案例分析:5G在工业互联网应用的几个问题和思考

今天看到一个新闻,人大代表浙江移动郑杰董事长提交了《加快5G工业互联网建设,助推制造业高质量发展的建议》,拜读了微信文章,其中有个5G的案例,很有些意思:“近期德国Fraunhofer生产技术研究所基于5G网络,对飞机喷气式发动机所用的扇叶盘进行了测试,利用5G毫秒级的低时延能力控制和实时监控生产工艺,可以将打磨时间降低25%,质量提升20%,仅这项工艺提升,每年就能为工厂节省约2700万欧元。”

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问题一:看到这里就有个问题,怎么用上5G还能省钱?

爱立信网站查看了新闻原文,原来是爱立信和Fraunhofer Institute for Production Technology在2018年一起开展的测试,这个Fraunholfer是一家精密制造设备研究所,给德国著名的航空发动机公司MTU AE提供制造设备。这个MTU是原先戴姆勒-奔驰旗下的柴油和航空发动机制造企业,中国引入过MTU2500坦克发动机。现在MTU经过几次拆分,目前航空发动机是独立的公司,主要是为V2500、PW系列、F110、CM系列等著名航空发动机制造备件。查看了新闻,MTU2017年的订单出现积压1213亿欧元,供不应求,因此他们面临立刻提升产能的问题。

爱立信的这次测试是在Fraunholfer给MTU AE的航空发动机的涡扇叶盘加工中开展的。为保证强度,发动机涡扇叶盘(Blade Integrated Disks,bdisk)是整块金属切割出来的,每个叶盘1万-2万欧元,对尺寸精度和表面光洁度有很高的要求。这次试验在叶盘上安装了一个5G震动传感器,这个传感器通过采集震动频率来推算刀具的位置,反馈给刀具控制系统来控制刀具的位置,由于时延仅有1ms左右,提高了控制及时性,提升了精度。新闻说加工时间缩短75%。原先加工时间是15-20小时,整个周期是3-4个月(含涂层和质检)。根据爱立信的报告说,单这个5G-bdisk产品加工每个工厂(每年)可以节约2700万欧元,全球可以节约3.6亿欧元。

结论:确实省钱了,但是并不那么简单,但并不是从3-4个月缩短75%,而是15-20小时缩短75%(4-5小时完成加工)。此外,显然要改造控制系统和制造设备

问题二:然后就产生了第二个问题,是不是非5G不可,固网行不行,WIFI行不行?

这里面涉及到3个主要问题:(1)时延,本实验主要是时延问题(2)带宽,本实验未提到(3)便利性,无线接入,(需要注意本实验是有电源线)。

1、5G的设计目标:峰值带宽是20Gbps,应用带宽是1Gbps,无线时延1ms,注意这个1ms是无线网络增加的设计时延,而不是端到端的ping时延。估计端到端时延要达到5-10ms

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2、看看WIFI的情况,先看时延,一个家用的,未经优化的WIFI,用ping测试,第一跳2.4Ghz则时延大约34ms,而5Ghz小于10ms。wIFI带宽(ac)1.2Gbps,如下

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Open signal的测试结果是151ms,感觉被3GPP黑了:)

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3、再看看局域网的情况。局域网的带宽没问题,目前25Gbs的网卡都快规模应用了,时延基本上小于1ms

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According to Wi-Fi Alliance’s press release, Wi-Fi 6 now identifies 802.11ax technology, Wi-Fi 5 designates 802.11ac tech, and Wi-Fi 4 is the new name for 802.11n standard.

The new generational approach was chosen to better highlight significant advancements in Wi-Fi technology, with a host of new features, from increased throughput and faster speeds, to support for more concurrent connections.

Wi-Fi 6 is supposed to be 37% faster than Wi-Fi 5, with top speeds of up to 11 Gbit/s

“For nearly two decades, Wi-Fi users have had to sort through technical naming conventions to determine if their devices support the latest Wi-Fi,” stated Edgar Figueroa, Wi-Fi Alliance president, and CEO.

In addition, “Wi-Fi Alliance is excited to introduce Wi-Fi 6, and present a new naming scheme to help industry and Wi-Fi users easily understand the Wi-Fi generation supported by their device or connection,” according to Figueroa.

The new Wi-Fi 6 standard is supposed to come with denser subcarrier spacing, a new 1024QAM mode, as well as allow up to 9 concurrent users per channel, with each user being assigned up to 26 subcarriers.

Furthermore, Wi-Fi 6 is expected to be 37% faster than Wi-Fi 5 (802.11ac) featuring a top speed of 11 Gbit/s as demonstrated during CES 2018, with a four times increase of the user throughput because of better spectrum utilization efficiency.

Wi-Fi 6 is designed to operate within the 2.4 GHz and 5 GHz spectrums, and it should expand to additional bands between 1 and 7 GHz as soon as they are available.

结论:LAN、WIFI和5G相比,LAN存在部署麻烦的问题,但是时延和带宽没有问题;WIFI部署更简单,带宽和时延都可比。如果综合考虑成本,WIFI成本最低、产业也最成熟。而且WIFI6 (802.11ax)已经于2018年10月发布,2019年Q3就会认证设备,估计部署时间早于5G。WIFI6带宽达到11Gbps,也增强了安全性,每信道用户数。而且WIFI的WiGig扩展功能可以利用60Ghz的频段,利用大信道可以传输多个Gbps的带宽,可以用于VR、高清等高带宽业务。

问题三:为啥试验中是3.5Ghz主频?

