连接制造商与未来：5G 如何改变制造业格局

如今，不断变化的运营需求对数据密集型技术的要求越来越高。同时，现有的无线网络协议并不完全适合提供现代制造商所需的一切。第五代蜂窝无线技术（5G）的日益部署将使制造商及其员工能够迎接更具创造力的未来。

主要概况

5G 将帮助制造商采用现有的经营方式。

•  百分之九十的制造商认为，在其设施中使用 5G 将有助于现有的经营方式 (92%)，并将进一步推进现有流程 (88%)。

5G将推动新流程，为制造商创造新商机。

• 创建新流程和业务是5G 部署的一个特别重要的结果。除了制造商目前在其设施中所做的事情之外， 百分之九十的制造商还预计 5G 的利用将导致新流程的创建 (88%) 和新业务的创建 (86%)。

5G 将有助于改变供应链和工厂运营。

• 制造商预计5G 将对工厂运营的许多方面产生重大影响。五分之四的制造商表示，5G 技术对其设施内的库存跟踪 (83%)、设施安全 (81%) 以及仓储和物流 (81%) 非常重要。此外，四分之三的制造商表示 5G 对检查 (76%) 和组装 (76%) 活动也很重要，十分之七的制造商表示包装 (72%) 和员工培训 (71%) 工作将从部署中受益5G到制造业。

• 制造商还报告说，5G 将影响车间的特定应用，包括设备监控 (89%)、实时分析传感器数据的安全程序 (87%) 和员工安全 (86%)。绝大多数制造商还报告说，5G 将帮助远程分析以支持实时决策 (84%)、基于状态的远程监控以进行预测性维护 (84%)、资产跟踪 (83%) 和预防性维护 (82%) ）。

5G 将推动制造商节省成本。

• 几乎所有制造商都希望将机器和设备与 5G 无线连接的直接影响视为一定程度的成本节约 (93%)。平均而言，制造商预计可节省大约 38% 的成本。

5G 将提高机器和员工的生产力。

• 几乎所有制造商都希望通过实施 5G 来提高机器 (94%) 和工人 (93%) 的生产力。平均而言，制造商预计设备生产率将提高约 42%，工人生产率将提高 41%。

5G 有望改善依赖网络连接的众多制造活动。

• 与当前的连接技术相比，三分之二 (65%) 的受访制造商表示 5G 在提高效率方面更胜一筹，超过一半的制造商认为 5G 将提供更好的质量和服务 (56%) 以及更大的灵活性 (53%)。此外，五分之二的人认为 5G 将是有利的，因为它与增强的安全性 (45%) 和提高竞争力 (41%) 有关，三分之一的人认为它将缩短交货时间 (35%) 和更低成本（32%）。

• 当被问及一系列制造活动时，制造商报告说，5G 将使所有活动都变得更加容易。值得注意的是，生产线的重新配置被认为是使用当前技术最困难的制造活动，当使用 5G 技术时，预计将在“易用性”方面看到最大的改进。制造商还预计，5G 的利用将推动设备远程控制、增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 应用的利用、移动机器人和自动引导车辆的利用以及自动化等方面的显着改善。

制造商采用 5G 的首要驱动力是在整个生产过程中进行质量控制监控的能力。

• 超过一半的制造商还报告称，提高机器生产力 (53%) 将推动 5G 的采用。

为什么 5G 对制造商很重要？

什么是5G？

1. 速度——5G 网络可以以比 4G 网络高 20 倍的速率达到峰值，未来可能会有更高的吞吐量。
2. 延时——5G 网络可以在不到 10 毫秒的时间内发送“往返”数据（将数据发送到目的地并返回），未来这个数字可能会降至 5 毫秒以下。
3. 容量——5G 网络可以从每平方英里数十万个传感器捕获数据。
4. 可靠——5G 网络可以达到“五个九”（99.999%）的可靠性，使其成为任务关键型应用的绝佳选择。
5. 接力——即使设备以每小时数百公里的速度行驶，5G 网络也可以无缝地相互传递数据，确保为高速应用提供强大的连接。
6. 效率——通过 5G 低功耗连接的远程传感器设备应用可以依靠电池供电运行近十年。

