5G时代来临机器人的春天还会远吗
| 机器人和蜂窝通信两个看似无关的技术，在第五代无线技术（5G）出现后有了关联，因为与前几代不同，5G不只是提高数据速率和扩大覆盖范围。为此，国际电信联盟（ITU）制定了一个称为IMT-2020的全球规范，它将彻底改变蜂窝网络的搭建方式、连接设备、运行频率，以及应用范围。 第五代无线技术将为新一代机器人的发展铺平道路，让未来机器人可以通过无线而非有线通信链路自由漫游，并利用云计算和数据存储的海量资源。借助于这些功能，几乎可以实时地对机器人进行精确的动态控制，在本地和全球范围内实现人机交互。简而言之，5G将能够支持“未来工厂”，以及以前通过蜂窝通信和机器人无法实现的许多应用。 人为干预的必要性 近期就机器人技术及其如何与人工智能（AI）一起统治世界的问题存在很多争议，同时还引发了对人类命运的担忧。拥护者们认为机器人只是起到辅助作用，执行一些人类不太擅长的任务，而不会取代人类。另一方面，有些人认为将来制造业的工作可能会被机器人取代，数百万人将面临失业威胁。机器人最终是否会取代人类还有待考察，但几乎可以肯定的是5G会让机器人工作效率比以往任何时候都高，应用更广。 机器人在制造业得到了广泛应用，尤其是汽车、工业和医疗行业。5G技术创新将进一步拓展机器人应用范围，因此也需要相应地重新定义机器人的概念。比如，自动驾驶汽车就是一种新型机器人，它需要根据大量传感器指令做出决策并执行相应操作，而且有可能比人类更精确、更可靠、更快速。此外，旋翼机和其他无人驾驶飞行器也是一种新型机器人。 机器人在医疗保健行业的巨大潜力，使之成为了解5G与机器人技术之间协同关系的最佳途径。机器人在5G通信和云技术的帮助下，不仅能执行常规操作（比如在医院内将物品从一个地方转移到另一个地方），而且还可实现远程手术，即医生在远程操控，而由机器人在本地执行手术。2001年内分泌外科医生雅克·马雷斯科在与患者相距约6,200公里的纽约市，对法国斯特拉斯堡医院的一名患者进行了胆囊切除手术，这个被命名为“林德伯格手术”的就是世界上首个成功案例。 想象一下到2025年时，医院手术室内只有机器人和患者，而外科医生可以在地球上的任何位置，通过5G技术连接云端实施远程手术，而且还可以寻求异地专家协助，实时提供专业知识。这虽然看起来很神奇，但仍只是一个开始，将来还可借助于虚拟现实（VR）和云端技术，将影像扫描结果显示为三维（3D）虚拟模型。 利用“数字克隆”技术，外科医生将可以在一个或多个机器人执行实际手术的同时，在病人的虚拟模型上远程操控手术。医生将获得虚拟的触觉“反馈”，因为骨骼、组织和器官都会有不同的“触感”。虽然无法在十年内实现全方位的远程手术，但随着5G和机器人技术的日趋发展，将会分阶段推行。 现在的制约因素 除了实现远程手术和其他应用所需的机器人和整个“生态系统”仍处于初级阶段之外，目前的4G网络也根本不具备实现这些操作的能力。也就是说，由于这些应用需要即时响应，因此对延迟的要求也非常高。延迟是指从通信链路中的某一点输入到从另一点返回无误输入之间的时间跨度。低延迟对于以机器为中心进行高可靠通信的未来机器人而言非常重要。 目前的4G长期演进（LTE）蜂窝网络的往返延迟约为50ms，但为了实现机器人等应用，要求5G技术能将延迟缩短到1ms以内，这是一个巨大的技术挑战。云计算和提高数据速率这些特性很容易实现，但要解决延迟问题，则需要挑战物理定律。 要理解这一点，首先需要知道电磁辐射在真空中的传播速度是3x108m/s，在空中传播时，由于受到大气层的影响，这个速度会有所下降。此外，信号传输时还会经过光纤、地面和卫星通信链路以及电子和连接设备，传播速度将会大大降低。因此要想减少延迟，就必须缩短A B两点之间的物理距离，这就是5G能将延迟缩短到1ms以内的奥秘。 