Инженеринг ревю бр. 8/2023

брой 8, ноември 2023 цена 4. 00 лв. www.tllmedia.bg ® ISSN 1311-0470 www.engineering-review.bg

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 1

2 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 3

4 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ в броя: ноември 2023 За абонамент в Разпространение на печата или Български пощи – каталожен номер 1364 ® 6 Накратко 10 Интервю с Венцислав Пенов, ръководител Лаборатория за изпитване и калибриране, Технически инженерен център на Festo в България 12 Новости при SiC и GaN базирани силови компоненти – част I 17 RedCap спецификацията – интернет на нещата (IoT) за 5G 20 Актуални тенденции при автоматизираната визуална инспекция 26 Активни и пасивни филтри за хармоници 34 Роботи за фармацевтичното производство 40 Заваръчна техника за алуминий 43 Ротационни маси 47 Газови пружини 50 Програмиране на CNC машини 53 Технологии за контрол на качеството в адитивното производство ISSN 1311-0470 ® Действителни собственици на Ти Ел Ел Медиа ООД са Теодора Стоянова Иванова и Любен Георгиев Георгиев Ти Ел Ел Медиа ООД © Всички права запазени. Всички права върху графичното оформление и дизайн, статиите и използваните изображения, текстове и снимки, публикувани в изданието са обект на закрила по действащия Закон за авторското право и сродните му права. Нерегламентираното и ненадлежно документирано използване нарушава законите и правата на авторите им. Издателят не носи отговорност за съдържанието на публикуваните реклами, рекламни карета, рекламни публикации, фирмени и платени статии. Правата на всички споменати търговски марки, регистрирани търговски марки, запазени марки и т.н. принадлежат на съответните им собственици. Диляна Йорданова отговорен редактор (02) 818 3823 Пепа Петрунова (02) 818 3822 editors@tllmedia.bg редактори Теодора Иванова (02) 818 3818 dora@tllmedia.bg Любен Георгиев (02) 818 3808 lubo@tllmedia.bg издатели Теодора Бахарова Гергана Николова (02) 818 3830 prepress@tllmedia.bg дизайн Мария Апостолова (02)8183811 abonament@tllmedia.bg секретар бул. "Акад. Иван Ев. Гешов" 104, офис 9 1612 София, тел.: (02) 818 3838 office@tllmedia.bg www.tllmedia.bg издава Ти Ел Ел Медиа ООД reklama@tllmedia.bg Петя Найденова Гергана Николова Елена Димитрова Мария Кояджикова (02) 818 3810 0888 414 831 (02) 818 3813 0888 395 928 (02) 818 3815 0888 335 882 (02) 818 3813 0889 256 232 реклама Татяна Тодорова (02)8183844 t.todorova@tllmedia.bg администрация

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 5

6 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ накратко ЕК обяви ново финансиране за по-широка интеграция на роботите в промишлеността Европейската комисия обяви нов набор от покани за проектни предложения по линия на програма „Хоризонт Европа“ за периода 2023 – 2024 г. в областта на цифровите технологии, промишлеността и космическото пространство на обща стойност от над 290 млн. евро. С 206 млн. евро ще бъдат финансирани научни изследвания и проекти в сферата на високите технологии, предназначени да повишат дигиталната конкурентоспособност на Европа. 76 млн. от тях са заделени за научноизследователски разработки в области като роботика, изкуствен интелект и данни, които да подобрят възможностите на роботите да изпълняват повторяеми задачи в ежедневна или работна среда и да позволят по-широкото им интегриране в индустрията и обществото. Част от поканите в това направление предвиждат използването на изкуствен интелект и данни за ускоряване и улесняване на разработването на софтуер с висока степен на сигурност и приложимост на различни устройства и системи. 60 от предвидените 206 млн. евро ще бъдат инвестирани в изследвания в сферата на изкуствения интелект и базираните на данни решения в подкрепа на целите на Европейския зелен пакт. Останалите 70 млн. евро ще бъдат разпределени за разработването на услуги за т. нар. „cloud-to-edge“ сървъри (от облачна към периферна изчислителна архитектура). Откриха нов свръхмодерен Център за върхови постижения в Русенския университет На 7 ноември 2023 г. в Русенския университет „Ангел Кънчев“ официално бе открит нов Център за върхови постижения, включващ пет високотехнологични лаборатории с различна специализация. Лабораторията по „Дигитализация и 3D сканиране“ предоставя услуги и осъществява изследвания в сферата на съвременните 3D технологии по дигитализация и създаване на триизмерно цифрово съдържание. Тя разполага с набор от седем 3D скенера, чрез които учените могат да създават 3D модели на съществуващи обекти. Лабораторията по „3D проектиране и моделиране“ ще разработва нови подходи и методи за компютърно моделиране. Физическото възпроизвеждане и репликиране на създадените 3D модели е приоритет на лабораторията по „3D прототипиране и репликиране на обекти“. Тя разполага с изключително прецизни 3D принтери, които имат възможност да възпроизвеждат медицински модели, да се използват за печат на хирургически водачи, шини, импланти, зъбни отливки, протези и др. В лабораториите по „Добавена и смесена реалност“ и „Сериозни игри и симулации“ изследователският екип на Русенския университет и неговите партньори ще реализират научни изследвания и експерименти в сферите на добавената, смесената и виртуалната реалност, холограмните технологии, както и в областта на взаимодействието човек – машина и роботиката.

