国际电信联盟 ITU 为 5G 定义了三大应用场景,即 eMBB(增强型移动宽带)、mMTC(海量机器类通信)、URLLC(超可靠、低时延通信)。刚完成的 Release 16 对 mMTC 和 URLLC 做了统一的国际标准支持,主要研究内容为 eMBB 功能增强、毫米波增强、URLLC 增强功能等。

 

在实现 5G 从“能用”到“好用”的过渡中,进一步提升了支持工业互联网在内的垂直行业应用的能力。

 

mMTC 和 URLLC 两者中,究竟哪一个对工业互联网领域影响较大?

恩智浦半导体 Edge Process 事业部市场部经理高磊向笔者表示,很难说 mMTC 和 URLLC 哪个对工业互联网的影响更大。“但是从本次 R16 的进展来看,行业企业可能在 URLLC 的应用上很快会做更多的工作。因为对于 mMTC 来说,实际上在 R16 中已经明确 5G NR mMTC 的应用场景不会涉及 LPWA(低功耗广域技术),eMTC/NB-IOT 仍然将是 LPWA 的主要应用技术。而且 mMTC 在工作方向的要求与 NB-IOT 的工作特点高度吻合,甚至 5G 标准后来对 mMTC 关键指标的划分也是和 NB-IOT 一致的。

 

恩智浦半导体 Edge Process 事业部市场部经理高磊

 

目前 NB-IOT 其实已经被广泛部署,全球至少已经有超过 80 张 NB-IOT 的网建成。这个意思是说在海量广覆盖上,已经做了很多工作。而 URLLC 在 R16 还是有很大的进展的。最关键的是对高可靠低时延的应用场景有了明确的优化。比如对于 V2X, 电力系统——国家电网实际上是一张最大的工业物联网试验场,而电力系统真正的核心高电压保护,其实对 URLLC 的需求是很突出的,这也就是为什么国家电网要对 5G 投资近千亿人民币。”

 

5G+TSN,加速行业落地

R16 标准的完成,工业互联网将加速实现 5G 场景的应用落地。高磊认为,TSN 和 5G 专网作为当前热点,会快速发展。

 

首先,release 16 确定了对 5G+TSN(时间敏感网络)的支持,目前已经看到在电力,轨交,工业自动化产线都有国字号的团队在 TSN 上大量投入,对 5G +TSN 的研发也应该已经被提上日程。作为 IEEE 的标准,TSN 是工业 4.0 中 IT 和 OT 融合的重要助力。基于 5G URLLC 的低时延高可靠能力,满足 TSN 架构的四大严苛的功能需求:时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理。5G 与 TSN 融合后,可通过 5G NR 无线替代工厂内的有线网络,让工业生产更加柔性化。

 

其次,在无人运输小车,AGV 市场,因为 R16 的确定的低延时 URLLC,高精度 NR 定位,NR-U(Unlicensed Spectrum)等新的特点会被广泛重视。一些头部 AGV 厂商目前在这个方向都在大力投入。

 

另外,在大型矿山,大型工业自动生产厂区,除了 URLLC 和 mMTC 的应用,NPN 非公共网络和 NR-U 开放频谱在 R16 的支持,很快会有很多行业专网的研发迅速展开。这意味着,工厂或园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出园区,可满足工业领域严苛的数据安全、低时延和高可靠需求。

 

TSN 如何赋能工业互联网?

为了向工业应用提供明确的以太网演进方向,IEEE 定义了 TSN,用以支持实时、可靠的网络。TSN 网络技术未来将无处不在,代表了工业以太网的下一步发展方向,支持 TSN 的以太网对物联网和工业 4.0 的发展具有重要作用。GE 预测,到 2020 年底,工业互联网市场的规模将达到 2250 亿美元。NXP 在多年前就开始布局 TSN 技术的研究,目前已经形成了从 switch, gateway 到 node 计算节点的一系列 Soc 产品,覆盖 MPU 网络处理器 layerscape 和应用处理器 i.MX,高性能跨界 MCU  i.MX RT 系列产品。这里我们想特别说明,未来 TSN 技术的应用一定会和边缘计算能力结合,这样才可以真正构建云、管道、边缘计算节点的工业互联网体系。

 

 

