工程学8（2022）18意见和评论工业无线控制网络：从WIA到未来于海滨a，b，c，#，曾鹏a，b，c，#，徐迟a，b，c，#a中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室，沈阳110016b中国科学院网络控制系统重点实验室，沈阳110016c中国科学院机器人与智能制造研究所，中国沈阳1101691. 介绍随着信息、通信和操作技术的深度融合，工业自动化正在经历一场重大的变革随着这一趋势的发展，工业无线控制网络（IWCN）对工业自动化越来越有吸引力，因为它们可以帮助加快生产效率，降低成本，增强安全性，最终实现智能制造[1]。为了实现上述目标，IWCN必须满足工业自动化的各种关键通信要求，例如高可靠性，强实时性，小抖动，低成本，低功耗和高安全性[2]。然而，IWCN总是在具有极其有限的通信资源的恶劣工业环境因此，在过去的几十年里，学术界和工业界在发展IWCN方面付出了巨大的努力。特别是，WirelessHART、ISA100.11a和工业自动化-过程自动化无线网络（WIA-PA）是为过程自动化开发的，而传感器和执行器无线接口（WISA）、工厂自动化无线传感器执行器网络（WSAN-FA）和工业自动化-工厂自动化无线网络（WIA-FA）是为工 厂 自 动 化 开 发 的 [3-5] 。 到 目 前 为 止 ， Wire-lessHART 、ISA100.11a、WIA-PA和WIA-FA是国际电工委员会发布的仅有的四个国际IWCN标准最近，国际电信联盟和第三代合作伙伴计划（3GPP）提出开发用于工业控制的超可靠低延迟通信（URLLC）[6]，作为三种5G场景之一。通过这种方式，基于云的工业控制将成为可能，因为URLLC基于远程5G广域网。这与现有的基于短距离无线个人区域网或局域网的IWCN完全不同。目前，URLLC虽然已经标准化，但其在垂直行业的应用仍在测试中，尚未商业化大规模部署。这主要是由于5G在工业中的应用并没有像工业以太网那样经历一个稳定的演进过程，不同的工业应用有着不同的通信需求。通常，大多数工业企业没有频谱许可证，并希望建立专用网络以增强其安全性和隐私性，而商用5G网络则由移动运营商在许可频谱中进行管理。而且，大多数工业控制应用仍在工业领域，没有必要将所有工业数据都传输到广域互联网上。因此，如何在非授权频谱上实现URLLC以满足恶劣环境下现场级工业控制的关键需求是最具挑战性的问题之一为了应对这一挑战，最近基于5G的空中接口开发了工业自动化新无线电（WIA-NR）无线网络，以实现非授权频谱上的URLLC[7]。目前，WIA-PA、WIA-FA和WIA-NR已经形成了一个完整的技术家族（即用于工业自动化的无线网络（WIA）），以覆盖不同的工业应用，并将根据工业需求进一步发展。然而，来自垂直行业的各种需求不断推动IWCN的发展，如URLLC向6G的发展。因此，3GPP建立了研究增强型URLLC的新工作项目[8]。世界此外，还定义了大规模URLLC和宽带URLLC[11]。总而言之，6G中的URLLC应该实现小于0.1 ms的延迟和高于99.9999999%的可靠性。这种性能将确保高精度的工业控制，如微纳米遥控操作和精密加工。随着URLLC的不断增强，WIA-NR也将向6 G演进。由于WIA家族是由同一个团队开发的，具有相似的技术路线，本文介绍和比较了该技术家族，并讨论了6G时代WIA的未来#这些作者对这项工作做出了同样的https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.06.0242095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engH. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）18192. WIA系列2.1. 系统架构WIA定义了一组物理设备，包括主机计算机、网关设备、现场设备、手持设备和路由设备/接入设备/基站。 有了这些设备，WIAformulates不同的拓扑结构，如图所示。1.一、具体地，WIA-PA采用星形或分层相比之下，WIA-FA采用冗余星型拓扑。此外，WIA-NR定义了支持设备到设备（D2 D）和协调多点（CoMP）通信的分层星形拓扑。针对不同的网络拓扑结构，WIA采用集中式管理、混合式集中式管理和分布式管理两种系统管理体系结构。具体而言，WIA-PA支持这两种架构，而WIA-FA和WIA-NR分别仅支持前者和后者架构。2.2. 