工业无线第二部分:忘记炒作——今天4G LTE和5G能做什么?

编者按:第一部分在这篇由三部分组成的文章中，我们介绍了未经许可的频谱上的工业无线通信。在本文的第二部分，我们将重点关注4G LTE和5G蜂窝无线的现状，以及使它们在工业应用中有效的技术。在第三部分中，我们将把所有内容集中在一起，展示如何选择理想的工业无线解决方案，以及如何高效、有效地部署它。

随着柔性制造、智能工厂和数字化的持续发展，互联互通成为工业自动化领域日益增长的需求。多年来，有线网络一直是主流。然而，随着工业用户开始将越来越多的设备和人员连接到他们的网络，无线网络越来越多地提供了比电缆运行更快、更容易、更可靠的解决方案。Stephane说:“局域网电缆不会消失，但在为每个需要连接的设备尝试新电缆时，就成本而言存在挑战。Daeuble，诺基亚企业解决方案营销主管。当然，就移动应用而言，这是唯一的游戏。

最新发布的蜂窝技术4G LTE Advanced Pro和5G旨在提供高数据速率、可预测的低延迟操作和广泛的覆盖范围。因为它们是为移动应用而专门构建的，所以它们提供了替代品所无法提供的一定程度的可靠性和安全性。作为最新一代的无线技术，5G凭借对世界性能变化的预测占据了头条新闻。尽管许多用例很可能会实现，但任何无线发电的推出都是一个迭代过程。尽管5G的高速功能已被充分展示，但许多被吹捧的改变游戏规则的功能将在几年内无法进入市场。在此期间，各组织应着眼于最新一代的混合解决方案，它超越了LTE Advanced Pro（俗称4.9G）和当前可用的5G版本。

4G和5G的关键技术

新一代蜂窝无线大约每10年在第三代合作伙伴计划（3GPP）协调的多阶段过程中推出一次。3GPP版本由电信标准组织开发、最终确定，然后编码为标准。自1G蜂窝网络发布以来的42年中，数据速率已从每秒几千比特提高到5G承诺的峰值下载速度10 Gbps（见表1）。

在无线链路中，频带中的窄带信道发射调制载波，该调制载波在基站和用户设备（UE）之间发送信号。尽管3G甚至2G蜂窝网络的速度足以支持有限的工业物联网（IIoT）传感器网络，但直到4G LTE的出现，蜂窝技术才真正进入工业环境。为了提高数据速率和覆盖率，4G LTE包括几种调制和传输技术（见图1）。这些技术中的许多都经过了修改，并延续到5G标准。

图1：在蜂窝空中接口和调制技术的表示中，乘客表示数据，车辆颜色表示不同的用户设备。（Sierra Wireless提供）

正交调幅

QAM是一种复合调制方案，能够在一对90°异相（正交）的载波上使用多级幅度调制对每个符号编码多个比特例如，16-QAM使用四个振幅级别，而不是传统二进制调制使用的两个级别；因此，16-QAM可以实现16个不同的相位/振幅状态，使其能够对每个符号编码四位。4G LTE首次使用64-QAM（每个符号六位）在下行链路上。最新版本LTE-A Pro在下行链路和上行链路上都使用256-QAM（每个符号8位）。

正交频分复用（OFDM）

在OFDM中，信道被划分为一组独立调制子载波频率相互正交的载波（即，一个子载波波的峰值与其他子载波频谱的零点对齐以防止干扰）。在传输期间，比特串被分成多个子串，然后同时编码到一组子载波上。传输以稍慢的数据速率进行，但位串被多路复用的事实意味着总体传输速度更快。

前两种技术描述了将更多数据编码到载波上的方法。4G LTE也采用了在单一频段发送更多数据的技术。

载波聚合

载波聚合是一种将不同频率的多个载波(组件载波)组合成单个“超级载波”的技术，该“超级载波”将被发送到相同的频段d设备（见图2）。例如，将五个20 MHz分量载波聚合在一起，可以为单个设备提供100 MHz的总带宽。