和网优专家敏慧姐讨论了一阵子,频谱分配在全球各不相同。但是主要国家,3.5Ghz基本上都分配商用了,只有美国有些不同,美国的3.5Ghz原先是海军雷达频段,但是后来被分配到非授权频段(UnLicensed Spectrum),在这个频段上,个人或者企业可以搭建“5G局域网”,而不必采用运营商的网络和设备。很多港口、大型工厂都可以建设这种网络。这种方式可以大幅度推动设备销售,从而带动上游芯片企业发展,比如高通、Intel、华为等等。目前被WIFI联盟占用的2.4Ghz、5Ghz都属于非授权频段,未来还会有6Ghz。

目前支持LTE非授权频谱有好几个团伙:LTE-U(Verizon、ALU、Ericsson、Qualcomm、Samsung:2014,5Ghz)、LAA(欧洲、日本)、MulteFire(MulteFire Alliance,都是厂家)其中主要讨论的就是5Ghz上,LTE和Wifi的干扰和解决方案,各家都有一些方案,最终美国批准了LTE的使用。

一般来说,电信运营商对非授权频段是不感兴趣的,毕竟都有牌照了,何必还要用非授权频段,目前只有T-Mobile和AIS在部分地区开展了业务,但是支持的手机很少:the only devices supporting it are smartphones that using Qualcomm Snapdragon 820, 821, 835 and 845 processor with X12 LTE modem,[6] Exynos 9 Series 8895/9810 processor.[7] or using Skyworks model SKY662xx-xx/SKY663xx-xx/SKY781xx-xx modem.[8] 

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从最新的2019年巴展看到爱立信的胶带纸基站天线看,上面写的也是3.5Ghz。

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结论:爱立信使用了在世界各地都可用的一个频段做了测试,其中在Fraunhofer试验中,这个频段是分配给当地运营商的频段,可见德国至少在该地区还没有部署5G,相反在美国倒是可以用这个频段测试的,在美国这是一个开放频段。

问题四:工业互联网和运营商是什么关系?

我们注意到这个测试中并没有出现运营商的角色,此外,我们也注意到其他的很多测试中,例如GE、Nokia和Qualcomm的测试,也没有带上运营商。此外在一些港口的5G测试中,也没有运营商参与。从前面关于频谱分配的分析,我们知道,任何国家都有未授权的频段,可以用于5G和WIFI。因此我们很容易得出结论,一些工业企业不必和运营商合作,就可以建设基于5G的工业互联网。如果仔细研究LTE-U团伙的支持单位,除了设备商和少数运营商之外,少不了Qualcomm的身影。这下子貌似想明白了:虽然Qualcomm和通信设备制造商主要为运营商服务,但是他们显然希望有更多的人来使用的5G芯片和设备,开放频段可以让更多的非电信设备制造商产生对5G设备和芯片的需求…当然,这对广大人民群众和企业都是有好处的,毕竟多了一个选择权。

但是运营商也并非无所作为,5G有一个重要的特性是切片。切片可以在5G网络中建立一个独占的虚拟网络(切片)。如果给工业用户提供一个切片,那么在这个范围内,租户就可以放心的使用网络资源,即保证SLA,又保证安全性。这和工厂自建一个5G局域网可以达到类似的效果

然而用户怎么选择呢,可以肯定地说,某些应用,比如覆盖很大地区的智能电网、自动驾驶等等,只能选择和运营商合作,我们可以看到一些此类企业和运营商开展了一些早期的合作签约。但是对于地域范围相对较小的工业场景来说,则即可自己建设5G局域网,也可以租用运营商的5G切片。

结论:覆盖广大地域的工业互联网业务离不开运营商,但是工厂内的工业互联网业务可以自建,关键取决于设备的易用性:如果5G网络和WIFI一样好用,而且便宜,那么自建没有问题。否则还是离不开运营商。到底结果如何,要静观其变。

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  12. https://en.wikipedia.org/wiki/5G
  13. https://hpbn.co/wifi/
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  17. GE, Nokia and Qualcomm Unveil First Private LTE-based Trial Network Customized for Industrial IoT
  18. 德国:整个C频段都划分给5G
  19. 高通:Spectrum for 4G and 5G(pdf)
  20. 5G_Americas_Whitepaper_Spectrum_Landscape_For_Mobile_Services
  21. LTE in unlicensed spectrum
  22. https://www.multefire.org/our-members/
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  29. https://en.wikipedia.org/wiki/Network_performance
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案例分析:5G在工业互联网应用的几个问题和思考》有6个想法

  1. 文章的思考点,5G与WiFi的对比(现在WiFi的确在工业自动化和中应用很广,也见过京东苏州的WiFi仓储),运营商切片与用户自建的可能性优略分析(GSM-R,LTE-R, 显然没有运营商的参与,同样5G-R ?, 也是处于安全性和责任的划分,这是广度覆盖场景; 国内有些油田,煤矿的自建4G是否可以被切片替代?),分析都很细致,客观,也是问来5G 部署垂直行业需要思考的问题。

    1. 谢谢建议,写完后收到了不少同行的建议,后面我再调研一下,看看到底运营商怎么开展工作

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