工业自动化界推动同一种无线通讯标准

随着MWC的举办，5G的关注度又一次提升，5G融入千行百业的进程正在加速。MWC提供了从通信的视角看待5G对行业的赋能。然而，更令我好奇的是，从各个行业的角度，他们又是如何看待5G的加入和应用。

这周，世界移动通信大会MWC21在上海举办。作为通信领域年度性的盛会，MWC见证了全球移动通信的发展与变化，可以说是产业演进的风向标。

根据大会中最新披露的数据，目前中国已经建设近72万座5G基站，5G基站数量全球领先。截至2020年底，全球5G连接数的75%以上来自中国。可以说，中国在5G取得的卓越成绩举世无双。

随着MWC的举办，5G的关注度又一次提升，5G融入千行百业的进程正在加速。

关于MWC上发布的最新观点和产品，物联网智库此前已有多篇报道，本文就不再一一赘述。

MWC提供了从通信的视角看待5G对行业的赋能。

然而，更令我好奇的是，从各个行业的角度，他们又是如何看待5G的加入和应用。

尤其在工业领域，当工程师们进行技术评估时，必须针对特定应用，综合考虑各种因素和可能性，比较和权衡各种无线通讯技术。

不夸张的说，几乎没有什么情况比工业无线通讯更复杂。

因此通过远程访谈和资料汇总，本文尝试呈现在工业领域，工程师们面对5G时的一些思考。

先说结论：

第一次，有大量的工业自动化工程师，推动着同一个通用无线标准à5G。

没有单一的无线协议可以满足所有应用，5G时代也不例外。

5G虽然目前能力有限，但各种增强功能正在路上，宜用动态的目光来看待她。

在本文的最后，我将送你两份有价值的白皮书，一份是中国移动最新发布的《5G无线技术演进白皮书》，描绘了接下来5G国际标准的发展蓝图；另一份是爱立信发布的《5G时代的蜂窝物联网--通过蜂窝物联网实现产业转型》。

01、工业无线，工业自动化的热点领域

一起来看一张图。

由于5G的加入，让超高可靠与低时延的无线通讯有了更多选择。

为了防止在众多的工业无线通讯技术之间迷失，产生选择困难症。于是，有人画了上面这幅决策树。

工业无线的选型复杂性可见一斑。

下图是在工业传感网络中，常见的几种无线通讯和市场占比。

根据调研机构ON World的分析，在工业传感网络中，23%的企业使用WirelessHART，10%的企业使用ISA100.11a无线通讯标准，这些技术具备很强的抗干扰能力、超低功耗、支持实时通信等特征。

必须承认，工业无线，一直是工业自动化的一个热点领域，工业无线产品被认为是新的发展支点。

在家庭和个人连接中，我们所熟悉的Wi-Fi、BLE和UWB，普遍难以满足工业的严苛要求，比如低功耗、安全等级高、抗干扰性强等，使得为工业场景量身定制无线通讯技术，成为一种趋势。

上图中，很多基于802.15.4的技术，包括ISA100.11a、WirelessHART、Zigbee等，在工业应用中大放异彩。

尤其是最近几年，上述几种适合在恶劣的工业现场环境中使用，满足工业设备之间近距离、低速率信息交互的无线通讯技术，市占率都取得了不错的增长。

同时，工业自动化领域的无线通讯技术持续迭代，业界对于低功耗广域网LPWAN的兴趣在逐步提升。

ON World每两年进行一次调查，最近一次该机构调研了全球273家工业自动化厂商中使用的无线技术，LPWAN的使用率翻了一番。

在工业落地生根的无线技术，虽然根据各自擅长的场景进行了优化，但都具有很多共性：

低功耗：尽量降低无线传输中的功耗，节省电池电量。

低带宽：大部分场景发送的数据量有限，而且带宽低更易降低功耗。

更新速率低：设备发送数据的间隔较长，目的同样也是为了节省功耗。

双向传输：数据的读取和写入同样重要。

可靠性高：关键数据必须确保传输无误。

安全等级高：只有特定的接收者才能解读数据。

02、业界首次，围绕无线标准形成合力

为了推进工业无线的发展，工业领域有很多成熟的无线通讯标准组织，典型的包括HART基金会、ISA协会、ODVA和Avnu联盟，他们都在积极研究如何将现有通讯技术与5G结合使用。

