行业的见解
工业无线第3部分：Wi-Fi和蜂窝网络的选择
发布08/18/2021
| 作者：Kristin Lewotsky，特约编辑
编者按:第一部分在这篇由三部分组成的文章中，我们讨论了未经许可的频谱上的工业无线通信。在里面第二部分，我们深入研究了4G LTE和5G无线形式的蜂窝技术。在第三部分中，我们将重点讨论如何确定何时适合使用蜂窝技术，如果适合，如何在您的设备中最好地实施。
没有完美的解决方案，只有手头项目的最佳选择，这是工程学的真理。尽管无线技术如蓝牙、Wi-Fi，以及各种低速率无线个人区域网络(lr - wpan)和低功耗无线局域网标准(如远程广域网(LoRaWAN))都有它们的“甜蜜点”，但一些设施和应用程序还需要更多。蜂窝网络提供高数据速率、低且可预测的延迟和广泛的覆盖，并结合了工业领域所需的内置安全性和可靠性。它们还特意为移动应用程序构建，添加了一些替代产品所没有的功能。在最近对600名制造业高管的调查中，74%的人计划升级他们的通信和控制网络，作为他们数字化转型的一部分。1超过90%的受访者正在考虑4G或5G网络。关键是知道何时选择蜂窝，选择哪一代，以及如何配置成功。
为什么细胞?
Wi-Fi和蓝牙在工业领域已经无处不在，但它们也有局限性。Wi-Fi在名义上有很高的流量峰值(Wi-Fi 5为3.5 Gbps, Wi-Fi 6为9.6 Gbps)。它们的运行速度将因开销和网络中的设备数量等因素而显著降低。这对你的家庭Wi-Fi来说不是什么大问题，但在工厂里，无线可能连接着几十个传感器或数百个自动移动机器人(AMRs)，数据速率和延迟很重要。安全性和可靠性也是一个问题，特别是在动态的工业环境中。
对于正确的应用和项目，蜂窝无线，特别是在专用网络中，可以是更好的选择。手机信号的功率远高于Wi-Fi和蓝牙，后者仅限于毫瓦。因此，低频和中频蜂窝信号可以通过墙壁、树木或其他结构元件等屏障。这使得蜂窝网络在机械、高天花板和大量金属结构的工业环境中有效。它们还可用于与嵌入设备内的设备进行通信。它们还可以取代工厂目前的一键通通信系统，节省资金，提高可靠性，降低复杂性。
这些好处的权衡可能是更高的成本和更大的复杂性，尽管两者都取决于给定项目和设施的细节。让我们看一看使蜂窝通信成为特定设施和项目最有效选择的条件。
1.当您需要连接许多设备时
由于Wi-Fi网络的速度会随着设备数量的增加而下降，设备通常需要建立多个网络来连接所有设备。随着越来越多的公司开始进行数字转型，这种有限的规模能力可能成为一个问题。Stephane说:“根据我们所做的测试，Wi-Fi 5基本上在每个接入点5到10个设备上饱和。Daeuble他是诺基亚(Nokia)企业解决方案营销主管。“使用Wi-Fi 6，数据显示饱和度在16台设备左右。”增加另一台机器或更多传感器可能需要在频谱已经拥挤的环境中安装新的接入点。
首先是规模的问题。一个只有几件设备的小企业仍然可以在Wi-Fi网络下有效运作。过了一定的时间点，蜂窝网络是最有效的技术，可以保证连接到数百甚至数千个设备的健壮、高速和可扩展的连接。“我们已经能够用一个4G或5G接入点取代多达20个Wi-Fi接入点，”Daeuble说。“私人无线网络可以相当可靠地将数百个东西连接到一个接入点。”
2.当您在大面积或多障碍物区域上作业时
信号强度使蜂窝网络特别有效地为非常大的结构和校园提供覆盖。例如，当埃里克森在得克萨斯州刘易斯维尔(Lewisville)建造5G工厂时，它安装了一个私人4G LTE和5G蜂窝网络，为这个30万平方英尺的工厂提供连接。
为了评估Wi-Fi与蜂窝网络的覆盖范围，诺基亚进行了一系列并行测试，比较了Wi-Fi接入点与4G LTE接入点在同一未授权频段上的性能。Daeuble说：“我们（使用4G LTE未经许可的接入点）的覆盖半径增加了约2倍，总面积增加了约4倍。”。对于蜂窝网络，他的团队使用了MulteFire，它作为一个独立的接入点，在未经许可的频谱上运行LTE版本。
特别是在较低频率下，蜂窝信号非常擅长穿透墙壁、树叶和金属等障碍物。例外情况是某些高速5G网络中使用的毫米波段。毫米波信号的数据传输速率非常高，但折衷是，它们需要直接的视线或反射，以便有效连接（见表1）。
表1：光谱波段的性能权衡
3.连接移动设备时
如今，许多工业环境都在使用amr。虽然可以使用Wi-Fi将这些设备连接在一起，但大型设施和/或大量设备通常需要多个Wi-Fi接入点。当AMR到达两个接入点之间的“切换”点时，问题就会出现。如果移动设备由于信号强度低或受到干扰而失去Wi-Fi连接，机器人将默认进入安全状态，直到复位或轻推到信号强度足够的位置为止。对于依赖数百甚至数千台amr的仓库和工厂来说，交接点的这些故障可能会成为一个大问题。