恩智浦半导体推出最新的 QorIQ Layerscape SoC LS1028A,该器件根据 IEEE 802.1 标准要求设计,集成了时间敏感型网络(TSN)功能。它同时还有两个 Cortex A72 CPU 核和 GPU,配合 NXP 推出的 Open Industrial Linux,完美支持了 TSN 的所有协议。与 5G 网络连接,就是一个完整的无线到有线的接入 TSN 网关,同时还可以具有边缘计算节点和 HMI 界面的能力。

 

在工业以太网的 node 端,已经发布并即将量产的恩智浦应用处理器 i.MX 8M Plus 能够提高工业生产力和自动化,可检测、测量、精确识别对象,并通过准确检测机器操作异常情况实现对设备的预测性维护。此外,通过将准确的人脸识别、语音 / 命令识别和手势识别相结合,工厂人机界面可以更直观、更安全。i.MX 8M Plus 支持工业 4.0 IT/OT 融合,将千兆以太网与时间敏感型网络(TSN)相集成,结合 Arm Cortex M7 实时处理功能,提供确定性网络连接和处理。

 

另一方面相对更加低成本和更广泛使用的工业边缘计算节点会以高性能 MCU 为主,集成了 TSN 技术的恩智浦 i.MX RT1170,包含了运行速度达 1GHz 的 Arm Cortex-M7 内核和运行速度达 400MHz 的 Cortex-M4 的双核架构、2D 矢量图形加速器、恩智浦像素处理流水线 (PxP) 2D 图形,以及恩智浦先进的嵌入式安全技术 EdgeLock 400A,最关键的它提供商业级的 TSN 协议栈,可以帮助客户快速完成产品设计到量产的迭代。

 

热点与趋势之下,企业从何切入?

面向工业互联网应用,随着 R16 标准的完成,引入新技术支持 1 微秒同步精度、0.5-1 毫秒空口时延、“6 个 9”可靠性和灵活的终端组管理,最快可实现 5 毫秒以内的端到端时延和更高的可靠性,提供支持工业级时间敏感网络(TSN,Time Sensitive Networking,时间敏感网络)。

 

这些关键能力的加入,将从底层网络架构标准方面推动工业互联网应用的快速落地。业内普遍认为,有了底层网络标准的推动,工业互联网的商用落地指日可待。那么,在 R16 标准冻结初期,行业企业应该从何切入部署? 

 

NXP 致力于助力 5G 与工业互联网应用快速部署。

 

提及恩智浦,人们对它的第一印象往往是汽车芯片的龙头大厂,但实际上纵观无线移动网络的发展历程,恩智浦在其中也一直扮演着浓墨重彩的角色。从第一部蜂窝电话的诞生*,2G 时代领先全球的手机基带芯片,3G 时代恩智浦的产品大力支持了中国的 TD-SCDMA 技术的真正商用,4G 时代成为全球领先的基站射频功率器件供应商,到 5G 时代恩智浦专注的市场已经覆盖工业 /IoT,汽车,移动设备和通信基础设施四大领域。恩智浦也很早就布局工业 4.0,AI,IoT,V2X 等多个最新的技术上升方向。无疑,5G 技术正是在多个领域实现真正“万物互联”的基石之一。

 

5G 时代,恩智浦专注的市场已经覆盖工业 /IoT,汽车,移动设备和通信基础设施四大领域。

 

从技术角度看,对于工业 4.0 等高级应用,恩智浦优化了从天线到处理器等多方面功能。通过高度灵活、基于软件的解决方案为其提供支持,并得到了软件供应商生态系统的协助以提供完整的解决方案。由于是 SDR(software design radio)的产品,具有很好的软件定义升级特性,可以满足 release15,16 等后续演进。

 

针对 5G 工业互联网,除了持续关注支持运营商市场,逐渐涌现出越来越多的垂直行业市场的需求。因为工业 4.0 使用高度自动化、智能和协作的信息物理系统,这些系统需要非常稳定、低延迟的无线连接。5G 标准通过两种方式满足工厂自动化的需求——通过 5G NR 无线电通信技术和通过 5G 系统架构。在无线电通信中,灵活参数集、空间分集、多点协作(CoMP)操作、精确到厘米的定位、QoS 和频谱结构的灵活性(包括工作在非授权的 NR 频段)等特性能够提高网络的稳定性,并减少网络延迟。在 5G 系统中,网络切片、增强的安全性、全新身份验证方法、易用的边缘云部署以及支持时间敏感网络(TSN)等功能增强了 5G 对工厂自动化的支持。结果就是,越来越多的制造业、能源、采矿、配电、物流和其他领域的企业开始转向专网。他们正在远离传统的网络运营商,创建他们自己的无线网络。

