摘要:论文主要介绍了第五代移动通信技术(5th-Generation)的基本概念,然后别对5G网络的特点以及5G关键技术功能在各个领域的应用进行了全面阐述,为仪器仪表行业向物联网、工业自动化控制、物流追踪、工业AR、云化机器人等工业领域的推广提供了借鉴。
万物互联时代,5G带给仪器仪表巨大的发展机遇。作为新一代移动通信技术,5G技术契合了传统制造企业智能制造转型对无线网络的应用需求,能满足工业环境下设备互联和远程交互应用需求。在物联网、工业自动化控制、物流追踪、工业AR、云化机器人等工业应用领域,5G技术起着支撑作用。
1、5G技术的基本概念
第五代移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术,是2G(GSM)、3G(UMTS、LTE)和4G(LTE-A、WiMax)系统后的延伸。5G的性能是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本,提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署,Release-16的第二阶段将于2020年4月完成,作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟(ITU)。ITUIMT-2020规范要求速度高达20Gbit/s,可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
与早期的2G、3G和4G移动网络一样,5G网络是数字蜂窝网络。在这种网络中,供应商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示声音和图像的模拟信号在手机中被数字化,由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵和低功率自动收发器(发射机和接收机)进行通信。收发器从公共频率池分配频道,这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样,当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时,他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。
5G网络的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10Gbit/s,比当前的有线互联网要快,比先前的4GLTE蜂窝网络快100倍;另一个优点是较低的网络延迟(更快的响应时间),低于1ms,而4G为30ms~70ms。由于数据传输更快,5G网络将不仅仅为手机提供服务,而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商,与有线网络提供商竞争。以前的蜂窝网络提供了适用于手机的低数据率互联网接入,但是一个手机发射塔不能经济地提供足够的带宽作为家用计算机的一般互联网供应商。
2、5G网络的特点
1)峰值速率需要达到Gbit/s的标准,以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。2)空中接口时延水平需要在1ms左右,满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。3)超大网络容量,提供千亿设备的连接能力,满足物联网通信。4)频谱效率要比LTE提升10倍以上。5)连续广域覆盖和高移动性下,用户体验速率达到100Mbit/s。6)流量密度和连接数密度大幅度提高。7)系统协同化、智能化水平提升,表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网,以及网络间灵活地自动调整。从用户体验看,5G具有更高的速率、更宽的带宽,预计5G网速将比4G提高10倍左右,只需要几秒即可下载一部高清电影,能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。从行业应用看,5G具有更高的可靠性、更低的时延,能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求,拓宽融合产业的发展空间,支撑经济社会创新发展。
3、5G技术的主要功能
从科技创新所带来的经济效益的提升角度来看,5G是经济社会数字化转型的关键使能器。未来,5G与云计算、大数据、人工智能、虚拟增强现实等技术的深度融合,将连接人和万物,成为各行各业数字化转型的关键基础设施。5G将为用户提供超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏等更加身临其境的业务体验,促进人类交互方式再次升级。
4、5G带来的关键技术与应用
