5G園區網路:用於智慧工廠的私有蜂巢式網路

作者 : Anja Schaal、Manuel Fischer,儒卓力(Rutronik)無線產品行銷團隊負責人、實習生

數位化可重要性正開始展現,它推動企業不斷發展以保持在市場上的重要地位,5G園區網路(5G campus networks)可以協助企業提高靈活性、效率和數位化水準…

數位化可能已不再是新鮮的流行術語,但在現實中,數位化是真實發生的現象,其重要性正開始展現。它推動企業不斷發展以保持在市場上的重要地位,5G園區網路(5G campus networks)可以協助企業提高靈活性、效率和數位化水準。

 

5G園區網路並不對大眾開放,因而具備極高的資料安全。

 

5G園區網路是受地理位置限制的局部5G網路,一般大眾無法連接使用。它們在工業應用方面備受青睞,因為5G技術精準地提供網路化生產運作所需的功能,也就是︰高可靠性、大範圍、低延遲、高頻寬和高能效。不過,這些功能特性需要使用較高的頻率範圍,與先前蜂巢式技術標準所使用的2.2GHz頻率不同,5G園區網路依靠使用3.7~3.8GHz頻段;5G技術使用的是n78頻段。

5G園區網路為何如此特別?

5G網路技術實現了人員、機器、感測器和其它終端設備之間的無線即時通訊。憑藉增強型行動寬頻(eMBB)、大規模機器型通訊(mMTC),以及超高可靠度低延遲通訊(URLLC)功能,5G網路技術擊敗了前身技術4G。

透過使用URLLC,延遲時間數值從4G下的大約15~80毫秒,降低到5G下的低於1毫秒。這樣可以在沒有明顯遲滯的情況下控制機器設備、機器人和自動交通運輸系統。

使用eMBB,5G資料傳輸速率最高可達10Gbps,而容量達到每平方公里10Tbps。相比之下,4G技術的傳輸極限僅為1Gbps,因此5G的傳輸速率大約是4G的10倍,從而能夠以極高解析度即時傳輸視訊內容。在新冠病毒大流行時期,這項優勢可讓海外開發人員查看最微小的產品細節,並提出意見。

特別具有吸引力的是,mMTC能夠實現每平方公里最高100萬台終端設備的極高連接密度,同時最大限度地減少能源消耗,其能耗僅為LTE系統能耗的10%左右。相比之下,4G技術的連接密度僅為每平方公里大約10萬台終端設備。mMTC特別適用於大型倉庫、停車場管理系統,以及體育場館大型活動。

 

直接對比圖清楚顯示4G和5G的天壤之別。

 

不僅如此,得益於智慧化「網路切片」(network slicing)技術,多個虛擬網路可以在同一實體網路基礎設施上同時運作。這樣允許每種應用程式類型(eMBB、mMTC和URLLC)的資料透過其自有的虛擬蜂巢網路進行傳輸,而虛擬蜂巢網路則可以針對每項應用程式進行單獨最佳化。園區網路在可靠性和可用性方面也優於公共網路,因為它們的運作並不依賴於蜂巢式技術服務供應商。

5G為何優於Wi-Fi 6?

園區網路本身並不是什麼新鮮事。在目前,大多數園區網路都是基於Wi-Fi技術。而Wi-Fi 6,也被稱為AX Wi-Fi,屬於最新一代Wi-Fi技術,它幾乎與5G技術同時發佈。Wi-Fi 6和5G技術一樣,也帶來了許多改進,其中包括每個資料流具有更大頻寬、更低延遲和高達6Gbps資料速率。這是透過新的調變方法來實現,例如正交頻分多址(OFDMA)和1024QAM (正交振幅調變)。由於Wi-Fi – 6向後相容,用戶無需更換硬體——這尤其是辦公大樓私有網路的一項重要優勢。

隨著連網的機器、系統,以及機器人和自動運輸系統等移動應用的數量不斷增加,對於私有網路的需求也在增加。許多工業和生產設施還需要一個能夠同時覆蓋室內和室外區域的園區網路,例如,可以覆蓋整個生產設施區域的運輸系統。由於5G技術具有介於3.7~3.8GHz之間的較低頻率(與Wi-Fi的5GHz頻率相比),5G擁有更大的覆蓋範圍,並仍然提供可與Wi-Fi媲美的資料傳輸速率。

