5G能否赋能工业自动化？

5G会成为工业自动化的又一种无线技术吗？

摘要

随着无线技术在工业自动化领域应用兴趣的增长以及对新收入流的持续探索，新参与者正进入这一领域，以进一步推动其业务发展。其中一种旨在支持工业自动化应用的新兴无线技术是5G，其目标涵盖极致吞吐量（> 10 Gbit/s）、极低延迟（≤ 1 ms）到超高可靠性（≥ 99.999%）。本文旨在讨论在真实工业环境中采用5G的潜力与挑战，并相较于先前主要由电信研究人员和供应商撰写的、用于推广其技术的文章，提供一个更为平衡的视角。具体而言，本文将讨论并提供一些真实的工业需求，描述5G的主要技术特性，并尝试评估其能支持哪些现有技术尚未支持的应用。最终，5G的成功将取决于有吸引力的商业模式和可扩展性，即相同设备能否无需修改便在全球部署，以及频谱规则和5G之后的演进路径是否能够合理控制商业风险。

一、引言

无线通信系统在工业自动化领域，尤其是在过程自动化和工厂自动化中的应用越来越广泛，这主要是由于安装和维护成本较低，同时也因为无线技术提供了预测性维护的能力，并可在以往无法实现或成本极高的场合进行测量（如旋转机械等）[1]。最初，无线技术主要应用于状态监测，目前该应用仍占主导地位，但闭环控制应用也开始出现。

如今，已有多个成熟（最早于2007年发布）的用于过程自动化的无线标准，面向监控和闭环控制应用。该领域市场领先的标准是WirelessHART[3]，其次是ISA100.11a[4]，然后是工业自动化无线网络‐过程自动化（WIA‐PA）[5]。在工厂自动化领域，主导技术是ABB公司的传感器和执行器无线接口（WISA）[7]以及西门子的IWLAN[6]。PROFIBUS和PROFINET用户组织（PNO）于2012年发布了基于WISA的WSAN‐FA标准[8]。WSAN‐FA采用IEEE 802.15.1（蓝牙）的物理层，原始数据速率为1 Mbps，发射功率为1 mW。该系统支持跳频，跳频序列周期为77帧，每个跳频频率恰好被访问一次每个周期一次。WSAN‐FA支持在不同的时间/频率时隙中，每个单元最多连接120个输入从站或60个输入/输出，循环时间为Tcyc = 2.4 ms，并且非周期数据最大传输时间低于15毫秒。

IWLAN是基于802.11物理层的专有解决方案，在点协调功能(PCF)上使用介质访问控制(MAC)层。PCF能够为客户端分配规律的网络访问权限，由此产生的轮询机制旨在传输异步数据流量以及实时流量。

下一代（第5代）无线系统预计将于2020年进行初步部署。在首个以移动宽带为目标的5G版本（版本15）发布后，第三代合作伙伴计划（3GPP）将致力于面向无线接入的新用例，以及相关的应用需求和技术。一些预期的用例涉及需要接近 1 ms延迟并结合高可靠性的应用。总体而言，5G将包含三种通用服务：

• 增强型移动宽带（xMBB）旨在提供极高的数据速率和低延迟通信，并通过在整个覆盖范围内提供可靠的中等速率来提升用户体验质量（QoE）。
• 大规模机器类通信（mMTC）旨在支持数百亿台支持网络的设备实现无线连接。与xMBB相比，其优先考虑可扩展性和广域覆盖，而非峰值速率。
• 超可靠机器类通信（uMTC）旨在提供具有低延迟的超可靠链路，以支持对可用性、延迟和可靠性有极端需求的新应用。

移动通信在工业自动化中的渗透率迄今为止一直较低，主要集中在远程服务应用和报警系统。最近，已发表了一些关于5G在工业自动化中适用性的研究论文[9]‐[12]。然而，这些研究论文中提出的许多假设和需求并不现实，这也使得论文中描述的结果值得怀疑。此外，[9]‐[12]中的大部分工作集中在物理层解决方案上，而这些方案仅能针对工业自动化中的多样化需求所带来的部分挑战提供解决方案。

