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機器人和蜂窩通信兩個看似無關的技術，在第五代無線技術（5G）出現后有了關聯，因為與前幾代不同，5G不只是提高數據速率和擴大覆蓋范圍。為此，國際電信聯盟（ITU）制定了一個稱為IMT-2020的全球規范，它將徹底改變蜂窩網絡的搭建方式、連接設備、運行頻率，以及應用范圍。 第五代無線技術將為新一代機器人的發展鋪平道路，讓未來機器人可以通過無線而非有線通信鏈路自由漫游，并利用云計算和數據存儲的海量資源。借助于這些功能，幾乎可以實時地對機器人進行精確的動態控制，在本地和全球范圍內實現人機交互。簡而言之，5G將能夠支持“未來工廠”，以及以前通過蜂窩通信和機器人無法實現的許多應用。 人為干預的必要性 近期就機器人技術及其如何與人工智能（AI）一起統治世界的問題存在很多爭議，同時還引發了對人類命運的擔憂。擁護者們認為機器人只是起到輔助作用，執行一些人類不太擅長的任務，而不會取代人類。另一方面，有些人認為將來制造業的工作可能會被機器人取代，數百萬人將面臨失業威脅。機器人最終是否會取代人類還有待考察，但幾乎可以肯定的是5G會讓機器人工作效率比以往任何時候都高，應用更廣。 機器人在制造業得到了廣泛應用，尤其是汽車、工業和醫療行業。5G技術創新將進一步拓展機器人應用范圍，因此也需要相應地重新定義機器人的概念。比如，自動駕駛汽車就是一種新型機器人，它需要根據大量傳感器指令做出決策并執行相應操作，而且有可能比人類更精確、更可靠、更快速。此外，旋翼機和其他無人駕駛飛行器也是一種新型機器人。 機器人在醫療保健行業的巨大潛力，使之成為了解5G與機器人技術之間協同關系的最佳途徑。機器人在5G通信和云技術的幫助下，不僅能執行常規操作（比如在醫院內將物品從一個地方轉移到另一個地方），而且還可實現遠程手術，即醫生在遠程操控，而由機器人在本地執行手術。2001年內分泌外科醫生雅克·馬雷斯科在與患者相距約6,200公里的紐約市，對法國斯特拉斯堡醫院的一名患者進行了膽囊切除手術，這個被命名為“林德伯格手術”的就是世界上首個成功案例。 想象一下到2025年時，醫院手術室內只有機器人和患者，而外科醫生可以在地球上的任何位置，通過5G技術連接云端實施遠程手術，而且還可以尋求異地專家協助，實時提供專業知識。這雖然看起來很神奇，但仍只是一個開始，將來還可借助于虛擬現實（VR）和云端技術，將影像掃描結果顯示為三維（3D）虛擬模型。 利用“數字克隆”技術，外科醫生將可以在一個或多個機器人執行實際手術的同時，在病人的虛擬模型上遠程操控手術。醫生將獲得虛擬的觸覺“反饋”，因為骨骼、組織和器官都會有不同的“觸感”。雖然無法在十年內實現全方位的遠程手術，但隨著5G和機器人技術的日趨發展，將會分階段推行。 現在的制約因素 除了實現遠程手術和其他應用所需的機器人和整個“生態系統”仍處于初級階段之外，目前的4G網絡也根本不具備實現這些操作的能力。也就是說，由于這些應用需要即時響應，因此對延遲的要求也非常高。延遲是指從通信鏈路中的某一點輸入到從另一點返回無誤輸入之間的時間跨度。低延遲對于以機器為中心進行高可靠通信的未來機器人而言非常重要。 目前的4G長期演進（LTE）蜂窩網絡的往返延遲約為50ms，但為了實現機器人等應用，要求5G技術能將延遲縮短到1ms以內，這是一個巨大的技術挑戰。云計算和提高數據速率這些特性很容易實現，但要解決延遲問題，則需要挑戰物理定律。 要理解這一點，首先需要知道電磁輻射在真空中的傳播速度是3x108m/s，在空中傳播時，由于受到大氣層的影響，這個速度會有所下降。此外，信號傳輸時還會經過光纖、地面和衛星通信鏈路以及電子和連接設備，傳播速度將會大大降低。因此要想減少延遲，就必須縮短A B兩點之間的物理距離，這就是5G能將延遲縮短到1ms以內的奧秘。 