工业无线控制网络的关键技术与未来发展方向.docx

一、背景信息、通信和运营技术的深度融合正在推动工业自动化的重大变革。其中，工业无线控制网络(industrialwirelesscontrolnetwork,IWCN)由于可以帮助提高生产效率、降低成本、增强安全性，并最终实现智能制造，成为工业自动化的关键使能技术。为此，工业无线控制网络必须满足工业自动化的各种严苛通信要求，包括高可靠、强实时、低抖动、低成本、低功耗和高安全。然而，本身资源极度受限的工业无线控制网络却经常工作在恶劣工业环境下，与WiFi、BluetoothsZigBee等网络共享免授权频段。因此，在过去几十年中，学术界和工业界付出了巨大的努力来研发工业无线控制网络，包括面向过程自动化的WireIeSSHART、ISAlOO.Ila和WIA-PA,以及面向工厂自动化的WISA、WSAN-FA、WlA-FA等。目前，国际电工委员会(IEC)正式发布的工业无线控制网络国际标准仅有WireIeSSHART、ISA100.11a、WlA-PA和WlA-FA四项。近期，国际电信联盟和第三代合作伙伴计划(3GPP)也开始研发用于工业控制的超可靠低时延通信(ultra-reliablelowlatencycommunication,UR1.1.C),并将其作为5G的三大场景之一。由于UR1.1.C是基于5G的远距离广域网络通信技术，这将使得云控制成为可能，并将彻底打破现有工业无线控制网络主要基于短距离无线个域网或局域网的技术路线。然而，尽管UR1.1.C已经完成标准化，但其在垂直行业中的应用仍处于不断测试和适配中，尚未大规模商用。其原因主要在于：不同的工业应用有不同的通信需求，而5G的工业应用并没有像工业以太网一样经历稳定的演进过程，缺少知识沉淀与积累。一方面，在缺少授权频段使用许可的情况下，大多数工业企业希望建立专用网络来增强安全性和隐私性，而商用5G网络却由移动运营商在授权频段进行管理和运营。另一方面，大多数工业控制应用仍停留在工业现场，并没有必要将所有工业数据均通过5G进行广域传输。综上，如何在恶劣的工业环境下实现免授权频段上的超可靠低时延通信，满足现场级工业控制的严格要求是最具挑战性的问题之一。最近，基于5G空口技术，WlA-NR在免授权频段实现了超可靠低时延的通信，可以支持现场级工业无线控制。目前，WlAPA、WIA-FA和WIA-NR形成了一个完整的技术群（统称WIA）,基本可以覆盖各类典型的工业应用，并将根据工业需求进一步演进。然而，来自垂直行业的多种需求持续推动着工业无线控制网络的创新发展，如同UR1.1.C必将向6G演进。为此，3GPP建立了一个新的工作项目来研究增强的UR1.1.C。全球第一份6G白皮书也证实了UR1.1.C将持续演进,其空口时延指标将提高到0.1ms。自然电子学的前瞻观点提出了五种6G场景，并定义了安全UR1.1.C。与此同时，大规模UR1.1.C和超宽带UR1.1.C也被进一步定义。总之，现有观点一致认为6G时代的UR1.1.C应实现小于0.1ms的时延，以及高于99.9999999%的可靠性。这一性能指标将支持高精度工业控制，如微纳尺度遥操作和精密加工。随着UR1.1.C的持续增强，WlA-NR也将朝着6G方向演进。考虑到WlA技术群是由同一团队采用相近技术路线研发，本文将介绍和比较该技术群，并讨论WlA在6G时代的发展方向。二、WlA技术群概述（一）系统架构WIA定义了一组物理设备，包括主控机、网关设备、现场设备、手持设备以及路由设备、接入设备或基站。基于这些设备，WIA技术群构建了如图1所示的不同网络拓扑。具体来说，WlA-PA采用星状或星-网状层叠拓扑，其中星状拓扑是星-网状层叠拓扑的一种特殊情况。相应地，WlA-FA采用冗余星状拓扑，WlA-NR采用层叠星状拓扑，并支持设备到设备（D2D）和多点协作（CoMP）通信。对应于不同的网络拓扑结构，WlA定义两种系统管理架构，即集中式管理以及集中式和分布式相结合管理。其中，WlA-PA两种架构均支持，而WIA-FA和WIA-NR分别只支持前一种和后一种架构。图1.WIA网络拓扑。（八）WlA-PA星-网状层叠拓扑；（b）WIA-FA冗余星状拓扑；（C）WlA-NR层叠星状拓扑。D2D：设备到设备；CoMP:多点协作。（二）协议栈基于开放系统互联参考模型（OSI）,WIA定义了如图2所示的协议栈。具体来说，WlAPA完全采用IEEE802.15.4标准作为其物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层，并定义了数据链路子层、网络层（NET）和应用层（APP）。其中，MAC子层和数据链路子层构成数据链路层（D1.1.）。WIA-FA仅采用IEEE802.11标准的物理层，并定义了数据链路层和应用层。相比之下，WlA-NR仅采用5G的物理层、介质访问控制层和无线链路控制层，并重定义了应用层，而没有采用其他用于广域通信的协议层。需要注意的是，只有WIA-PA定义了网络层。其原因在于：WIA-PA路由设备在网状拓扑中采用无线连接，必须在网络层定义寻址、路由等功能，而WIA-FA接入设备或WlA-NR基站采用有线连接，其功能并不在WIA标准范围内定义。图2WlA协议栈C个和J表示当该层功能存在时，其功能将包含在箭头指示方向的协议层。OSI：开放系统互联参考模型；UAO：用户应用对象；VCR：虚拟通信关系；TDMA：时分多址；FDMA:频分多址；CSMA:载波监听多路访问；MAC：介质访问控制；PHY：物理层；DSSS:直接序列扩频；FHSS:跳频技术；0FDM：正交频分梵用；CCK：补码键控；PBCC：分组二进制卷积编码；MIM0：多输入多输出。