本文旨在简要概述在工业中使用5G的用例、需求和挑战。一个主要挑战和关键问题是，工厂所有者是否愿意为授权频谱付费，而不是使用可在全球范围内免费使用的非授权频谱技术。5G的另一个重要挑战是在通过网络传输数据时，为具有安全关键型硬实时要求的关键任务应用提供支持，并实现极低的端到端延迟(< 1ms)。在本文中，我们还确定了在实现5G在自动化领域更广泛的市场接受度之前需要解决的若干挑战。

II. 工业应用的要求

在文献中，已有一些尝试对工业自动化的大量需求进行表征[1],[2]。最近，一些电信设备商发表了一系列论文，其中列出了工业自动化对5G的通信需求[11],[12]，但这些研究大多存在不足，因为它们假设工业自动化内的所有用例都具有相同的一组需求。然而，工业自动化可以分为多个子领域：楼宇自动化（BAS）、过程自动化（PA）、工厂自动化（FA）和变电站自动化（SA），这些子领域具有明显不同的通信需求，见表I。工业自动化中通信最常见的用例是[2]：

• 远距离分布的自动化设备互连。
• 专用实时自动化系统与用于控制和监控的操作员工作场所的互连。
• 闭环控制，涵盖从缓慢到快速的控制应用，采样率介于秒到毫秒之间。
• 联锁和控制应用。
• 监控与监管应用

经典的自动化金字塔分为多个层级，各层采用不同的网络；每个网络对各项性能的需求不同，且重视程度各异。在自动化金字塔的现场总线层，无线通信必须保证高可靠性和低延迟、可预测的数据传输，而金字塔的上层则对延迟约束和实时特性要求相对宽松。

一个不太明显的通信系统需求是系统需具备实现高分辨率时间同步的能力，以便同时进行分布式测量，用于后续控制，并可通过补偿可预测的延迟来提高精度。此外，还需要故障切换机制，以防止因缺乏无缝故障切换机制导致错过截止时间，进而引发生产中断或机械设备损坏。[2]提供了工业自动化实际需求的良好参考来源。

III. 5G支持的一些用例

预计未来5G网络将实现其前身（3G和4G）无法提供的新用例和服务。5G的重大挑战将是支持以灵活且超可靠的方式支持不同的用例。未来的5G系统有望实现毫秒级的最大延迟。然而，在某些场景下，这仍将导致过大的延迟。以下列出了一些预计将为移动网络运营商和网络设备供应商创造新收入流的用例。

• 移动宽带 是当今的关键用例，未来也将如此。与当今的移动宽带主要区别在于，5G未来将为最终用户带来真正沉浸式的体验。数据持续增长，预计年增长率达到30‐50%，这一趋势预计将延续至2030[13]。5G有望成为将分布式系统连接至云端的载体，这要求低的端到端延迟以保持良好的用户体验。
• 工业监控与控制 是一个用例，其中无线通信将变得越来越重要，以降低布线安装成本、便于维护、实现移动性，并能够进行以前由于有线通信和现有无线技术缺乏对某些严格需求的支持而无法实现的测量[2]。5G面临的关键挑战在于，在不违反应用截止时间、可预测的延迟以及可行的商业模式的前提下，提供高可用性和自动故障转移，从而不影响企业在大规模工业生产设施上的投资回报率（ROI）。
• 汽车领域 有望成为5G发展的主要驱动力之一，得益于其性能提升、增强的安全性以及设备到设备通信。例如，现有的车载传感器和系统可通过5G通信大幅提升性能和安全性，并提高道路利用率，因为车辆能够更紧密地行驶。此外，在多个欧盟资助项目中也在探讨交通安全用例，几乎所有汽车制造商都在致力于寻找解决方案。
• 智能电网 以及在智能电网中将通信网络与电力网络融合并非新技术。为了使5G网络能够在智能电网中应用，必须能够实时监控电网运行状态，隔离故障，并实现自恢复，避免大规模停电。5G有望在接入网络和回传网络中发挥重要作用。
• 医疗领域 将持续增长，目前已在多个用例中使用移动通信作为使能技术，例如远程医疗、远程监控以及用于测量心率和血压的传感器。5G有望实现医疗物联网，而蜂窝网络、无线局域网和蓝牙等技术将支持跨用例的物联网通信，5G将成为连接这些设备的网络。