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 7

8 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ накратко Hannover Messe организира международна конференция за AI технологиите в индустрията през януари На 24 януари 2024 г. в изложбения и конгресен център на Хановерския панаир ще се проведе специализиран форум на тема „Изкуствен интелект в индустрията“. Международната конференция ще събере експерти от цял свят, които ще дискутират някои от водещите теми и проблеми във връзка с все по-широкото навлизане на AI технологиите в промишлената реалност. Програмата на еднодневното събитие ще бъде разделена на три основни модула – „Бизнес“, „Технологии“ и „Примери от практиката“. Изтъкнати професионални и академични авторитети ще коментират ролята на изкуствения интелект в производството на компоненти за роботи и инструменти, в машиностроенето, конструирането и др. В рамките на детайлни лекции и ориентирани към практиката презентации редица доказани специалисти в областта ще очертаят съвременните достижения, тенденциите и перспективите пред приложенията на изкуствения интелект в производството, както и възможностите и предизвикателствата във връзка с внедряването и използването на AI базирани платформи. „За редица компании изкуственият интелект в индустрията означава нови бизнес модели, нови технологии, процеси и приложения. Такъв е случаят и при големите езикови модели, като ChatGPT – една от най-обсъжданите теми през последните месеци. Убедени сме обаче, че AI платформите в промишления сектор са много повече от езиков модел със специални функции и изисквания“, подчертават организаторите.

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 9 накратко Международното изложение за смазочни материали Lubricant Expo се мести в Дюселдорф След две издания в Есен международното изложение за смазочни материали и технологии Lubricant Expo се мести в Дюселдорф. Решението е мотивирано от разрастването на изложението и големия опит на Messe Duesseldorf в организирането на индустриални изложения, централното местоположение в Европа, отличната инфраструктура, достъпността и репутацията на Messe Duesseldorf като глобален бизнес хъб, посочват от компанията. Lubricant Expo ще допълни портфолиото от индустриални изложения в сферата на машиностроенето, заводското оборудване и технологии на Messe Duesseldorf. То се провежда съвместно с The Bearing Show – първото безплатно изложение за лагери в Европа, свързвайки доставчиците на лагери с крайните потребители и с дистрибутори и производители на механични трансмисии и задвижвания. „Преместването в Дюселдорф е стратегическо решение, което перфектно отговаря на целта ни да подобрим взаимодействието и иновациите в сектора на смазочните материали и технологии и лагерите. Вярваме, че този ход ще осигури на посетителите и изложителите още по-динамично и удовлетворяващо изживяване“, коментира Антъни Робъртс, директор Събития на Lubricant Expo. Проф. Гаро Мардиросян от ИИКТ на БАН получи наградата Изобретател на годината за 2023 г. Проф. Гаро Мардиросян от Института за космически изследвания и технологии (ИИКТ) на БАН беше удостоен с наградата „Изобретател на годината 2023 г.“ на Съюза на изобретателите в България. Той получи престижното отличие за 4 изобретения в областта на защитата от бедствия и аварии, от които две са за критична инфраструктура. Приложението на първото изобретение е при антисеизмична защита на обекти от критична инфраструктура, като атомни електроцентрали, язовирни стени и др., от въздействието на разрушителни сеизмични вълни. Базира се на разлика в скоростите между надлъжната и напречната сеизмична вълна. Второто изобретение се отнася до система за ранно предупреждение по поречието под язовирна стена, чрез която се подава предупредителен сигнал към населението, съответните служби и структури, попадащи в заливната зона, при висока водна вълна вследствие на аварийно отваряне или разрушаване на преливника или основни изпускатели, повреди в язовирната стена, предизвикани от терористични или военни действия и други причини. България е шеста в ЕС по производство и обработка на цветни метали Българската асоциация на металургичната индустрия (БАМИ) и Аурубис България отбелязаха 60 години Ден на металурга и 65 години от създаването на медодобивния завод в Средногорието. На събитието присъстваха министър-председателят акад. Николай Денков, министърът на икономиката и индустрията Богдан Богданов, министърът на околната среда и водите Юлиан Попов, представители на водещите компании в сектора, професионалната и академична общност. „Металургията осигурява материалите, които са в основата на развитието на България като високотехнологична база“, подчерта министър-председателят акад. Николай Денков. Той посочи сектора като добър пример за успешно взаимодействие между бизнеса, академичните среди и ангажираността със социални проекти. Никола Рангелов, председател на БАМИ, подчерта значението на сектора за икономиката на страната. България е шеста в Европейския съюз по производство и обработка на цветни метали, като осигурява 14% от европейското производство на мед, 8% на олово и 4% на цинк. Страната ни произвежда и изнася над 1 млн. тона валцувани черни метали. Металургичният сектор осигурява 11% от стоковия експорт на България – над 10 млрд. лв. по данни за 2022 г. Добавената стойност на един зает в металургията е от 2 до 3 пъти по-висока от средната в преработващата промишленост.

