淺談工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)物理層關(guān)鍵技術(shù)的應用

葉友仁 吳宇慶

湖北郵電規(guī)劃設計有限公司 湖北 武漢 430022

引言

2016年至今，國家層面不斷推動傳統(tǒng)的行業(yè)專網(wǎng)升級改造為新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。將傳統(tǒng)的行業(yè)專網(wǎng)升級改造為新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在當前技術(shù)條件下實現(xiàn)的路徑可以考慮應用高可靠、大帶寬、低時延的傳送通道來替代原有的信息傳送通道。

新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的物理層技術(shù)，可以用無源光網(wǎng)技術(shù)（Passive Optical Network），這個技術(shù)是比較成熟的，因而在工業(yè)應用也沒有什么難題[1]。

新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的物理層技術(shù)，還可以用5G技術(shù)。因為工業(yè)場景很多時候不太容易布放光纖，但是需要連接很多機器、工件、材料、人等是活動的，所以存在很多無線聯(lián)網(wǎng)需求；過去行業(yè)專網(wǎng)所使用的無線技術(shù)的穩(wěn)定性、擴展性性能不夠高，很難滿足工業(yè)應用的需求，導致無線技術(shù)在工業(yè)應用比例也就4%左右。5G技術(shù)作為一種國際標準化的物理層技術(shù)，具備很好適應工業(yè)應用的潛能。

1 無源光網(wǎng)技術(shù)的應用

光纖具有帶寬容量大、損耗低、支持長距離傳送、抗電磁干擾能力強、安全性能和保密性好的優(yōu)點，這些優(yōu)點可滿足企業(yè)在智能化數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級過程中的性能需求，同時又可以保證其網(wǎng)絡的安全、便捷和易用。2020 年 ETSI 正式成立了第五代固定網(wǎng)絡工作組（F5G），研究全光網(wǎng)絡建設，發(fā)展目標是通過將光纖技術(shù)全面應用于各種場景，將現(xiàn)在的光纖到家進一步推進到光聯(lián)萬物[2]。

相較于傳統(tǒng)銅纜以太網(wǎng)技術(shù)，無源光網(wǎng)具有以下優(yōu)點：通過無源器件組網(wǎng)，受電磁干擾和雷電影響較小；支持采用自愈形網(wǎng)絡，支持并聯(lián)，切換時間短、抵抗失效能力強；點到多點傳輸架構(gòu)，支持終端并行接入，部署靈活。工業(yè)無源光網(wǎng)不只是將工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)總線簡單承載在光纖中進行傳輸，而是采用已在公用電信網(wǎng)絡中廣泛應用的網(wǎng)格化管理、時分復用、波分復用等技術(shù)，為用戶提供兼具保障性和擴展性的綜合解決方案。

1.1 網(wǎng)格化管理技術(shù)的應用

網(wǎng)格以地理區(qū)域為基礎，根據(jù)網(wǎng)絡特征劃分的若干個單元地域：對于新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而言，地理區(qū)域通常以辦公樓、車間進行劃配；對于工業(yè)無源光網(wǎng)而言，網(wǎng)絡特征通常以一到兩個中心局站（含有源設備和光配線架）和若干個網(wǎng)格（內(nèi)含有內(nèi)光交接箱、光分路器、光分纖箱）為單位進行劃配。

網(wǎng)格化管理技術(shù)對新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義：首先劃小網(wǎng)絡規(guī)劃單元，可以細化需求、指引網(wǎng)絡發(fā)展，實現(xiàn)精確化管理，提高網(wǎng)絡資源配置精確性和投資效益；其次實現(xiàn)建設、維護、應用等部門一致的網(wǎng)絡能力統(tǒng)計口徑，有助于將網(wǎng)絡能力及時有效地轉(zhuǎn)化為發(fā)展支撐能力。

1.2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)及光纖復用技術(shù)的應用

網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)分為邏輯拓撲結(jié)構(gòu)和物理拓撲結(jié)構(gòu)兩個概念。

邏輯拓撲結(jié)構(gòu)指各種通道（諸如光波長、時隙和頻率等）在光纖中的使用方式，反映了網(wǎng)絡的邏輯形狀和邏輯上的連接性。邏輯拓撲結(jié)構(gòu)影響業(yè)務特性，例如單向廣播還是雙向?qū)拵I(yè)務，相對比較容易修改，無源光網(wǎng)的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)是點到多點的星形連接，與增加分支的數(shù)量或增加網(wǎng)絡容量相關(guān)的物理層技術(shù)可以選擇應用時分復用或波分復用，以擴展光纖的使用效率。

物理拓撲結(jié)構(gòu)指實際物理節(jié)點的布局和連接光纜拓撲形狀，反映了網(wǎng)絡的物理連接性。物理拓撲結(jié)構(gòu)決定了確定結(jié)構(gòu)、可靠性，通常很難更改，在較長時間內(nèi)有一定的穩(wěn)定性。無源光網(wǎng)中心局站和各個網(wǎng)格內(nèi)光交接箱等兩類物理節(jié)點，它們之間的連接的物理拓撲結(jié)構(gòu)以采用環(huán)形為宜；而網(wǎng)格內(nèi)所包括的光交接箱、光分路器、光分纖箱、傳感器或控制器等物理節(jié)點，它們之間的連接的物理拓撲結(jié)構(gòu)有三種選擇：星形、樹形、總線形。

