5G园区网络:用于智能工厂的私有蜂窝网络

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数字化可能不再是新鲜的流行词了,但在现实中,数字化是真实发生的现象,其重要性正逐步显现。它迫使企业不断发展以保持在市场上的重要地位。5G园区网络可以帮助企业提高运营的灵活性、效率和数字化水平。

 

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5G园区网络并不对大众开放,因而具备极高的数据安全水平

5G园区网络是受地理位置限制的局部5G网络,普通公众无法访问。它们在工业应用方面备受青睐,因为5G技术精准地提供了网络化生产运作所需的功能——高可靠性、大范围、低延迟、高带宽和高能效。这些功能特性需要使用较高的频率范围,与先前蜂窝标准使用的2.2 GHz频率不同,5G园区网络依靠使用3.7 - 3.8 GHz频段。5G技术使用的是n78频段。

5G园区网络因何如此特别?

5G网络技术实现了人员、机器、传感器和其它终端设备之间的无线实时通信。凭借增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC),以及超可靠低延迟通信(URLLC)功能,5G网络技术击败了其4G前身。

通过使用URLLC,延迟数值从4G下的大约15到80毫秒,降低到5G下的低于1毫秒。这样可以在没有明显迟滞的情况下控制机器设备、机器人和自动交通运输系统。

通过使用eMBB,5G数据传输速率可以达到10 Gbit/s,而容量达到每平方公里10 Tbit/s。相比之下,4G技术的传输极限仅为1 Gbit/s。因此5G的传输速率大约是4G的10倍,从而能够以极高分辨率实时传输视频内容。在新冠病毒大流行时期,这项优势可让海外开发人员查看最微小的产品细节,并给出意见。

特别具有吸引力的是,mMTC能够实现每平方公里最高100万台终端设备的极高连接密度,同时最大限度地减少能源消耗,其能耗仅为LTE系统能耗的10%左右。相比之下,4G技术的连接密度仅为每平方公里大约100台终端设备。mMTC特别适用于大型仓库、停车场管理系统,以及体育场馆大型活动。

 

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直接对比图,清楚显示 4G5G之天壤之别

不仅如此,得益于智能化“网络切片(network slicing)”技术,多个虚拟网络可以在同一物理网络基础设施上同时运行。这样允许每种应用程序类型(eMBB、mMTC和URLLC)的数据通过其自有的虚拟蜂窝网络进行传输,而虚拟蜂窝网络则可以针对每项应用程序进行单独优化。园区网络在可靠性和可用性方面也优于公共网络,因为它们的运作并不依赖于蜂窝服务供应商。

5G因何优于Wi-Fi 6?

园区网络本身并不是什么新鲜事。现在,大多数园区网都是基于Wi-Fi技术。而Wi-Fi 6,也被称为Wi-Fi AX,是最新一代Wi-Fi技术,它几乎与5G技术同时发布。与5G技术相似,Wi-Fi 6也带来了许多改进,其中包括每个数据流具有更大带宽、更低延迟和高达6 Gbit/s数据速率。这是通过新的调制方法来实现的,例如OFDMA(正交频分多址)和1024-QAM(正交振幅调制)。由于Wi-Fi - 6是向后兼容的,用户无需更换硬件——这尤其是办公大楼私有网络的一项重要优势。

随着联网的机器、系统,以及机器人和自动运输系统等移动应用的数量不断增加,对于私有网络的需求也在增加。许多工业和生产设施还需要一个能够同时覆盖室内和室外区域的园区网络,例如,可以覆盖整个生产设施区域的运输系统。由于5G技术具有介于3.7至3.8 GHz之间的较低频率(与Wi-Fi的5 GHz频率相比),5G拥有更大的覆盖范围,并仍然提供可与Wi-Fi媲美的数据传输速率。在Wi-Fi甚至Wi-Fi漫游的情况下,自动传输系统在更换基站时可能不得不暂停片刻,只有在与新基站或网关连接时才能重新开始移动。这对于任何依赖于连续数据流的移动应用程序来说尤为突出。而在5G条件下,蜂窝传输范围更大,延迟时间更短,而且蜂窝之间可以实现无缝过渡。因此,当涉及到工业系统和生产设施自动化方面使用的移动系统和应用时,5G技术拥有重大的优势。

企业如何获取5G园区网络?

在德国,企业可以向电力、天然气、电信、邮政和铁路方面的联邦网络局提交申请,以获得5G频段许可证。为此,联邦网络局已批准在3.7 至3.8 GHz频率范围内为本地网络应用提供100 MHz频段。频率块可以赋予一项或多项属性。

许可费用基于所要求的带宽(B),以MHz为单位(必须细化到从10到100 MHz之间的10MHz增量),许可期限以年为单位(t),蜂窝网络覆盖面积以平方公里计。拟覆盖的区域可分为“建筑环境和交通运输”(a1)或“其他”(a2)。工业和商业区域则划分为a1,计算公式为:

以欧元(€)计算的费用 = 1.000 + B x t x 5 x (6 x a1 + a2)

对于有效面积为0.2 km²的生产设施,合同期限为10年,全带宽为100 MHz用例,许可证费用为6000欧元,相当于600欧元年费。

需要哪些硬件

必要的硬件包括:5G卡、调制解调器,以及天线、服务器和电源单元。一个示例是来自Telit的FN980-5G-M.2卡,这是市场上首批5G产品之一,它支持全球范围使用的LTE和5G /6GHz以下频段(也就是n78频段,覆盖3.3 - 3.8 GHz频率范围),这是在欧洲建立园区网络所需要的5G卡产品,其外形尺寸为30 mm × 50 mm,工作温度范围为-40 到+85°C, 5G-M.2卡适用于工业应用领域,它基于高通的骁龙X55 5G芯片组。FN980配有专有的Telit软件,可以使用AT命令进行配置。FN980m型款也支持新的mmWave频段。

研华科技(Advantech)现在也提供AIW-355DQ系列5G-M.2卡,与Telit的产品类似,它也基于骁龙X55 5G芯片组。然而,与Telit有所不同的是,研华正在针对欧洲、北美和日本市场推出 AIW-355DQ 系列的特定地区型款。研华产品尺寸为52 mm × 30 mm,工作温度范围为-10到+55°C,其温度范围没有Telit公司5G卡产品那么宽广。

来自Telit和研华科技的两款5G-M.2卡都具有多个5G和GNSS天线插座。儒卓力可以提供来自制造商2J, AVX和Pulse公司的合适天线产品。

这些产品组合的亮点之一是来自2J公司的2JW1683 Katana天线产品。作为最小型5G单极天线之一,该天线支持6 GHz以下频段园区网络,并向后兼容支持4G、3G和2G频段。得益于采用铰接插头,天线位置能够达到45°至90°角度。2JW1683 Katana具有10 mm × 80mm超紧凑尺寸,从而可以实现极小型设备,并且仍然可以经穿透建筑物和高楼林立的城市地区来传输数据,因而完美适合覆盖生产设施的应用。

对于5G聚合物粘接天线,制造商2J提供了2F0283P、2JF0383P、2JF0483P和2JF0583P型款,这些产品型款之间的差异仅在于接地板的尺寸。它们使用全向传输模式在整个6 GHz以下范围优化信号强度和信号质量。这些天线不仅支持5G频段,还支持传统4G、3G和2G频段。

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