5G 提供三种主要类型的通信服务或用例：增强型移动宽带服务 (eMBB)、大规模机器类型通信 (mMTC) 和超可靠、低延迟通信 (URLLC)：

1.  eMBB 改进了我们通常认为的以下方面：蜂窝服务：从智能手机、笔记本电脑或车辆等设备快速访问数据，用于流视频等应用。最初的 5G 部署集中在这项服务上。
2.  mMTC 为传感器和其他智能设备等低功耗设备带来了 5G 支持，这些设备可能需要在现场或工厂中使用一次电池充电数年。它建立在对此类设备的 LTE 标准支持之上。
3.  URLLC 适用于需要非常灵敏的数据连接的设备（例如，在高速公路上寻求避免碰撞的两辆自动驾驶汽车之间的通信）。 5G NR（新无线电）支持 URLLC。因此，它可以实现比 LTE 更高的性能，是实现 5G 全部潜力的关键。

5G 还经常与不是标准固有部分但具有高度互补性的举措相关联。 一个这样的例子是 MEC（多路访问，或移动边缘计算）。 MEC 旨在提高高带宽、低延迟应用（例如，共享增强现实或基于云的游戏）的性能。

MEC 允许在边缘进行更多处理，这意味着减少在执行数据密集型活动的过程中将数据从机器移动到云并返回的需要。 通过这种方式，制造商可以利用 MEC 来减少某些应用程序的延迟，还可以优先处理关键任务数据。 制造商将使用 MEC 来控制机器人、无人机和其他需要低延迟、高可靠性、更高隐私和安全性的设备，因此它们的性能不会受到数据从机器到云的往返时间的阻碍。 

由于我们处于 5G 过渡的早期阶段，我们可以与过去十年广泛使用的早期 4G 网络进行一些比较：

• 与之前的4G 一样，随着标准的改进，4G 在过去几年变得更快，5G 正在分阶段推出，并且在未来几年会变得更快。它的进步是由一个管理国际机构创建的版本定义的，该机构专注于涵盖蜂窝标准演变的许多技术细节。第 15 版定义了 2019 年的初始 5G 标准。第 16 版和第 17 版，专注于提高效率和电源管理等，于 2020 年获得批准，第 18 版计划于 2021 年获得批准。

• 此外，与4G 一样，运营商需要一段时间才能实现广泛覆盖。尽管各国运营商自 2019 年以来在建设网络方面取得了良好进展，但我们可以预期 2021 年及以后的覆盖范围和速度都会有所改善。即便如此，5G 被全球运营商采用的速度比 4G 更快。

• 电信公司爱立信估计，到 2020 年底，5G 覆盖全球人口的 15%，高于 2019 年底的 5%。此外，他们估计到 2026 年这一比例将增长到 60%，使 5G 成为部署速度最快的移动通信历史上的技术。

• 正如 4G 网络要求智能手机等设备具备 4G 功能以充分利用网络速度一样，5G 网络也是如此。 2020 年，几乎所有主要的美国智能手机制造商都发布了至少一款 5G 智能手机。其他设备制造商也发布了支持 5G 的笔记本电脑、平板电脑和热点。

5G 并不是最近看到重大更新或支持声明的唯一无线网络技术，尽管其他技术都专注于不同的解决方案和应用程序。它们包括以下内容：

• Wi-Fi 6e：与前几代相比，Wi-Fi 6e 在速度和网络拥塞管理方面代表了一代飞跃。然而，最近，该技术已扩展到一个新的频段，该频段提供的容量比以前频段的总和还要多。虽然这应该会带来我们迄今为止看到的最佳 Wi-Fi 性能，但 Wi-Fi 可以替代 5G 的替代方案，因为 5G 不可用。但是，它仍然专注于本地网络，无法匹配范围或设备密度容量的 5G。