在核心网方面,5G应该说很好地采用了NFV(网络功能虚拟化)和SDN(软件定义网络)的理念,大部分是基于软件和硬件分离的架构。在大家看起来都是服务器,在上面虚拟出很多不同的功能单元,从网络功能设计来看,也更好地实现了控制和数据平面的分离;其次,在网络架构方面,进一步向扁平化发展,过去2G、3G的4层,到4G已经变成3层,到5G更加简洁,变成两层,而且很多应用了移动边缘计算。核心网标准重点落实像网络切片、移动边缘计算,确保端到端用户的安全。
另外,5G技术的优势还体现在毫米波、小基站、大规模天线、波束成形这几大技术上。考虑到5G的先进性和经济性两个方面,5G网络建设分为非独立组网和独立组网两种模式。所谓独立组网就是采用5G新的空口接入到5G新的核心网,端到端都是完整5G的标准。非独立方式更多体现在核心网部分。也就是说,有些运营企业在初级阶段仍然用4G核心网接入5G新的接口作为过渡以减少初期投资。
在推动物联网落地过程中,比如eMBB能支撑起远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景;mMTC能满足大量低功耗嵌入式终端的数据连接与传输需求。URLLC可以将网络等待时间的目标压低到1ms以下,以支撑工业自动化控制过程中系统和设备对数据传输的实时性的诸多指标和要求。
从专业角度出发,5G新技术的关键能力比前几代移动通信更加丰富。用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。新空口、网络切片和边缘计算是3大具备关键性的5G技术,也是驱动第四次工业革命的核心技术。各种新兴的应用是5G商用的主要推动力,这些应用通常对带宽和时延要求较高,而5G网络的高带宽和低时延特性正好满足了这些新兴技术的应用。5G有3个方面的进展。除了网速得到百倍的提升,网络的时延也将低到百万分之一秒。此外,5G能够广覆盖,实现万物互联,在每一平方公里可以支撑100万个移动终端。
4.1 超密集异构网络
5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及,面向2020年及以后,移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来5G网络中,减小小区半径,增加低功率节点数量,是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此,超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。超密集网络(UDN)对5G要求中的高速率、低时延、大业务量以及高密度终端数起到了至关重要的作用。它通过部署大量的设备来满足高密度、高流量的无线终端接入要求,同时提高系统的频谱利用率,从而使系统容量得以提升。UDN的典型应用场景包括办公楼、车站、校园、地铁、医院、体育馆等人流密集地区。
4.2 自组织网络
传统移动通信网络中,主要依靠人工方式完成网络部署及运维,既耗费大量人力资源又增加运行成本,而且网络优化也不理想。在未来5G网络中,将面临网络的部署、运营及维护的挑战,这主要是由于网络存在各种无线接入技术且网络节点覆盖能力各不相同,它们之间的关系错综复杂。因此,自组织网络(self-organizing network,SON)的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。
4.3 内容分发网络
在5G中,面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长,网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容,降低用户获取信息的时延,成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题,它还受到传输中路由阻塞和延迟、网站服务器的处理能力等因素的影响,这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络(content distribution network,CDN)会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。内容分发网络是在传统网络中添加新的层次,即智能虚拟网络。
4.4 D2D通信
在5G网络中,网络容量、频谱效率需要进一步提升,更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备通信(device-to-device communication,D2D)具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此,D2D是未来5G网络中的关键技术之一。
4.5 M2M通信
M2M(machine to machine,M2M)作为物联网最常见的应用形式,在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP已经针对M2M网络制定了一些标准,并已立项开始研究M2M关键技术。M2M的定义主要有广义和狭义两种。广义的M2M主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信,它涵盖了所有实现人、机器、系统之间通信的技术;从狭义上说,M2M仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、交互式是M2M有别于其它应用的典型特征,这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧”。
