上周，世界移動通信大會MWC21在上海舉辦。作為通信領(lǐng)域年度性的盛會，MWC見證了全球移動通信的發(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?？梢哉f，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)自動化工程師，推動著同一個(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、ISA協(xié)會、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國際自動化協(xié)會，下屬的ISA100工業(yè)無線委員會主要定義工業(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，是一個(gè)由全球知名的工業(yè)自動化公司組成的國際性協(xié)會。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。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，宜用動態(tài)的目光來看待她。
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
