對積極轉型的製造業來說，網路的連接是決定效率及產能的一大因素。有鑑於無線網路技術的不斷進步，業者也試圖克服既有的無線網路限制，利用5G為製造業帶來革新。
連接是工業4.0中支援工廠廠區、邊緣和雲端間資料交換之基本要素，進而將工業資產轉換為網路物理系統。無線連接對工廠所有者和操作商都非常具有吸引力，主要有以下優勢：更高靈活性，可以在生產區域對設備進行重新定位和重組，能有機會接取以前未連接的資產，以及透過導入新設備即可進行擴展生產能力，而毋需進行複雜計畫和昂貴重新布線。此外，支援行動性無線標準亦能夠使自動駕駛汽車(AGV)等新型連接設備與工廠管理系統整合。
目前有多種無線標準和協定，從採用其它連接難以到達或連接到運動元件之小型感測器簡單無線I/O，到大型分散式無線感測器網路(WSN)以及工廠和過程自動化等。無線技術能夠提供多種優勢，但亦有一些值得注意的問題。
產業從有線遷移到無線網路
藍牙是一種普及標準，可為工業應用帶來易用性和規模經濟等優勢。
藍牙可能是用於消費者個人區域網路之最著名無線技術，諸如跳頻擴頻(FHSS)和內建安全功能(包括加密和身分驗證)之類屬性，可以滿足共存、安全和防駭客攻擊等工業要求。它為乙太網路埠轉接器提供了使用PROFINET等協定傳輸控制資料的可靠方法。管理人員還可以使用配對智慧手機透過藍牙技術輕鬆地將韌體更新用於設備，而毋需連接纜線。
例如Phoenix Contact Wireless MUX等電纜替代解決方案運用藍牙技術來簡化配對以及與控制器的連接，而毋需進行配置或設置。當少量數位或類比訊號需要在控制器和吊塔(Gantry)或機械臂等行動子配件上感測器之間交換時，這種連接特別有用。一對Wireless MUX最多可取代40條訊號電纜。
另外，對於低資料速率或更遠距離的連接，以及要求低功耗應用場景，通常首選Sub-GHz無線電技術。儘管標準協定帶來了多供應商之間互通性之類的好處，但專有協定卻可以提供針對特定應用優化的小型軟體堆疊和功能優化等優勢。低於1GHz技術可以提供低成本的點對點連接。
工廠和過程自動化挑戰
在透過網路收發控制訊號以管理自動化機械和製程時，時效性至關重要。就有線連接而言，業界已經開發了乙太網路時間敏感網路(TSN)，能夠保證具備確定性和高可用度即時性能。合適的無線網路技術必須具有正確流量管理類型，以保證確定性延遲時間達到最小，進而實現及時通訊以控制高速機械，並盡可能降低鄰近員工所面臨的安全風險。
Wi-Fi可能是能夠滿足要求之候選技術。但是，儘管Wi-Fi最大資料速率可以支援工業程序控制應用，但是由於最早IEEE 802.11 WLAN標準主要是針對家庭和辦公室環境，延遲和確定性並不是最初Wi-Fi標準主要優勢。較新標準IEEE 802.11n，802.11ac和以及最新IEEE 802.11ax(也稱為Wi-Fi 6)規範導入了能夠闡明Wi-Fi解決工廠自動化問題之增強功能，其中包括更高資料流通量和資料速率，更快的閒置通道檢測(CCA)以及在Wi-Fi 6中參數化空間複用(PSR)等技術，能夠將所有使用非授權無線電頻譜技術必須採用之強制性先聽後說(LBT)行為所導致的延遲時間降到最低。因此，相較昔日的標準，近來新的發布標準更適合工廠和過程自動化等應用。
在工業環境中採用無線技術時要考量的另一個重要問題是，應用環境中通常包含可能影響資料速率、連接距離和可靠性的因素。大型金屬物體會反射無線電波，如機械和建築物甲板和捲簾門等某些部分，這些物體會引起多路徑問題，而厚壁和隔板會阻礙或衰減訊號。此外，其他無線電訊號源，例如RFID設備和附近辦公室Wi-Fi網路，也會對操作環境造成干擾。
輕型蜂巢技術連接