协议栈如示于图 2、WIA基于开放系统互连（OSI）参考模型定义其协议栈。WIA-PA完全采用IEEE 802.15.4作为其物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层，并定义了自己的数据链路子层、网络层（NET）和应用层（APP），其中MAC子层和数据链路子层包括数据链路层（DLL）。WIA-FA仅采用IEEE 802.11的PHY，并定义了DLL和APP。相比之下，WIA-NR采用了5G的PHY，MAC和无线链路控制层，而没有其他协议层用于广域通信，并定义了APP。请注意，只有WIA-PA定义了NET，因为路由设备在网状拓扑中是无线连接的，并且寻址/路由必须在NET中定义，而接入设备或基站使用有线连接，其功能不由WIA-FA或WIA-NR定义。在PHY中，WIA采用未授权频谱用于全球利用，其中WIA-PA和WIA-FA工作在2.4GHz频带上，而WIA-NR工作在5GHz频带上。因此，采用先听后说机制来在信道接入之前满足频谱规则。这也是WIA-NR与商用5G最重要的区别之一。PHY的基本参数总结在表1中[4，5，7]。在DLL中，为了实现无冲突通信，WIA为时隙通信定义了不同的时隙/时隙结构，设计了多信道接入、自适应跳频和时间同步方案，提高了可靠性和时效性。在应用程序中，多个用户应用对象（UAO）根据给定的虚拟通信关系（VCR）实现分布式工业应用，VCR描述了UAO之间的通信资源和通信路径。更重要的是，WIA通过隧道或协议转换为异构工业通信（例如，这大大增强了其与现有工业自动化系统的互操作性。3. 关键技术3.1. 确定性时隙通信为了实现确定性通信，WIA采用时隙通信，其中时隙是分组交换的基本时间单位，并且其长度是可配置的。 如图在图3中，WIA-PA和WIA-FA进一步定义了超帧，而WIA-NR定义了帧和子帧，所有这些都基于以恒定速率循环重复的时隙的集合。具体地，WIA-PA基于IEEE 802.15.4信标使能超帧来定义其SNR，该超帧由信标、活动时段和非活动时段组成活动时段还包括竞争访问和无竞争时段，而非活动时段包括集群内通信、集群间通信和休眠时段。WIA-FA的默认时隙由信标时隙、上行链路共享时隙和可用于管理和数据传输的下行链路时隙组成与此相反，5G灵活的numerology，WIA-NR通过将子载波间隔设置为2l× 15kHz来支持多种帧，其中l= {0，1，2，3，4}是numerology。由于一个帧的长度固定为10 ms，因此一个帧可以由不同数量的时隙组成其可以是下行链路/上行链路时隙、下行链路/上行链路自包含时隙或灵活时隙。3.2. 具有自适应信道跳变的WIA采用多信道接入方案，结合信道跳变，提高了系统的容量和可靠性。具体地说，WIA-PA采用频分多址（FDMA）实现多信道接入，并结合时分多址（TDMA）来提高系统容量。同时，WIA-PA定义了三种信道跳变方案，即自适应频率切换、自适应跳频和时隙跳变图1.WIA的网络拓扑（a）WIA-PA的分级D2 D：设备到设备; CoMP：坐标多点。H. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）1820图2. WIA协议栈。“和;表示该层的功能（当存在时）可以根据箭头的方向被包括在协议层中。现场视察：开放系统互连参考模型; 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：载波侦听多址; MAC：媒体访问控制; PHY：物理层; DSSS：直接序列扩频; FHSS：跳频扩频; OFDM：正交频分复用; CCK：互补码键控; PBCC：分组二进制卷积码; MIMO：多输入多输出。表1PHY的基本参数参数WIA家族WIA-paWIA-FAWIA-NR频谱2.4 GHz频段2.4 GHz频段5ghz频带带宽（MHz）5二十四十20、40、80、100、120、140、160传输模式调制DSSSO-QPSKDSSS、FHSS、OFDM、CCK、PBCCBPSK、QPSK、16QAM、64QAMOFDMBPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM最大速率天线250 kbps单天线54 Mbps单天线100 Mbps多天线BPSK：二进制相移键控; QPSK：四相相移键控O-QPSK：偏置QPSK; QAM：正交调幅kbps：每秒钟的计数; Mbps：兆位每秒。跳频，其优于盲信道跳频的优点在参考文献[12]中得到验证。