工业无线第2部分：忘记炒作 - 它可以4G LTE和5G今天做什么？

编辑注意：在第一部分在这篇三部分文章中，我们在未经许可的频谱上涵盖了工业无线通信。第二部分，本文，我们将专注于4G LTE和5G蜂窝无线的当前状态和使它们对工业应用有效的技术。在第三部分中，我们将把它全部带到一起展示如何选择理想的工业无线解决方案以及如何有效和有效地部署它。

随着3月朝着灵活的制造，智能工厂和数字化继续，连通性是工业自动化中不断增长的需求。多年来，有线连接统治了一天。由于工业用户已经开始将越来越多的设备和人员与他们的网络连接，但是，无线网络越来越多地提供比运行电缆更快，更容易，更潜在可靠的解决方案。“局域网电缆不会消失，但在尝试新电缆到现在需要连接的每个设备时，在成本方面存在挑战，”Stephane说da诺基亚企业解决方案营销负责人。在移动应用程序的情况下，当然，这是镇上唯一的比赛。

最新发布的蜂窝技术，4G LTE Advanced Pro和5G，已被设计为提供高数据速率、可预测的低延迟操作和广泛覆盖。因为它们是专门为移动应用程序构建的，所以它们提供了替代方案无法提供的一定程度的可靠性和安全性。作为最新一代的无线技术，5G以其改变世界的性能预测占据了各大媒体的头条。虽然许多用例很可能会取得成果，但任何无线一代的推出都是一个迭代过程。尽管5G的高速能力已被全面关注，但许多正在吹捧的改变游戏规则的功能在几年内都不会进入市场。在此期间，各组织应着眼于超越LTE Advanced Pro(俗称4.9G)和目前可用的5G版本的最新一代混合解决方案。

4G和5G的关键技术

在第三代合作伙伴计划（3GPP）协调的多相过程中，每10年推出新一代蜂窝无线。开发了3GPP发布，最终确定，然后通过电信标准组织作为标准进行编纂。在42年后，由于现在称为1G蜂窝的内容，数据速率从每秒几千比特到5G的承诺高峰下载速度为10 Gbps（见表1）。

在无线链路中，频带中的窄带信道发射调制的载波，该载波在基站和用户设备(UE)之间发送信号。虽然3G甚至2G蜂窝网络的速度足以支持有限的工业物联网(IIoT)传感器网络，但直到4G LTE出现后，蜂窝技术才真正进入工业环境。为了提高数据速率和覆盖范围，4G LTE包含了几种调制和传输技术(见图1)。这些技术中的许多都经过了修改，并被移植到了5G标准中。

图1:在蜂窝空中接口和调制技术的表示中，乘客表示数据，车辆的颜色表示不同的用户设备。(由Sierra Wireless提供)

正交调幅(QAM)

QAM是一种复杂的调制方案，能够在一对载波上使用多级幅度调制来编码每符号的多个比特，该载波彼此彼此（在正交中的正交中）。例如，16-QAM使用四个幅度电平而不是用于传统二进制调制的两个级别;结果，16-QAM可以实现16个不同的相位/幅度状态，使其能够编码每个符号的四个比特。4G LTE在下行链路上使用64-QAM（每个符号六位）进行首次亮相。最近的发布LTE-A Pro，在下行链路和上行链路上使用256-QAM（每个符号八位）。

正交频分复用(OFDM)

在OFDM中，频道分为一组独立调制的子具有彼此正交的频率的载流子（即，一个子载波波的峰值与其他频谱的空对齐以防止干扰）。在传输期间，位串被划分为多个子串，然后将其同时编码到一组子载波上。传输发生在略微较慢的数据速率下，但是比特串被复用的事实意味着整体传输更快。

前两种技术描述了在载波上编码更多数据的方法。4G LTE也适用于在单个频带上发送更多数据的技术。

载波聚合

载波聚合是一种用于将不同频率的多个载波（分量载波）组合成一个“超级载波”，该技术将被发送到相同的单个“超级载波”D.伊芙尼（见图2）。聚合五个20-MHz分量载波，例如，将100MHz的总带宽产生100 MHz。

