浅谈工业互联网物理层关键技术的应用

叶友仁 吴宇庆

湖北邮电规划设计有限公司 湖北 武汉 430022

引言

2016年至今，国家层面不断推动传统的行业专网升级改造为新一代工业互联网。将传统的行业专网升级改造为新一代工业互联网，在当前技术条件下实现的路径可以考虑应用高可靠、大带宽、低时延的传送通道来替代原有的信息传送通道。

新一代工业互联网的物理层技术，可以用无源光网技术（Passive Optical Network），这个技术是比较成熟的，因而在工业应用也没有什么难题[1]。

新一代工业互联网的物理层技术，还可以用5G技术。因为工业场景很多时候不太容易布放光纤，但是需要连接很多机器、工件、材料、人等是活动的，所以存在很多无线联网需求；过去行业专网所使用的无线技术的稳定性、扩展性性能不够高，很难满足工业应用的需求，导致无线技术在工业应用比例也就4%左右。5G技术作为一种国际标准化的物理层技术，具备很好适应工业应用的潜能。

1 无源光网技术的应用

光纤具有带宽容量大、损耗低、支持长距离传送、抗电磁干扰能力强、安全性能和保密性好的优点，这些优点可满足企业在智能化数字化转型升级过程中的性能需求，同时又可以保证其网络的安全、便捷和易用。2020 年 ETSI 正式成立了第五代固定网络工作组（F5G），研究全光网络建设，发展目标是通过将光纤技术全面应用于各种场景，将现在的光纤到家进一步推进到光联万物[2]。

相较于传统铜缆以太网技术，无源光网具有以下优点：通过无源器件组网，受电磁干扰和雷电影响较小；支持采用自愈形网络，支持并联，切换时间短、抵抗失效能力强；点到多点传输架构，支持终端并行接入，部署灵活。工业无源光网不只是将工业以太网或工业总线简单承载在光纤中进行传输，而是采用已在公用电信网络中广泛应用的网格化管理、时分复用、波分复用等技术，为用户提供兼具保障性和扩展性的综合解决方案。

1.1 网格化管理技术的应用

网格以地理区域为基础，根据网络特征划分的若干个单元地域：对于新一代工业互联网而言，地理区域通常以办公楼、车间进行划配；对于工业无源光网而言，网络特征通常以一到两个中心局站（含有源设备和光配线架）和若干个网格（内含有内光交接箱、光分路器、光分纤箱）为单位进行划配。

网格化管理技术对新一代工业互联网的健康持续发展具有重要意义：首先划小网络规划单元，可以细化需求、指引网络发展，实现精确化管理，提高网络资源配置精确性和投资效益；其次实现建设、维护、应用等部门一致的网络能力统计口径，有助于将网络能力及时有效地转化为发展支撑能力。

1.2 网络拓扑结构及光纤复用技术的应用

网络的拓扑结构分为逻辑拓扑结构和物理拓扑结构两个概念。

逻辑拓扑结构指各种通道（诸如光波长、时隙和频率等）在光纤中的使用方式，反映了网络的逻辑形状和逻辑上的连接性。逻辑拓扑结构影响业务特性，例如单向广播还是双向宽带业务，相对比较容易修改，无源光网的逻辑拓扑结构是点到多点的星形连接，与增加分支的数量或增加网络容量相关的物理层技术可以选择应用时分复用或波分复用，以扩展光纤的使用效率。

物理拓扑结构指实际物理节点的布局和连接光缆拓扑形状，反映了网络的物理连接性。物理拓扑结构决定了确定结构、可靠性，通常很难更改，在较长时间内有一定的稳定性。无源光网中心局站和各个网格内光交接箱等两类物理节点，它们之间的连接的物理拓扑结构以采用环形为宜；而网格内所包括的光交接箱、光分路器、光分纤箱、传感器或控制器等物理节点，它们之间的连接的物理拓扑结构有三种选择：星形、树形、总线形。

1.3 其他技术的应用

远端光网络单元（ONU）一般采用的预制连接头、光电混合缆等技术使施工现场无须熔纤、布线和施工简便快捷，设备无须取外电具有无源光网络的基本特点、降低了工业无源光网的部署要求。

1.4 应用实例

某机场T3航站楼单体建筑总面积约37万平方米，内部机房和管井情况复杂。某无线网覆盖该航站楼，需要在全楼共安装分布在371个无线点位的小基站设备；承载无线网的无源光网络只能使用专用水平桥架和67个电井，并需要全部回传到1个综合机房中，即为“1点对371个接入点星形逻辑结构”，如果简单沿用传统地物理网络“1点对67汇接点星形结构”，势必造成施工困难，网络稳定性和安全性得不到保证和经济性较差等问题。为克服以上困难，项目组在无源光网络组网模式的选择中，采用“网格化+分层组网”的方式：

①针对T3航站楼不同区域客户分布及用户行为习惯的不同，网络覆盖质量及容量需要有差异化，最终分为8个网格：办公区人流量小，房间隔断较多，规划了B1F办公区网格、1F办公区网格；值机大厅及候机大厅为重点区域，规划有2F候机大厅的4个网格、4F值机大厅及候机大厅的2个网格；3F办公区及商业区为2F和4F的夹层，且人流量小，3F区域小基站被分别纳入2F和4F网格，因此没有单独设置网格。②无源光网络的顶层连接1个综合机房和8个网格中心节点设备（BBU），采用光缆环网物理结构以保证网络安全和稳定性；无源光网络的底层链接无线小基站设备和网格内汇接点设备（Hub）、网格内汇接点设备（Hub）和网格中心节点设备（BBU），它们间采用星型和链式混合组网，以保证无源光网络资源占用经济合理。