5G将要求以比较集中的方式形成云的数据中心数量大幅扩张，并分布在一定的地理范围内，因为某一位置的数据中心可能离大多数其他位置很远，无法将延迟降低到可接受范围内。这种扩张，再加上大于1Gb/s的数据速率和新的蜂窝频率（比目前使用的频率高一个数量级），将能够在1至100公里的范围内实现小于1ms的延迟。 颠覆想象的未来工厂 5G将在打造未来工厂方面发挥关键作用，这是需要小于1ms延迟的另一个应用案例。结合云计算几乎无限的处理和数据存储能力，5G通信将让机器人能在下一代制造环境中执行更多的操作，比如机器人将能够与员工交换大量信息，与其他5G设备（如可穿戴设备和增强现实（AR）等技术）结合颠覆你对常规“车间”的认知。  图1：工程师通过实时监控系统软件检查和控制车间里的5G机器人（ 随着能够与人互动的移动机器人的出现，在提高产品质量和操作人员安全的同时，应能显著提高生产能力。颠覆想象的未来工厂中保持非常低的延迟，必须高度依赖网络中的边缘计算。边缘计算在实际应用所处网络的“边缘”提供智能服务以及其他功能，类似于几十年前的分布式计算。 农场机器人 借助于5G技术和GPS定位系统，“无束缚”机器人将可执行今天不可能完成的任务。例如，农业机器人可以在田间行走，监测农作物生长状况，将视频和其他传感器信息发送回位于任何地方的计算机，甚至还能执行喷洒、修剪和收割等工作。一家名为FFRobotics的公司开发了一种新鲜水果收割机器人，它将机器人控制与图像处理软件算法相结合，能够发现并区分可销售和损坏的农产品以及尚未成熟或腐烂的水果。  图2：这款外形奇特的机器人可以在5G控制下行走于农场间，而且通过一台就可监控多台拖拉机（ 一种称为高通量植物表型（HTPP）的技术结合了遗传学、传感器和机器人技术，可用于开发新的作物品种，以及改善营养成分和环境条件耐受性。这需要通过机器人身上安装的传感器来测量各种特性，并将结果反馈给任何地方的科学家们进行分析。目前还在开发种植和跟踪种子的机器人，以提高农业生产效率和人们现在所从事的其他工作的效率。在未来，还有很多工作都能通过遥控机器来完成。 Qorvo：布局5G基础设施 Qorvo是全球知名的射频解决方案供应商，拥有多种为通信应用提供“连接和保护”的解决方案，如雷达、家庭和办公室用Wi-Fi客户终端设备、LTE和5G基站的高速连接、通过数据中心通信和电信传输的云端连接、汽车连接，以及其他包括智能家居在内的物联网解决方案。Qorvo的主要产品包括砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）功率放大器（PAS）、低噪声放大器（LNA）、开关、互补式金属氧化物半导体（CMOS）片上系统解决方案、优质体声波（BAW）和表面声波（SAW）滤波器解决方案以及各种多芯片和混合组件。 Qorvo的产品能够支持低频乃至毫米波频段，可满足下一代5G网络对sub-6GHz和毫米波解决方案的产品需求。Qorvo在目前正在进行的5G现场试验中嵌入了各种产品，并与知名原始设备制造商开展了多项产品开发活动，与网络运营商部署5G网络的时间表相重叠。下面让我们来看看将5G和未来机器人技术变为现实的一些具体技术和产品。 集成让一切变简单：QPF前端模块 Qorvo拥有出色的5G基础设施前端模块（FEM）。FEM是集成射频（RF）模块，包含放大器、滤波器、开关和其他组件。QorvoQPF4001 GaN单片微波集成电路（MMIC）FEM是一种面向28GHz（26–30GHz）相控阵5G基站和终端的多功能器件模块。它结合了低噪声高线性LNA、低插入损耗高隔离度发射/接收（TR）开关和高增益高效率多级PA。