图2:在载波聚合中，相同或不同带宽的分量载波被合并成一个“超级载波”，以增加在同一频带上发送的数据。(由3 gpp)

作为LTE高级的一部分引入，载波聚合最初允许最多五个分量载波相同的宽度。LTE高级PRO支持混合通道宽度的32个分量载波。载波聚合在应用于同一总频带内的不同信道时最佳地工作，但是可以与不同频率的分量载波一起使用。

多个输入/多个输出（米姆）

MIMO是一种空间复用技术，利用载波传播路径的差异，使更多的数据能够同时发送。而不是使用一个天线发送一个传输单个接收机在单个物理路径问题,文中使用多个天线同时发送多个运营商内的多个天线问题(参见图3)。因为传播路径略有不同,信号不干涉。单用户MIMO (SU-MIMO)主要用于4G LTE Advanced Pro，作为提高整体数据速率的一种方式。

图3：多个中的多个（MIMO）传输在基站和设备上使用多个天线来提高整体容量。该图显示了4×4 MIMO系统，如4G LTE引入。(由Sierra Wireless提供)

未经许可的频谱

RF频段被丢弃到许可和未许可的频谱中。许可频谱由国家监管机构控制，分配给特定的申请或客户，如关键基础设施，公共服务，垂直行业或付费许可证，如通信服务提供商（CSP）和民营企业。

蜂窝网络传统上在许可频段中运行（参见表2），而蓝牙和Wi-Fi等局域网技术则在没有执照的乐队（900 MHz，2.4 GHz，5.8 GHz，6.0 GHz）。

第13版4G LTE引入了许可辅助接入(LAA)，通过使用运营商聚合，网络可以使用未经许可的频谱来增加下行链路容量。该技术涉及使用核心基础设施和许可的运营商作为“锚带”，处理控制面通信，如呼叫发起和终止、身份验证、安全等。无许可频谱只能用于溢出的用户平面通信(数据和语音)。为了防止蜂窝网络传输干扰传统上在这一频段内运行的Wi-Fi网络，标准要求使用一种称为“先听后说”(LBT)的技术来寻找清晰的频道。当频道被使用时，框架已经就位，以确保蜂窝网络和Wi-Fi之间的合理使用，尽管存在一定的争议。

Release 13增加了另一个选项，LTE unlicensing也指定为5ghz频段。LTE- u仍然需要一个LTE固定信道，但使用纯未经许可的频谱用于用户平面通信。

由MLFA定义的MulteFire创造了一个版本的LTE，它也可以像Wi-Fi一样在未经许可的频段上完全运行。

5G

5G旨在应对移动应用的爆炸式增长和物联网的崛起，旨在提供三个关键服务水平:

• 增强的流动宽频(eMBB）-downlink速度高达10 Gbps应用程序包括增强现实/虚拟现实;例如，高速视频支持高分辨率检查。
• 大量机器通讯(mmtc.每平方公里MMTC每平方公里的-1百万个设备支持IIT，如数字双胞胎或预测维护。
• 超可泡的低延迟通信（Urllc.) -1 ms时延，可靠性为99.9999%
• 应用包括自动车辆和高协调高速设备的遥控器。

在深入讨论5G新无线电(NR)和其他使这种性能成为可能的修改之前，有必要做一些观察。首先，上面的数字是理论上的。实际性能，尤其是在最初阶段，将会相当有限(见表3)。特别是在5G中，现实世界的速度将会受到从运营商带宽到传输频率等一切因素的影响。

性能也受到第二点的影响，即与所有无线标准一样，5G在阶段推出。最终确定，半导体公司转到工作开发芯片组，生态系统需要开发生产网络和用户设备，软件和应用程序的最终确定与产品实际可用性之间的时间通常是一年和一半至少。5G标准目前处于第一阶段，第15版，其专注于嵌入式。Service levels like URLLC and mMTC won’t be available until Release 16 (finalized July 2020; estimated chipset availability 2022/2023), Release 17 (scheduled to be finalized December 2021; device availability 2023/2024), and Release 18 (still in process). New capabilities will be added with each release, chipsets and user equipment will need to be upgraded while network equipment will undergo regular updates to support the new features.

