基于5G技術(shù)的工廠無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳光 趙旭

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)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(cè)器及PLC等設(shè)備相互連接,形成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò),采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。然而有線通信方式不僅耗時(shí)耗力耗材,使用起來(lái)也很復(fù)雜。隨著移動(dòng)機(jī)器人、AGV小車(chē)的出現(xiàn),有線通信方式已不能滿(mǎn)足工廠對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性及可靠性的要求。本文針對(duì)有線通信網(wǎng)絡(luò)的不足及工廠對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的需求,設(shè)計(jì)了設(shè)備互聯(lián)的無(wú)線通信系統(tǒng),利用D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通信,滿(mǎn)足工廠對(duì)設(shè)備通信速率的需求。

1 5G無(wú)線通信技術(shù)概述

新型第五代移動(dòng)通信技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)5G無(wú)線通信技術(shù),是在4G無(wú)線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上改造升級(jí)而來(lái)。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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息放入此IP地址的移動(dòng)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(guò)程中,它將在第一時(shí)間覺(jué)察到異常,及時(shí)啟動(dòng)保護(hù)措施,不會(huì)讓信息傳輸過(guò)程出現(xiàn)任何形式的差錯(cuò)。它運(yùn)用LSAS技術(shù)有效地提高了頻譜效率,完成了區(qū)分空間地位的功用,進(jìn)一步提升了傳輸服務(wù)水平,并在提高無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍的基礎(chǔ)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(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),5G無(wú)線通信技術(shù)將為社會(huì)的智能化發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

2 5G技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)

2.1 毫米波技術(shù)

毫米波技術(shù)具備帶寬大、波束窄、安全性高及方向性好的優(yōu)勢(shì)[2],成為5G網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分。5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)使用頻譜范圍為30～300GHz的毫米波,可用的頻譜資源達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的200倍以上,傳輸速度達(dá)到4G網(wǎng)絡(luò)的10倍以上,延遲時(shí)間卻不到4G網(wǎng)絡(luò)的1/5。相比4G網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)傳輸和安全通信對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展非常重要。

2.2 Massive MIMO技術(shù)

Massive MIMO技術(shù)稱(chēng)為大規(guī)模天線陣列技術(shù),以其靈活的空間復(fù)用能力,成為5G關(guān)鍵技術(shù)之一,可以有效提高系統(tǒng)容量,改善通信質(zhì)量[3]。Massive MIMO系統(tǒng)在狹窄的空間傳送信號(hào),天線陣列通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整每個(gè)天線發(fā)射信號(hào)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(luò)通信,也符合未來(lái)工業(yè)綠色通信的要求。

2.3 M2M通信技術(shù)

M2M(Machine-to-Machine)稱(chēng)為機(jī)器對(duì)機(jī)器通信技術(shù),首先在機(jī)器上安裝傳感器、信息處理裝置及傳輸裝置,使機(jī)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(luò)之間建立橋梁,實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器間的數(shù)據(jù)互通。M2M技術(shù)的快速發(fā)展有利于工廠設(shè)備互聯(lián)通信系統(tǒng)的構(gòu)建。

3 5G技術(shù)的三大工業(yè)場(chǎng)景

5G無(wú)線通信成為工業(yè)AR、云機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化控制等工業(yè)場(chǎng)景中的關(guān)鍵支持技術(shù)。URLLC(Ultra-reliableand Low Latency Communications)通過(guò)無(wú)線連接生產(chǎn)設(shè)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(shí)間,是一種低時(shí)延且高可靠的通信技術(shù),適合遠(yuǎn)程制造、無(wú)人駕駛、工業(yè)應(yīng)用控制等場(chǎng)景;eMBB(Enhance Mobile Broadband)通過(guò)大幅度提升網(wǎng)速,提高設(shè)備響應(yīng)速度,是一種增強(qiáng)移動(dòng)帶寬技術(shù),適合4K/8K超高清視頻及VR/AR等大流量、高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景;mMTC(massive Machine Type of Communication)是一種海量機(jī)器類(lèi)通信技術(shù),適合低功耗、快傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。5G技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用將助力智能工廠的構(gòu)建以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 基于D2D技術(shù)的設(shè)備互聯(lián)通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)

4.1 D2D技術(shù)概述

D2D(Device-to-Device)全稱(chēng)為終端通信技術(shù),使用密集部署在網(wǎng)絡(luò)中的專(zhuān)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(guò)LOS鏈接將波束方向引導(dǎo)到中繼站,從而到達(dá)目標(biāo)用戶(hù),完全掩蓋并降低延遲,完成高數(shù)據(jù)速率傳輸,滿(mǎn)足設(shè)備快速通信的需求。D2D技術(shù)提高了5G通信技術(shù)的SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))和NFV(網(wǎng)絡(luò)功用虛擬化)功能,同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性,其發(fā)展將引起人類(lèi)生活及工業(yè)界的巨大改變。

4.2 D2D技術(shù)通信的過(guò)程

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

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

4.3 設(shè)備互聯(lián)的通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)

由數(shù)據(jù)中心、5G通信網(wǎng)絡(luò)和終端三部分組成的設(shè)備互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的終端設(shè)備(如智能終端、移動(dòng)機(jī)器人、AGV車(chē))內(nèi)嵌5G通信模組,利用5G無(wú)線通信技術(shù)接入企業(yè)云或數(shù)據(jù)中心,實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù),分析生產(chǎn)情況,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化及無(wú)線化。數(shù)據(jù)中心隨時(shí)接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、處理,根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要控制設(shè)備的狀態(tài),合理安排生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。終端與終端之間不需要基站中轉(zhuǎn),通過(guò)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D技術(shù),就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信,完成終端之間的“密切協(xié)同”以及“無(wú)碰撞作業(yè)”,實(shí)現(xiàn)終端的流暢化、協(xié)同化。D2D的通信進(jìn)一步地提高了通信速率,降低了通信時(shí)延,為實(shí)現(xiàn)工廠的智能化提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

5G無(wú)線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界互聯(lián)的關(guān)鍵,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。5G無(wú)線通信技術(shù)的低時(shí)延、大帶寬、海量連接等特點(diǎn)滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境下設(shè)備互聯(lián)的應(yīng)用需求,工廠企業(yè)利用5G構(gòu)建設(shè)備互聯(lián)通信系統(tǒng),將人、機(jī)器及設(shè)備相互連接起來(lái),利用5G的D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的直接通信,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)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(shè)備生產(chǎn)事故的可追溯性及發(fā)展趨勢(shì)的可預(yù)測(cè)性。5G無(wú)線通信技術(shù)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(zhuǎn)變。