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國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU 為 5G 定義了三大應(yīng)用場(chǎng)景，即 eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量機(jī)器類通信）、URLLC（超可靠、低時(shí)延通信）。剛完成的 Release 16 對(duì) mMTC 和 URLLC 做了統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)支持，主要研究?jī)?nèi)容為 eMBB 功能增強(qiáng)、毫米波增強(qiáng)、URLLC 增強(qiáng)功能等。
在實(shí)現(xiàn) 5G 從“能用”到“好用”的過(guò)渡中，進(jìn)一步提升了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的垂直行業(yè)應(yīng)用的能力。
mMTC 和 URLLC 兩者中，究竟哪一個(gè)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域影響較大？
恩智浦半導(dǎo)體 Edge Process 事業(yè)部市場(chǎng)部經(jīng)理高磊向筆者表示，很難說(shuō) mMTC 和 URLLC 哪個(gè)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的影響更大?！暗菑谋敬?R16 的進(jìn)展來(lái)看，行業(yè)企業(yè)可能在 URLLC 的應(yīng)用上很快會(huì)做更多的工作。因?yàn)閷?duì)于 mMTC 來(lái)說(shuō)，實(shí)際上在 R16 中已經(jīng)明確 5G NR mMTC 的應(yīng)用場(chǎng)景不會(huì)涉及 LPWA（低功耗廣域技術(shù)），eMTC/NB-IOT 仍然將是 LPWA 的主要應(yīng)用技術(shù)。而且 mMTC 在工作方向的要求與 NB-IOT 的工作特點(diǎn)高度吻合，甚至 5G 標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)對(duì) mMTC 關(guān)鍵指標(biāo)的劃分也是和 NB-IOT 一致的。
恩智浦半導(dǎo)體 Edge Process 事業(yè)部市場(chǎng)部經(jīng)理高磊
目前 NB-IOT 其實(shí)已經(jīng)被廣泛部署，全球至少已經(jīng)有超過(guò) 80 張 NB-IOT 的網(wǎng)建成。這個(gè)意思是說(shuō)在海量廣覆蓋上，已經(jīng)做了很多工作。而 URLLC 在 R16 還是有很大的進(jìn)展的。最關(guān)鍵的是對(duì)高可靠低時(shí)延的應(yīng)用場(chǎng)景有了明確的優(yōu)化。比如對(duì)于 V2X, 電力系統(tǒng)——國(guó)家電網(wǎng)實(shí)際上是一張最大的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)，而電力系統(tǒng)真正的核心高電壓保護(hù)，其實(shí)對(duì) URLLC 的需求是很突出的，這也就是為什么國(guó)家電網(wǎng)要對(duì) 5G 投資近千億人民幣?！?/p>
5G+TSN，加速行業(yè)落地
R16 標(biāo)準(zhǔn)的完成，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將加速實(shí)現(xiàn) 5G 場(chǎng)景的應(yīng)用落地。高磊認(rèn)為，TSN 和 5G 專網(wǎng)作為當(dāng)前熱點(diǎn)，會(huì)快速發(fā)展。
首先，release 16 確定了對(duì) 5G+TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）的支持，目前已經(jīng)看到在電力，軌交，工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)線都有國(guó)字號(hào)的團(tuán)隊(duì)在 TSN 上大量投入，對(duì) 5G +TSN 的研發(fā)也應(yīng)該已經(jīng)被提上日程。作為 IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)，TSN 是工業(yè) 4.0 中 IT 和 OT 融合的重要助力?；?5G URLLC 的低時(shí)延高可靠能力，滿足 TSN 架構(gòu)的四大嚴(yán)苛的功能需求：時(shí)間同步、低時(shí)延傳輸、高可靠性和資源管理。5G 與 TSN 融合后，可通過(guò) 5G NR 無(wú)線替代工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化。
其次，在無(wú)人運(yùn)輸小車，AGV 市場(chǎng)，因?yàn)?R16 的確定的低延時(shí) URLLC，高精度 NR 定位，NR-U（Unlicensed Spectrum）等新的特點(diǎn)會(huì)被廣泛重視。一些頭部 AGV 廠商目前在這個(gè)方向都在大力投入。
另外，在大型礦山，大型工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)廠區(qū)，除了 URLLC 和 mMTC 的應(yīng)用，NPN 非公共網(wǎng)絡(luò)和 NR-U 開(kāi)放頻譜在 R16 的支持，很快會(huì)有很多行業(yè)專網(wǎng)的研發(fā)迅速展開(kāi)。這意味著，工廠或園區(qū)內(nèi)的設(shè)備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會(huì)出園區(qū)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)安全、低時(shí)延和高可靠需求。