最后，尽管5G最终能够提供上述三种服务水平，但5G NR的设计(以及物理定律)意味着它不能同时提供这三种服务。相反，5G利用网络切片来瞄准特定的服务水平。例如，一个链接可以是非常高速的，但不是超低延迟的。它可能支持mMTC，但不支持10gbps。Daeuble说道:“你必须在一定程度上选择你的战斗，但是这也没有关系。“就工业应用而言，通常需要高数据速率的东西并不需要低延迟，但需要低数据速率的机器也需要非常低的延迟。”

5G谱

要实现上述性能增强和功能，就需要彻底改进无线5G接口。为了方便从4G LTE过渡到5G，并在市场上快速获得至少一些增量的性能改进，3GPP建立了两种部署模式:非独立(NSA)和独立(SA)。在NSA模式下，移动运营商使用现有的4G LTE网络基础设施作为控制面任务的锚点，而5G网络基本作为数据管道服务于用户面。在SA模式下，5G网络不仅提供数据服务，还提供了主要性能提升的基础设施。“与5G N相比，你将获得更低的延迟SA网络,”哈拉尔德说Remmert，科技高级总监，Digi International（霍普金斯，明尼苏达州）。“在当今的蜂窝网络和5G NSA中，您可能会看到20毫秒到30毫秒。这对公共蜂窝网络来说已经很好，但它对于工业控制网络来说太多了。当您查看5G SA时，您最终将在单位数毫秒级别下降到延迟。“

Release 15所定义的5G NR目前只支持NSA模式，所以只关注高速运行。SA模式所需的修改及其支持的服务级别直到版本16-18才会推出。

任何关于5G NR的讨论都需要从频谱开始。用于蜂窝网络的传统许可频谱(低频段，1 GHz及以下)倾向于在狭窄的信道宽度中分配，而不是5G支持的100 mhz +信道宽度。为了提高数据速率,5 g规范不仅包括未经授权的频谱在5 GHz和6 GHz乐队但延伸到厘米——和毫米波地区(见表4)。频率越高,数据速率越快,虽然代价是,更高的频率更有效地穿透障碍物。例如，低频段蜂窝信号可以穿过多个墙壁，而毫米波信号需要视线传输。

与4G LTE高级和后来一样，5G可以在锚定的NR-U模式下操作，使用许可频谱用于锚载波和用于用户平面传输的未许可频谱。这些锚载波可以在NSA部署中利用LTE核心或在SA部署中使用5G核心。LBT授权仍有用于帮助防止任何现有的Wi-Fi网络正在进行中。运营商也有独立的选择NR-U.，其中仅用于控制平面任务和用户平面传输的未许可频谱。注意：在发布16之前，将无法使用未经许可的频谱功能。

6-GHz频段对IIOT应用和其他类型的私营工业网络特别感兴趣。一些工业自动化用例，如dockside起重机在户外。更多的是里面，障碍比比皆是，从墙壁和柱子到大规模的机械。环境也往往是动态的，是否涉及仓库货架，这些搁架在整个空中空虚的一天，叉车或两吨结构钢通过架空起重机在生产地板上进行。虽然毫米波频段提供容量和速度，但它无法穿透物体将使更改环境更具挑战性。

最终，理想的工业网络需要在频率的组合上运行。“您可以在低频频带中具有基本连接的连接层，因此子千兆间蜂窝电池，然后在中间带中的容量从2 GHz到6 GHz，”Remmert说。“然后，当您需要更高的速度或更多容量时，您可以进入毫米波频段。我们相信这为您提供了最佳弹性。“

