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5G工業物聯網技術與應用論壇特別報導

半導體/聯網/電源技術全力奧援 5G工業物聯網加速落地

2019-12-03
工業4.0已是近幾年各國關注的焦點,而5G大頻寬、低時延以及巨量連結的三大特性,更有望進一步的翻新工業物聯網的樣貌。

5G所建構出的大頻寬、高容量、高速率、低延遲、大連結網路,將翻轉工業製造領域現有樣貌。2019年4月初德國漢諾威工業展(Hannover Messe)上,Qualcomm、Bosch、Nokia、Ericsson、ABB等眾多大廠也著重於5G在工業的創新應用,可見5G與工業物聯網(IIoT)的結合已成為智慧製造和工業4.0發展重要方向。除了5G技術本身以外,專網的規畫以及下世代智慧工廠所驅動的電源與終端裝置發展趨勢更不容忽視。

5G為工業4.0發展引擎

ITU-R 5G應用需求朝三大情境發展,除了增強型行動寬頻通訊(eMBB)以外,其中,超高可靠度與低延遲通訊(URLLC)以及大規模機間通訊(mMTC)更是5G跨越人與人之間的通訊,進一步實現萬物互聯願景的關鍵。隨著5G基礎建設逐步完備,未來也將帶動許多創新應用的發展。
工研院資通所技術副理方譽荃(圖1)表示,5G協同AI、大數據、雲端計算等技術將開啟萬物互聯的全新時代。而5G重點應用將聚焦在許多4G無法達成的應用情境及服務,包括超高解析度影像傳輸、AR/VR、工業自動化、智慧電網、智慧交通、自動駕駛、網聯無人機以及遠端醫療。

圖1 工研院資通所技術副理方譽荃表示,5G/AI/大數據/雲端計算的結合將開啟萬物互聯的全新時代。


5G的傳輸速率理論上是4G的十倍,且擁有低時延、大規模通訊以及大頻寬三大特性。而從工業4.0的角度來看,這些特性可以被運用在自動化、製程控制以及人機協作上,同時也能讓產業鏈的上、中、下游進行更有效率的垂直整合。u-blox商業開發主任陳思達(圖2)認為,5G就是工業4.0的引擎。5G各種效能的提升也意味著行動通訊對於工業4.0的驅動力更為強勁。

圖2 u-blox商業開發主任陳思達表示,5G是推動工業4.0發展的重要引擎。

 

IIoT訴求安全性/寬溫/生命週期

針對工業應用方面,裝置對於工作溫度範圍、產品生命週期、版本升級以及安全性也都相當要求。因此,工業物聯網的產品開發,必須更著重於寬溫、更長的生命週期以及安全要求,而業者也會致力提供囊括設備安全、資料安全以及身份管理安全的完整解決方案,強化整體物聯網安全。
此外,5G頻譜分布分為高頻與低頻,高頻用以進行大頻寬、高速傳輸,而低頻則可支援長距離、低功耗的應用。以台灣為例,低頻應用目前主要是低功耗廣域網路(LPWAN)技術的戰場,在智慧城市以及工業物聯網兩大領域的戰況尤為激烈。
陳思達指出,智慧城市與工業物聯網生態系業者,正積極在既有系統中加入通訊聯網模組,以進一步地實現大數據的分析與應用。而目前遠傳、中華電信、亞太電信以及台灣大哥大等電信營運商也都已經推出NB-IoT網路服務,隨著商用的擴大,資費也可望降低,可望進一步發揮蜂巢式技術的優勢。

邊緣運算加持 AIoT/智動化發展揭竿而起

針對5G與AIoT、智慧工業等發展趨勢,意法半導體(ST)亞太區技術行銷專案經理余玟宏(圖3)表示,處理器、安全技術、感測器、通訊、功率元件、馬達控制以及電源管理,是半導體廠商在物聯網投入的七大重點,透過提供相應的韌體、硬體與軟體,以及相關開發環境與套件,加速物聯網產業的發展。

