5G 5G NR IoT 自駕車 智慧電網 5G NR

5G推動產業升級換代 工業/汽車/醫療邁向完全互聯

2019-10-22
自從Martin Cooper博士在1973年進行第一次行動通話(Call)以來,第五代行動通訊(5G)已經是無線通訊領域的一次最全面的進步。雖然在第一代無線技術以後取得了一系列巨大進步,但與5G的複雜性相比,顯得黯然失色。5G不僅將資料速率從50Mbps提升到令人驚歎的1Gbps(比大多數住宅的寬頻快100倍以上),還可將往返延遲從數十毫秒縮短至物理原理決定的極限。這種低延遲對於發掘各種未來應用的潛力至關重要,這些應用包括下一代機器人和未來工廠、自動駕駛汽車通訊、先進駕駛輔助系統(ADAS)、遠端手術、物聯網(IoT)、電競遊戲、虛擬實境(VR)和擴增實境(VR)以及其他時間關鍵型應用(圖1)。
Siemens
圖1 5G資料傳輸速率將大幅提升

5G將需要徹底重新構想蜂巢式網路架構的設計方式,將當前的重點從硬體轉向通過軟體進行的即時、虛擬、動態控制和重新配置。此外,5G還將首次擴展蜂巢式系統工作的無線電頻率,從現在的大約3GHz頻率擴展到微波頻段的各個更高區域,進入很少有其他系統使用的毫米波頻段。雖然這些可能是5G的主要規格,但它們只是5G嘗試達到的目標的冰山一角。

邁向完全互聯的世界

5G被宣稱為一種讓任何人和任何物品能夠更有效連接的無線標準。從來沒有其他任何無線標準嘗試過完成這樣一個壯舉。接下來,本文將更詳細地描繪這個互聯世界將是什麼樣的,探討一些5G互聯應用,並且闡述半導體業者(如恩智浦(NXP))如何利用其資源實現這些應用。

圖2中心清晰地顯示了「雲」,它將作為5G的核心,也是一個具有決定意義的部分。原因非常簡單,為了連接所有物品和所有使用者,必須有一種在本地和全球傳輸資訊的高速度、低延遲的方式,在需要的情況下,還要提供幾乎無限的處理資源。

圖2 「雲」將成為5G互聯世界的核心

對於5G而言,超低延遲顯得至關重要,如果沒有超低延遲,5G宣稱的很多目標都無法實現,因為它們需要在連接點之間實現接近暫態的回應,在1毫秒或更短時間內做出回應。由於速度與時間直接相關,其中很多應用必須在物理距離很近的情況下才能運行。也就是說,往返連接點的路徑越短,延遲也就越小。在5G環境中,不僅只是有一個雲,而是在很多位置有很多雲,它們連接在一起(一個雲可能是一個或多個資料中心)。另外還有邊緣運算,它的資源來自雲端,或者來自執行最終使用者應用的網路中某個點,這對5G體驗至關重要。

助力機器人和工業4.0發展

5G將為工業和機器人帶來革命性變革,這種說法毫不誇張。5G的無線連接讓機器人能夠擺脫線纜的束縛,自由地四處移動,這要歸功於基於雲的運算、超高資料速率和低延遲。很多機器人甚至接近於自動工作狀態,因為它們依賴GPS進行定位,依賴5G進行通訊,依賴雲接收指令。在工廠車間,移動機器人將協助工人執行以前機器人從不可能執行的功能。在農業領域,機器人將在田間巡視,發送來自眾多類型感應器的資料,從攝影機資料到生物資料和溫度、土壤條件等資料。實現工業4.0將需要利用一系列不同技術,而透過5G和雲進行連接,將會提高可靠性和生產率、增強安全性、減少事故,縮短產品生命週期,提高工人的工作能力,這種可能性似乎是無限的(圖3)。

圖3 5G有望促成工業技術革新

因應此發展趨勢,半導體業者提供一系列從基頻到射頻的產品,以加速將下一代機器人和工業4.0轉化為現實。舉例來說,恩智浦提供微控制器(MCU)、圖像識別處理器、RFID、NFC、感測器以及其他近程無線技術。

推動汽車產業升級換代

汽車產業正在經歷一場最重大的變革,其目的是減少廢氣排放和交通擁塞,最重要的還是提高安全性。這些工作刻不容緩,它們的進展步伐遠快於很多人的預期。僅在前幾年,主動式制動和態勢感知功能還只是豪華車的專利,但現在這些功能以更低的價位出現在很多最新汽車型號上。可以預期到,在五年之內,幾乎所有新型小汽車、SUV和/輕型卡車都將擁有先進的主動式安全系統,將它作為一種標準設備,從前向碰撞預防到多感應器態勢感知、車道偏離檢測和糾正、盲點檢測和主動式制動。

