5G 技术在 3GPP 第 15 版规范中进行了标准化规定，是当前 5G 网络的基石。5G 汽车协会 (5GAA) 和 5G 产业自动化联盟 (5G-ACIA) 在标准制定工作中发挥重要作用，预计将在第 16 版规范中大幅改善延迟、网络同步和工业以太网网络集成。规范有助于推动 5G 技术发展，使其满足智慧工厂的相关要求（工业 4.0）。这些要求包括利用数据实时控制所有流程，以及快速灵活地重新配置生产线。只有利用无线技术，才能充分联合机器、人员、工厂、物流和产品。基于无线 5G 技术的快速链路将成为神经系统，协调复杂的工厂架构。即使是短暂的数据流中断问题也会造成严重后果并产生高额成本，因此必须非常细致周密地设计、设置和监控无线网络。这个过程分为多个阶段（包括测试），并在下文进行详细阐述。
智慧工厂是一个重要场所，必须满足机器连接性、可靠性、数据安全性和人员安全性方面的严格要求，特别是在使用无线连接技术的时候。
冗余方法能够有效提高可靠性。智慧工厂中的每个地方都必须被至少四个无线接入点覆盖。考虑到结构性变化会影响无线电波的传播条件，安装设施、重新配置机器或更改建筑布局后都需要进行现场测试，这是验证无线接入的唯一方法。
所有地方都需要能够可靠地进行无线连接，但这不足以保障网络的无故障运行。准确测量性能也是一个关键要求，这不仅包括测量可实现的数据吞吐量，还需要测量延迟或信号通过整个系统所需的时间，而后者通常更为重要。包括 4G 在内的前几代移动通信技术延迟较高，无法满足实时控制的要求。5G 的延迟仅为几毫秒，解决了这个问题。
延迟可分为两类：往返延迟和单向延迟（图 1）。增强现实 (AR) 或虚拟现实 (VR) 用例需要保证较小的往返延迟，以便在人们穿戴 AR/VR 眼镜转头时快速更新图像内容，确保融合的数据和真实图像相符。实时控制联网机器则需要保证较小的单向延迟。发出控制命令（例如向机器人发送停止命令）后，机器必须立即作出响应。
图 1
单向延迟是从发射机向接收机发射信号时的延迟。往返延迟包含接收机的响应时间和返回延迟。
图 2
使用罗德与施瓦茨产品的网络测试阶段。
对工厂进行整体规划时，需要根据测试规划分五个阶段部署无线网络。图 2 显示前四个阶段，旨在验证网络是否满足严格的可靠性和性能要求。
阶段 1：部署准备
德国和其他一些国家/地区将 5G 频率专门用于园区网或专用网，工厂经营者可以申请使用这些频率。网络设置和运行工作可以由工厂自行安排，但通常由服务提供商完成。在没有专用园区网频率的国家/地区，工厂经营者需要向大型网络运营商预订资源以保证网络连接，而这些运营商会强化工厂周围的网络或在工厂中安装其他基站以便满足要求。
如果网络使用园区网频段，则需要对频谱进行初始检查以识别干扰问题。经验表明，新分配的之前未使用过的频谱不能保证没有干扰问题。R&S®TSMx6 网络扫频仪、R&S®FPH/R&S®FSH 手持式频谱分析仪和 R&S®MNT100/R&S®PR200 便携式测试接收机可用于执行必要的测量任务。
阶段 2：站点验收测试
第二阶段是测试和验证新部署的基站。这包括下载/上传测试等简单的功能性测试、往返延迟测量、空口 (OTA) 射频频谱分析和信号解码，以便验证 5G 和 LTE 锚点信号的物理小区标识 (PCI)、同步信号块 (SIB) 和系统信息块 (SIB) 数据。
出现问题或异常结果时，信号解码还有助于排查特定的参数问题。罗德与施瓦茨产品组合包括适用于这些任务的合适仪器。QualiPoc Android 是一款基于智能手机的测量软件，能够通过功能性测试（下行链路、上行链路、ping/TWAMP）从用户角度评估移动网络服务。R&S®Spectrum Rider FPH 手持式频谱分析仪适合 OTA 频谱测量，R&S®5G 站点测试解决方案提供综合性移动网络形势概览，有助于快速确定任何漏洞或问题区域。
阶段 3：覆盖范围和性能测试
这一阶段需要实际进行测试。这是为了确保网络可在整个工厂中提供所需性能。R&S®TSMx6 网络扫频仪可在整个工厂进行测量，以检测每个地方具有良好参考信号接收功率 (RSRP) 和信干噪比 (SINR) 的网络接入点的数量。如前所述，至少需要实现四倍冗余。QualiPoc Android 可以在单个交互性测试中结合模拟的流量配置文件、延迟测量和传输质量，进而测试连接的实时性能（见图 4 和图 5）。R&S®SmartONE 实时优化软件可以即时直观显示测量结果和定向改进问题区域。
阶段 4：服务质量监测
对于有的工厂，无线网络是一种关键基础设施，相关故障会造成严重的盈利和生产损失。这些工厂需要执行阶段 4 的测量任务。因此，工厂经营者需要和网络运营商明确签订服务水平协议 (SLA)，并能够持续核查运营商是否遵循 SLA。定制的射频传感器遍布整个工厂，并安装在自动导引车 (AGV) 和自主移动机器人 (AMR) 中。这些传感器会定期测量每个地方的连接质量（包括延迟），并将结果报告给监控中心 (SmartMonitor)，后者会在实时仪表板上显示结果。SmartAnalytics 等工具能够进行更加详尽的离线数据分析。软件利用机器学习方法识别趋势和异常情况，并即时指示异常问题，以便在发生故障前提早采取预防措施。
阶段 5：验证是否符合规定
阶段 4 任务的完成，标志着设置流程结束，网络可投入运营。最后阶段需确保网络符合专用网的许可条件，保证预期覆盖范围外的泄漏信号必须低于规定的限值。这有助于防止使用同一频段或相邻频段的邻区产生干扰。建议工厂经营者使用 R&S®Freerider4 等步测解决方案或安装在无人机上的网络扫频仪定期检查是否合规（图 3）。
总结
诸多行业将需要将目前的工厂设施改造成智慧工厂。新一代工厂具有灵活性和成本优势，采用传统组织运营方式的工厂将难以与之竞争。使用低延迟 (5G) 无线通信技术全面连通设备，是这些新工厂的特点之一。合适的测试与测量解决方案支持简单轻松地设置和运营网络。罗德与施瓦茨产品组合可满足网络运营商和工厂经营者的多种需求。