5G將要求以比較集中的方式形成云的數據中心數量大幅擴張，并分布在一定的地理范圍內，因為某一位置的數據中心可能離大多數其他位置很遠，無法將延遲降低到可接受范圍內。這種擴張，再加上大于1Gb/s的數據速率和新的蜂窩頻率（比目前使用的頻率高一個數量級），將能夠在1至100公里的范圍內實現小于1ms的延遲。 顛覆想象的未來工廠 5G將在打造未來工廠方面發揮關鍵作用，這是需要小于1ms延遲的另一個應用案例。結合云計算幾乎無限的處理和數據存儲能力，5G通信將讓機器人能在下一代制造環境中執行更多的操作，比如機器人將能夠與員工交換大量信息，與其他5G設備（如可穿戴設備和增強現實（AR）等技術）結合顛覆你對常規“車間”的認知。 
圖1：工程師通過實時監控系統軟件檢查和控制車間里的5G機器人（來源：貿澤） 隨著能夠與人互動的移動機器人的出現，在提高產品質量和操作人員安全的同時，應能顯著提高生產能力。顛覆想象的未來工廠中保持非常低的延遲，必須高度依賴網絡中的邊緣計算。邊緣計算在實際應用所處網絡的“邊緣”提供智能服務以及其他功能，類似于幾十年前的分布式計算。 農場機器人 借助于5G技術和GPS定位系統，“無束縛”機器人將可執行今天不可能完成的任務。例如，農業機器人可以在田間行走，監測農作物生長狀況，將視頻和其他傳感器信息發送回位于任何地方的計算機，甚至還能執行噴灑、修剪和收割等工作。一家名為FFRobotics的公司開發了一種新鮮水果收割機器人，它將機器人控制與圖像處理軟件算法相結合，能夠發現并區分可銷售和損壞的農產品以及尚未成熟或腐爛的水果。
圖2：這款外形奇特的機器人可以在5G控制下行走于農場間，而且通過一臺控制器就可監控多臺拖拉機（來源：貿澤） 一種稱為高通量植物表型（HTPP）的技術結合了遺傳學、傳感器和機器人技術，可用于開發新的作物品種，以及改善營養成分和環境條件耐受性。這需要通過機器人身上安裝的傳感器來測量各種特性，并將結果反饋給任何地方的科學家們進行分析。目前還在開發種植和跟蹤種子的機器人，以提高農業生產效率和人們現在所從事的其他工作的效率。在未來，還有很多工作都能通過遙控機器來完成。 Qorvo：布局5G基礎設施 Qorvo是全球知名的射頻解決方案供應商，擁有多種為通信應用提供“連接和保護”的解決方案，如雷達、家庭和辦公室用Wi-Fi客戶終端設備、LTE和5G基站的高速連接、通過數據中心通信和電信傳輸的云端連接、汽車連接，以及其他包括智能家居在內的物聯網解決方案。Qorvo的主要產品包括砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）功率放大器（PAS）、低噪聲放大器（LNA）、開關、互補式金屬氧化物半導體（CMOS）片上系統解決方案、優質體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器解決方案以及各種多芯片和混合組件。 Qorvo的產品能夠支持低頻乃至毫米波頻段，可滿足下一代5G網絡對sub-6GHz和毫米波解決方案的產品需求。Qorvo在目前正在進行的5G現場試驗中嵌入了各種產品，并與知名原始設備制造商開展了多項產品開發活動，與網絡運營商部署5G網絡的時間表相重疊。下面讓我們來看看將5G和未來機器人技術變為現實的一些具體技術和產品。 集成讓一切變簡單：QPF前端模塊 Qorvo擁有出色的5G基礎設施前端模塊（FEM）。FEM是集成射頻（RF）模塊，包含放大器、濾波器、開關和其他組件。QorvoQPF4001 GaN單片微波集成電路（MMIC）FEM是一種面向28GHz（26–30GHz）相控陣5G基站和終端的多功能器件模塊。它結合了低噪聲高線性LNA、低插入損耗高隔離度發射/接收（TR）開關和高增益高效率多級PA。