5G专网工业设备的设计与测试

5G和多路接入边缘计算(MEC)是未来智慧工厂必不可少的技术。Release 16(第三代合作伙伴计划(3GPP)发布的最新5G标准)的实时性促进了工业物联网(IIoT)的发展。作为对5G的补充以支持IIoT控制应用，MEC为5G系统提供实时感知，同时，通过将计算资源更靠近用户，从而有助于实现更低的延迟。

即将发布的标准版本将为工业应用带来新的功能。Release 17将于2022年上半年实现商业化，将增加5G与时间敏感网络(TSN)的集成。该版本还将引入改善5G定位和减少延迟的功能，这些功能对于工厂自动化和远程控制应用来说至关重要。

下一版，即第18版，则被宣传为5G标准演进中一个阶跃式的功能增强版，它将是3GPP的第一个正式归属于“5G高级”保护伞下的首个版本。这一版本将大幅增强网络智能，包括在网络的不同层上实现机器学习(ML)技术。这是因为增强型人工智能(AI)对于要求更高的工业应用来说尤为重要。

图1：Release 16赋能5G网络支持工业应用。图片来源：ADI公司

5G专网兴起

无线连接、边缘计算能力和人工智能是第四次工业革命的关键推动因素。这些能力促进了5G在制造业的应用。凯捷研究院(Capgemini Research Institute)最近对1000家行业组织的高管进行了一项调查，其中30%的人表示他们处于试点阶段或更高阶段，40%的人表示他们预计在未来两年内，将在单个站点大规模推出5G。此外，60%的早期用户表示5G帮助他们提高了运营效率，43%的人表示5G让他们的网络更加灵活。

同一项调查表明，许多公司(64%)计划在未来三年内采用基于5G的边缘计算服务，而超过三分之一的受访行业组织表示他们更愿意部署5G专用网络，尤其是高科技、航空航天和国防领域。

与商业网络一样，5G专用网络亦由三个主要元素组成：用户设备、无线接入网(RAN)和核心网络。但专网通常利用MEC。这并不奇怪，因为工业设备与商业设备有很大不同，这给设计工程师带来了新的挑战。

设计验证期间需考虑的关键问题

不同的工业设备之间差别很大，它们涵盖用于过程控制和监控应用的传感器、适配器和远程I/O、用于增强现实(AR)和资产管理用例的智能眼镜，以及用于远程访问和维护的无人机。还有一些设备类型，如用于运动控制、移动机器人和其他各种应用的网桥、路由器和网关。

这些设备普遍具有一些特点。例如在恶劣的工业环境中使用的IP67传感器，用于进行闭环过程控制和监控，或在某些事件发生时发出警报，还必须有一个坚固的外壳。有的传感器中甚至填充了环氧树脂或其他绝缘液体化合物，以保护其内部的电子元件，而且它们只有少量甚至根本就没有外部接口。

另一个用例是，在调试智能现场设备、执行维护任务和可视化过程数据时为技术人员提供支持的5G智能眼镜。它们要求上行链路(UL)/下行链路(DL)流量高，延迟小，并由电池供电，而且还能工作在本安等特殊环境中。

无人机还具有高可用性和低延迟要求，以及实时定位和高上行带宽需求。支持5G的无人机可以有效地监控大而遥远的区域，但这需要高性能通信。无人机上的传感器不断向用户发送数据。因此，高可用性、安全性、低延迟、实时定位信息和时间同步服务是无人机控制的关键考虑因素。

其次，为自动导引车(AGV)和其他移动机器以及连接设备的局域网(LAN)交换机提供服务的5G无线路由器，给工程师带来了独特的挑战。具有流量管理系统和其他IT功能的移动机器，将使用基于IP的流量以及像PROFINET这类的工业以太网协议。