WIA-FA采用被划分为不同集合的多个接入设备，用于使用FDMA在不同信道上进行并行接入。类似地，WIA-FA还支持自适应信道跳变。对于WIA-NR，每个基站配备用于多输入多输出（MIMO）传输的多个天线，并且多个基站应用CoMP。此外，WIA-NR定义了三级自适应信道跳变，包括根据分组丢失率或重传的基于时隙、基于子帧和基于帧的自适应信道跳变。3.3. 聚合与分解为了减少通信流量并提高能量效率，WIA定义了在不同协议层中实现的不同聚合和解聚合方案，如图2所示。WIA-PA定义了一个两级聚合方案，NET上的聚合和APP上的数据包聚合WIA-FA在DLL中定义了帧聚合，并支持在APP中对过程数据进行聚合和WIA-NR在APP处定义了用于上行链路和下行链路数据传输的两级数据聚合方案。3.4. 工业数据优先级调度为了满足不同的工业应用，WIA根据它们的优先级执行通信调度，如表2所示，其中优先级以降序给出。针对不同的优先级调度，WIA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）和报告源/接收器（R/S）。这里，C/S支持动态和非周期性非实时数据的单播通信，P/S支持周期性实时数据的单播和多播通信，R/S支持非周期性数据的单播和多播通信H. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）1821图3. WIA框架：（a）WIA-PA框架，（b）WIA-FA框架，（c）WIA-NR框架。表2WIA的工业数据优先权调度机制WIA家族WIA-PA WIA-FA WIA-NR数据优先级命令，过程数据，正常，报警紧急数据、定期过程数据、非定期非紧急数据、周期性管理数据和非实时数据非周期性关键数据、周期性关键数据、非周期性非关键数据和周期性非关键数据通信模式C/S、P/S和R/S--C/S：客户端/服务器; P/S：发布者/订阅者; R/S：报表源/接收器。例如警报、警告或事件。为了实现这些通信模式，我们可以使用C/SVCR、P/S VCR和R/S VCR。4. 性能和应用随着技术的改进和标准化，WIA正在深入不同的工业应用。图4显示了WIA[4，5，7，12WIA-PA作为最早发展起来的WIA技术，已经应用了十多年。其产品成熟，已占领中国市场的一部分。目前，WIA-PA可以支持多达1000个节点的大规模网络，典型速率为250千比特每秒（ kbps ），其中占空比为 0.18% 的路由器的平均功率低至0.63mW[13]。同时，WIA-PA实现了超过99.3%的可靠性和小于100 ms的端到端延迟。采用多源高精度时钟同步技术，WIA-PA甚至可以支持实时闭环控制，将访问延迟从1 s降低到10 ms。迄今为止，WIA-PA已被用于石油、石化、冶金和电网等多个行业的工业测量、监控和过程控制。H. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）1822图4. WIA的表现WIA-FA于2017年标准化，已通过产品测试阶段，并正在扩大其实际应用。目前，WIA- FA实现了高于99.99%的可靠性和小于10ms 的 延 迟 ， 并 可 支 持 至 少 100 个 节 点 ， 速 率 为 54 兆 比 特 每 秒（Mbps）。WIA-FA已用于工业多媒体通信和离散制造业的闭环控制，例如数字车间中的机器人监控和控制，以及物流分拣系统中的自动引导车辆[5，14]。相比之下，WIA-NR尚未实际部署，因为WIA-NR的发展刚刚开始对应于5G。因此，WIA-NR仍在开发和测试中。目前，系统级仿真和实验测试都表明，WIA-NR可以实现超过99.999%的可靠性和小于1 ms的延迟[7]。这样的性能符合5G的基本目标，可以支持运动控制。但对于更为关键的工业控制，其及时性和可靠性还应进一步提高增强同时，这样的性能也与6 G的目标相去甚远，从而激励我们进一步向6 G演进WIA-NR。5. WIA向6G由于没有单一的工业通信技术可以解决多种工业需求，现有的IWCN（例如，WirelessHART和WIA-PA）或工业以太网（例如，PRO-FINET和ModBus）将在短期内被5G或6 G取代。也就是说，从长远来看，多种工业通信技术将因此，我们建议建立一个异构的层次结构，为未来的IWCN在工业领域。如图5所示，WIA-NR为工厂提供粗粒度覆盖，而诸如WIA-PA和工业以太网的现有工业通信网络继续在工厂的局部区域中提供细粒度覆盖WIA-NR与工厂骨干网相连，进一步与制造执行系统（MES）或企业资源计划（ERP）建立通信联系通过这种方式，超可靠和低延迟的WIA-NR负责关键的工业控制，而低功耗和低成本的WIA-PA则负责大规模的工业监控和测量。