图2:在载波聚合中，将相同或不同带宽的各分量载波组合成一个“超级载波”，以增加在同一频带上发送的数据量。(由3 gpp)

作为LTE Advanced的一部分引入，载波聚合最初允许最多五个相同宽度的分量载波。LTE Advanced Pro支持混合信道宽度的32个分量载波。当应用于相同总频带内的不同信道时，载波聚合效果最佳，但可用于不同频率的分量载波。

多输入/多输出(多输入多输出)

MIMO是一种空间多路复用技术，它利用载波传播路径的差异，使更多的数据能够同时发送。而不是使用一个天线发送一个传输单个接收机在单个物理路径问题,文中使用多个天线同时发送多个运营商内的多个天线问题(参见图3)。因为传播路径略有不同,信号不干涉。单用户MIMO (SU-MIMO)主要用于4G LTE Advanced Pro，作为一种提高整体数据速率的方法。

图3:多进多出(MIMO)传输在基站和设备上使用多个天线，以增加整体容量。这张图显示了在4G LTE中引入的4x4 MIMO系统。(Sierra Wireless提供)

未授权频谱

射频频段分为许可频谱和非许可频谱。许可频谱由国家监管机构控制，并分配给特定应用或客户，如关键基础设施、公共服务、垂直行业或通信服务提供商（CSP）和私营企业等付费许可证持有人。

蜂窝网络传统上是在许可频段（见表2）上运行的，而蓝牙和Wi-Fi等局域网技术则是在许可频段上运行的没有执照的乐队（900兆赫，2.4千兆赫，5.8千兆赫，6.0千兆赫）。

4G LTE的第13版引入了许可辅助接入（LAA），在LAA中，网络可以使用载波聚合使用未经许可的频谱来增加下行链路容量。该技术涉及使用核心基础设施和许可运营商作为“锚带”，处理控制平面通信，如呼叫发起和终止、认证、安全等。未经许可的频谱只能用于溢出用户平面通信（数据和语音）。为了防止蜂窝传输干扰传统上在该频谱中运行的Wi-Fi网络，该标准要求使用一种称为先听后说（LBT）的技术来寻找清晰的信道。在使用频道时，已经建立了一些框架，试图确保手机和Wi-Fi之间的公平使用，尽管存在一定的争议。

第13版增加了另一个选项，LTE未经许可也适用于5 GHz频段。LTE-U仍然需要LTE锚定信道，但使用纯粹未经许可的频谱进行用户平面通信。

由MLFA定义的MulteFire创建了一个LTE版本，该版本也可以在未经许可的频谱（如Wi-Fi）中完全运行。

5克

5G旨在应对移动应用程序的爆炸性增长和物联网的兴起，旨在提供三个关键服务级别：

• 加强流动宽频(eMBB)-下行速度高达10 Gbps的应用包括增强现实/虚拟现实；例如，支持高分辨率检查的高速视频。
• 大量机器式通讯(mMTC)-每平方公里100万台设备mMTC支持IIoT用于数字孪生或预测性维护等用例。
• 超可靠低延迟通信(URLLC) -1毫秒延迟，99.9999%可靠性
• 其应用包括自动驾驶汽车和高度协调的高速设备的远程控制。

在深入讨论5G新无线电(NR)和其他使这一性能成为可能的修改之前，有必要进行一些观察。首先，上述数字只是理论上的。实际的性能，特别是在最初阶段，将会相当有限(见表3)。特别是在5G的情况下，现实世界的速度将会受到从载波带宽到传输频率等一切因素的影响。

性能还受到第二点的影响，那就是，像所有无线标准一样，5G是分阶段推出的。发布完成,半导体公司上班开发芯片,和生态系统需要开发生产网络和用户设备,软件,和应用程序之间的时间终结的释放和产品的实际可用性通常是一年半,在最低限度。5G标准目前处于第一阶段，第15版，重点是eMBB。像URLLC和mMTC这样的服务水平要到第16版(2020年7月最终确定;预计芯片组可用性2022/2023)，第17版(计划于2021年12月完成;设备可用性2023/2024)和发布18(仍在进行中)。每个版本都将增加新的功能，芯片组和用户设备将需要升级，而网络设备将进行定期更新，以支持新功能。