Qorvo QPF4005双通道FEM是面向39GHz（37–40.5GHz）相控阵5G基站和终端的多功能GaN MMIC模块，可在高频下运行。它还结合了LNA、低插入损耗高隔离度TR开关和高增益高效率多级PA。此外，Qorvo QPF4006 39GHz（37–40.5GHz）GaN发送/接收模块适用于39GHz相控阵5G基站和终端。与其他器件一样，它结合了低噪声高线性LNA、低插入损耗高隔离度TR开关和高增益高效率多级PA。 信号升压：QPL平坦增益放大器 Qorvo QPL9057平坦增益放大器设计用于在1.5–3.8GHz的宽带内提供2.4dB的平坦增益。这些增益放大器可提供22.8dB增益、+32dBm OIP3（50mA偏置设置时）以及0.54dB噪声系数。QPL9057增益放大器采用高性能E-pHEMT工艺进行内部匹配，因此需要五个外部元件才能在单个正电源下工作。典型应用包括移动基础设施、中继器、时分双工（TDD）或频分双工（FDD）系统、LTE/WCDMA/CDMA/GSM和通用无线。 双通道多频率：QPB开关低噪声放大器 Qorvo的QPB9329 4.4–5.0GHz双通道开关LNA模块是高度集成的FEM，可用于时分双工（TDD）基站。这些开关模块在双通道配置中集成了两级LNA和高功率开关。同样，Qorvo的QPB9337 2.3–3.8GHz双通道开关LNA模块是用于TDD基站的高度集成前端模块。与QPB9329一样，此系列LNA模块也在双通道配置中集成了两级LNA和高功率开关。QPB9337 LNA模块可以通过控制引脚控制掉电和旁路功能，可用于采用TDD多输入多输出（MIMO）架构的无线基础设施应用。 扳动开关：QPC吸收式高隔离度SOI开关 QPC6054等Qorvo QPC绝缘体上硅（SOI）射频开关是专门为蜂窝、3G、LTE和其他高性能通信设计的。这些设备采用表面贴装设计，易于组装，可在5MHz–6GHz范围内运行。QPC SOI射频开关采用高隔离度对称拓扑结构，具有良好的线性度和功率处理能力。QPC6054是一个单刀单掷开关。QORVO QPC6324吸收式高隔离度单刀双掷（SPDT）开关具有高隔离度、良好的线性度和功率处理能力。QPC6324开关适用于多种4G/5G无线基础设施应用。 结论 5G不会在一夜之间让机器人发生翻天覆地的变化，因为很多5G应用和技术尚处于萌芽、制图或开发阶段。5G能够完全支持机器人等应用，被视为开启电信新的关键。此外，移动机器人离成为一项成熟的技术还有很长的路要走，而且很可能需要数年时间才能广泛部署到生产制造、农业、常规与大规模搜救行动等应用中。 5G的应用离不开网络各个方面的创新，从毫米波通信系统、软件定义以及虚拟网络架构，到新的无线接入方法，让机器人能够在互不干扰的情况下在小范围内操作。延迟是现阶段亟需攻克的难题，研究人员必须找到一种方法将其降到极低的范围内。 文章 作者简介：Barry Manz是Manz Communications, Inc.（曼兹通信公司）的总裁，该公司是他于1987年创立的技术媒体关系机构。他曾与100多家公司在射频、微波、国防、测试和测量、半导体、嵌入式系统、光波及市场进行过合作。Barry曾为多家线下和线上贸易刊物撰写过文章，亦撰写过各种、应用笔记、研讨会论文、技术参考指南和网页内容。他是Journal of Electronic Defense杂志的特约编辑、Military Microwave Digest杂志的编辑、MilCOTS Digest杂志的共同创办人，也是Microwaves & RF杂志的主编。
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