在物理层，WlA统一采用免授权频段，确保支持全球部署。其中，WIA-PA和WlA-FA工作在2.4GHZ频段，而WlA-NR工作在5GHz频段。为此，WlA采用“先听后发机制确保符合频谱使用规则。这也是WIA-NR区别于商用5G的关键特征之一。表1总结了WIA物理层的基本参数。表1物理层基本参数ParameterWIAfamilyW1PAWtAFAWIA-NRSpcctmm2.4GHzband2.4GHzband5CHz2ndBandwidth(MHz)520.4020.40.80,100.120.140,160TrAmmissionmodeDSSSDSSS.FHSS.OFDM.CCK.PBCCOFDMModulation03SKBPSKQPSKI6QAM.64QAMB陷K.QPSK.IGQAM64QAM.256QAMMaximumute250kbps54MbpsIMbpsAntennaSingleantennaSinglean<enuMultipleantennasBPSK:binaryphaseshiftkeying;QPSK:quadraturephaseshiftkeying;O-QPSK:offset-QPSK;QAM:quadratureamplitudemodulation;kbps:kilobitpersecond;Mbps:megabitpersecond.在数据链路层，WIA定义了不同的超帧或时隙结构来实现时隙通信，并设计了多信道接入、自适应跳频和时间同步等方法，以增强可靠性和实时性，确保无冲突通信。在应用层，WIA定义虚拟通信关系（VCR）来描述用户应用对象（UAO）的通信资源和路径。根据虚拟通信关系，多个用户应用对象可以执行分布式工业应用。同时，为实现异构工业协议通信（如PROFlNET和MOdBUS）,WlA采用隧道技术或协议转换来进行协议适配。这大大增强了WlA与现有工业自动化系统的互操作性。三、关键技术（一）确定性时隙通信WIA采用时隙通信确保通信的确定性。时隙是数据包交换的基本单位，其长度可配置。如图3所示，基于时隙的循环重复，WIA-PA和WlA-FA进一步定义超帧，而WlA-NR定义帧和子帧。具体来说，WIA-PA定义了基于IEEE802.15.4信标的超帧，包括信标、活跃期和非活跃期。其中，活动期包括竞争访问时隙和非竞争访问时隙，而非活动期包括簇内通信、簇间通信以及休眠等时隙。WlA-FA的默认超帧由信标、上行链路共享时隙和下行链路时隙组成，用于管理信息和数据的传输。相应地，基于5G的灵活参数集（numerology）,WIA-NR通过将子载波间隔设置为2x15kHz来实现多种帧,其中，=0,1,2,3,4即是参数集。WIA-NR的帧长度固定为IOms,可以由不同数量的时隙组成，形成下行/上行信道时隙、下行/上行信道自包含时隙或灵活时隙。（二）可自适应跳频的多信道接入WIA采用多信道接入与信道跳频相结合的方式来提高容量和可靠性。具体而言，WIA-PA采用频分多址（FDMA）进行多信道接入，并结合时分多址（TDMA）提升系统容量。WlA-PA定义了三种信道跳频方式，即自适应频率切换、自适应跳频和时隙跳频，其相对于盲信道跳频的优势在文献口2中得到了验证。WIA-FA将多个接入设备分为不同组，采用FDMA实现并行接入。类似地，WlA-FA也支持自适应跳频。对于WlA-NR,每个基站配备多个天线进行多输入多输出（MlMo）通信，并且多个基站进行多点协作通信。同时，WlA-NR根据丢包或重传情况定义了三级自适应跳频，分别是基于时隙、子帧、帧的自适应跳频。（三）聚合和解聚为提高网络资源利用率，WIA在不同的协议层定义了不同的聚合和解聚方式，如图2所示。WlA-PA定义的是两级聚合机制，包括网络层的数据聚合和应用层的包聚合。WlA-FA在数据链路层定义了帧聚合，并支持在应用层处对过程数据进行聚合和解聚。WlA-NR在应用层也定义两级数据聚合机制，用于上行和下行数据传输。Frame.1msperslotZHMS1.QC史Xo9Z受§：05perslot025mspersi”0125msperslotClearchannelassessmentDownlmkslotUpbnkslotDownfcnkslf-co11tainslotUpbnkSdf-ContainSAOtFlexibleslo<00625msperslot图3.WlA帧结构。（八）WIA-PA超帧；（b）WIA-FA超帧：（C）WIA-NR帧（四）工业数据优先级调度为满足不同的工业应用，WlA定义了表2所示的工业数据优先级（按从高到低降序排列），以进行通信调度。为此，WlA进一步定义了三种通信模式，即客户端/服务器（C/S）、发布者/订阅者（P/S）、报告/汇聚（R/S）。其中，C/S主要用于动态、非周期、非实时数据的单播通信，P/S主要用于周期、实时数据的单播或多播通信，R/S主要用于报警、警报或事件等非周期性数据的单播或多播通信。进一步，可以使用C/SVCR、P/SVCR和R/SVCR完成通信调度。表2WlA工业数据优先级SchedulingmechanismWIAfamilyWIA-PAWIA-NRDataRiodtyCommand,processdata.nor11u1.Urgentdat.periodicprocessCkHa.aperiodicalarmAperiodiccriticaldata,periodiccriticaldata.non-urgentdata,periodicmafugementdata,andnon-real*aperiodicnon<riticaldata,andperiodicnon-CommunicationmodeC/SvP0andR/