最后，尽管5G最终将能够提供上述三种服务水平，但5G NR设计(以及物理定律)意味着它无法同时提供这三种服务水平。相反，5G利用网络切片来瞄准特定的服务水平。例如，一个链接可以非常快，但不能超低延迟。它可能支持mMTC，但不是10gbps。Daeuble说:“在某种程度上，你必须选择自己的战斗，但这没关系。“就工业应用而言，通常需要高数据速率的东西不需要低延迟，但需要低数据速率的机器也需要非常低的延迟。”

5 g频谱

要实现上述性能增强和功能，需要彻底改进无线5G接口。为了缓解从4G LTE向5G的过渡，并在市场上快速获得至少一些性能改进，3GPP建立了两种部署模式:非独立(NSA)和独立(SA)。在NSA模式下，移动运营商使用现有的4G LTE网络基础设施作为控制平面任务的锚点，而5G网络基本上是为用户平面服务的数据管道。在SA模式下，5G网络不仅提供数据服务，还提供大幅提升性能的基础设施。“与5G N相比，你将获得明显更低的延迟SA“网络，”哈拉尔德说Remmert，Digi International（明尼苏达州霍普金斯）高级技术总监。“在今天的蜂窝网络和5G NSA中，您可能会看到20毫秒到30毫秒的延迟。这对于公共蜂窝网络来说已经很好了，但对于工业控制网络来说太多了。当您看到5G SA时，您最终会陷入一位数毫秒级的延迟。”

第15版定义的5G NR目前只支持NSA模式，这就是为什么重点只放在高速运行上。在发布16-18之前，SA模式及其支持的服务级别所必需的修改将不会推出。

关于5G NR的任何讨论都需要从频谱开始。用于蜂窝（低带宽、1GHz及以下）的传统许可频谱倾向于在窄信道宽度中分配，而不是5G支持的100MHz+信道宽度。为了提高数据速率，5G规范不仅包括5GHz和6GHz频带中的未经许可频谱，而且扩展到厘米波和毫米波区域（参见表4）。频率越高，数据传输速度越快，尽管代价是频率越高，穿透障碍物的效率越低。例如，低频蜂窝信号可以穿过多个墙壁，而毫米波信号需要视线传输。

与4G LTE Advanced和更高版本一样，5G可以在锚定NR-U模式下运行，为锚定载波使用许可频谱，为用户平面传输使用未许可频谱。这些固定运营商可以在NSA部署中利用LTE核心，也可以在SA部署中使用5G核心。LBT授权仍然有效，以帮助防止任何现有的Wi-Fi网络受到攻击。运营商还可以选择单机版NR-U，其中只有未经许可的频谱用于控制平面任务和用户平面传输。注意：未经许可的频谱功能在第16版之前不可用。

6-GHz频段对IIoT应用和其他类型的私有工业网络特别有兴趣。一些工业自动化用例（如码头起重机）在室外。更多的在室内，从墙壁和立柱到大型机械部件的障碍物比比皆是。环境也趋向于动态，无论这是否包括：lves仓库货架一天空一天满，叉车或两吨结构钢通过桥式起重机运下生产车间。尽管毫米波频段提供了容量和速度，但其无法穿透物体将使其在不断变化的环境中更具挑战性。

最终，理想的工业网络需要在多个频率的组合上运行。Remmert说：“你可以在低频段有一个基本的连接层，比如一个亚千兆赫兹的蜂窝网络，然后在中频段从2GHz到6GHz的容量。”。“然后，当您需要更高的速度或更大的容量时，您可以进入毫米波频段。我们相信这将为您提供最佳的恢复能力。”

由于不同频段的功能和用例存在差异，5G标准定义了两个频率范围:FR1，包括低波段和中波段;FR2，它包含高频带。每个波段在空中接口和信道参数方面都有不同的处理(见表5)。

