基于5G技术的工厂无线通信系统设计

陈光 赵旭

(天津理工大学中环信息学院,天津 300380)

传统工厂一般采用有线通信方式将成百上千的仪器、传感器、检测器及PLC等设备相互连接,形成一个控制网络,采集生产数据,监控设备状态。然而有线通信方式不仅耗时耗力耗材,使用起来也很复杂。随着移动机器人、AGV小车的出现,有线通信方式已不能满足工厂对数据传输实时性及可靠性的要求。本文针对有线通信网络的不足及工厂对无线通信网络的需求,设计了设备互联的无线通信系统,利用D2D技术实现设备间的直接通信,满足工厂对设备通信速率的需求。

1 5G无线通信技术概述

新型第五代移动通信技术简称5G无线通信技术,是在4G无线通信技术的基础上改造升级而来。它将最新的IP地址作为数据传输的基站,把搜集到的大量实时数据信息放入此IP地址的移动终端,极大地提高了数据的有效性和安全性[1]。在数据传输过程中,它将在第一时间觉察到异常,及时启动保护措施,不会让信息传输过程出现任何形式的差错。它运用LSAS技术有效地提高了频谱效率,完成了区分空间地位的功用,进一步提升了传输服务水平,并在提高无线信号覆盖范围的基础上,加快了信息传输速度。除此之外,它克服了全频谱共享、多载波等关键性技术问题,在一定程度上提高了频谱的抗干扰能力。作为一种具备独特优势的网络技术,5G无线通信技术将为社会的智能化发展提供强有力的支持。

2 5G技术的三大关键技术

2.1 毫米波技术

毫米波技术具备带宽大、波束窄、安全性高及方向性好的优势[2],成为5G网络不可或缺的一部分。5G网络信号使用频谱范围为30～300GHz的毫米波,可用的频谱资源达到4G网络的200倍以上,传输速度达到4G网络的10倍以上,延迟时间却不到4G网络的1/5。相比4G网络使用的微波,毫米波波束要窄得多,因此被截获率有所降低,受到干扰的可能性变小,传播的精度也有所提高。低延迟、实时传输和安全通信对工业自动化的发展非常重要。

2.2 Massive MIMO技术

Massive MIMO技术称为大规模天线阵列技术,以其灵活的空间复用能力,成为5G关键技术之一,可以有效提高系统容量,改善通信质量[3]。Massive MIMO系统在狭窄的空间传送信号,天线阵列通过自适应调整每个天线发射信号的相位,使得基站与链路之间的能源损耗减小,非常适用于5G网络通信,也符合未来工业绿色通信的要求。

2.3 M2M通信技术

M2M(Machine-to-Machine)称为机器对机器通信技术,首先在机器上安装传感器、信息处理装置及传输装置,使机器具备收集、处理和交流信息的能力,其次在IT系统与通信网络之间建立桥梁,实现不同协议之间的转换,从而实现机器间的数据互通。M2M技术的快速发展有利于工厂设备互联通信系统的构建。

3 5G技术的三大工业场景

5G无线通信成为工业AR、云机器人、工业自动化控制等工业场景中的关键支持技术。URLLC(Ultra-reliableand Low Latency Communications)通过无线连接生产设备,节省线缆及布线工作量,降低生产成本,缩短生产线重组时间,是一种低时延且高可靠的通信技术,适合远程制造、无人驾驶、工业应用控制等场景;eMBB(Enhance Mobile Broadband)通过大幅度提升网速,提高设备响应速度,是一种增强移动带宽技术,适合4K/8K超高清视频及VR/AR等大流量、高带宽的应用场景;mMTC(massive Machine Type of Communication)是一种海量机器类通信技术,适合低功耗、快传输的应用场景。5G技术在工业场景中的应用将助力智能工厂的构建以及传统制造业的转型升级。

4 基于D2D技术的设备互联通信组网设计

4.1 D2D技术概述

D2D(Device-to-Device)全称为终端通信技术,使用密集部署在网络中的专用中继站即可完成通信终端的直接通信。BS可以在任何拥堵的情况下,通过LOS链接将波束方向引导到中继站,从而到达目标用户,完全掩盖并降低延迟,完成高数据速率传输,满足设备快速通信的需求。D2D技术提高了5G通信技术的SDN(软件定义网络)和NFV(网络功用虚拟化)功能,同时提高了网络的可靠性,其发展将引起人类生活及工业界的巨大改变。

4.2 D2D技术通信的过程

图1 通信组网图Fig.1 Communication network diagram

第一步:终端1通过5G基站向终端2发送D2D通信请求,5G基站等待接收终端2的回复,若终端2接受终端1的D2D通信请求,5G基站将检测这两个终端是否在同一个基站小区,若不在,D2D通信请求失败,若在,5G基站给这两个终端分配IP地址,为下一步工作做好准备。第二步:5G基站根据两个终端的信息进行模式选择,判断使用蜂窝通信还是D2D通信,若两个终端满足D2D通信的条件,5G基站将允许两个终端进行D2D通信。第三步:5G基站为两个终端分配合适的时频资源。第四步:自主建立通信链路。第五步:两个终端进行D2D通信。

4.3 设备互联的通信组网设计

由数据中心、5G通信网络和终端三部分组成的设备互联通信网络如图1所示。生产现场的终端设备(如智能终端、移动机器人、AGV车)内嵌5G通信模组,利用5G无线通信技术接入企业云或数据中心,实时采集现场环境数据,分析生产情况,实现生产线的自动化及无线化。数据中心随时接收终端发送的数据进行统计、分析、处理,根据生产现场的需要控制设备的状态,合理安排生产线,实现柔性生产。终端与终端之间不需要基站中转,通过5G蜂窝网络的D2D技术,就可以实现点对点数据通信,完成终端之间的“密切协同”以及“无碰撞作业”,实现终端的流畅化、协同化。D2D的通信进一步地提高了通信速率,降低了通信时延,为实现工厂的智能化提供了技术支持。

4 结语

5G无线通信技术是实现物理世界与信息世界互联的关键,是工业互联网发展的必然趋势。5G无线通信技术的低时延、大带宽、海量连接等特点满足工业环境下设备互联的应用需求,工厂企业利用5G构建设备互联通信系统,将人、机器及设备相互连接起来,利用5G的D2D技术实现设备与设备之间的直接通信,提高了数据传输的实时性、可靠性,实现了生产过程的透明化、扁平化、定制化、灵活化与数字化,提高了工厂设备生产事故的可追溯性及发展趋势的可预测性。5G无线通信技术的发展将助力企业完成从传统工厂到智能工厂的转变。