拓爾思;物聯網平臺與解決方案的宜通世紀、高新興、拓邦股份;增值業務服務與平臺的北緯通信、拓維信息、四維圖新、夢網榮信等。

             


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