5 g NR

对于调制，5G NR在上行链路和下行链路上都利用256-QAM。它应用载波聚合，但具有更大的灵活性。5G NR支持高达400 MHz的信道带宽，具体取决于频率范围，并将可聚合的分量信道数从5个增加到8个。因此，单个聚合信道r可以组合高达3.2 GHz的带宽。信道可以从给定频率范围（FR1或FR2）内的任何频带聚合。NSA网络部署甚至可以将4G和5G分量载波聚合在一起。

5G NR采用循环前缀OFDM (CP-OFD)米)用于下行和上行链路。与将子载波间距固定在15khz的4G LTE不同，5G NR支持可扩展的子载波间距Δf

命理学在哪里n=0, 1, 2, 3, 4. 这种变化对网络的性能有许多影响。Δf是符号传输时间间隔(TTI)的倒数——例如，将子载波间隔加倍，将TTI减半。这是调优网络以交付eMBB或URLLC的关键机制。

和4G LTE一样，5G定义了10毫秒帧，每帧又分成1毫秒的子帧。4G LTE定义了每个子帧一个插槽。在5G中，每一个子帧被划分为可变数量的时隙，每个时隙包含14个符号。增加子载波间距会减少TTI，从而减少槽长度和子帧的持续时间，从而减少延迟。这是扩展副载波5G的方法之一，可以根据不同的服务级别调整性能。URLLC功能将首先在版本16中可用，并将在版本17中真正发挥作用。

为了应对工业物联网的迅猛增长，5G NR采用了大规模MIMO (MIMO)。该版本采用基站多天线与多个终端通信，扩大覆盖范围。对于FR1，标准规定了8x8 MIMO，对应于基站的64个天线。虽然它可以在多种模式下运行，包括SU-MIMO，但工业应用将从多用户模式下运行获得最大的收益。在这种情况下，每个天线针对不同的设备。可以使用空间分集(同一数据流的多条路径)来减少干扰。

5G还为MU-MIMO应用了另一种技术：波束形成（见图4）。每个天线不是向包含多个UE的大区域广播，而是向单个QE或少量UE集合广播目标波束。波束形成有助于改善传输，即使在有障碍物和反射表面的环境中也是如此。它对于毫米波应用尤其重要。

图4

5G从一开始就被设计成一个可重新配置的网络。它包括硬件层之上的抽象层，使5G能够支持软件定义无线电（SDR）。再加上5G NR的一些灵活特性，这使得网络运营商能够定义提供特定服务级别的网络片。一个片可以配置为提供eMBB性能，而另一个片可以设置为用于URLLC。

这篇文章回顾了为4G LTE advanced Pro和5G性能提供动力的一些更为重要的技术创新。5G仍处于早期阶段，但在充分开发后，显示出符合宣传的一切迹象。“4G是为移动宽带消费者定义的，”爱立信（德克萨斯州普莱诺市）5G营销主管彼得·林德说。“5G从一开始就被设计用于商业和政府用途。它被设计用于支持固定无线宽带和移动。进一步的网络将从仅支持通用数据访问（即一片适用于所有应用）发展到还支持业务和任务关键连接，其中延迟、可靠性和可用性是关键。”

然而，Daeuble警告说，4G LTE不应该被迅速淘汰。“从R11-12一直到R15，3GPP为LTE添加了许多功能，以满足关键通信和工业需求，其中许多功能为5G改进铺平了道路，”他指出，LTE-M+NB IoT（低功耗传感器）、可靠性功能、延迟改进等。“与其他无线技术相比，4G LTE技术作为专用无线网络的一部分，可以在覆盖范围、性能、可靠性、安全性和移动性方面提供显著改进。”

要了解更多关于何时考虑4G和5G，以及如何成功构建私人蜂窝网络的信息，请参阅将于2021年7月发布的本系列文章的第三部分。

致谢

感谢Justin Shade，凤凰联系的高级产品营销专家，为有用的对话。