10 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ интервю Фесто Производство наскоро откри разширената си Лаборатория за изпитване и калибриране (ЛиК) в Интер Експо Център в София. Как се промениха компетенциите й от създаването й досега? Производството на Festo в България почти от самото начало е съпътствано и от развойна дейност. Стартът е през 2000 г. с провеждане на тестове, подпомагащи развойната дейност в отдел „Нови продукти“ (чийто приемник е Технически инженерен център, ТИЦ). Постепенно започват да се развиват познанията и тестовите възможности. Закупени са и първите автоматизирани стендове. От 2015 г. насам провеждаме и тестове на сензори, измерващи налягане и поток. От 2019 г. стартирахме с тестове с пропорционални вентили и регулатори на поток – т. нар. LifeTech изделия. Тогава е открита и започва дейност лабораторията за проверка на електромагнитна съвместимост. Много малко други развойни центрове в България могат да се похвалят с такъв тип компетенции и възможности. Със стартирането на развойната дейност на сервомотори бяха закупени и първите автоматични системи за дълготрайни изпитвания на електрически мотори. От 2022 г. насам основна цел на екипа на ЛиК е развитието на тестовата автоматизация. Какви продукти могат да бъдат тествани понастоящем? В лабораторията могат да се тестват почти всички изделия и техните разновидности (над 3000 бр.), които се произвеждат в завода на Festo в София. Присъединителни и вентилни кабели, позиционни сензори, сензори за налягане и поток, пропорционални вентили, регулатори на поток, сервомотори, електрически модули, LifeTech изделия. Провеждаме тестове и за колегите от TEC Boston, TEC Mason в САЩ, както и TEC Shanghai в Китай. Екипът на лабораторията участва както в развойната фаза на новостите, така и в поддръжката – проекти, свързани с жизнения цикъл на продукта. Подпомагаме колегите от завода в София, а след преместването на част от продуктите в новооткрития завод в Турция, продължаваме с тестовата отговорност към тях. С какво оборудване разполага лабораторията? Какво е нивото на автоматизация? Списъкът само на ЛиК е от близо 400 позиции, а общо за ТИЦ – над 600. В него влизат от мултимери, захранвания и осцилоскопи, през сензори за налягане и поток, различни силомери, сензори за въртящ момент, температурни сензори, температурни и климатични камери, специална IP69k камера, измервателна апаратура за електромагнитна съвместимост (Burst, Surge, RF conducted immunity/emissions tests), ESD пистолет, високоволтов тестер и много други. Към днешна дата около 80% от провежданите тестове в ЛиК са полу- или напълно автоматизирани. Кои нови направления очаквате да станат приоритетни за ТИЦ в краткосрочен план? Пред ЛиК тепърва ще има все повече възможности за растеж и развитие на тестовия екип и компетентностите. В екипа ни днес работят 17 тест инженери, като в следващите години ще се увеличим до 25. За това допринася и обособяването на завода в България като основен за производство на електроника, с фокус производство на сложни технологични продукти. Синергията между завода и ТИЦ означава и по-тясно сътрудничество между екипите на теми, свързани с провеждане на тестове на крайните изделия. На фокус през следващите години ще са и проекти и изделия, свързани с LifeTech и продуктовите направления електрическа автоматизация (електромотори, електрически модули и т.н.) и пневматични контролери (пневматични терминали, пропорционални вентили и други). Повишаването на комплексността на изделията води и до нуждата от разширяване на компетенциите и на тест екипа. Малко развойни центрове в България могат да се похвалят с нашите компетенции и възможности Венцислав Пенов, ръководител Лаборатория за изпитване и калибриране, Технически инженерен център на Festo в България, пред сп. Инженеринг ревю