圖3 意法半導體亞太區技術行銷專案經理余玟宏表示,半導體元件的不斷進步,才能滿足AIoT多元的應用需求。


過去雲端大廠主要著力於推廣自家雲端平台,持續收集大數據並且建立商業模式,並進一步地利用雲端運算的基礎開始推廣人工智慧(AI)使用情境,因而成為AI生態系中發展最快速的業者。而ST預估,未來在5G應用的推動上雲端大廠同樣會是先驅。在終端節點的發展方面,裝置開始導入邊緣運算使之能有更高的數據處理與AI推論能力,也導致終端裝置對於微控制器(MCU)的要求提升,MCU必須要在相對應的硬體與軟體做升級。此外,5G兼備高頻與低頻傳輸頻段,則將促使無線網路成為必要的通訊介面。而AI與物聯網應用成熟以後,感測器也會有更進一步的進化,可能會再嵌入一些硬體處理器,或針對特殊的訊號、需要更即時處理的應用提供客製化的設計。
余玟宏進一步指出,在整個邊緣AI的應用上,除了處理器本身的運算能力、安全防護能力與連網等基本功能以外,還必須導入邊緣運算的能力到智慧裝置上,在此發展趨勢下,相關廠商也陸續推出自家邊緣AI晶片。然而,從MCU開發者的角度來看,邊緣AI晶片恐無法滿足所有物聯網終端裝置的需求,必須要有上述提及的七大關鍵元件與技術,加上其他周邊控制的能力,才能滿足5G不同使用情境的需求。為此,ST也將持續投入處理器、安全技術、感測器、通訊、功率元件、馬達控制以及電源管理技術開發,幫助物聯網業者更好地應對不同的應用需求。

垂直應用驅動電源設計新趨勢

5G、AIoT等垂直應用的興起,亦牽動整個系統電源設計的轉變。美商懷格(Vicor)工程師張仁程(圖4)表示,隨著產業的演進,資料中心必須跟更緊密地與產業結合,而資料中心的解決方案商也很積極地與工業、通訊客戶共同制定協定,如透過開放硬體平台加速硬體的改造。另外,由於越來越多類型的裝置被導入5G工業物聯網,電源也將在更多地方出現;而為滿足低延遲、高運算效率等需求,電源也會朝更高瓦特數發展。

圖4 美商懷格工程師張仁程表示,產業從消費型轉移到工業應用,電源設計也迎來全新挑戰。


然而,隨著產業從消費型轉移到工業應用,對於電源設計帶來很大的挑戰。過去電源設計只需要單一面向的思考,現在則須顧及到越來越多面向,包括更寬電壓操作範圍、更大的瓦特數、更高效率、嚴峻的操作環境(高溫、高濕環境),同時還必須同時滿足低雜訊及輕重量等需求。張仁程說明,由於設備會導入AC/DC或DC/DC,因此,電源設計如何達到低雜訊也更顯重要;而為滿足移動性的要求,僅管瓦特數持續增加,設計上仍必須兼顧輕薄短小的特性。為此,Vicor也以輕量化、高功率密度、低雜訊作為電源模組開發方向。此外,考量到目前部分工業應用已從過去的12V、24V發展至48V,該公司也提供48V解決方案,盼能協助開發者掌握新的工業發展趨勢,克服電源設計挑戰,加速產品上市的時間。

5G專網助智慧製造一臂之力

另一個值得注意的是,對於企業與工業應用來說,專網可望在5G時代發揮更關鍵的效用。方譽荃進一步說明,行動專網不論是室內還是室外,都可在特定範圍內提供均勻的覆蓋,且專網可以依照垂直應用與企業需求,與既有的網路設備與應用服務做結合,提供客製化的設計,充分發揮網路的特性。目前包括美國、日本、英國、德國也都已經針對5G專網釋出可用頻譜,並制定詳細的申請資格與流程。

事實上,美國、加拿大以及英國都已經有企業4G專網的應用案例。舉例來說,Redline提供基於3GPP標準的低成本LTE解決方案,以提高容量和擴展覆蓋範圍,目前也已成功將Hard-Line的Teleop Tele-remote控制系統的營運與Redline的工業專用LTE解決方案相結合,實現遠端控制站對重型採礦機械的遠程操作;而英國Ocado也自建4G專網與智慧倉儲系統,實現無線機器人的概念,簡化布線並克服機器人線路相互纏繞的問題。

總結來說,5G大傳輸頻寬、低時延與大容量也將在4G的基礎上更近一步地優化專網的性能,乘載更多樣化的應用需求,同時,也可望掀起新的營運型態,透過專網微營運商提供企業客戶數位轉型所需的通訊基礎設施與網路服務。而共享頻譜、數位轉型、網通技術的發展不但會催化電信服務多元化,也將促成智慧製造加速發展。
5G提供更快傳輸速率、降低網路時延,也將促使行動通訊的應用範圍從消費類應用,拓展到工業、醫療、交通等垂直產業。5G豐富的頻譜資源、應用情境與相應的技術支援,將促成整個行動產業甚至是人類社會的數位轉型,並在新經濟價值上發揮關鍵作用。然而,除了通訊技術升級以外,還需要監管政策、安全及產業合作夥伴打造完整的生態合作系統,才能完全地發揮5G的潛能。

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