我们依次来说。

HART是过程工业中规模化部署的通讯技术之一。HART通信基金会是一个国际非盈利性组织，是HART通信协议的技术所有者和标准修订团队。

WirelessHART是用于过程自动化的无线网状网络通信协议。除了保持现有HART设备、命令和工具的能力，它增加了HART协议的无线能力。

如今，WirelessHART拥有超过45,000个可运行的网络，连接来自众多厂商的数百万个独立设备。

在HART基金会的眼中，5G不是WirelessHART的替代者，而是神助攻。

有时，WirelessHART被应用于偏远的石油或天然气井场、压缩机站或类似的场景，这些数据的远程传输则要用到5G。

5G让WirelessHART用户的传输距离得以扩展，同时满足工业环境的需求。5G与WirelessHART搭配使用的方案如下图所示。

类似的，其他组织也在考虑将自身的无线技术与5G无缝对接。

成立于1945年的ISA国际自动化协会，下属的ISA100工业无线委员会主要定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。ISA100与5G结合的思路与WirelessHART类似。

ODVA开放设备网供应商协会，是一个由全球知名的工业自动化公司组成的国际性协会。ODVA及其成员通过利用通用工业协议(CIP)共同支持网络技术。

在2020年疫情之前举办的最后一场大型面对面年会中，ODVA重点讨论了如何将5G、WiFi 6和EtherNet/IP进行融合。

众多独立的第三方组织，包括Avnu联盟、工业互联网联盟等，纷纷积极参与TSN与5G的测试、推广及产品认证等各项工作。

TSN（Time-Sensitive Networking）时间敏感网络。因其标准的以太网架构和精准的流量调度能力，非常符合工业场景中确定时延、不被中断、可靠传输的要求。

TSN与5G的结合已有诸多成果，它们搭配使用可以在更广范围内实现“时钟同步即服务”（Clock Synchronization as a Service）。

与此类似，正在琢磨着如何与5G接壤的通讯技术和相关组织，可以拉出一个长名单。

03、一个选项，但5G面对的并不是单选题

从更大视角来看，无线通讯只是工业通讯汪洋中的冰山一角，在2020年占比约为6%。

站在行业的角度，5G是一种选择，但并不是唯一选择。

作为其中的一个选项，5G所参与的并不是一道单选题。

行业用户希望根本感受不到通讯技术之间的切换，而是一张网能够解决通话、传输、控制等各种问题。

以煤矿行业为例，井下有上万种设备，大约70%固定位置，30%可以移动。如果联网问题全部用5G解决，花费的代价很大。如果使用“5G + WiFi 6 + 有线网络”的组合方案，更具可行性，但这对企业整合各种技术与产品的能力提出了严苛的挑战。

网络同样复杂的还有石油石化行业。

考虑到石油和天然气企业广泛的数字化要求，使用混合的网络模型，将有线和无线结合、5G和其他无线技术结合，也是首选方案。

下图将油田和天然气的传输需求划分为上游、中游和下游三种形态，提出针对性的混合模型。

在工厂自动化领域，情况同样繁复。

车企是身先士卒的尝鲜者，我们择其一为例。

根据某车企的实测，5G URLLC（超可靠、低时延通信）的能力可以和PROFINET RT和PROFIsafe这样的通讯技术相媲美。

我们都知道，PROFINET RT实时通信，适合周期性数据交换，还必须保证一定的实时性的场合。这里的实时性，一般要求循环周期小于10ms。

而PROFIsafe是一种安全通信协议，它将安全设备和标准设备的数据流整合在一起，使标准设备和安全设备能同时共用一条通信链路。

这个结论对于工业自动化有重要意义。它意味着此前只能通过有线手段完成的工业现场人机交互，现在可以通过无线方式进行。

在这个测试中，5G同样只是团队“成员”之一，与其他有线和无线网络“队友”，共同完成数据通讯任务。

----写在最后----

5G的应用场景80%是面向各种产业。

根据最新统计数据显示，2020年全球各类5G行业项目总数接近6000个，其中超过20个运营商发布了5G行业解决方案。

5G进入千行百业正在如火如荼的开展。

在行业用户尝试5G的过程中，现有5G网络存在能力不足、难以满足行业需求等问题尚待攻克。虽然5G目前能力有限，但各种增强功能正在路上，宜用动态的目光来看待她。

正如文初所说，如果你对《5G无线技术演进白皮书》和《5G时代的蜂窝物联网--通过蜂窝物联网实现产业转型》这两份白皮书感兴趣，欢迎在【物联网智库】微信公众号后台回复关键词【URLLC】下载。

参考资料：

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

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

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

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

5. Achieving industrial automation protocols with 5G URLLC，来源：爱立信