TSN 如何賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)？
為了向工業(yè)應(yīng)用提供明確的以太網(wǎng)演進(jìn)方向，IEEE 定義了 TSN，用以支持實(shí)時(shí)、可靠的網(wǎng)絡(luò)。TSN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)未來(lái)將無(wú)處不在，代表了工業(yè)以太網(wǎng)的下一步發(fā)展方向，支持 TSN 的以太網(wǎng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的發(fā)展具有重要作用。GE 預(yù)測(cè)，到 2020 年底，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到 2250 億美元。NXP 在多年前就開(kāi)始布局 TSN 技術(shù)的研究，目前已經(jīng)形成了從 switch, gateway 到 node 計(jì)算節(jié)點(diǎn)的一系列 Soc 產(chǎn)品，覆蓋 MPU 網(wǎng)絡(luò)處理器 layerscape 和應(yīng)用處理器 i.MX，高性能跨界 MCU ?i.MX RT 系列產(chǎn)品。這里我們想特別說(shuō)明，未來(lái) TSN 技術(shù)的應(yīng)用一定會(huì)和邊緣計(jì)算能力結(jié)合，這樣才可以真正構(gòu)建云、管道、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。
恩智浦半導(dǎo)體推出最新的 QorIQ Layerscape SoC LS1028A，該器件根據(jù) IEEE 802.1 標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，集成了時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)功能。它同時(shí)還有兩個(gè) Cortex A72 CPU 核和 GPU，配合 NXP 推出的 Open Industrial Linux，完美支持了 TSN 的所有協(xié)議。與 5G 網(wǎng)絡(luò)連接，就是一個(gè)完整的無(wú)線到有線的接入 TSN 網(wǎng)關(guān)，同時(shí)還可以具有邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和 HMI 界面的能力。
在工業(yè)以太網(wǎng)的 node 端，已經(jīng)發(fā)布并即將量產(chǎn)的恩智浦應(yīng)用處理器 i.MX 8M Plus 能夠提高工業(yè)生產(chǎn)力和自動(dòng)化，可檢測(cè)、測(cè)量、精確識(shí)別對(duì)象，并通過(guò)準(zhǔn)確檢測(cè)機(jī)器操作異常情況實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。此外，通過(guò)將準(zhǔn)確的人臉識(shí)別、語(yǔ)音 / 命令識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別相結(jié)合，工廠人機(jī)界面可以更直觀、更安全。i.MX 8M Plus 支持工業(yè) 4.0 IT/OT 融合，將千兆以太網(wǎng)與時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）相集成，結(jié)合 Arm Cortex M7 實(shí)時(shí)處理功能，提供確定性網(wǎng)絡(luò)連接和處理。
另一方面相對(duì)更加低成本和更廣泛使用的工業(yè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)會(huì)以高性能 MCU 為主，集成了 TSN 技術(shù)的恩智浦 i.MX RT1170，包含了運(yùn)行速度達(dá) 1GHz 的 Arm Cortex-M7 內(nèi)核和運(yùn)行速度達(dá) 400MHz 的 Cortex-M4 的雙核架構(gòu)、2D 矢量圖形加速器、恩智浦像素處理流水線 (PxP) 2D 圖形，以及恩智浦先進(jìn)的嵌入式安全技術(shù) EdgeLock 400A，最關(guān)鍵的它提供商業(yè)級(jí)的 TSN 協(xié)議棧，可以幫助客戶快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)到量產(chǎn)的迭代。
熱點(diǎn)與趨勢(shì)之下，企業(yè)從何切入？
面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，隨著 R16 標(biāo)準(zhǔn)的完成，引入新技術(shù)支持 1 微秒同步精度、0.5-1 毫秒空口時(shí)延、“6 個(gè) 9”可靠性和靈活的終端組管理，最快可實(shí)現(xiàn) 5 毫秒以內(nèi)的端到端時(shí)延和更高的可靠性，提供支持工業(yè)級(jí)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN，Time Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）。
這些關(guān)鍵能力的加入，將從底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)方面推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速落地。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，有了底層網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的商用落地指日可待。那么，在 R16 標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)初期，行業(yè)企業(yè)應(yīng)該從何切入部署??