4.6 信息中心网络
随着实时音频、高清视频等服务的日益激增,基于位置通信的传统TCP/IP网络无法满足数据流量分发的要求,网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络(information-centric network,ICN)的思想最早是1979年由Nelson提出来的,后来被Baccala强化。作为一种新型网络体系结构,ICN的目标是取代现有的IP。ICN所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等,而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此,ICN的主要概念是信息的分发、查找和传递,不再是维护目标主机的可连通性。
4.7 大规模MIMO技术
大规模MIMO技术是传统MIMO技术的演进,它将天线数目提高到几十个甚至上百个。与传统MIMO技术相比,大规模MIMO技术具有更低的时延与更强抗干扰能力,且可以提高空间分辨率、系统容量和发射功率利用率。
4.8 全双工
全双工是5G关键空中接口技术之一,它令终端设备可以在同一时间、同一频段发送和接收信号,达到比传统的TDD或FDD高一倍的频谱效率,同时减小端到端的传输时延和信令开销。
5、5G技术与仪器仪表
1) 通过协作机器人和AR智能眼镜提高工作效率,协作机器人需要不断交换分析数据以同步和协作自动化流程,智能眼镜使员工能够更快、更准确地完成工作。
2) 通过基于状态的监控、机器学习,基于物理的数字仿真和数字孪生手段,准确预测未来的性能变化,从而优化维护计划并自动订购零件,减少停机时间和维护成本。
3) 通过优化供应商内部和外部数据的可访问性和透明度,降低物流和库存成本。如果制造企业要充分利用工业物联网的机会,就需要实施涵盖供应链、生产车间和整个产品生命周期的端到端解决方案。
4) 柔性制造和云化MES作为工业制造行业的发展趋势,其对实时性、安全性、低时延等的要求非常高,而5G网络的能力可较好地满足工业自动控制与管理等业务的场景需求,实现大规模定制化生产及实时数据传输。此外,工厂内外的信息交互及大规模生产协同,也需要5G提供大连接能力,将机械臂等设备连网,实现信息采集,集中调度。
5) 随着通信技术的飞速发展与人工智能的高速崛起,5G技术、人工智能也将改变现有传感器及传感器网络,使其变得更加快速高效智能。
6) 依靠更高速率、更大连接、更低时延的特性,5G不仅解决人与人的通信问题,而且能实现人与物、物与物的万物互联。在5G网络中,虚拟现实、增强现实、8K高清视频,以及无人驾驶、远程医疗、智能家居等,将真正走向成熟应用。
随着5G运用普及,仪器仪表行业或能迎来巨大的发展契机。例如,与仪器仪表行业直接关联性最大的是传感器,同时必不可少的是相应的芯片和器件都要通过高科技精准仪器检测后量产,还有网络的连通测试,也需要通信行业的精准仪器检测。另外,将会出现与5G技术相应的仪器仪表新标准。
6、结束语
5G信息技术是各国竞相角逐的前沿科技,中国5G技术具有先进性和稳定性,5G商用将带动中国整个科技产业发展。随着一项项5G前沿成果在中国的转化,一个个生机勃勃的独角兽企业拔节壮大,5G产业将成为中国正在崛起的新高地。中国的仪器仪表行业,必须正确对待5G的到来,发展智能化仪器仪表制造业思维创新是关键,企业家们应当努力地防止掉入“惯性思维”的陷阱。无论在理论上还是在实践中,推动行业的经济高质量发展的最大障碍,莫过于“惯性思维”。其关键之举,也莫过于告别“惯性思维”。
参考文献:
[1]鲁义轩.从5G看仪器仪表市场新竞争外企加大入华力度[J].通信世界,2016(14).
[2]王莹,王金旺.智能制造的市场前景及技术发展[J].电子产品世界,2017(S1).
[3]程琳琳.5G测试仪表沙场秋点兵[J].通信世界,2017.
[4]李旭茹,徐晓宇,岳亚伟.5G技术综述[J].山西电子技术,2017(2).
[5]Graham,Board.5G技术与测试和测量面临的挑战[J].电子产品世界,2018(7).
[6]王国庆,李坚,吕耀坤.基于5G的AI传感器在环境监测中的应用研究[J].通信电源技术,2018(11).
[7]李洋.5G开启大数据与实体经济融合新时代.中国高新技术产业导报[8/OL].2019-05-06[2019-07-11].
[9]余建斌.5G打开巨大发展空间[N/OL].人民日报,2019-06-14[2019-07-11].
[10]黄鑫.5G将成经济增长新引擎[EB/OL].新华网,2019-06-27[2019-07-12].
[11]沈慧.5G不只比4G多-G[EB/OL].新浪财经,2019-07-04[2019-07-14].
孙柏林,刘哲鸣.5G下的仪器仪表发展[J].仪器仪表用户,2019,26(11):107-109,90.
