上周，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(jiàn)證了全球移動(dòng)通信的發(fā)展與變化，可以說(shuō)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(guó)已經(jīng)建設(shè)近72萬(wàn)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(lái)自中國(guó)?？梢哉f(shuō)，中國(guó)在5G取得的卓越成績(jī)舉世無(wú)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(kù)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(duì)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(píng)估時(shí)，必須針對(duì)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(wú)線通訊技術(shù)。
不夸張的說(shuō)，幾乎沒(méi)有什么情況比工業(yè)無(wú)線通訊更復(fù)雜。
因此通過(guò)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(duì)5G時(shí)的一些思考。
先說(shuō)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)à5G。
沒(méi)有單一的無(wú)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(lái)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(guó)移動(dòng)最新發(fā)布的《5G無(wú)線技術(shù)演進(jìn)白皮書》，描繪了接下來(lái)5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展藍(lán)圖；另一份是愛(ài)立信發(fā)布的《5G時(shí)代的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)--通過(guò)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型》。
01
工業(yè)無(wú)線，工業(yè)自動(dòng)化的熱點(diǎn)領(lǐng)域
一起來(lái)看一張圖。
由于5G的加入，讓超高可靠與低時(shí)延的無(wú)線通訊有了更多選擇。
為了防止在眾多的工業(yè)無(wú)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(wú)線的選型復(fù)雜性可見(jiàn)一斑。
下圖是在工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)中，常見(jiàn)的幾種無(wú)線通訊和市場(chǎng)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(wú)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(wú)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(wú)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(jí)高、抗干擾性強(qiáng)等，使得為工業(yè)場(chǎng)景量身定制無(wú)線通訊技術(shù)，成為一種趨勢(shì)。
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(chǎng)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(wú)線通訊技術(shù)，市占率都取得了不錯(cuò)的增長(zhǎng)。
同時(shí)，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)線通訊技術(shù)持續(xù)迭代，業(yè)界對(duì)于低功耗廣域網(wǎng)LPWAN的興趣在逐步提升。
ON World每?jī)赡赀M(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(wú)線技術(shù)，LPWAN的使用率翻了一番。
在工業(yè)落地生根的無(wú)線技術(shù)，雖然根據(jù)各自擅長(zhǎng)的場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化，但都具有很多共性：
低功耗：盡量降低無(wú)線傳輸中的功耗，節(jié)省電池電量。
低帶寬：大部分場(chǎng)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(zhǎng)，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(wú)誤。
安全等級(jí)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)形成合力
為了推進(jìn)工業(yè)無(wú)線的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域有很多成熟的無(wú)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(lái)說(shuō)。
HART是過(guò)程工業(yè)中規(guī)模化部署的通訊技術(shù)之一。HART通信基金會(huì)是一個(gè)國(guó)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(guò)程自動(dòng)化的無(wú)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(wú)線能力。
如今，WirelessHART擁有超過(guò)45,000個(gè)可運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，連接來(lái)自眾多廠商的數(shù)百萬(wàn)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(chǎng)、壓縮機(jī)站或類似的場(chǎng)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(wú)線技術(shù)與5G無(wú)縫對(duì)接。
成立于1945年的ISA國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)，下屬的ISA100工業(yè)無(wú)線委員會(huì)主要定義工業(yè)環(huán)境下的無(wú)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(kāi)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(guó)際性協(xié)會(huì)。ODVA及其成員通過(guò)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(chǎng)大型面對(duì)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(cè)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(chǎng)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(zhǎng)名單。
03
一個(gè)選項(xiàng)，但5G面對(duì)的并不是單選題
從更大視角來(lái)看，無(wú)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(wèn)題。
以煤礦行業(yè)為例，井下有上萬(wàn)種設(shè)備，大約70%固定位置，30%可以移動(dòng)。如果聯(lián)網(wǎng)問(wèn)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(duì)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(wú)線結(jié)合、5G和其他無(wú)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(duì)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(cè)，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(chǎng)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(duì)于工業(yè)自動(dòng)化有重要意義。它意味著此前只能通過(guò)有線手段完成的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互，現(xiàn)在可以通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行。
在這個(gè)測(cè)試中，5G同樣只是團(tuán)隊(duì)“成員”之一，與其他有線和無(wú)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(chǎng)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(guò)20個(gè)運(yùn)營(yíng)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(kāi)展。
在行業(yè)用戶嘗試5G的過(guò)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(wèn)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(lái)看待她。
參考資料：
1.EVOLUTION OF INDUSTRIAL WIRELESS SENSOR NETWORKS，作者：Mark Miller，來(lái)源：European Business Press
2.A Comparison of Common Industrial IoT Protocols，作者：Tinu Oza，來(lái)源：MPD digest
3.Extending TSN capabilities over 5G and other wireless networks，作者：DAVE CAVALCANTI,STEPHEN BUSH AND ALON REGEV，來(lái)源：Control Engineering
4.Network Connectivity:The New Era for Oil&Gas，作者：Shobhit Jain，來(lái)源：automation.com
5.Achieving industrial automation protocols with 5G URLLC，來(lái)源：愛(ài)立信