NXP 致力于助力 5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速部署。
提及恩智浦，人們對(duì)它的第一印象往往是汽車芯片的龍頭大廠，但實(shí)際上縱觀無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程，恩智浦在其中也一直扮演著濃墨重彩的角色。從第一部蜂窩電話的誕生*，2G 時(shí)代領(lǐng)先全球的手機(jī)基帶芯片，3G 時(shí)代恩智浦的產(chǎn)品大力支持了中國(guó)的 TD-SCDMA 技術(shù)的真正商用，4G 時(shí)代成為全球領(lǐng)先的基站射頻功率器件供應(yīng)商，到 5G 時(shí)代恩智浦專注的市場(chǎng)已經(jīng)覆蓋工業(yè) /IoT，汽車，移動(dòng)設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施四大領(lǐng)域。恩智浦也很早就布局工業(yè) 4.0，AI，IoT，V2X 等多個(gè)最新的技術(shù)上升方向。無(wú)疑，5G 技術(shù)正是在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)真正“萬(wàn)物互聯(lián)”的基石之一。
5G 時(shí)代，恩智浦專注的市場(chǎng)已經(jīng)覆蓋工業(yè) /IoT，汽車，移動(dòng)設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施四大領(lǐng)域。
從技術(shù)角度看，對(duì)于工業(yè) 4.0 等高級(jí)應(yīng)用，恩智浦優(yōu)化了從天線到處理器等多方面功能。通過(guò)高度靈活、基于軟件的解決方案為其提供支持，并得到了軟件供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)助以提供完整的解決方案。由于是 SDR（software design radio）的產(chǎn)品，具有很好的軟件定義升級(jí)特性，可以滿足 release15,16 等后續(xù)演進(jìn)。
針對(duì) 5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，除了持續(xù)關(guān)注支持運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)，逐漸涌現(xiàn)出越來(lái)越多的垂直行業(yè)市場(chǎng)的需求。因?yàn)楣I(yè) 4.0 使用高度自動(dòng)化、智能和協(xié)作的信息物理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要非常穩(wěn)定、低延遲的無(wú)線連接。5G 標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)兩種方式滿足工廠自動(dòng)化的需求——通過(guò) 5G NR 無(wú)線電通信技術(shù)和通過(guò) 5G 系統(tǒng)架構(gòu)。在無(wú)線電通信中，靈活參數(shù)集、空間分集、多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)操作、精確到厘米的定位、QoS 和頻譜結(jié)構(gòu)的靈活性（包括工作在非授權(quán)的 NR 頻段）等特性能夠提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并減少網(wǎng)絡(luò)延遲。在 5G 系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)切片、增強(qiáng)的安全性、全新身份驗(yàn)證方法、易用的邊緣云部署以及支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)等功能增強(qiáng)了 5G 對(duì)工廠自動(dòng)化的支持。結(jié)果就是，越來(lái)越多的制造業(yè)、能源、采礦、配電、物流和其他領(lǐng)域的企業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)向?qū)＞W(wǎng)。他們正在遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，創(chuàng)建他們自己的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
借助 URLLC，工廠車間的無(wú)線連接將變得異常穩(wěn)定，并且可以以接近或低于一毫秒的端到端延遲速率運(yùn)行。超高可靠性、高可用性和超低延遲的結(jié)合意味著 URLLC 可以為使用人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的智能工廠提供支持。5G 的 URLLC 功能使蜂窩網(wǎng)絡(luò)具備推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化更進(jìn)一步的能力。得益于 5G 為工業(yè)自動(dòng)化提供的誘人承諾，包括德國(guó)和日本在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家已經(jīng)在這類部署中分配頻譜以供 5G 專網(wǎng)使用。
在網(wǎng)絡(luò)邊緣，最快落地的是一些基于邊緣計(jì)算的應(yīng)用，會(huì)集中在 AI/ML，邊緣側(cè)存儲(chǔ)的低成本方案。而在邊緣側(cè)的擴(kuò)展，一個(gè)典型需求來(lái)自于 TSN 技術(shù)的持續(xù)發(fā)酵。