 

借助 URLLC,工厂车间的无线连接将变得异常稳定,并且可以以接近或低于一毫秒的端到端延迟速率运行。超高可靠性、高可用性和超低延迟的结合意味着 URLLC 可以为使用人工智能、增强现实和先进机器人技术的智能工厂提供支持。5G 的 URLLC 功能使蜂窝网络具备推动工业自动化更进一步的能力。得益于 5G 为工业自动化提供的诱人承诺,包括德国和日本在内的多个国家已经在这类部署中分配频谱以供 5G 专网使用。

 

在网络边缘,最快落地的是一些基于边缘计算的应用,会集中在 AI/ML,边缘侧存储的低成本方案。而在边缘侧的扩展,一个典型需求来自于 TSN 技术的持续发酵。

 

网络边缘侧的安全至关重要

随着工业互联网的发展,终端设备数量呈指数级增长,工业控制系统向互联网的转移,与企业其他业务应用程序的整合 ... 网络安全面临着前所未有的严峻形势,工业互联网面临新的安全挑战。

 

恩智浦从网络边缘侧讲解了安全的至关重要性。高磊说道,“如果将工业物联网的终端设备最终都会接入云作为一个讨论背景,我认为管道侧的安全其实做的相对还是不错的。更多的问题可能出在边缘侧设备,因为边缘设备接入数量巨大,成本要求高,品类繁杂,很难管控。因此边缘安全至关重要,所需功能包括安全启动信任锚、片上加密、安全配置、双向设备认证、安全设备管理、空中 (OTA) 安全升级更新和生命周期管理。

 

为支持边缘安全,恩智浦创建了可扩展的 EdgeLock 产品组合,其中包含安全元件、安全身份验证器、应用处理器和 MCU 的嵌入式安全功能。比如 i.MX 系列产品采用先进的 EdgeLock 嵌入式安全技术,包括资源域控制器、Trust Zone、HAB、加密启动、采用 RSA 和椭圆曲线算法的公共密钥加密。EdgeLock 赋予边缘节点完整性、真实性和隐私性,从边缘到网关再到云,提供充分的安全性保障。”

 

工业互联网痛点何在?

恩智浦专注的市场目前覆盖工业 /IoT,汽车,移动设备和通信基础设施四大领域。在工业 /IoT 方面,连接+边缘计算+安全应该是未来公司发展的动力。恩智浦是连接芯片的市场领导者,拥有包括 UWB,Wi-Fi,NFC,RFID 和 Bluetooth 等完整的产品组合。“边缘”即将催生重要创新,包括越来越多的低成本和低功耗传感器和处理器应用,以及 AI/ML 和安全性方面的新成果。

 

尽管行业布局已久,R16 标准的完成也补齐了 5G“能力三角”,提升了工业互联网在数据传输、通信等方面的性能。但是从工业互联网行业的发展和落地来看,仍存在痛点。

 

高磊强调,可以肯定的说工业 4.0 目前的发展是遇到了一些阻力的,目前还没有看到真正的 IO 和 OT 融合的大行业变革案例。当然这个进展的过程需要各种新技术的助力,比如 5G 就是工业互联网的巨大助力,网络问题的解决又是工业 4.0 的助力。

 

工业互联网目前已经处于大变革开始的爆发期,各种工业现场总线终将向以太网化方向发展,多种工业以太网协议都会向 TSN 方向发展,有线向无线发展。目前主要的问题还是集中在工业互联网行业实际上的门槛较高,头部企业实际上对于新技术一方面保持跟进,另一方面也面对大船难掉头的困境。

 

同时,推动工业互联网发展的根本动力——网路边缘侧的应用目前还处于技术积累期,被看好的 V2X,AI/ML 等还在初级螺旋上升阶段。在边缘侧,看到越来越多的 AI/ML 应用呼之欲出却又迟迟没有商用,这些都影响了工业互联网的快速演进。

 

可见,趋势已来,挑战仍在。