分享:
目前,用于医疗卫生的电子血压计已经被列入《实施强制管理的计量器具目录》中。静态压力是电子血压计计量检定的难点,所以本文依据计量检定规程,重点讨论了静态压力的测量方法,并对其结果的不确定进行了评定。
2024-01-02保证计量单位统一和量值的准确可靠,是设备正常运行必不可少的条件,准确测量是保证医疗设备安全、可靠、准确、有效的必要手段,这为发热病人救治设备测量结果的准确可靠提供了技术保证。在发热病人救治过程中,体温筛查和诊断类设备、医学监护与救治设备以及呼吸系统治疗设备在疾病的检测和救治中起了重要作用。
2022-03-29万能工具显微镜是一种常见的二维坐标尺寸测量的光学仪器,其仪器的通用性广、测量精度高,被广泛运用,本文主要阐述了万能工具显微镜在使用过程中的常见故障及维修方法,如主显微镜放大倍率的调整、仪器主镜头零位的调整、横向导轨直线性超差的原因判断及调修方法等,以保障仪器的正常使用和精密测量。
2022-01-25制造出低成本、高质量的产品一直以来都是制造行业发展的方向。一件产品质量的好坏取决于该产品中单个零件的加工质量和零部件之间的装配质量,而单个零件的质量好坏往往用加工精度来衡量,所以单个零件的加工精度是保证产品质量的基础。基于此,对于影响机械加工精度因素及提高措施的研究十分必要。
2021-09-07端面弧齿以其特殊的齿形,具有定心精度高、承载能力强等优点,在工业、军事等诸多领域有着广泛的应用。虽然端面齿在理论、制造加工工艺方面的研究日趋成熟,但是如果在缺乏齿轮参数的情况下,想要对齿轮实物进行测绘乃至逆向建模仍然十分困难。本文介绍的是一种通过利用逆向工程技术对端面弧齿进行较为精确的逆向建模的方法。
2021-09-07数控车床是机械加工的重要基础设施,其所生产的各项零件设施都需要经过严格的质量把控,如此才能够更加高效性的保证生产加工零件的效果和质量,也才能够真正应用于现实的生活加工环境当中。然而,对于一些比较特殊的典型薄壁零件则不然,因为其生产加工的难度相对较大,最终所生产出来的效果自然也就不易把控,受影响最大的还是其自身的质量。
2021-09-07中国要从制造大国变为智造强国,需要不断提升制造水平,使用新工艺新技术淘汰低端制造过程,不断开发新产品,提升产品生产效率,降低生产成本,满足市场需求,那么如何快速的进行产品创新设计与制造显得尤为重要。逆向工程技术已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带,成为消化和吸收先进技术、改型与创新设计,实现新产品快速开发的重要技术手段,在工业生产中应用越来越广泛。
2021-09-07利用AutoCADVBA语言实现齿轮绘图过程的自动化是提高效率和减少重复性劳动的最佳方法。也就是说,只要用户在对话框中输入齿轮的必要参数,AutoCAD就会自动地绘出齿轮的零件图,使整个设计过程简化。这样就会节省更多的人力物力,使产品开发人员更好地专注于其他方面的产品问题。
2021-09-07新时期,新环境下,机电设备的应用越来越广泛,同时对于机电设备创新提出了更高的要求。在过去的一段时间里,机电设备的应用需要以人工操作为主,不仅效率低,而且易于出现差错,进而影响工作质量。在此情形下,积极做好对机电设备的自动化改造与维护工作显得尤为重要,这是提升机电设备自动化水平,确保机电设备安全可靠应用的重要举措。
2021-09-07活塞组件中一道环、二道环装配多为人工手动分料,借助套筒工装将一道环、二道环扩张内径后套入活塞的第一道环槽和第二道环槽,效率低,装配质量不稳定。近几年有厂家开发出一道环自动分料及组装装置、二道环自动分料及组装装置,提高了一道环、二道环自动化装配水平,但是存在着设备集成度不高、换品种时更换工装数量多等缺点。
2021-09-07人气:4534
人气:3948
人气:3725
人气:3277
人气:3127
我要评论
期刊名称:仪器仪表学报
期刊人气:6295
主管单位:中国科学技术协会
主办单位:中国仪器仪表学会
出版地方:北京
专业分类:工业
国际刊号:0254-3087
国内刊号:11-2179/TH
邮发代号:2-369
创刊时间:1980年
发行周期:月刊
期刊开本:大16开
见刊时间:一年半以上
影响因子:0.121
影响因子:0.090
影响因子:0.320
影响因子:0.150
影响因子:0.200
400-069-1609
您的论文已提交,我们会尽快联系您,请耐心等待!
你的密码已发送到您的邮箱,请查看!