網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的安全至關(guān)重要
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，終端設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，工業(yè)控制系統(tǒng)向互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)移，與企業(yè)其他業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的整合 ... 網(wǎng)絡(luò)安全面臨著前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨新的安全挑戰(zhàn)。
恩智浦從網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)講解了安全的至關(guān)重要性。高磊說(shuō)道，“如果將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備最終都會(huì)接入云作為一個(gè)討論背景，我認(rèn)為管道側(cè)的安全其實(shí)做的相對(duì)還是不錯(cuò)的。更多的問(wèn)題可能出在邊緣側(cè)設(shè)備，因?yàn)檫吘壴O(shè)備接入數(shù)量巨大，成本要求高，品類繁雜，很難管控。因此邊緣安全至關(guān)重要，所需功能包括安全啟動(dòng)信任錨、片上加密、安全配置、雙向設(shè)備認(rèn)證、安全設(shè)備管理、空中 (OTA) 安全升級(jí)更新和生命周期管理。
為支持邊緣安全，恩智浦創(chuàng)建了可擴(kuò)展的 EdgeLock 產(chǎn)品組合，其中包含安全元件、安全身份驗(yàn)證器、應(yīng)用處理器和 MCU 的嵌入式安全功能。比如 i.MX 系列產(chǎn)品采用先進(jìn)的 EdgeLock 嵌入式安全技術(shù)，包括資源域控制器、Trust Zone、HAB、加密啟動(dòng)、采用 RSA 和橢圓曲線算法的公共密鑰加密。EdgeLock 賦予邊緣節(jié)點(diǎn)完整性、真實(shí)性和隱私性，從邊緣到網(wǎng)關(guān)再到云，提供充分的安全性保障。”
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)痛點(diǎn)何在？
恩智浦專注的市場(chǎng)目前覆蓋工業(yè) /IoT，汽車，移動(dòng)設(shè)備和通信基礎(chǔ)設(shè)施四大領(lǐng)域。在工業(yè) /IoT 方面，連接+邊緣計(jì)算+安全應(yīng)該是未來(lái)公司發(fā)展的動(dòng)力。恩智浦是連接芯片的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，擁有包括 UWB，Wi-Fi，NFC，RFID 和 Bluetooth 等完整的產(chǎn)品組合?！斑吘墶奔磳⒋呱匾?jiǎng)?chuàng)新，包括越來(lái)越多的低成本和低功耗傳感器和處理器應(yīng)用，以及 AI/ML 和安全性方面的新成果。
盡管行業(yè)布局已久，R16 標(biāo)準(zhǔn)的完成也補(bǔ)齊了 5G“能力三角”，提升了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸、通信等方面的性能。但是從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展和落地來(lái)看，仍存在痛點(diǎn)。
高磊強(qiáng)調(diào)，可以肯定的說(shuō)工業(yè) 4.0 目前的發(fā)展是遇到了一些阻力的，目前還沒(méi)有看到真正的 IO 和 OT 融合的大行業(yè)變革案例。當(dāng)然這個(gè)進(jìn)展的過(guò)程需要各種新技術(shù)的助力，比如 5G 就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的巨大助力，網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的解決又是工業(yè) 4.0 的助力。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目前已經(jīng)處于大變革開(kāi)始的爆發(fā)期，各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線終將向以太網(wǎng)化方向發(fā)展，多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都會(huì)向 TSN 方向發(fā)展，有線向無(wú)線發(fā)展。目前主要的問(wèn)題還是集中在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實(shí)際上的門檻較高，頭部企業(yè)實(shí)際上對(duì)于新技術(shù)一方面保持跟進(jìn)，另一方面也面對(duì)大船難掉頭的困境。
同時(shí)，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本動(dòng)力——網(wǎng)路邊緣側(cè)的應(yīng)用目前還處于技術(shù)積累期，被看好的 V2X，AI/ML 等還在初級(jí)螺旋上升階段。在邊緣側(cè)，看到越來(lái)越多的 AI/ML 應(yīng)用呼之欲出卻又遲遲沒(méi)有商用，這些都影響了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速演進(jìn)。
可見(jiàn)，趨勢(shì)已來(lái)，挑戰(zhàn)仍在。