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 11 фирмена публикация Все по-богатият продуктов асортимент, стриктните хигиенни стандарти и строгите законови изисквания относно воденето на документация поставят модерната млечна промишленост пред сериозни предизвикателства. Комплексните технологични процеси в предприятията от бранша е необходимо да бъдат не само прецизно проследявани, но и надеждно управлявани и анализирани. С над три десетилетия експертен опит в разработването и внедряването на специализирани системи за процесна автоматизация в млекопреработвателната индустрия немският концерн ProLeIT, ключов партньор на PACS Solutions, предлага оптималното решение за производителите на млечни продукти - доказаната фирмена платформа Plant iT. Industry 4.0 в млечните фабрики Интегрираната система за цялостен мениджмънт на млекопреработвателни и производствени цехове и приложения гарантира максимална прозрачност и проследимост на процесите. Plant iT обединява дългогодишната експертиза на ProLeIT в сферата на IT технологиите за индустрията със специфично за млечния сектор ноу-хау в единна контролна платформа, подходяща както за нови обекти, така и за ретрофит на съществуващи средства за автоматизация. Силата на интегрираната автоматизация С Plant iT използвате една-единствена система за управление Две тенденции за бъдещето на млекопреработвателната индустрия: автоматизация и Plant iT на млекопреработката - от доставката на изходната суровина до пълненето, опаковането и складирането. Платформата дава възможност за автоматизация и мониторинг на: • Контролни зали; • Оборудване и линии за транспорт, третиране, преработка, производство, бутилиране, пълнене и пакетиране на прясно мляко, кисело мляко и йогурт, сухо мляко, сметана, масло, сирена, млечни десерти, суроватка, лактоза и др.; • Резервоари за съхранение и зреене на материали и продукти; • Смесително и дозиращо оборудване; • Асептични и стерилни инсталации; • Оборудване за мембранна филтрация; • Сепаратори, изпарители, сушилни инсталации; • Системи за опаковане, етикетиране и палетизиране; • Системи за почистване и стерилизация на място; • Подгревни и охладителни инсталации, системи за регенериране на топлина и енергия; • Системи за управление на отпадъчните води и т. н. Plant iT гарантира: Интегрирано и интелигентно управление на всички процеси; Задълбочен енергиен мениджмънт; Автоматизиран контрол и мониторинг на оборудването; Безпроблемна миграция на съществуващи платформи за автоматизация към Plant iT и др.

