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5G “加不动” 工业?工业5G,这回真的来了!

作者:石林才2022.05.30阅读 3126


图片来源:西门子

  当您看到这个题目时,您可能会说,工业5G 不是早就有了吗?5G 智慧工厂、5G 炼钢这些都已经有实际案例了啊?
  确实,这些例子的确是5G 的工业应用场景,但这里的5G 采用的是和当前商用5G 同样的技术,和我们今天说的工业5G 其实有很大的不同。
  5G 在工业的应用并不是工业5G。这一点需要从5G 的特征和标准开始说起。
  5G 有三个公认的主要应用场景: 增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(U R L LC)和大规模机器通信(mMTC)。三个应用场景分别服务于不同领域,eMBB 以带宽为导向,如高清视频,URLLC 支持工业物联网应用的要求,mMTC 用于要求低功耗且具有大量连接设备的应用。

  虽然这三大应用场景已经十分明确,但单个无线网络无法同时完全支持这三大场景,技术的发展总是需要一个不断演进的过程。所以5G 标准采用分步制定的方法, 在2018 年冻结了5G 的第一套完整标准R15 版本, 主要对eMBB 做了规定,目的只是加大带宽, 现在各大运营商部署的5G 基站和5G 手机都是基于这个版本的。而直到2020 年7 月冻结的R16 版本才对U R L LC 和mMTC 做出了规范。
  对于工业无线网络而言,eMBB 并不能满足要求,因为工业实时协议(如PROFINET IO)依赖于低延迟和高可靠性,如U R L LC 标准所述,而这只有在R16 版本才会具有。可目前市场上可用的5G 技术都是对应于R15 版本的,那能否通过R15 版本的5G 传输工业实时协议,从而实现低延迟和高可靠性呢?
  然而,R15 版本的基础架构无法传输基于帧的 O S I 模型的第 2 层通信, 仅支持上面的层,即带有数据包(TC P 和 U DP) 的第 3 层, 这使得R15 5G 可以传输OP C UA 或MQT T 协议。但是, 目前使用最广泛的现场总线( 如PROFINET)却无法传输,因为它需要第 2 层连接,而只有R16 版的 5G 标准才支持该连接。
  那真的没有办法了吗?
  确幸的是,工业自动化的头部厂商西门子带来了好消息。西门子近日宣布, P R O F I N E T I O 已经可以通过创新的传输技术在5G 网络中使用。这是通过使用 V X L A N(虚拟可扩展局域网)协议实现的。V X L A N 是一种在第 3 层数据包中嵌入逻辑第 2 层通信的协议,这使得跨网络边界透明地传输第 2 层协议成为可能, 从而实现控制器和分布式 I/O 设备之间的5G PROFINET 实时通信。
  这种方法开辟了全新的可能性。例如, 多辆自动导引车 ( AGV ) 可以用一个S7-1500 控制器进行集中控制。PROFINET IO 用作 S7-1500 和 AGV 上的 E T 200S P 分布式 I /O 设备之间的协议。通信的核心是西门子的MUM856-1 5G 路由器连接的专用R15 5G 基础设施。通过使用中央控制器和PROFINET IO 通信,AGV 上可使用分布式I /O 设备,而无需本地控制器,这样就大大节省了空间和成本。
  由此可见,在5G R16 版本正式商用之前,西门子通过创新方法实现了R15 5G 网络上直接传输PRPFINET 实时协议,从而实现了控制器和控制器、控制器和I/O 之间的端到端通信,这样的5G 不仅能够充分利用5G 网络的高速、高带宽和高可靠性的特性,而且能够保证通信的实时性,从而满足工业现场的通信网络需求,这才是工业5G 的应有之义。
  为此,我们可以说,这一次,工业5G,能够传输实时工业协议的5G,能够保证实时性满足工业现场控制应用的5G,真的来了!(作者 | 石林才)
  附:5G行业标准的4个阶段
  ● 第一阶段:当前阶段,整个网络建设都是基于国际标准的第一版标准——5G基础标准R15,满足5G三大应用场景中的增强移动宽带场景(eMBB场景);
  ● 第二阶段:5G完整标准R16聚焦完善的低时延、高可靠能力(URLLC场景);
  ● 第三阶段:5G增强标准R17主要针对中高速大连接的物联网场景(mMTC场景);
  ● 上述三个版本覆盖了5G的三大应用场景以及基础性问题;
  ● 第四阶段:R18开启5G的第二个阶段即5.5G的标准(5G-Advanced),有5G与人工智能融合等全方位的能力提升和场景拓展。