表I 某些典型自动化领域的要求

应用领域	更新频率	节点 / m²	电报丢失率
楼宇自动化	秒	1‐20	< 10⁻³
过程自动化1	10 ‐ 1000 ms	1-20	< 10⁻⁵
工厂自动化2	500 μs ‐ 100 ms	20‐100	< 10⁻⁹
变电站自动化	250 μs ‐ 50ms	1‐10	< 10⁻⁹
高压直流控制	10‐100 μs	300‐500	< 10⁻⁹

IV. 工业自动化中的机器类通信

诸如电表或传感器之类的自动化设备通常被称为M2M通信，在第三代合作伙伴计划中，M2M也称为机器类型通信（MTC）。如果能够高效地支持MTC，它将为移动运营商提供一个有吸引力的收入流，因此已被确定为一个重要用例。MTC的一个目标是实现日常流程的自动化，并利用将任务委派给机器的优势。已确定的MTC主要用例包括：追踪与定位、监控、控制和家庭自动化。

MTC有两种类型：大规模MTC和任务关键型MTC。大规模MTC假定用于通常不频繁的数据传输业务，侧重于使用低成本设备实现大量数据和连接的传输，其系统设计具有低比特率和低功耗的特点。MTC的主要用例是公用事业计量。

对于大规模MTC，5G需要满足以下重要需求：
1. 使用AA电池实现10年电池寿命；
2. 覆盖增强20 dB；
3. 每小区30000台设备（大多数小区包含的设备数量较少）；
4. 低设备复杂度。

MTC面临一些挑战，解决这些挑战的关键在于简化网络复杂性，以支持MTC设备，同时不损害共享同一网络基础设施的MTC和H2H用户的安全性或服务质量。同时支持大量MTC设备将导致连接建立和无线资源分配方面的问题。另一个主要挑战是适应小规模突发数据传输。LTE系统的设计要求用户在发送信息数据之前先建立连接，这种方式会为信息数据增加信令开销。提高数据传输效率的一种方法是使用数据聚合，但这种方法可能引入额外延迟，仅适用于非时延敏感型MTC应用。

相比之下，任务关键型MTC旨在实现超高的可靠性、极低时延以及对物体和过程的实时控制。在任务关键型MTC中，超可靠通信对于提供高可靠性（可靠性等级可达99.999百分位）且通常具有极短延迟（端到端数据包传输在 1 ms内）的服务至关重要。任务关键型MTC的主要应用预计为道路安全和交通效率，但工业控制与监控也被预测为一个应用领域（主要针对工厂自动化）。迄今为止，主流电信设备商对工业控制领域的MTC关注较少。可能是因为商业案例尚未明确，且通用无线设计难以满足相关需求（需要一个能够管理硬截止时间的实时系统）。满足工业自动化应用中安全关键型硬实时要求需要采取保守的设计方案，成本非常高。

五、5G无线通信的选定使能技术

为了满足5G系统的严格需求和用例，需要结合多种使能技术。在本节中，我们将重点介绍一些关键的使能技术，但需要注意的是，以下大多数主题仍处于研究的早期阶段，远未达到在实际系统中实施的成熟度。