顾名思义，蜂窝网络是由通信单元组成的网络。它们从一开始就建立起来，以支持移动设备从一个单元移动到另一个单元时的平稳交接。这种方法同样适用于在大型仓库中从一个蜂窝到另一个蜂窝的AMR，也适用于在高速公路上行驶的汽车中的手机。
4.当您需要更高的数据速率或更高的卷时
尽管Wi-Fi 6的开发是为了提供比前几代产品更大的性能提升，但在某些情况下，这还不够。贾斯汀说：“我们通常会看到，在一些地方，那些未经许可的技术无法提供应用程序所需的数据吞吐量和连接性。”阴影，菲尼克斯电气（宾夕法尼亚州米德尔顿）无线产品高级产品营销专家。“如果您想进行固件更新或远程连接到驱动器或PLC，而Wi-Fi无法提供所需的信号强度，则可以通过蜂窝连接来提供。”
最新一代蜂窝网络的速度使其能够传输大量数据，再次为正确的应用提供了比Wi-Fi更大的优势。哈拉尔德说：“尤其是当它每周或每月都要处理千兆字节或万亿字节的数据时，这才是蜂窝技术真正闪耀的地方。”Remmert，Digi International（明尼苏达州霍普金斯）高级技术总监。“然后，你就有了Wi-Fi无法提供的服务质量。你的手机安全级别只是SIM卡的一部分。Wi-Fi或其他技术无法提供该级别的安全。”
5.当您需要高可靠性时
蜂窝技术被设计用于一些可靠性至关重要的应用，例如第一反应网络。对于依赖于设备可用性的工业操作来说，失去网络会像其他类型的停机一样迅速地关闭整个过程。越来越多的制造商正在考虑转向私人蜂窝网络，以确保运营的连续性。爱立信(德克萨斯州普莱诺市)5G营销主管彼得•林德表示:“我们看到很多客户正在用私人蜂窝网络取代Wi-Fi网络。”“作为二级基础设施，WiFi很棒，但不是主要基础设施，这就是为什么我们目前看到4G和5G总体势头强劲的原因。”
4G对5G
下一个重大决定是决定是否使用5G和4G LTE。5G从一开始就针对商业和工业应用，旨在在三个关键领域取得重大进展:
5G成熟后，将简化连接成百上千个智能设备的过程，这些设备将形成工业物联网(IIoT)。5G将实现全新的用例，重塑市场。事实上，最近的一项分析预测，在2021年至2025年期间，5G将为美国GDP增加1.5万亿美元。2
然而，今天，5G只是在其推出的开始，这将在未来几年分阶段进行。发布了5G的第15版主要关注于eMBB。工业社会最感兴趣的能力¾mMTC和URLLC¾在更高版本之前将不可用（见表2）。换句话说，5G目前在工业领域提供的大部分是更快的数据速率，而不是控制能力的任何进步。与此同时，2011年推出的4G LTE已经成熟了十年。最新版本LTE Advanced Pro（俗称4.9G）甚至在第15版中得到了一些更新。
表2:4G LTE和5G的性能比较
4G LTE Advanced Pro目前的运行延迟约为10 ms到20 ms–同样，对于真正的无线控制来说速度不够快，但对于许多应用来说已经足够好了。[注：4G LTE Advanced Pro最终将演变为2毫秒左右的延迟。]峰值下载速率将为1 Gbps，并指定达到每平方公里100000台设备的连接密度。考虑到这些性能指标，4G LTE Advanced Pro目前服务于大多数工业用例，同时提供比5G更低的价格、占地面积和复杂性。
Daeuble说：“目前，我们有290名客户在多个站点部署了专用无线，在所有这些情况下，我们从未遇到过4.9G LTE无法解决的问题。”。“尽管我们经常从5G开始讨论，但现实很快又回到了4.9G LTE，因为现在你可以做的事情已经很多了。你可以开始你的行业4.0转型。你可以在灵活性、效率、可持续性、安全性和安全性方面获得很多竞争优势。到时候好的，您将向网络中添加5G。”
目前，5G应该保留给那些可以从数据速率提升中获益的应用程序。例如，对于许多连接的工作者用例，4.9G可以做得很好。对于需要高清视频和高度交互性的增强现实/虚拟现实应用，5G可能是更好的解决方案。
再举一个例子，考虑码头起重机。当前的系统可能有六个摄像头来协助精细运动控制，以在非常低的速度下准确定位装载的集装箱。5G提供的带宽增加，使得在提供高清视频的同时，可以增加摄像机数量和角度。
高清视频还可以显著提高质量检查和过程控制。5G数据管道可以支持人工智能分析所需的海量数据的超快传输。该系统不仅可用于识别有缺陷的产品，还可用于确定所需的纠正措施，以快速解决任何过程问题。
最终，它归结为用例的特定需求。“现在有很多自动化应用程序可以使用4G，比如远程访问、远程控制和传感器，”Remmert说。“如果您需要低延迟，需要传输大量数据，独立的5G网络可能会更好。”
公共还是私人蜂窝?