• 蓝牙 5.2：将智能手机与耳机和其他外围设备连接起来的流行标准的最新版本将在能耗方面得到改善，并可用于短距离精确物体定位。

• UWB：与蓝牙一样，超宽带可用于短距离精确目标定位。领先的智能手机制造商现在正在将 UWB 集成到他们的智能手机中。

这些短程技术与 5G 高度互补，未来几年应在智能手机和其他设备中得到广泛支持。

5G与制造业的结合

所有蜂窝网络都在无线电波频谱的某些部分运行。一般来说，频率数越高，最大数据速率越快，但范围越短。今天，4G 网络在 6 GHz 以下运行。提供最佳范围的网络在“低频段”运行，例如美国的 600 MHz 和 700 MHz 频率。

5G 网络也可以在这些范围内运行，但今天只能提供稍微快一点的连接。这是因为运营商使用与 LTE 网络相同的核心技术推出 5G 会更加有效。事实上，LTE 用户受益于 5G 更有效地利用网络容量。随着时间的推移，运营商将推出独立的核心网络 (5G NR)，除了提供更快的速度外，还将在可靠性和有保证的服务质量选项方面带来巨大收益。

5G 还可以在“中频”频率下运行，例如 3.5 GHz，与某些较低频率相比，这提供了一个减速带；这些在美国没有像在其他国家那样广泛使用。中频带频谱是各种关键操作的所在地。此外，美国联邦政府在 2020 年拍卖了这些频率中的几个频谱块，因此我们应该看到该频段中与 5G 相关的活动增加。例如，通过使用专门用于专用蜂窝网络的称为 CBRS（公民宽带无线电服务）的技术。

最令人印象深刻的速度增益发生在 24 GHz 以上。然而，这些“毫米波”实现的范围是有限的；它们主要部署在公园和足球场等大型开放空间中，但对工厂也很有效。美国很早就接受了这些网络，但世界各地的许多运营商计划在 2021 年及以后部署毫米波网络。

总体而言，5G 将发展得比 4G 快得多。虽然 4G 网络的最高速度约为每秒 1 Gb，但 5G 网络预计将达到该速率的 10 倍。除了速度之外，5G 还提供了其他好处，包括更低的延迟，数据在网络上发送和接收之间的传输时间，可能只有几毫秒。因此，5G 将成为制造业和工业应用与创新的关键推动力。

5G制造应用

制造通常是一个线性过程，需要较长的交货时间，并且存在很大的故障和浪费风险。 然而，随着他们面临不断增长的全球需求和日益激烈的竞争，制造商采用复杂的方法来监控和改进他们的运营。 这种适应性是通常被称为制造 4.0 或工业 4.0 的关键原则。 其中因素包括生产的可用性，这可能会因计划外停机而受到影响； 性能 和输出质量，或设备运行情况与其最佳产能和生产率的关系。 正如全球大流行病清楚地表明的那样，工厂必须越来越灵活，能够根据需求的突然变化重新配置不同的生产线。

5G 可以帮助实现模块化工厂的理想，在工厂中可以快速重新配置机器以优化生产。它不仅可以提高员工之间交流的丰富性，还可以让他们更安全，因为它可以促进以以前不可能的规模从密集的传感器群中收集数据。它还可以通过启用自动安排维护或订购耗材更换的系统来防止出现问题，以确保停机时间最短。它为自我配置生产线、通过分析传感器数据确定的主动设备维护和可以开始或可能有一天完成出站物流的自动驾驶汽车铺平了道路。

许多技术需要成熟才能实现这一愿景，关键部件因 5G 而实现飞跃。在“魔法”背后，数十亿数据点将被开发成复杂的数据模块，进行分析以获得最佳效率并以动态方式进行可视化。虽然其中许多应用相互关联，但它们在链接应用之外也具有价值。其中五个关键应用是数字孪生、工业物联网、扩展现实、自动驾驶汽车和机器人技术以及安全和安保。虽然这些服务的一部分可以通过现有的蜂窝技术启用，但需要 5G 连接才能大规模提供这些服务。

数字孪生

工业物联网

扩展现实

未完待续……

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