1.3 其他技術(shù)的應用

遠端光網(wǎng)絡單元（ONU）一般采用的預制連接頭、光電混合纜等技術(shù)使施工現(xiàn)場無須熔纖、布線和施工簡便快捷，設備無須取外電具有無源光網(wǎng)絡的基本特點、降低了工業(yè)無源光網(wǎng)的部署要求。

1.4 應用實例

某機場T3航站樓單體建筑總面積約37萬平方米，內(nèi)部機房和管井情況復雜。某無線網(wǎng)覆蓋該航站樓，需要在全樓共安裝分布在371個無線點位的小基站設備；承載無線網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡只能使用專用水平橋架和67個電井，并需要全部回傳到1個綜合機房中，即為“1點對371個接入點星形邏輯結(jié)構(gòu)”，如果簡單沿用傳統(tǒng)地物理網(wǎng)絡“1點對67匯接點星形結(jié)構(gòu)”，勢必造成施工困難，網(wǎng)絡穩(wěn)定性和安全性得不到保證和經(jīng)濟性較差等問題。為克服以上困難，項目組在無源光網(wǎng)絡組網(wǎng)模式的選擇中，采用“網(wǎng)格化+分層組網(wǎng)”的方式：

①針對T3航站樓不同區(qū)域客戶分布及用戶行為習慣的不同，網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量及容量需要有差異化，最終分為8個網(wǎng)格：辦公區(qū)人流量小，房間隔斷較多，規(guī)劃了B1F辦公區(qū)網(wǎng)格、1F辦公區(qū)網(wǎng)格；值機大廳及候機大廳為重點區(qū)域，規(guī)劃有2F候機大廳的4個網(wǎng)格、4F值機大廳及候機大廳的2個網(wǎng)格；3F辦公區(qū)及商業(yè)區(qū)為2F和4F的夾層，且人流量小，3F區(qū)域小基站被分別納入2F和4F網(wǎng)格，因此沒有單獨設置網(wǎng)格。②無源光網(wǎng)絡的頂層連接1個綜合機房和8個網(wǎng)格中心節(jié)點設備（BBU），采用光纜環(huán)網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)以保證網(wǎng)絡安全和穩(wěn)定性；無源光網(wǎng)絡的底層鏈接無線小基站設備和網(wǎng)格內(nèi)匯接點設備（Hub）、網(wǎng)格內(nèi)匯接點設備（Hub）和網(wǎng)格中心節(jié)點設備（BBU），它們間采用星型和鏈式混合組網(wǎng)，以保證無源光網(wǎng)絡資源占用經(jīng)濟合理。

經(jīng)測算，實施此技術(shù)方案后，無源光網(wǎng)絡當期光纜布放總量、管井和橋架占用情況較傳統(tǒng)方案降低了將近30%；同時綜合機房處光纜布放總量下降1個數(shù)量級，極大地降低了施工難度，加快了施工進度，節(jié)約了后期的運營成本。

2 無線技術(shù)的應用

2.1 企業(yè)內(nèi)網(wǎng)場景的應用

5G在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的應用有三種模式：第一種模式是企業(yè)自己建設一個獨立的5G網(wǎng)絡；第二種模式是基站部分是用運營商的、管控部分由企業(yè)負責；第三種模式是基站和管控部分全都交給運營商、企業(yè)聚焦于平臺應用。這三種模式都不復雜、容易實現(xiàn)，總的來講5G技術(shù)是企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的無線技的主導技術(shù)。

現(xiàn)在有一些企業(yè)關(guān)注第一種模式：提出來需要申請專用的頻率，來自建一個5G的專網(wǎng)，這里可以實現(xiàn)靈活的按需配置整個時隙的上行實施，不需要考慮公網(wǎng)時隙上行配對的兼容問題。但是這樣一個5G的企業(yè)專網(wǎng)需要有專用頻率，測算下來至少要給76MHz，德國分配了100MHz。而對于第二種和第三種模式需要探討的是：5G公網(wǎng)主要面向個人用戶的應用，在TDD模式中配置的下行容量大、上行容量??；而工業(yè)上的應用是相反的，一般海量的傳感器要上報數(shù)據(jù)；兩者時隙配置是不一樣的，如果在同一個網(wǎng)絡中，為避免互相干擾需要有一定的保護隔離，異配置網(wǎng)絡需要非常靈活的運營管理體系和網(wǎng)管調(diào)度平臺，這恰恰是通信業(yè)一直以來的短板。

當然除了利用5G以外，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)還可以用wifi6，wifi6帶寬比較高，wifi6利用2.4GHz頻段和5GHz頻段，它的好處是不需要授權(quán)，但是問題是不授權(quán)的頻率會有干擾，所以wifi6的使用是要考慮干擾的問題，通常只用于辦公信息化部分，應避免應用在企業(yè)的生產(chǎn)控制部分和應用維護部分。