乍一看，使用公共网络似乎是最简单的入口。它不需要在频谱、基础设施或内部专业知识方面进行投资。在网络上的每个设备都被平等对待的时候，使用公共数据计划从传感器收集数据的成本可能高得令人望而却步。然而，如今，传感器等设备的数据计划大幅下降。但是，公共网络为工业用户提供了其他更大的关注，包括资源争用、安全性以及网络满足特定位置或用例需求的能力。专用网络提供了一种日益可访问的替代方案。
专用网络需要用户更多的前期投资，但从长期来看是高度可扩展的。专用频谱消除了对资源争用的担忧。网络所有者可以分配网络容量，自定义上行链路和下行链路的时延、数据速率等性能指标。
在制造业调查中，安装专用无线网络的两个主要动机是获取数字化数据，特别是数字孪生网络，以及解决amr的问题(见图1)。他们还希望利用连接来提高工人的工作效率。直到那时，他们才对更复杂的能力感兴趣，比如可重构机器等。
图1：对600名制造业高管的调查显示，私有4.9G网络可以满足许多当前的网络需求。（诺基亚提供）
就网络架构本身而言，通常是私有网络核心(蓝框)通过防火墙连接到Internet。管理工具通常是基于云的应用程序。接入点用于创建跨设施或校园的蜂窝网络(见图2)。用户设备集成了调制解调器和Sim卡，使它们能够安全地连接;没有正确启用Sim卡的设备将无法访问网络。
图2:典型的私有蜂窝网络(Phoenix Contact提供)
有多种部署模型可用。公司可以利用拥有资产并作为交钥匙服务运营服务的第三方提供商。企业可以使用集成商来构建网络，然后与一个或多个无线提供商签订合同，提供跨特定频段的服务。或者，企业可以处理一切，从拍卖频率购买到硬件安装和管理。
公司可以在旗舰位置尝试该技术，并将学到的经验应用到后续部署中，或者他们可以从少数用例作为基础开始，然后随着时间的推移扩大。
入门小贴士
从用例开始
不要一开始就先入为主地认为哪个无线一代是最好的。从用例开始。你们工厂有什么问题?蜂窝网络能解决这些问题吗?在数字化转型方面，你的最终目标是什么?未来的需求可能如何扩大?这些信息应该用来确定蜂窝网络是否合适，如果合适，是哪一代。
进行详细的成本分析。
通过对每个接入点的成本进行并排比较，蜂窝网络比Wi-Fi更贵。对于一个适当规模的项目，一旦分析考虑到不断增长的覆盖范围、改进的渗透和接管任何语音网络需求的能力，成本差距就会缩小。Daeuble说:“由于蜂窝网络非常可靠，而且它处理干扰的能力比Wi-Fi强得多，一旦你部署了网络，你就大功完成了。”“你不需要仅仅因为部署了一台新机器就增加另一个接入点或以不同的方式调整网络。因此，对于任何超过25000平方米的设施来说，私人无线通常更具有成本效益。”
分析应用程序和位置
在开阔区域，特别是户外，一根天线就可以完成这项工作。在一个充满障碍物的设施中，例如有金属架子、柱子或多个房间，网络规划将更加复杂。安装可能需要多个天线或小单元，遍布整个仓库，以提供足够的覆盖。通常，使用多个频率将优化性能。
不要一个人去
世界上任何一家IT公司都知道如何安装Wi-Fi网络。蜂窝网络的学习曲线更陡峭。至少，与您的供应商合作或考虑使用集成商。在技术方面有经验的合作伙伴可以帮助提前识别问题，并通过概念验证指导您。
从小事做起
虽然在新设施中进行大规模部署可能是有意义的，特别是在布朗菲尔德地区，但从小处开始也是可以的。Remmert说:“对现有设施进行自动化和数字化改造有很大的价值。“它不需要很贵。它不必是最新和最好的5G。从4 g开始。尝试一些不同的事情。把公司里聪明的人聚集到一起，让他们看看什么是可能的。”
结论
值得注意的是，蜂窝技术不应该被认为取代了Wi-Fi和其他替代品。这些技术仍然扮演着重要的角色，不仅对于IT应用，而且对于那些不那么重要的流程的工厂车间也是如此。在适当规模的项目中，蜂窝技术应被视为Wi-Fi的补充，用于关键任务和业务流程。
至于5G，它目前可能是一个小众解决方案，但更广泛的能力正在到来。关键是现在就打好基础。考虑用例，联系IT部门。考虑对未来可伸缩性的需求，以及什么技术将最好地支持它。最重要的是，开始行动。“即使(毫米如果TC或URLLC今天就准备好了，明天就不可能部署这项技术。”你需要为此做计划，获得资金，安装硬件，部署网络。这些事情可能需要12-16个月的时间，所以如果你知道你将需要在下一个版本中出现的功能，现在就开始对话吧。”
想了解更多关于5G和工业无线的信息，请观看这个免费的网络研讨会:
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