第一次，工業(yè)自動(dòng)化界推進(jìn)同一種無線通訊標(biāo)準(zhǔn)【物女心經(jīng)】

隨著MWC的舉辦，5G的關(guān)注度又一次提升，5G融入千行百業(yè)的進(jìn)程正在加速。MWC提供了從通信的視角看待5G對行業(yè)的賦能。然而，更令我好奇的是，從各個(gè)行業(yè)的角度，他們又是如何看待5G的加入和應(yīng)用。

你好，這是我在【物女心經(jīng)】專欄寫的第219篇文章。

這周，世界移動(dòng)通信大會(huì)MWC21在上海舉辦。作為通信領(lǐng)域年度性的盛會(huì)，MWC見證了全球移動(dòng)通信的發(fā)展與變化，可以說是產(chǎn)業(yè)演進(jìn)的風(fēng)向標(biāo)。

根據(jù)大會(huì)中最新披露的數(shù)據(jù)，目前中國已經(jīng)建設(shè)近72萬座5G基站，5G基站數(shù)量全球領(lǐng)先。截至2020年底，全球5G連接數(shù)的75%以上來自中國。可以說，中國在5G取得的卓越成績舉世無雙。

隨著MWC的舉辦，5G的關(guān)注度又一次提升，5G融入千行百業(yè)的進(jìn)程正在加速。

關(guān)于MWC上發(fā)布的最新觀點(diǎn)和產(chǎn)品，物聯(lián)網(wǎng)智庫此前已有多篇報(bào)道，本文就不再一一贅述。

MWC提供了從通信的視角看待5G對行業(yè)的賦能。

然而，更令我好奇的是，從各個(gè)行業(yè)的角度，他們又是如何看待5G的加入和應(yīng)用。

尤其在工業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)工程師們進(jìn)行技術(shù)評估時(shí)，必須針對特定應(yīng)用，綜合考慮各種因素和可能性，比較和權(quán)衡各種無線通訊技術(shù)。

不夸張的說，幾乎沒有什么情況比工業(yè)無線通訊更復(fù)雜。

因此通過遠(yuǎn)程訪談和資料匯總，本文嘗試呈現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域，工程師們面對5G時(shí)的一些思考。

先說結(jié)論：

第一次，有大量的工業(yè)自動(dòng)化工程師，推動(dòng)著同一個(gè)通用無線標(biāo)準(zhǔn)à5G。

沒有單一的無線協(xié)議可以滿足所有應(yīng)用，5G時(shí)代也不例外。

5G雖然目前能力有限，但各種增強(qiáng)功能正在路上，宜用動(dòng)態(tài)的目光來看待她。

在本文的最后，我將送你兩份有價(jià)值的白皮書，一份是中國移動(dòng)最新發(fā)布的《5G無線技術(shù)演進(jìn)白皮書》，描繪了接下來5G國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展藍(lán)圖；另一份是愛立信發(fā)布的《5G時(shí)代的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)--通過蜂窩物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型》。

01、工業(yè)無線，工業(yè)自動(dòng)化的熱點(diǎn)領(lǐng)域

一起來看一張圖。

由于5G的加入，讓超高可靠與低時(shí)延的無線通訊有了更多選擇。

為了防止在眾多的工業(yè)無線通訊技術(shù)之間迷失，產(chǎn)生選擇困難癥。于是，有人畫了上面這幅決策樹。

工業(yè)無線的選型復(fù)雜性可見一斑。

下圖是在工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)中，常見的幾種無線通訊和市場占比。

根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)ON World的分析，在工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)中，23%的企業(yè)使用WirelessHART，10%的企業(yè)使用ISA100.11a無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，這些技術(shù)具備很強(qiáng)的抗干擾能力、超低功耗、支持實(shí)時(shí)通信等特征。

必須承認(rèn)，工業(yè)無線，一直是工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，工業(yè)無線產(chǎn)品被認(rèn)為是新的發(fā)展支點(diǎn)。

在家庭和個(gè)人連接中，我們所熟悉的Wi-Fi、BLE和UWB，普遍難以滿足工業(yè)的嚴(yán)苛要求，比如低功耗、安全等級高、抗干擾性強(qiáng)等，使得為工業(yè)場景量身定制無線通訊技術(shù)，成為一種趨勢。