12 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ Новости при SiC и GaN базираните силови компоненти част I електроника ощните полеви (FET) транзистори изградени на базата на галиев нитрид - Gallium Nitride (GaN) и силициев карбид - Silicon Carbide (SiC) позволяват по-високи нива на мощност и ефективност в сравнение с традиционните полеви транзистори (silicon metal-oxide semiconductor fieldeffect transistors - MOSFET). И галиевият нитрид, и силициевият карбид са полупроводникови материали с широка забранена зона (wide bandgap, WBG), но между тях има фундаментални разлики, които определят приложенията им определени видове електронни схеми. Когато разглеждаме тези два типа полупроводникови прибори винаги сравняваме работни напрежения и токове, загуби, скорости на превключване, топлинна проводимост, цена и подходящи приложения. MOSFET транзисторите изминават дълъг път на развитие от патента на Юлиус Лилиенфелд през 1925 г, през лабораториите на Bell Labs през петдесетте и началото на шейсетте години, до първите серийно произвеждани транзистори и първата MOS интегрална схема (ИС) представена от General Microelectronics през 1964 г. С въвеждането на биполярните транзистори с изолиран гейт (insulated gate bipolar transistors - IGBT) през 1980 г. се появява нова алтернатива за приложения с доста повисоки напрежения и токове, в сравнение с традиционните силициеви изправители и тиристори. IGBT приборите се превръщат в основни силови електронни компоненти за променливотокови и постояннотокови управления за електрически машини и задвижвания, непрекъсваеми захранвания и индукционни нагреватели. Типичната работна честота за подобни приложения със силициеви прибори е до 20 kHz, докато със SiC тя може да достигне 100 kHz, а с GaN до 140kHz – което води до намаляване на размерите и теглото на системите. Със старта на пазарното предлагане на WBG транзисторите след 2010 г., GaN и SiC силовите прибори промениха и продължават да променят съвременната силова електроника и всички свързани с нея отрасли. Тези компоненти предлагат съществени подобрения спрямо класическите силициеви MOSFET и IGBT. Техният по-малък капацитет на гейта води до по-ниски загуби при управление, както и по-кратки времена на превключване. За сравнение - GaN транзистор се нуждае от заряд на гейта от 1 nC- , докато при силициевия тази стойност е 4 nC- . М

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 13

14 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ електроника Освен това WBG компонентите осигуряват и чувствително по-нисък изходен капацитет, което позволява на конструкторите да постигат по-високи честоти на превключване без увеличаване на съответните загуби, което води до намаляване на размера и теглото на цялата система. Типичен GaN транзистор има изходен заряд 5 nC-Ω, а при класическия силициев стойността е 25 nC-Ω. Разбира се, всички тези високоволтови прибори имат специфични характеристики при различни нива на мощност и работна честота. WBG транзисторите се развиват постоянно и вече са преминали през няколко генерации, като всяка следваща е с по-малко съпротивление в отпушено състояние RdsON, по-компактни физически размери, със същата или по-голяма мощност, подобрена устойчивост на късо съединение, както и с по-ефективни (по отношение на електрическите и термичните параметри) корпуси (фиг. 1). GaN и SiC приборите обслужват различни нива на мощност в различни приложения. Така например SiC осигуряват работни напрежения над 2000 V при високи токове. Това ги прави подходящи за приложения в автомобилни и локомотивни инвертори, соларни паркове, мощни трифазни мрежови конвертори, вградени и външни зарядни станции (не само кабелни, но и безжични такива). GaN от друга страна са типично 600-волтови прибори и се използват в конвертори за мощности, достигащи 10 kW и повече. Приложенията на GaN силовите компоненти включват потребителски, телекомуникационни и индустриални захранвания, серво задвижвания, вградени и външни зареждащи блокове за хибридни и електрически автомобили, както и ключови захранвания/преобразуватели за постояннотокови приложения. Въпреки фундаменталните различия, двете технологии се припокриват и конкурират в определени области, като обикновено състезанието печелят тези с най-ниска цена, но GaN са без алтернатива за мощни високочестотни приложения като радиопредаватели и радари. В следващите редове ще представим някои от основните приложения на WBG прибори в автомобилостроенето и индустрията. Задвижващи инвертори Те конвертират постоянното напрежение от батериите (48 V, 400/800 V) към трифазно променливо напрежение за управление на електрическата машина/ мотор. Типични представители на подходящи транзистори са SCTHS250N65G3AG (650 V; 237 A; 6,7 mΩ) и SCTHS300N75G3AG (750 V; 300 A; 6,5 mΩ) на STMicroelectronics, както и SCTHS200N120G3AG (1200 V; 170 A; 9,3 mΩ). Подобни са и приборите на ONSemi от фамилията EliteSiC - NTBG028N170M1, (1700 V; 81 A; 28 mΩ) в D2PAK-7L и NTHL1000N170M1 (1700 V; 4,2 A; 960 mΩ) в стандартни корпуси TO-247. Интерес представляват произвежданите от NXP драйвери GD3162, а на фиг. 2 е представено и цялостно изпълнение на реализиран с тях задвижващ инвертор. Новост при SiC драверите са IX4351NE на Littelfuse, както и UCC5871/UCC5880 на Texas Instruments. DC/DC конвертори Те се използват за преобразуване на високото DC (400800 V) напрежение към ниско напрежение (24/12 VDC) за захранване на слаботокова електроника, компресори и Фиг. 2. Задвижващ инвертор със SiC модули. Източник: NXP Фиг. 1. Подобрения между трето и четвърто поколение SiC полупроводникови прибори. Източник: Rohm Semiconductor