A. 大规模MIMO

一种新的范式被证明能够有效实现基站与终端设备之间的通信，即在基站部署大量天线元件。通过此类配置，可以在相同的时频资源上高效地对多个用户进行空间复用，将辐射能量集中到目标方向，同时最小化小区内和小区间干扰。MIMO的概念已经存在数十年，但实际部署配备大量服务天线的基站（BSs）的想法相对较新，大约六年前才开始提出[14]。

大规模MIMO存在若干挑战，其中之一是节点需要具备更先进的信号处理能力。此外，每个节点必须能够区分从一个天线发送的数据与从另一个天线发送的数据，否则网络性能将受到限制[15]。其他亟需关注的挑战包括低成本硬件、硬件损伤、快速且分布式的相干信号处理、内部功耗以及信道表征。

B. 网络切片

切片通常是利用虚拟化技术对物理基础设施的计算和通信资源进行架构、划分和组织，以灵活支持各种用例。需要注意的是，网络切片并非一个新概念，这一点可以通过虚拟专用网络（VPN）是网络切片的基本形式来证明。在未来5G网络中，不同的定制化虚拟网络将能够同时存在且互不干扰。例如，一个需要极高吞吐量的增强现实应用的定制化虚拟网络，可以与一个需要低延迟的自动驾驶车辆控制的定制化虚拟网络共存。此类用例可通过商业协议预先安排，并由移动运营商按需提供。此类安排的关键在于商业协议。

C. 全双工

过去人们认为，由于自干扰的存在，在相同频率信道上同时发送与接收重叠信号是不可能的。在现有的蜂窝系统（4G）中，频分双工（FDD）和时分双工（TDD）都被使用，但需要两个独立的信道来实现正交发送与接收。

在5G中，全双工允许无线电设备在同一频率上同时进行发送和接收，从而有效地使频谱效率翻倍。因此，实现全双工通信最重要的挑战是有效消除自干扰[16]。这种消除必须在天线处、模数转换器之前或数字基带中完成。最近，自干扰消除方面取得了显著进展，这为下一代蜂窝网络实现全双工通信提供了巨大机遇[17]。

D. 设备到设备通信

设备到设备（D2D）通信可以描述为彼此靠近的两个设备之间的直接通信，基站可允许用户直接与其他设备通信，而无需通过基站传输数据包。预计D2D将成为5G的重要通信方式，特别是在短距离设备间提供低延迟和最小传播延迟方面。提高频谱利用率的潜力近年来推动了大量研究工作，表明D2D可以通过复用蜂窝资源来改善系统性能[18]，预期的D2D应用包括点对点文件共享、语音、视频流和内容感知应用。尽管D2D通信具有诸多优势，但仍有一些问题如直接发现、干扰管理和直接通信需要妥善解决[19]。

E. 毫米波通信

未来5G无线网络面临的一个主要问题是无线带宽的瓶颈，但最近研究表明，毫米波（mmWave）通信可以成为未来5G网络极具前景的解决方案。毫米波指的是频谱中30至300 GHz之间的部分，尽管目前大多数活动都集中于此。针对28 GHz频段、38 GHz频段、60 GHz频段以及E波段（71‐76 GHz和81‐86 GHz）[20]。目前在60 GHz频段的毫米波传播方面已有大量研究[21]‐[23]。该频谱范围内的高可用带宽可实现极高的数据速率。

因此，在毫米波对5G无线网络产生重大影响之前，仍需在物理层和媒体访问控制层解决诸多挑战。使用毫米波的主要缺点包括巨大的传播损耗、方向性强，以及由于衍射能力弱，容易受到人体和机器等障碍物的遮挡影响。例如，人体遮挡会使链路预算损失20‐30分贝[24]。毫米波在5G中的主要应用将是小众应用和小型小区[25],[26]，但对于工业自动化而言，其适用性较难体现，因为工业环境会随时间变化，且通常充斥着金属设备和各种障碍物。