在Wi-Fi甚至漫遊的情況下,自動傳輸系統在更換蜂巢時可能不得不暫停片刻,只有在與新蜂巢或閘道器連接時才能重新開始移動,這對於任何依賴於連續資料流的移動應用程式來說尤為突出。而在5G條件下,蜂巢的傳輸範圍更大,延遲時間更短,而且蜂巢之間可以實現無縫過渡。因此,當涉及到工業系統和生產設施自動化方面使用的行動系統和應用時,5G技術擁有重大的優勢。

企業如何取得5G園區網路?

在德國,企業可以向電力、天然氣、電訊、郵政和鐵路方面的聯邦網路局提交申請,以獲得5G頻段授權許可證。為此,德國聯邦網路局已批准在3.7~3.8GHz頻率範圍內為本地網路應用提供100MHz頻段。頻率區可以賦予一項或多項屬性。

授權費用基於所要求的頻寬(B),以MHz為單位(必須細化到從10~100MHz之間的10MHz增量),授權期限以年為單位(t),蜂巢式網路覆蓋面積以平方公里計。擬覆蓋的區域可分為「建築環境和交通運輸」(a1),或「其他」(a2)。工業和商業區域則劃分為a1,計算公式為:

以歐元(€)計算的費用 = 1.000 + B × t × 5 × (6 × a1 + a2)

對於以有效面積為0.2km²的生產設施,合約期限為10年,全頻寬為100MHz作為例子,授權費用為6,000歐元,相當於年費600歐元。

需要哪些硬體?

必要的硬體包括:5G卡、數據機,以及天線、伺服器和電源供應單元,這些產品均可從儒卓力採購。一個例子是來自Telit的FN980-5G-M.2卡,這是市場上首批5G產品之一,它支援全球都採用的LTE和5G/6GHz以下頻段(也就是n78頻段,覆蓋3.3~3.8GHz頻率範圍),這是在歐洲建立園區網路所需要的5G卡產品,其外形尺寸為30 mm × 50 mm,工作溫度範圍為-40~+85°C,5G-M.2卡適用於工業應用領域,它基於高通的Snapdragon X55 5G晶片組。FN980配有專有的Telit軟體,可以使用AT命令進行配置。FN980m型款也支援新的mmWave頻段。

研華科技(Advantech)現在也提供AIW-355DQ系列5G-M.2卡,與Telit的產品類似,它也基於Snapdragon X55 5G晶片組。然而,與Telit有所不同的是,研華正在針對歐洲、北美和日本市場推出AIW-355DQ系列的特定地區型款。研華產品尺寸為52 mm × 30 mm,工作溫度範圍為-10~+55°C,其溫度範圍沒有Telit公司5G卡產品那麼寬廣。

來自Telit和研華科技的兩款5G-M.2卡都具有多個5G和GNSS天線插座。儒卓力可以提供來自製造商2J、AVX和Pulse的合適天線產品。

這些產品組合的亮點之一是來自2J公司的2JW1683 Katana天線產品。作為最小型5G單極天線之一,該天線支援6GHz以下頻段園區網路,並向後相容支援4G、3G和2G頻段。得益於採用鉸接插頭,天線位置能夠達到45°~90°角度。2JW1683 Katana具有10 mm × 80mm超小型尺寸,從而可以實現極小型設備,並且仍然可以經穿透建築物和高樓林立的城市地區來傳輸資料,對於覆蓋生產設施的應用而言是個絕佳選擇。

對於5G聚合物黏接天線,製造商2J提供了2F0283P、2JF0383P、2JF0483P和2JF0583P型款,這些產品型款之間的差異僅在於接地板的尺寸。它們使用全向傳輸模式在整個6GHz以下範圍最佳化訊號強度和訊號品質。這些天線不僅可支援5G頻段,還能支援傳統4G、3G和2G頻段。

儒卓力的無線技術團隊可以提供各種長度和顏色的電纜和連接器產品,除此之外,由現場應用工程師和產品專家組成的龐大團隊還能提供技術支援。

 

 

 

 

 

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