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 15

16 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ електроника т.н. Типична конструкция на DC/DC конвертор, реализиран със SiC транзистори на Wolfspeed и управление от Texas Instruments е показана на фиг.3. Вградени зарядни в електромобили Вградените зарядни блокове за електромобили (On-Board Charger - OBC) конвертират променливото напрежение от захранващата мрежа (95-265 VAC или 400 VAC) към по-високо DC напрежение 400/800 VDC което се изисква за зареждане на батерията. Тук базираните на SiC прибори са с повсеместно приложение в целия диапазон от мощности, а GaN е широко използвано решение при зарядна мощност до 6-7 kW Друго класическо приложение са трифазните двупосочни инвертори които се използват както за зарядни станции, така и за индустриални, стационарни балансиращи батерийни източници. Тук Toshiba Semiconductor предлага нова фамилия трета генерация SiC MOSFET, включваща 5 транзистора в обхвата от 650 V и още 5 транзистора в обхвата от 1200 V. Интересен пример е новият TW045Z120C, при който времето за превключване е с приблизително 40% по-малко и има 34% по-малко загуби от предшественика си TW045N120C (и двата в TO-247 корпус). На фиг. 4 може да видим класическа топология на 3-фазен инвертор. За нисковолтови автомобилни и индустриални приложения производителят Efficient Power Conversion (EPC) е разработил специфични GaN в BGA и LGA корпуси подходящи за едно и двупосочни DC/DC захранвания. Статията продължава в бр. 1/2024 на сп. Инженеринг ревю Фиг. 3. Референтен дизайн на 6,6 kW DC/DC конвертор. Източник: Wolfspeed Източник: Toshiba Semiconductor Фиг. 4. Двупосочен трифазен инвертор с PFC.

ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ ноември 2023 17 електроника стройствата за интернет на нещата (IoT) вече имат повсеместно приложение, като разчитат на различни технологии за свързване – предимно в теснолентовия спектър. С навлизането на 5G комуникациите нараства необходимостта от IoT протокол, който да се възползва от техните възможности. Това е мотивацията за разработването на RedCap (Reduced Capability). RedCap е спецификацията на 3GPP за безжичен IoT, създадена за решаване на разнообразни общи и специфични случаи на приложение за 5G NR. Настоящото състояние на RedCap може да се проследи исторически до няколко изисквания в бранша, които достигнаха кулминацията си като резултат от множество и припокриващи се изисквания на варианти за употреба и IoT вертикални сегменти. 3GPP 5G NR Release 15 (Rel-15) бе разработен основно за приложение в областите на употреба, изискващи по-ниска латентност, по-високи пикови скорости на предаване на данни и свръхнадеждност отвъд възможностите на добре познатите 4G безжични мрежи. Той бе допълнен от 5G NR Rel-16, в който бяха добавени възможности за детерминирано по време (или както понякога се нарича – чувствително към времето) мрежово функциониране (Time-Sensitive Networking – TSN) и по-нататъшни подобрения на 3GPP спецификациите за надеждност и латентност. Тези две версии бяха много подходящи за случаите на използване на IoT, но все още не се доближаваха достатъчно до вече съществуващите спецификации на 4G 3GPP Rel-13 и Rel-14, по отношение на енергийна ефективност, покритие и по-ниски разходи за оборудване. СъществуваRedCap спецификацията ­ интернет на нещата (IoT) за 5G Брайън Дейвис мениджър технологични стратегии, Anritsu ше ясна необходимост от протокол, който да позволява случаи на използване, включващи чувствителни към времето комуникации (Time Sensitive Communications – TSC), и който би могъл да се възползва от енергийната и разходната ефективност на 4G, допълнени от надеждността и латентността на 5G. Като резултат се появи RedCap, който бе официално приет в спецификациите на 3GPP през юни 2022 г. Защо операторите се нуждаят от RedCap За това има няколко причини. Въпреки че 5G мрежите се разгръщат глобално, не всички са еднакви. Съществуват два различни вида: самостоятелни (Stand Alone – SA) и несамостоятелни (Non-Stand Alone – NSA). SA мрежите разчитат изцяло на 3GPP 5G спецификациите за цялото оборудване на устройствата и инфраструктурата, докато NSA мрежите разчитат както на 3GPP 4G спецификациите, така и на 5G спецификациите. Това означава, че устройствата "само за SA" са специално проектирани за 5G мрежи и не поддържат 4G технологии като LTE-M и NB-IoT. Това може да бъде проблем за операторите на чисто нови 5G мрежи, които нямат наследени 4G инсталации. За да може дадено устройство да бъде съвместимо с 5G спецификациите, то трябва да отговаря на минимални изисквания, които включват 100 MHz широчина на честотната лента и четири RX антени. Това са много повече функции, отколкото са необходими за редица типични случаи на IoT приложения. Като увеличават консумацията на енергия, тези изисквания правят устройствата неподходящи за широкообхватни мрежи с ниско енергопотребление (LPWA). Тези минимални изисквания за 5G устройства са в сила както за SA, така и за NSA мрежите. RedCap предлага път за миграция от 4G към 5G, като спектърът се прехвърля към нови честотни ленти и също така запълва празнината между 4G IoT и 5G NR технологиите. Предимствата на RedCap Основните ползи от RedCap са новите сценарии на употреба, които позволяват разработването на ценово ефективни устройства. Налични са три базови случая на употреба на IoT 3GPP Rel-17, необходими и търсени в бранша: индустриални безжични сензори, видеонаблюдение и носими електронни устройства. Всеки от тях има малко по-различни изисквания по отношение на скоростта на предаване на данни, латентността, надеждността и живота на батерията, както е показано в Таблица 1. Тъй като техническите възможности на устройствата, базирани на RedCap, са по-малки от тези на 5G смартфоните, те могат да използват по-прости модеми и RF компоненти, което от своя страна намалява цената, енергопотреблението и размера на устройствата. Случаи на употреба Тип устройства Латентност Надеждност Животна батерията Индустриални безжични сензори Сензори за: температура, налягане, движение, влажност, близост < 100 ms; приложения за безопасност: от5 до 10ms 99,99% ~ 2 години Видеонаблюдение Интелигентни градове, земеделие, фабрики, търговия < 500ms 99 - 99,99% NA Носима електроника Интелигентни часовници, устройства за здравен мониторинг, AR/VR очила NA NA От няколко дни до 1-2 седмици Таблица 1 У