VI. 5G在工业自动化中应用的主要挑战

在5G系统成功应用于工业自动化之前，无论从技术角度还是商业角度来看，都存在许多挑战。本节将重点介绍一些需要克服的挑战。

A. 商业模式和频谱可用性

良好的商业模式是未来在工业自动化中使用5G技术的关键。尤其是由于5G基于使用授权频段，即工厂所有者需要购买或租赁频谱。一个亟需回答的重要问题是，当大多数考虑的用例已经存在以当前无线技术形式实现的低成本解决方案时，为何工厂所有者仍应投资新的5G技术？

以智能电表为例，它们已具备通过GPRS和3G系统的蜂窝连接。支持使用5G的一个论点是，未来的电表将更加复杂且通信需求更高，并能够实现电网状态的实时估计与控制。然而，如果这一设想成为现实，目前已有多种无线系统（如工业无线传感器网络和无线局域网）能够满足这些需求。在工业自动化领域，现有的无线系统通常使用一种非授权频段（488兆赫、868/915兆赫或2.4吉赫）。采用非授权频段的主要原因是无需支付额外的频率许可证费用，并且在全球适用性方面提供了更大的灵活性。ISM频段的普遍假设是其更为成熟，不会像移动通信系统频谱那样快速变化，因此目前更符合自动化设备的使用寿命。而授权频段可能仅在特定国家有效。

使用授权频段的优势在于，来自其他设备的干扰少于非授权频段，从而可能更容易保证可靠性、可用性和延迟等方面的一些严格要求。因此，处理非授权频段内无线系统间共存的方法和工具[29]已经被广泛研究和应用。

5G供应商的一个卖点是使用高频谱，但问题在于这在工业环境中效果如何，因为如前所述，工业环境充斥着对无线电传播有重大影响的材料。工厂的规模也可能非常大（数公里且仍在扩建），因此无线通信的覆盖范围也是一个重要因素。

在过程自动化或工厂自动化中使用5G技术存在疑问，因为连接的传感器数量通常仅为几百到几千个。这使得5G解决方案成本高昂，特别是工厂所有者需要购买或许可一个许可证。另一个相关问题是，移动运营商是否会认为如此少量的连接传感器具有商业机会。如果5G以类似于当前通信技术（GPRS、3G、第四代移动通信技术）的方式销售，由运营商按数据流量计费，那么与使用无线传感器网络和无线局域网等无线技术相比，工厂所有者的运营成本将极其昂贵。

B. 延迟

普遍认为，5G标准应支持低于 1 ms的端到端往返延迟（延迟），以满足未来工业应用的需求。然而，对于该端到-end延迟包含哪些部分，目前尚无统一明确的观点。根据一些研究论文[11]和白皮书[31]，延迟预算（基于 ITU触觉互联网报告）定义为数据从传感器生成到执行器正确接收之间的时间延迟[31]。由于物理定律对此施加了一些硬性限制，这一要求将变得极难实现。光速和电的传播速度是有限的。在 1ms中，光在光缆中的传播距离约为 200 km。如果我们假设用户设备处理延迟为 4 ms，基站收发信机延迟为 4 ms，核心网延迟为1 ms，调度器请求与授权也会带来一定延迟，那么这些延迟总和已超过 7 ms。即使网络设备不引入任何额外延迟，最大往返距离也仅为 100 km，这使得从地球一端远程控制另一端的机器人并实现 1 ms的延迟成为不可能。

当前LTE采用1毫秒的传输时间间隔（TTI），每次重传还需 8 ms的等待时间，导致端到-end延迟达到 20 − 40 ms。为了降低 LTE（以及5G）的延迟，需要进行多项改进：首先，缩短 TTI，例如降至 100μs，并减少OFDM符号持续时间，以实现快速高效的数据传输；其次，重新设计物理层信道以支持早期信道估计；此外，使用卷积码（例如用于数据信道）和分组码（例如用于控制信道）可实现快速可靠的解码，而采用高多样性级别将提升信号检测与解码的可靠性。