这些设备也变得越来越复杂。例如，未来的机械臂将嵌入多种设备，以提高定位精度和多功能性。它们将直接连接到5G基站或直通网关，如图2所示。

图2：带有嵌入式蜂窝设备的机械臂通过网关或直接连接到5G基站。图片来源：5G-ACIA

将蜂窝模块集成到机械臂等工业设备中尤其具有挑战性。验证设备的连接性、可靠性和稳定性以及设备的功能和性能至关重要，因为制造过程中的停机和错误的代价可能会更加高昂。

对于消费者蜂窝设备而言，通常只需要进行全部验证和一致性测试。而几乎所有工业设备都需要在苛刻的环境中工作，因此出现了新的考虑因素。

一旦芯片和其他组件组装到系统中，可能需要进行一致性测试，以确保在设备部署后能符合标准的一致性和互操作性。虽然目前还不普遍，但一些提供托管服务的专用网络运营商，可能希望通过补充测试来确保工业设备质量。

工程师可以使用网络仿真器(如Keysight的UXM5G平台)执行一致性测试。在协议和射频/无线电资源管理(RRM)域，严格的测试对于获得认证至关重要。

图3：网络仿真平台涵盖协议、射频、功能和性能，可以从台式研发仪器扩展到全机架验收测试。图片来源：是德科技

数据安全对于智能工厂来说也是至关重要的，需要端到端的生命周期策略。这种策略从设备开始到结束。它们是抵御网络攻击的第一道也是最后一道防线。随着新的漏洞不断出现，新的构建引入了新的或未知的问题，彻底评估工业设备的安全性，是设计验证过程中不应忽视的一个环节。

此外，5G还利用超可靠和低延迟通信(URLLC)功能来满足TSN相关的QoS。5G专网中设备之间的时间同步、可保证的延迟和无拥塞损失的需求，都推动了对TSN和URLLC测试设备的需求。

信道建模

除了考虑工业设备的特殊性外，了解工业网络环境的特点对于确保高效使用5G专网也很重要。如图4所示，工厂大量使用金属和高速旋转机器；用户和物理物体也会阻碍无线电频率。这些方面通过引起反射、折射和衰落来降低信号质量。

除了考虑工业设备的特殊性外，了解工业网络环境的特征对于确保5G专用网络的高效运行也很重要。如图4所示，工厂大量使用金属和高速旋转机械，还有使用者和物体，都会阻挡无线电频率。因此会通过引起反射、折射和衰落来弱化信号。

图4：典型的工厂环境阻挡和反射射频信号。图片来源：是德科技

代表工厂环境的信号传播模型对于验证工业设备的性能至关重要。典型的工厂环境包括高垂直空间和金属表面，对无线信道的影响是大幅度动态可变的。复制此环境的模型，需要包括大的仰角扩展、多路径、反射、大角度和长延迟扩展，以及动态传播条件。

工业设备上的天线接收到来自基站的多个信号，包括直接信号和反射信号。如何通过隔离设备和基站来创建信道模型是建模过程的第一步。信道模型通过考虑路径损耗等传播因素，来估计多路信号之间的延迟以及基站收发信号的角度。

模型构建好后，信道仿真器就可以重放模型，以验证设备在这些条件下的性能，如图5所示。接下来，网络仿真器可以取代基站，并用固定的一组参数来创建可重复信号。不过，该设备需要在良好的条件下接收信号。通过将设备隔离在试验测试室中，即可创建评估设备所需的可重复环境。

图5：通道仿真器有助于测试设备能够满足具有挑战性的工厂环境需求。图片来源：是德科技

工业设备验证和一致性

5G专网的生命周期跨越多个阶段。工业设备的验证和一致性只是第一步，但却是关键的一步。工业设备的独特功能、集成需求和日益增长的复杂性带来了许多挑战，推动了对测试和信道建模的需求。

目前，只有少数工业设备支持5G，部分原因是蜂窝技术对许多工业设备制造商来说还是新事物。这给该行业带来数字化转型方面需要解决的挑战。所幸的是，应对该挑战的解决方案已经面世，如是德科技的网络和信道仿真解决方案。该方案可支持多种技术，包括LTE和5G，因此工程师可以根据需要，利用该解决方案来验证5G工业设备的设计和认证。另外，一个全面的测试和验证平台还有助于节省过程时间和成本。

(参考原文：Designing and testing industrial devices for 5G private networks ）

本文为《电子工程专辑》2022年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订