Qorvo QPF4005雙通道FEM是面向39GHz（37–40.5GHz）相控陣5G基站和終端的多功能GaN MMIC模塊，可在高頻下運行。它還結合了LNA、低插入損耗高隔離度TR開關和高增益高效率多級PA。此外，Qorvo QPF4006 39GHz（37–40.5GHz）GaN發送/接收模塊適用于39GHz相控陣5G基站和終端。與其他器件一樣，它結合了低噪聲高線性LNA、低插入損耗高隔離度TR開關和高增益高效率多級PA。 信號升壓：QPL平坦增益放大器 Qorvo QPL9057平坦增益放大器設計用于在1.5–3.8GHz的寬帶內提供2.4dB的平坦增益。這些增益放大器可提供22.8dB增益、+32dBm OIP3（50mA偏置設置時）以及0.54dB噪聲系數。QPL9057增益放大器采用高性能E-pHEMT工藝進行內部匹配，因此需要五個外部元件才能在單個正電源下工作。典型應用包括移動基礎設施、中繼器、時分雙工（TDD）或頻分雙工（FDD）系統、LTE/WCDMA/CDMA/GSM和通用無線。 雙通道多頻率：QPB開關低噪聲放大器 Qorvo的QPB9329 4.4–5.0GHz雙通道開關LNA模塊是高度集成的FEM，可用于時分雙工（TDD）基站。這些開關模塊在雙通道配置中集成了兩級LNA和高功率開關。同樣，Qorvo的QPB9337 2.3–3.8GHz雙通道開關LNA模塊是用于TDD基站的高度集成前端模塊。與QPB9329一樣，此系列LNA模塊也在雙通道配置中集成了兩級LNA和高功率開關。QPB9337 LNA模塊可以通過控制引腳控制掉電和旁路功能，可用于采用TDD多輸入多輸出（MIMO）架構的無線基礎設施應用。 扳動開關：QPC吸收式高隔離度SOI開關 QPC6054等Qorvo QPC絕緣體上硅（SOI）射頻開關是專門為蜂窩、3G、LTE和其他高性能通信設計的。這些設備采用表面貼裝設計，易于組裝，可在5MHz–6GHz范圍內運行。QPC SOI射頻開關采用高隔離度對稱拓撲結構，具有良好的線性度和功率處理能力。QPC6054是一個單刀單擲開關。QORVO QPC6324吸收式高隔離度單刀雙擲（SPDT）開關具有高隔離度、良好的線性度和功率處理能力。QPC6324開關適用于多種4G/5G無線基礎設施應用。 結論 5G不會在一夜之間讓機器人發生翻天覆地的變化，因為很多5G應用和技術尚處于萌芽、制圖或開發階段。5G能夠完全支持機器人等應用，被視為開啟電信新紀元的關鍵。此外，移動機器人離成為一項成熟的技術還有很長的路要走，而且很可能需要數年時間才能廣泛部署到生產制造、農業、常規與大規模搜救行動等應用中。 5G的應用離不開網絡各個方面的創新，從毫米波通信系統、軟件定義以及虛擬網絡架構，到新的無線接入方法，讓機器人能夠在互不干擾的情況下在小范圍內操作。延遲是現階段亟需攻克的難題，研究人員必須找到一種方法將其降到極低的范圍內。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Barry Manz是Manz Communications, Inc.（曼茲通信公司）的總裁，該公司是他于1987年創立的技術媒體關系機構。他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統、光波及其它市場進行過合作。Barry曾為多家線下和線上貿易刊物撰寫過文章，亦撰寫過各種白皮書、應用筆記、研討會論文、技術參考指南和網頁內容。他是Journal of Electronic Defense雜志的特約編輯、Military Microwave Digest雜志的編輯、MilCOTS Digest雜志的共同創辦人，也是Microwaves & RF雜志的主編。 |