上圖中，很多基于802.15.4的技術(shù)，包括ISA100.11a、WirelessHART、Zigbee等，在工業(yè)應(yīng)用中大放異彩。

尤其是最近幾年，上述幾種適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中使用，滿足工業(yè)設(shè)備之間近距離、低速率信息交互的無線通訊技術(shù)，市占率都取得了不錯(cuò)的增長。

同時(shí)，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的無線通訊技術(shù)持續(xù)迭代，業(yè)界對于低功耗廣域網(wǎng)LPWAN的興趣在逐步提升。

ON World每兩年進(jìn)行一次調(diào)查，最近一次該機(jī)構(gòu)調(diào)研了全球273家工業(yè)自動(dòng)化廠商中使用的無線技術(shù)，LPWAN的使用率翻了一番。

在工業(yè)落地生根的無線技術(shù)，雖然根據(jù)各自擅長的場景進(jìn)行了優(yōu)化，但都具有很多共性：

低功耗：盡量降低無線傳輸中的功耗，節(jié)省電池電量。

低帶寬：大部分場景發(fā)送的數(shù)據(jù)量有限，而且?guī)挼透捉档凸摹?/p>

更新速率低：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔較長，目的同樣也是為了節(jié)省功耗。

雙向傳輸：數(shù)據(jù)的讀取和寫入同樣重要。

可靠性高：關(guān)鍵數(shù)據(jù)必須確保傳輸無誤。

安全等級高：只有特定的接收者才能解讀數(shù)據(jù)。

02、業(yè)界首次，圍繞無線標(biāo)準(zhǔn)形成合力

為了推進(jìn)工業(yè)無線的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域有很多成熟的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)組織，典型的包括HART基金會(huì)、ISA協(xié)會(huì)、ODVA和Avnu聯(lián)盟，他們都在積極研究如何將現(xiàn)有通訊技術(shù)與5G結(jié)合使用。

我們依次來說。

HART是過程工業(yè)中規(guī)?；渴鸬耐ㄓ嵓夹g(shù)之一。HART通信基金會(huì)是一個(gè)國際非盈利性組織，是HART通信協(xié)議的技術(shù)所有者和標(biāo)準(zhǔn)修訂團(tuán)隊(duì)。

WirelessHART是用于過程自動(dòng)化的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。除了保持現(xiàn)有HART設(shè)備、命令和工具的能力，它增加了HART協(xié)議的無線能力。

如今，WirelessHART擁有超過45,000個(gè)可運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，連接來自眾多廠商的數(shù)百萬個(gè)獨(dú)立設(shè)備。

在HART基金會(huì)的眼中，5G不是WirelessHART的替代者，而是神助攻。

有時(shí)，WirelessHART被應(yīng)用于偏遠(yuǎn)的石油或天然氣井場、壓縮機(jī)站或類似的場景，這些數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸則要用到5G。

5G讓W(xué)irelessHART用戶的傳輸距離得以擴(kuò)展，同時(shí)滿足工業(yè)環(huán)境的需求。5G與WirelessHART搭配使用的方案如下圖所示。

類似的，其他組織也在考慮將自身的無線技術(shù)與5G無縫對接。

成立于1945年的ISA國際自動(dòng)化協(xié)會(huì)，下屬的ISA100工業(yè)無線委員會(huì)主要定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。ISA100與5G結(jié)合的思路與WirelessHART類似。

ODVA開放設(shè)備網(wǎng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)，是一個(gè)由全球知名的工業(yè)自動(dòng)化公司組成的國際性協(xié)會(huì)。ODVA及其成員通過利用通用工業(yè)協(xié)議(CIP)共同支持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在2020年疫情之前舉辦的最后一場大型面對面年會(huì)中，ODVA重點(diǎn)討論了如何將5G、WiFi 6和EtherNet/IP進(jìn)行融合。

眾多獨(dú)立的第三方組織，包括Avnu聯(lián)盟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟等，紛紛積極參與TSN與5G的測試、推廣及產(chǎn)品認(rèn)證等各項(xiàng)工作。

TSN（Time-Sensitive Networking）時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)。因其標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)架構(gòu)和精準(zhǔn)的流量調(diào)度能力，非常符合工業(yè)場景中確定時(shí)延、不被中斷、可靠傳輸?shù)囊蟆?/p>

TSN與5G的結(jié)合已有諸多成果，它們搭配使用可以在更廣范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)“時(shí)鐘同步即服務(wù)”（Clock Synchronization as a Service）。