18 ноември 2023 ИНЖЕНЕРИНГ РЕВЮ електроника Не тъй сложният хардуер за безжична комуникация в устройствата обуславя използването на опростени външни архитектури на модема и RF оборудването, а намаленият брой антени и по-малкото MIMO изводи намаляват цената на устройствата. По-малкият брой дуплекс модули, усилватели и филтри също може значително да намали броя на компонентите в RedCap устройствата. С намалените хардуерни изисквания и по-ниските разходи можем да очакваме много нови 5G устройства и случаи на използване през следващите няколко години и дори появата на значително по-евтини 5G смартфони, базирани на RedCap. RedCap в сравнение с 5G и LTE Ако погледнем Таблица 2, която показва как RedCap намалява сложността на устройствата и необходимите функции, можем да получим обща представа за изискванията на RedCap в сравнение с минималните UE изисквания на 5G и с LTE. Някои от най-важните моменти: Честотна лента: Максималната честота от 20 MHz в FR1 и 100 MHz в FR2 ще доведе до намалена консумация на енергия и по-ниска цена на компонентите, но няма да достигне високата скорост на предаване на данни на пълноценни NR устройства. Разгръщане: SA мрежите са единствените, които RedCap устройствата могат да поддържат. Това означава, че няма 2G/3G/4G свързаност, изискваща сложен RF хардуер, като по този начин се намаляват консумацията на енергия и габаритите. NR смартфоните обикновено трябва да поддържат десетки честотни ленти за глобално използване. RedCap устройствата ще бъдат проектирани за специфични случаи на употреба, които могат да бъдат стационарни обекти. Тези две точки обаче могат да са недостатък, докато разгръщането на SA мрежите се ускори. Наследените функции на NR, като например Sub-Carrier Spacing (SCS), в действителност намаляват латентността. Антени: В RedCap устройствата могат да бъдат проектирани до две приемателни антени, което е много по-малко от изискванията за 4х4 в NR смартфоните. Това може да ограничи покритието, тъй като MIMO може да се използва за увеличаване на ефективността при прием на данни. Максимална сила на сигнала (TX Power): По-ниските TX нива в сравнение с NR смартфоните ще намалят консумацията на енергия, което ще позволи използването на по-малки батерии и ще намали цената. Това обаче може да доведе до намаляване на покритието в края на клетката. Обединяване на носещи честоти (Carrier Aggregation – CA): Липсата на поддръжка за CA означава, че RedCap устройството може да използва само един честотен канал в даден момент. Това ще намали консумацията на енергия, цената и габаритите. Текущи и бъдещи разработки RedCap спецификациите са включени в 3GPP Rel-17 и са финализирани през юни 2022 г., а появата на модеми и RF фронт-енд модули ще отнеме около година. За модулите и крайните устройства ще е необходима още една година или по-малко, така че трябва да очакваме някои от първите RedCap устройства да се появят около края на 2023 г. до средата на 2024 г., в зависимост от нивото на сложност и интеграция на RedCap устройството. Това е навременно, тъй като международните оператори непрекъснато ще разгръщат 5G SA мрежи през следващите няколко години. Rel-17 RedCap едва стартират процеса по намаляване на сложността с цел понижаване на цената и увеличаване на живота на батерията и остава още много какво да се направи. 3GPP започна проучването на спецификации за RedCap Rel-18 (NR Advanced), като тази фаза 2 на RedCap е планирана за първоначално пускане в началото на 2024 г. Някои от проучваните функционалности включват: Sidelink – директна комуникация между 5G устройства; Позициониране – по-добро определяне на местоположението за приложения с висока точност; Нелицензирана лента – наличие на споделен спектър; Multicast & Broadcast (MBS) – услуги от тип "точка към много точки"; Типове RedCap устройства – класификация на RedCap устройствата. RedCap очевидно има обещаващо бъдеще и можем да очакваме дефинирането на допълнителни случаи на приложение, които ще обхванат предизвикателни сфери като безпилотни летателни апарати, електропреносни мрежи, роботика, промишленост, транспорт, проследяване на стоки, AGV и много други. Таблица 2 Как Redcap намалява сложността на устройството Сравнение на изискванията на Redcap спрямо минималнитеизисквания на 5G и LTE по отношение на 3GPP RF TRX Rel-17, Rel-18 (в разработка) Животна батерията Ниска цена По-малки габарити Покритие Пиков обмен на данни Ниска латентност Честотна лента Rel-17: FR1: до 20 MHz, Rel-17: FR2: 100 MHz Rel 18: FR1: 5 MHz по-добри по-добри еднакви намаляване еднакви Разгръщане В NR канал (само SA) без изисквания за минимална честотна лента по-добри по-добри по-добри без LTE намаляване по-добри от LTE Антени 1 (или 2 RX MIMO) по-добри по-добри по-добри влошено DL покритие намаляване ограничени Дуплекс режим FDD полу- или пълен TDD по-добри по-добри по-добри ограничени ограничени закъснение на управляващите съобщения в полудуплекс Максимална TX мощност FR1: Class = 3; +23 dBm по-добри по-добри по-малка батерия намаление в края на клетката FR2: Class=7; TRP: +23 dBm; EIRP: +43 dBm по-добри по-добри по-малка батерия намаление в края на клетката Агрегация на носещата честота Не по-добри по-добри по-добри намаляване Ред на модулация до 64 QAM незначителни намаляване ограничени Намален PDCCH мониторинг Намален BlindDecode (BD) за слот; разширен интервал за PDCCH мониторинг; динамично адаптиране на PDCCH BD по-добри Разширен DRX Разширен eDRX при RRC неактивност и/или в покой до 10485,76 s по-добри закъснение на мобилни управляващи съобщения RRM релаксация за стояща вълна Задействане на RRM за устрайства извън клетката по-добри закъснение на мобилни управляващи съобщения

RkJQdWJsaXNoZXIy Mzc3Mjk=