为了实现这一模式，我们面临着以下挑战，这些挑战应该在6G时代得到解决。(1) 异构互连。为了使用WIA-NR实现异构工业网络的统一接入，我们需要解决协议适配问题。挑战在于工业企业已经开发了数百种具有不同栈、数据格式和传输速率的工业有线或无线通信协议。一种很有前途的方法是由网关直接解析不同的协议对于这种情况，我们可以在每个工业协议与WIA-NR之间建立虚拟映射关系，并进行协议转换。然而，一些工业协议可能不开放用于分析。对于这种情况，我们可以利用隧道技术进行透明传输。如何保证协议解析和转换的及时性此外，我们还可以增强WIA图5.工业领域的未来IWCNMES：制造执行系统; ERP：企业资源规划; VR：虚拟现实; AR：增强现实。H. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）1823通过部署用于边缘计算和缓存的分布式边缘计算服务器。通过这种方式，WIA-NR可以支持具有硬时效性的复杂协议操作，从而满足时间关键的工业应用。(2) 和谐共处。由于WIA-NR在非授权频谱上运行，因此必须深入研究异构工业网络的抗干扰通信和和谐共存，以实现超可靠通信。通常，资源分配和功率控制是降低干扰和提高可靠性的基本方法。 然而，如何准确地评估整个信道的状态，实现实时的接入控制是最重要的问题。具有动态频谱接入能力的认知无线电一直被认为是IWCN实现超可靠通信的一种选择[15]。此外，随着人工智能的快速发展，智能无线电[16]可以进一步增强非授权频谱上的认知能力。未来，智能无线电赋予的WIA-NR可以战胜工业环境中的随机干扰，并与非授权频谱中的WiFi等其他无线网络和谐共存。(3) 能源效率智能收音机加上其他新功能将大大提高能耗。因此，下一个问题是提高WIA-NR的能量效率。能量收集是提供可持续能源供应的一种有前途的方式，因为该技术可以从环境能源中持续地回收能量。因此，已经针对异构网络的共存研究了能量收集认知无线电网络[17]。最近，提出了智能共生无线电[18]，以同时提高频谱和能量效率。它被认为是6G的关键技术，也应该是未来IWCN的研究课题。通过这些关键技术，我们的目标是推动WIA-NR支持大规模URLLC长期运营。(4) 绝对时间同步在工业自动化中，为保证协调控制，要求时间绝对同步且抖动小。例如，多个机器人合作执行需要等距操作的任务。显然，协作机器人必须实现绝对时间同步。这与5G中用户设备和基站之间的时间同步不同。由于在3GPP Release 16之前尚未研究绝对时间同步，因此它仍然是一个重大挑战。因此，我们建议研究3GPP中异构分层IWCN的绝对时间同步[19，20]。在实际应用中，如何提高时间同步的精度和减小抖动是保证等时操作鲁棒性的一个重要问题。(5) 多优先级联合调度。对于异构层次IWCN，联合调度是必不可少的，因为控制器通常与属于不同网络的大量传感器和执行器交互。在这种情况下，WIA-NR的集中式和分布式混合管理架构应该是更有效的。由于不同的IWCN采用不同的调度方案，网间联合调度比网内联合调度复杂为了支持多个工业数据优先级，混合关键度调度[21]是保证及时性和可靠性的有效方法，应在未来IWCN中进行深入研究对于这种情况，采用实时队列分类器，以方便网关的调度是必要的同时，不同协议间的跨层调度和优化也有助于简化调度问题。此外，重新定义统一的数据优先级方案也是受欢迎的，因为不同的工业网络定义不同的数据优先级方案。除了上述挑战和研究问题，实现异构层次IWCN面临着在6G时代需要妥善应对的诸多挑战。无论如何，升级甚至重新设计一个新的IWCN以积极拥抱垂直行业总是比消极等待当前的IWCN被行业使用要好。6. 结论本文研究了WIA技术家族WIA-PA、WIA-FA和WIA-NR的现状和发展前景。首先介绍了IWCN的背景，分析了IWCN的关键通信需求和发展挑战，然后讨论了6G时代IWCN技术创新的动力。然后，我们通过比较不同的系统架构和协议栈来概述WIA其次，总结了WIA的关键技术、性能和应用最后，我们提出了一个异构的层次结构，为未来的IWCN和讨论的挑战和研究问题，WIA向6G发展。致谢本 工 作 得 到 了 国 家 重 点 研 究 发 展 计 划 的 资 助（ 2020YFB1710900 ） ， 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 62173322 和61803368），中国博士后科学基金（2019M661156）、辽宁振兴英才计划（XLYC1801001）、中国科学院青年创新促进会（2019202）。