2.2 企業(yè)外網(wǎng)場景的應用

企業(yè)的外網(wǎng)通常租用運營商的專線實現(xiàn)虛擬專網(wǎng)，運營商當前在力推基于有線網(wǎng)絡的云計算技術(shù)。如果企業(yè)有需要使用無線技術(shù)，企業(yè)還可以以5G網(wǎng)絡切片方式從運營商獲得供一個虛擬5G私有云。R16以上版本的5G技術(shù)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設計很多功能，但是技術(shù)成熟還要在2022年后。對于大部分時延和帶寬兩方面要求不高的工業(yè)應用，4G網(wǎng)絡的NB-IOT技術(shù)也是可以滿足的，缺陷是雖然已經(jīng)商用多年但是綜合成本仍舊居高不下，希望5G技術(shù)開發(fā)者要從中吸取經(jīng)驗教訓[3-6]。

2.3 其他

由于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+5G”呈現(xiàn)出需求碎片化、個性化、定制化、技術(shù)體制和標準多樣性等特點，2021年6月工業(yè)和信息化部印發(fā)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)無線電頻率使用指南（2021年版）》指出：“行業(yè)用戶可根據(jù)應用場景、服務對象、安全可控和運營成本等因素，選擇公眾移動通信系統(tǒng)、專用移動通信系統(tǒng)、2400MHz、5100MHz和5800MHz頻段無線接入系統(tǒng)（無線局域網(wǎng)）、微功率短距離無線電發(fā)射設備的一種或多種技術(shù)組合”。

3 建設新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的必要性

新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)到底在企業(yè)的哪些環(huán)節(jié)發(fā)揮了作用？企業(yè)升級改造傳統(tǒng)行業(yè)專網(wǎng)，我們推薦嘗試應用“5G+光纖”替代現(xiàn)場總線、Wi-Fi等原有的信息傳輸通道，基于5G和無源光網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐中所展現(xiàn)的高質(zhì)量特性，使其在工業(yè)的研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、質(zhì)量管控、供應鏈管理、應用維護這五大環(huán)節(jié)都引發(fā)了非常重大的創(chuàng)新作用。在研發(fā)設計階段，將能使用5G+AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實技術(shù)）、5G+VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實技術(shù)）來實現(xiàn)研發(fā)的協(xié)同。在生產(chǎn)制造階段，能使用5G+信息采集和5G+機器視覺來促進數(shù)字孿生的實現(xiàn)，也有使用5G+AGV（Automated Guided Vehicle，自動巡航車）來實現(xiàn)無人倉儲。傳統(tǒng)的AGV因為使用Wifi來實現(xiàn)，在使用過程中受到干擾AGV經(jīng)常跑丟或AGV經(jīng)常會停下等等這些問題，而5G有效地解決了這種問題，實現(xiàn)了AGV的自動導航，也實現(xiàn)了AGV的實施調(diào)度，那么這種網(wǎng)絡升級性應用目前來看最容易形成市場的一類運用。5G+高清視頻和5G+機器視覺這種預測性維護來實現(xiàn)質(zhì)量管控。在供應鏈環(huán)節(jié)，通過5G+超高清視頻實現(xiàn)供應管理實時化；維護階段通過5G+AR/VR的方式來實現(xiàn)遠程的運維和培訓。曾有人對2020年“創(chuàng)新杯”5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)試點案例進行了分析和統(tǒng)計，顯示業(yè)內(nèi)探索的案例數(shù)在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)最多達到了53%，而在應用維護環(huán)節(jié)緊跟其后的達到了26%，質(zhì)量管控環(huán)節(jié)則達到了16%。

綜上所述，信息傳輸技術(shù)的替代性比較強，我們只是用5G和光纖這兩種高可靠、大帶寬、低時延的傳送通道來替代原有的信息傳送通道，已經(jīng)存在的工業(yè)控制和管理信息化基本應用即使維持原樣，也可以很快速地實現(xiàn)工業(yè)用超高清視頻、AR、VR 以及機器視覺等場景，直接有效地在功能、性能和用戶體驗等各個方面升級現(xiàn)有的工業(yè)應用。

需要特別指出的是，超高清視頻的融合應用已進入應用成熟期，將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首選應用場景；AR、VR 以及機器視覺等應用已進入高速發(fā)展期，經(jīng)濟價值逐漸顯現(xiàn)，預計2022年前后將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主流應用場景；5G+AGV、5G+無人機、5G+遠程控制和5G+機器人等應用或涉及工業(yè)核心控制環(huán)節(jié)，或受限于與設備深度融合的需求，還需等待產(chǎn)品成熟，未來幾年將有較快發(fā)展[7]。

4 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展的過程中需要逐步適配各類復雜工業(yè)場景，支撐企業(yè)在新的經(jīng)營環(huán)境下對網(wǎng)絡不斷增長的要求，并逐步影響工業(yè)領(lǐng)域?qū)ο冗M網(wǎng)絡技術(shù)的認知和吸納，以助力企業(yè)的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型升級。第四次工業(yè)革命能否因工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而加速實現(xiàn)？讓我們拭目以待。