还应注意，目前已有用于工厂自动化的无线解决方案可支持低于 5 ms的延迟（即WISA和IWLAN），而对于过程自动化，也有几种成熟的工业技术，例如已支持监控和控制（< 1s）应用的WirelessHART。最近的研究结果还表明，WirelessHART能够支持延迟低于50ms[27],[28]的安全关键应用。

C. 可靠性

除了承诺极低时延外，5G还承诺提供超高可靠性，定义为99.999%或更高。在任务关键型MTC的文献中，并未区分可用性与可靠性的概念，而是统一使用“可靠性”这一总括性术语。对于工业自动化系统而言，最重要的需求是可用性。也就是说，工厂必须能够按预期进行生产或建造，且停机时间最少。停机意味着工厂所有者只有成本而无收入。为了最大化可用性，各类系统组件（如网络）的可靠性便成为关键要求。

当今的分布式控制系统（DCS）在极端情况下可实现99.9999%的可靠性[30]，这包括DCS的所有组件、仪表、I/O模块、控制器以及通信。需要牢记的是，可用性是最关键的需求，但为了实现安全且经济可行的生产，还需要确定性系统，以确保生产设施的安全性，并维持生产质量的极低波动，从而在全球市场中具备竞争力。

在5G中提高可用性并消除单点故障的一种方法是使用多个接入点，因为使用单个接入点可能导致 100%的网络中断。然而，当使用多个接入点时会产生一些技术挑战，例如小区间干扰可能降低可靠性和时延。小区间干扰问题可通过完美的干扰消除方案和功率控制方案部分解决。但无论如何，增加接入点数量将导致成本上升。

D. 确定性

还有一些重要方面似乎在讨论5G如何支持具有硬实时要求的工业自动化应用时被忽略了。要实现这一目标，远不止支持低延迟和高可靠性这么简单。确定性和可预测性，即能够预见并了解系统行为的能力，对于支持系统中所有组件至关重要。

实现通信高可靠性的方式有很多，例如重传、纠错码、多路径路由等，然而，这些解决方案中的许多都会以牺牲确定性并引入抖动为代价。例如，为了成功传输而不断重传一个数据包，可能导致其错过截止时间。对于5G而言，目前的关注重点似乎放在物理层上实现高可靠性，但完整的通信解决方案还包括协议栈中的上层，例如TCP/IP，这些上层也必须具备确定性行为。如果5G使用TCP/IP，则其本质上将是非确定性的，无论物理层有多好（除非能提供100%可靠性）。

七、结论与评述

本文讨论了5G无线通信在工业自动化场景中的应用及其具有挑战性的通信需求。5G有望提供极高的吞吐量，实现超可靠性和低延迟通信，从而创造新的应用并为电信运营商开辟新的收入来源。

需要强调的是，没有任何技术是免费的。由于任何数据传输链路（无论是无线还是光纤）固有的物理特性，绝对的零延迟和/或100%可靠性永远无法实现。从物理角度来看，在给定资源（例如带宽、发射功率、残余误码率）的情况下，延迟/可靠性的改善存在可达到的极限。因此，若不考虑通信协议栈的所有层级，仅在物理层上降低延迟和提高可靠性的成本预计将呈指数级增长并趋于发散。

5G在工业自动化领域，特别是在过程自动化和工厂自动化中获得市场接受度的主要挑战在于建立合理的商业模式，并提供强有力的论据来支持使用昂贵的授权频段而非免费的免许可频段。从技术角度而言，挑战在于提出一种能够满足广泛需求的解决方案，并使5G在性能上超越现有无线技术——这些现有技术已在许多目标应用中表现良好。

然而，应当指出的是，5G将在工业自动化中找到新的应用场景，主要集中在需要高吞吐量无线通信链路，且对延迟、可预测性和可用性要求较为宽松的领域。