引用[1] Zhou J，Zhou Y，Wang B，Zang J.新一代智能制造背景下的人-网-物系统（HCPS）。工程2019;5（4）：624-36。[2] Wollschlaeger M，Sauter T，Jasperneite J.工业通信的未来：物联网和工业4.0时代的自动化网络。 IEEE Ind Electron Mag 2017;11（1）：17-27.[3] 黄伟光，彭志，陈昌嘉，曾锦芳.工业无线实际部署的新趋势：从非关键用例到关键用例。IEEEInd Electron Mag 2018;12（2）：50-8.[4] 梁伟，张X，肖Y，王芳，曾平，于红。工业无线网络WIA-PA规范综述与实验。无线通信移动计算2011;11（8）：1197[5] 梁伟，郑明，张军，施宏，于宏，杨勇，等. WIA-FA及其在数字化工厂中的应用：一种工厂自动化的无线网络解决方案。Proc IEEE2019;107（6）：1053-73.[6] 垂直领域自动化通信研究技术报告。第三代合作伙伴计划; 2018年。[7] 徐春，曾平，于红，金旭，夏春。WIA-NR：用于工业无线控制网络的超可靠低延迟通信，通过免许可频段。IEEE Netw2021;35（1）：258-65.[8] 增强的工业物联网（IoT）和超可靠低延迟通信（URLLC）支持NR。次报告. 第三代合作伙伴计划; 2020年。[9] MattiL，Kari L. 6G无处不在的无线智能的关键驱动因素和研究挑战。次报告.奥卢：奥卢大学;2019年。[10] Dang S，Amin O，Shihada B，Alouini MS. 6G应该是什么？Nat Electron2020;3（1）：20-9.[11] 放大图片作者：Jiang M，Chen M. 6G无线系统的愿景：应用、趋势、技术和开放研究问题。IEEE Netw 2020;34（3）：134-42.[12] Zheng M，Liang W，Yu H，Xiao Y.工业无线网络标准WIA-PA的性能分析。移动网络应用2017;22（1）：139-50。[13] 佛哈普岛WIA-PA和WIA-FA将被添加到IEC无线标准[互联网]。Schaumburg：Control Global; 2016年4月12日[引用日期：2020年10月30日]。可从以下网址获得：https://www.controlglobal.com/articles/2016/wia-pa-and-wia-fa-to-be-added-to-iec-wireless-standards/。[14] 梁伟，张军，施宏，王凯，王强，郑明，等.离散制造业WIA-FA和IEEE 802.11网络的实验评估. IEEE Trans Ind Inform 2021;17（9）：6260-71.[15] Chiwewe TM，Mbuya CF，Hancke GP.认知无线电用于抗干扰工业无线传感器网络：综述。IEEE Trans IndInform 2015;11（6）：1466-81.[16] 秦忠，周X，张L，高Y，梁永春，李国荣。从认知通信到智能通信的20年演进。IEEE Trans Cogn Commun Netw2020;6（1）：6-20.H. Yu，P.Zeng和C. 徐工程学8（2022）1824[17] 徐春，郑明，梁伟，于红，梁永春。具有RF能量收集的MIMO多跳认知无线电网络的端到端吞吐量最大化。IEEE TransWirel Commun 2017;16（6）：3561-72.[18] 梁永成，张强，拉尔森，李光荣. 共生无线电：未来无线网络的认知后向散射通信。IEEE Trans Cogn Commun Netw2020;6（4）：1242-55.[19] 半导 体工 业协 会。 R1-1714175 ： 用于 具有 时间 同步 要求 的异 构工 业网 络的URLLC[演示文稿]。于：3GPP TSG RAN WG 1会议90; 2017年8月21-25日;捷克共和国布拉格; 2017年。[20] 华为、海思、半导体行业协会。R1-1713753：讨论URLLC的空中时间同步[演示文稿]。在：3GPP TSG RAN WG 1会议90; 2017年8月21日至25日;布拉格，捷克共和国; 2017年。[21] Xia C，Jin X，Kong L，Zeng P.混合关键度工业无线传感器网络的需求边界。IEEE Access 2017;5：7505-16.
我的内容管理
展开