當然,最終目標還是自動駕駛汽車,僅在幾年之前,自動駕駛汽車聽起來還是一個遙不可及的構想,但隨著全世界的汽車製造商努力解決很多相關難題,讓真正的自動駕駛變成現實的時間期限日益臨近。 除了ADAS必需的感應器和其他元件之外,汽車還必須知道它們相對於周圍環境的位置,才能真正實現自動駕駛,5G和Wi-Fi、藍牙和NFC等其他無線技術有助於將自動駕駛轉化為現實。車輛對車輛通訊(V2V)和車輛對基礎設施通訊(V2I)將建立態勢感知,5G將說明整合用於V2V和V2I的不同無線標準,連接到公共安全網路,提供無線網路防護傘,從而發揮重要作用。

而為協助推動自駕車的發展,市面上也可以看到許多毫米波雷達、V2X平台、圖像識別處理器、多種RF半導體技術(GaN、LDMOS、SiGe和RF CMOS)、MCU和訊號處理器、NFC、藍牙、感測器以及軟體定義的無線電技術相關的產品,推動汽車電子的技術與功能演進。

跨越物聯網鴻溝

人機和機器間設備(統稱為物聯網)得到廣泛部署的一個最大障礙是用於連接的標準數量眾多,其中既包括新標準,也包括舊標準。5G能夠充當聚合器,將所有這些標準整合在一起,而以前的蜂巢網路從未重視過這個問題。無論在何處使用物聯網設備,5G都主動和動態地分配適當的資源,從物聯網設備需要的低頻寬、低功耗訊號到高資料速率訊號,後者對於需要資料流高解析度、4K和8K影像的監控系統等應用是必不可少的。而NFC、RFID、安全技術、感測器與低功耗無線技術也都將有助於物聯網系統發揮全部潛能。

推動健康保健革新

健康保健產業將成為5G的最大受益者之一,在醫院內四處穿梭的機器人將成為未來的藥物傳遞載體。遠端醫療有潛力為全球各地的患者提供醫療和諮詢服務,這要歸功於語音、高速資料和影像、基於雲的儲存和處理、極高的可靠性,以及虛擬實境和增強現實的顯著優勢。

外科醫生將在某個位置操控手術,由醫療人員協助的機器人執行實際的手術,這種應用在現今可以實現,但卻受制於當今的無線架構的功能。醫生可從任何位置對患者進行監控,這要歸功於互聯的可穿戴醫療設備,在基於雲的處理和5G通訊的輔助下,醫生可以獲取生命體徵和其他感應器資訊。而為滿足此領域的市場需求,恩智浦也提供可穿戴設備、NFC、RFID、基於Kinetis的MCU解決方案和參考設計以及互聯儀器等解決方案。

更安全的智慧電網

全球各地的電網都依賴於日漸過時的系統,對於可能產生嚴重後果的情況,這些系統進行監控和動態回應的能力比較有限。人們必須在讓電網真正實現智慧化的很多必需技術上取得進步,而5G能夠顯著增強其中兩種最重要的技術,即通訊和安全。智慧電網提供從系統級別到個人使用者的功能,能夠在比當前更短的時間內做出回應,以便動態分布資源,還能整合其他電力源,安全地執行這些功能和其他功能。而實現這些功能會需要的技術方案包括加密協同處理器、MCU共用安全架構、安全引擎、硬體加密和LP可信加密、篡改檢測和亂數生成、安全的感測器融合軟體、智慧電網專用安全解決方以及智慧計量解決方案。

互聯世界的安全性

目前,傳統4G行動網路是非常安全的,但在5G互聯世界中,數十億計的物聯網設備、銷售點設備、機器人、汽車及其他設備都要進行通訊,再加上傳統行動電話、智慧型電話和平板電腦,它們共用資訊量將會大幅增加,維持端到端安全性也更為重要。網路中的任何一個點都可能遭受攻擊,駭客、網路犯罪和網路恐怖分子必然會嘗試入侵網路。恩智浦意識到5G網路安全的極高重要性,因此也在產品中導入安全功能,並提供專門安全資源,以確保5G產品在設計時考慮到網路安全性。

RF為5G鋪平道路

先進的接收和發射解決方案是所有無線通訊系統的基礎,它們將在5G時代得到極大的擴展,從半導體技術到基站收發器設計,再到智慧天線解決方案,例如毫米波和大規模MIMO。5G系統將在遠高於當前任何蜂窩網路的頻率下工作。它們必須更高效,整合度更高,體積更小,而且更加節省電能,同時還要在每個性能基準指標上達到更高的性能。因應此趨勢,半導體供應商除了持續提供適用於行動基地台的LDMOS RF功率電晶體、高度集成型RF CMOS技術,也致力於氮化鎵(GaN)RF功率元件和SiGe技術的開發。

要利用5G技術實現大量功能,仍然還有很多工作要做,因為它比以前任何一代技術都更加先進,需要連接更多類型的設備,需要大幅縮短延遲和提高資料速率,其工作頻率遠超出當前使用的頻率。因此產業也必須持續投入相關技術與應用市場的開發,當5G網路基礎建設就緒時,才能即時實現這些功能和新的應用,並繼續開發先進的解決方案,充分發揮5G的全部潛能。

(本文由恩智浦提供)

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