经测算，实施此技术方案后，无源光网络当期光缆布放总量、管井和桥架占用情况较传统方案降低了将近30%；同时综合机房处光缆布放总量下降1个数量级，极大地降低了施工难度，加快了施工进度，节约了后期的运营成本。

2 无线技术的应用

2.1 企业内网场景的应用

5G在企业内网的应用有三种模式：第一种模式是企业自己建设一个独立的5G网络；第二种模式是基站部分是用运营商的、管控部分由企业负责；第三种模式是基站和管控部分全都交给运营商、企业聚焦于平台应用。这三种模式都不复杂、容易实现，总的来讲5G技术是企业内网的无线技的主导技术。

现在有一些企业关注第一种模式：提出来需要申请专用的频率，来自建一个5G的专网，这里可以实现灵活的按需配置整个时隙的上行实施，不需要考虑公网时隙上行配对的兼容问题。但是这样一个5G的企业专网需要有专用频率，测算下来至少要给76MHz，德国分配了100MHz。而对于第二种和第三种模式需要探讨的是：5G公网主要面向个人用户的应用，在TDD模式中配置的下行容量大、上行容量小；而工业上的应用是相反的，一般海量的传感器要上报数据；两者时隙配置是不一样的，如果在同一个网络中，为避免互相干扰需要有一定的保护隔离，异配置网络需要非常灵活的运营管理体系和网管调度平台，这恰恰是通信业一直以来的短板。

当然除了利用5G以外，企业内网还可以用wifi6，wifi6带宽比较高，wifi6利用2.4GHz频段和5GHz频段，它的好处是不需要授权，但是问题是不授权的频率会有干扰，所以wifi6的使用是要考虑干扰的问题，通常只用于办公信息化部分，应避免应用在企业的生产控制部分和应用维护部分。

2.2 企业外网场景的应用

企业的外网通常租用运营商的专线实现虚拟专网，运营商当前在力推基于有线网络的云计算技术。如果企业有需要使用无线技术，企业还可以以5G网络切片方式从运营商获得供一个虚拟5G私有云。R16以上版本的5G技术为工业互联网设计很多功能，但是技术成熟还要在2022年后。对于大部分时延和带宽两方面要求不高的工业应用，4G网络的NB-IOT技术也是可以满足的，缺陷是虽然已经商用多年但是综合成本仍旧居高不下，希望5G技术开发者要从中吸取经验教训[3-6]。

2.3 其他

由于“工业互联网+5G”呈现出需求碎片化、个性化、定制化、技术体制和标准多样性等特点，2021年6月工业和信息化部印发的《工业互联网和物联网无线电频率使用指南（2021年版）》指出：“行业用户可根据应用场景、服务对象、安全可控和运营成本等因素，选择公众移动通信系统、专用移动通信系统、2400MHz、5100MHz和5800MHz频段无线接入系统（无线局域网）、微功率短距离无线电发射设备的一种或多种技术组合”。

3 建设新一代工业互联网的必要性

新一代工业互联网到底在企业的哪些环节发挥了作用？企业升级改造传统行业专网，我们推荐尝试应用“5G+光纤”替代现场总线、Wi-Fi等原有的信息传输通道，基于5G和无源光网技术的工业互联网实践中所展现的高质量特性，使其在工业的研发设计、生产制造、质量管控、供应链管理、应用维护这五大环节都引发了非常重大的创新作用。在研发设计阶段，将能使用5G+AR（Augmented Reality，增强现实技术）、5G+VR（Virtual Reality，虚拟现实技术）来实现研发的协同。在生产制造阶段，能使用5G+信息采集和5G+机器视觉来促进数字孪生的实现，也有使用5G+AGV（Automated Guided Vehicle，自动巡航车）来实现无人仓储。传统的AGV因为使用Wifi来实现，在使用过程中受到干扰AGV经常跑丢或AGV经常会停下等等这些问题，而5G有效地解决了这种问题，实现了AGV的自动导航，也实现了AGV的实施调度，那么这种网络升级性应用目前来看最容易形成市场的一类运用。5G+高清视频和5G+机器视觉这种预测性维护来实现质量管控。在供应链环节，通过5G+超高清视频实现供应管理实时化；维护阶段通过5G+AR/VR的方式来实现远程的运维和培训。曾有人对2020年“创新杯”5G+工业互联网试点案例进行了分析和统计，显示业内探索的案例数在生产制造环节最多达到了53%，而在应用维护环节紧跟其后的达到了26%，质量管控环节则达到了16%。

综上所述，信息传输技术的替代性比较强，我们只是用5G和光纤这两种高可靠、大带宽、低时延的传送通道来替代原有的信息传送通道，已经存在的工业控制和管理信息化基本应用即使维持原样，也可以很快速地实现工业用超高清视频、AR、VR 以及机器视觉等场景，直接有效地在功能、性能和用户体验等各个方面升级现有的工业应用。

需要特别指出的是，超高清视频的融合应用已进入应用成熟期，将成为工业互联网领域的首选应用场景；AR、VR 以及机器视觉等应用已进入高速发展期，经济价值逐渐显现，预计2022年前后将成为工业互联网的主流应用场景；5G+AGV、5G+无人机、5G+远程控制和5G+机器人等应用或涉及工业核心控制环节，或受限于与设备深度融合的需求，还需等待产品成熟，未来几年将有较快发展[7]。

4 结束语

工业互联网在发展的过程中需要逐步适配各类复杂工业场景，支撑企业在新的经营环境下对网络不断增长的要求，并逐步影响工业领域对先进网络技术的认知和吸纳，以助力企业的数字化和智能化转型升级。第四次工业革命能否因工业互联网而加速实现？让我们拭目以待。