伴隨物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)出現，人們需要在短距離點對點無線技術無法達到之距離範圍連接遠端設備。蜂巢和低功耗廣域網路(LPWAN)技術都可以提供此類解決方案。從歷史上看，蜂巢網路被設計為提供高頻寬和大通道容量，以滿足消費者行動通訊需求。因此，對於低資料速率應用，它們往往很昂貴且耗電。而LoRaWAN和Sigfox之類LPWAN技術則可提供遠端替代方案。
最近，作為4G蜂巢標準一部分，用於機器對機器通訊之窄頻NB-IoT和LTE-M等新發布的規範可以更具體客製化以滿足IoT營運商的需求。但是，這些規範仍然是定位於連接各類定期發送小量資料包之遠端感測器，缺乏透過蜂巢連接實現遠端程序控制所需的延遲和確定性保證。 如今5G到來可以改變所有這一切，進而使整個企業中無線連接資產(圖1)能夠為了各種目的而直接與網路通訊，包括從無線I/O和感測器網路到時間關鍵網路控制等。
圖1 5G可以滿足從感測器到高速自動化等工業連接要求。
資料來源：5G-ACIA
5G可以無所不能嗎？
與之前蜂巢通訊技術不同，5G涵蓋了超可靠低延遲通訊(URLLC)和大規模機器類型通訊(mMTC)等規範，目的是要滿足高密度感測器網路和高速自動化等在內的工業應用需求。這些使5G連接能夠滿足過程自動化和工廠自動化等任務要求，例如運動控制、控制器到控制器通訊、閉環控制以及與行動機器人和工廠資產管理通訊、遠端監控和維護之類過往無法實現的大規模分散式感測器網路等。5G高頻寬、低延遲和高可靠性將能夠使擴增實境(AR)應用更好地協助生產人員和服務技術人員。
5G可以與處在同一台機器或生產線上的有線技術整合，並且還內建有安全性機制以確保可用度、完整性和私密性。此外，為了實現工業自動化應用，5G規範還可提供與有線乙太網路TSN整合在一起所需的功能。雖然第三代合作夥伴計畫(3GPP)負責開發5G標準，但互聯工業和自動化5G聯盟(5G-ACIA)已經成立，可以確保正在進行標準開發能夠繼續滿足工業用戶需求。
工廠和過程自動化中之5G
3GPP為工廠和過程自動化應用定義了四種流量類別，並為每種情形確定了服務品質(QoS)要求。QoS主要參數是服務可用度、服務可靠性、端到端延遲和使用者體驗資料速率，一些次要參數包括訊息的大小、傳輸間隔、存活時間、使用者設備(UE)速度、使用者設備數量和服務區域。其它一些要求如時效性、定位和時間同步性、以及一般QoS要求等都適用於所有通訊服務。
在這四個流量類別中，週期確定性通訊要符合最嚴格要求。對於這些要求，5G可確保運動控制應用端到端延遲低至0.5ms，時間同步性優於1µs。
此外，該規範還可透過切片和隔離，使用戶可以創建多個獨立虛擬網路來處理不同通訊任務。
伴隨5G到來，各個組織也有機會設置專用網路，其也稱為非公共網路(NPN)，以把工業應用的語音、視訊流量和網際網路等級的QoS區隔開來。NPN可設置為安裝在用戶現場(例如工廠車間或工廠)之獨立專網。另一方面，可以將NPN創建為託管在公共網路之虛擬網路。在非公共和公共5G網路之間可提供服務連續性，並支援5G和4G核心網路之間移動性。
隨著5G著手準備在工業領域投入使用，有業者如西門子(Siemens)已經展示了用於工業環境之專有獨立5G網路，該網路被用於測試5G在工業環境中性能各個層面，例如無線通訊可靠性、即時性以及人機互動安全性。Siemens計畫在2021年春季推出首款工業5G路由器SCALANCE MUM856-1，它專為嚴苛的工業環境應用而開發，具有IP65防護等級，支援4G和5G，可在公共和私有5G專網等場合使用。
5G部署力助工業網路運作
由於製造業變得更加智慧，更加自主，並且倚賴於遠端控制，管理和維護，對無線連線性能要求變得越來越強烈。諸如藍牙和Wi-Fi之類人們已經非常熟悉且非常成熟的標準也在不斷演進，以滿足對高可靠性、快速資料流通量和低延遲的需求。另一層面，5G現在為直接連接到各種工業資產提供了機會，能夠提供所需性能、規模和可靠性，進一步滿足從大規模感測器網路到高速自動化等各種應用需求。
(本文作者任職於貿澤電子)