由于不同频谱带的能力和用例的差异，5G标准定义了两个频率范围：FR1，包括低频带和中频;和fr2，包括高频段。在空中接口和信道参数方面，每个频带被不同地处理（参见表5）。

5 g NR

对于调制，5G NR为上行链路和下行链路利用256-QAM。它适用于载波聚合，但具有更大的灵活性。5G NR支持最多400 MHz的通道带宽，具体取决于频率范围，并增加可以从五到八个聚合的组件通道的数量。结果，单个聚合载波可以组合高达3.2GHz的带宽。通道可以从给定频率范围内的任何频带（FR1或FR2）聚合。NSA网络部署甚至可以聚合4G和5G分量载波。

5G NR使用循环前缀（CP-OFD）m）对于下行链路和上行链路。与4G LTE不同，该LTE将子载波间隔为15 kHz，5G NR支持可伸缩的子载波间距δF

哪里有理学学N= 0,1,2,3,4,4。此变更具有许多对网络性能的后果。δ.F是符号传输时间间隔（TTI）的倒数 - 加倍子载波间隔，例如，切割TTI一半。这是调整网络以提供eMB或URLLC的关键机制。

和4G LTE一样，5G定义了10毫秒的帧，每个帧被划分为1毫秒的子帧。4G LTE定义了每个子帧一个插槽。在5G中，每个子帧被划分为可变数量的时隙，每个时隙包含14个符号。增加子载波间距减少TTI，从而减少槽长和子帧的持续时间，减少延迟。这是缩放子载波5G的方法之一，可以针对不同的服务水平调整性能。URLLC功能将首先在第16版中可用，并将在第17版中真正发挥作用。

为了应对工业物联网的飞速发展，5G NR应用了大规模MIMO (mMIMO)。在该版本中，基站上的多个天线与多个终端通信，扩大了覆盖范围。对于FR1，标准规定了8x8 MIMO，对应基站的64个天线。尽管它可以在多种模式下操作，包括SU-MIMO，但工业应用将从多用户模式中获得最大的利益。在这种情况下，每个天线针对不同的设备。可以使用空间分集(同一数据流的多条路径)来减少干扰。

5G还适用于MU-MIMO的另一种技术：波束成形（见图4）。每个天线广播针对单个QE或小集合的目标光束而不是广播到包含多个UE的大区域。光束成形有助于改善传输，即使在具有障碍物和反射表面的环境中。对于毫米波应用尤其重要。

图4.

5G从一开始就被设计成可重构的网络。它包括硬件层之上的抽象层，使5G能够支持软件定义无线电(SDR)。再加上5G NR的一些灵活特性，这使得网络运营商可以定义提供特定服务级别的网络切片。一个切片可能被配置为交付eMBB性能，而另一个切片将被设置为URLLC。

本文介绍了一些更重要的技术创新，电源4G LTE先进的PRO和5G性能。5G仍处于早期阶段，但是当充分发达时显示患有炒作的每一个迹象。“为移动宽带的消费者定义了4克，”爱立信5G营销负责人（Plano，Texas）彼得Linder说。“5G是由开头的商业和政府使用设计的。它旨在支持固定的无线宽带以及移动设备。进一步的网络将从仅支持通用数据访问，即一个切片适合所有，也支持所有，也支持延迟，可靠性和可用性为键的业务和任务批评性。“

4G LTE不应该被解雇得太快，但是，注意事项。“从R11-12一直到R15，3GPP为LTE增加了很多功能，以满足关键通信和工业需求，其中许多人已经为5G改进铺平了道路，”他说，指向LTE-M + NB-IOT（低功耗传感器），可靠性功能，对延迟的改进等“用作私人无线网络的一部分，4G LTE技术可以在其他无线技术的覆盖率，性能，可靠性，安全性和移动性方面提供显着的改进。”

要了解有关何时考虑4G和5G的更多信息，以及如何成功构建私人蜂窝网络，请参阅本系列的第三部分，于2021年7月。

致谢

感谢Phoenix Contact的高级产品营销专家Justin Shade的对话。