與此類似，正在琢磨著如何與5G接壤的通訊技術(shù)和相關(guān)組織，可以拉出一個(gè)長名單。

03、一個(gè)選項(xiàng)，但5G面對的并不是單選題

從更大視角來看，無線通訊只是工業(yè)通訊汪洋中的冰山一角，在2020年占比約為6%。

站在行業(yè)的角度，5G是一種選擇，但并不是唯一選擇。

作為其中的一個(gè)選項(xiàng)，5G所參與的并不是一道單選題。

行業(yè)用戶希望根本感受不到通訊技術(shù)之間的切換，而是一張網(wǎng)能夠解決通話、傳輸、控制等各種問題。

以煤礦行業(yè)為例，井下有上萬種設(shè)備，大約70%固定位置，30%可以移動(dòng)。如果聯(lián)網(wǎng)問題全部用5G解決，花費(fèi)的代價(jià)很大。如果使用“5G + WiFi 6 + 有線網(wǎng)絡(luò)”的組合方案，更具可行性，但這對企業(yè)整合各種技術(shù)與產(chǎn)品的能力提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)同樣復(fù)雜的還有石油石化行業(yè)。

考慮到石油和天然氣企業(yè)廣泛的數(shù)字化要求，使用混合的網(wǎng)絡(luò)模型，將有線和無線結(jié)合、5G和其他無線技術(shù)結(jié)合，也是首選方案。

下圖將油田和天然氣的傳輸需求劃分為上游、中游和下游三種形態(tài)，提出針對性的混合模型。

在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，情況同樣繁復(fù)。

車企是身先士卒的嘗鮮者，我們擇其一為例。

根據(jù)某車企的實(shí)測，5G URLLC（超可靠、低時(shí)延通信）的能力可以和PROFINET RT和PROFIsafe這樣的通訊技術(shù)相媲美。

我們都知道，PROFINET RT實(shí)時(shí)通信，適合周期性數(shù)據(jù)交換，還必須保證一定的實(shí)時(shí)性的場合。這里的實(shí)時(shí)性，一般要求循環(huán)周期小于10ms。

而PROFIsafe是一種安全通信協(xié)議，它將安全設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)流整合在一起，使標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和安全設(shè)備能同時(shí)共用一條通信鏈路。

這個(gè)結(jié)論對于工業(yè)自動(dòng)化有重要意義。它意味著此前只能通過有線手段完成的工業(yè)現(xiàn)場人機(jī)交互，現(xiàn)在可以通過無線方式進(jìn)行。

在這個(gè)測試中，5G同樣只是團(tuán)隊(duì)“成員”之一，與其他有線和無線網(wǎng)絡(luò)“隊(duì)友”，共同完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。

----寫在最后----

5G的應(yīng)用場景80%是面向各種產(chǎn)業(yè)。

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年全球各類5G行業(yè)項(xiàng)目總數(shù)接近6000個(gè)，其中超過20個(gè)運(yùn)營商發(fā)布了5G行業(yè)解決方案。

5G進(jìn)入千行百業(yè)正在如火如荼的開展。

在行業(yè)用戶嘗試5G的過程中，現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)存在能力不足、難以滿足行業(yè)需求等問題尚待攻克。雖然5G目前能力有限，但各種增強(qiáng)功能正在路上，宜用動(dòng)態(tài)的目光來看待她。

正如文初所說，如果你對《5G無線技術(shù)演進(jìn)白皮書》和《5G時(shí)代的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)--通過蜂窩物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型》這兩份白皮書感興趣，歡迎在【物聯(lián)網(wǎng)智庫】微信公眾號后臺回復(fù)關(guān)鍵詞【URLLC】下載。

參考資料：

1. EVOLUTION OF INDUSTRIAL WIRELESS SENSOR NETWORKS，作者：Mark Miller，來源：European Business Press

2. A Comparison of Common Industrial IoT Protocols，作者：Tinu Oza，來源：MPD digest

3. Extending TSN capabilities over 5G and other wireless networks，作者：DAVE CAVALCANTI, STEPHEN BUSH AND ALON REGEV，來源：Control Engineering

4. Network Connectivity: The New Era for Oil & Gas，作者：Shobhit Jain，來源：automation.com

5. Achieving industrial automation protocols with 5G URLLC，來源：愛立信