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工业互联网无线技术应用及发展趋势

1.无线技术已成为工业互联网重要发展方向

 德国工业4.0研发白皮书及工业4.0实施战略及参考架构都将无线技术作为工业

4.0网络通信技术研究和创新中的重要组成部分，其计划在2018年实现公众5G网络基

础设施的设计和标准，为工业提供广域网络服务；2020年，在工业4.0中实现必威体育精装版的

无线局域网和近场技术的使用。

 美国工业互联网联盟IIC同样重视无线技术在工业中的应用。联盟专门成立了

网络连接组来开展网络技术的研究。网络连接组将工业网络分为连接传输层和连接，

其中Wi-Fi、NFC、zigbee、2G/3G/4G等无线技术成为连接传输层的重要技术，如下图

1所示。并在网络连接文档中对网络的时延、可靠性、可扩展性等都有明确的规定。

 德国工业4.0和美国工业互联网之所以重视无线技术在工业中的应用，是因为无

线网络相比于现有的工业有线网络具有明显的优势。一是可大幅降低网络建设和维护

成本。无线网络能够快速部署，无须在现场、车间、厂房等环境铺设线缆及相关保护

装置。使用无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低。二是提高生产线的灵活

性，无线技术实现了现场设备的移动性，提高了生产设备部署的灵活性，可以根据工

业生产及应用需求，快速的实现生产线的重构，为实现柔性生产线奠定技术基础。三

是实现部署环境的广泛性，由于无线技术突破线缆部署限制，具有mesh、星型等多种

网络部署架构，在各种工业场景下都可实现快速部署。

 图1IIC网络连接架构

 2.工业互联网应用对无线技术提出新的挑战

 工业互联网对通信网络提出了新要求，按照使用范围划分，通信网络分为工厂

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内和工厂外两大类，工厂内网络主要承载控制类、采集类和交互类业务，各类业务对

网络的性能要求也不相同，如承载控制类业务的网络需要具备低时延（端到端时延毫

秒级，时延抖动微秒级）、高可靠（数据传输成功率99.999%）、高同步精度（百纳秒

级）的能力；承载采集业务的网络需要具备高密度接入（百万连接/平方公里）、低功耗

（使用超过10年以上）的能力；承载交互类业务的网络需要具备高传输速率（体验速

率Gbps）的能力。工厂外网络承载主要有控制类、采集类、交互类和单项传送类四类

业务。与工厂内业务相似，工厂外的四类业务对通信网络也有同样的要求，特别是部

分工厂外采集类业务还要求网络支持高移动接入能力（500km/h）。

 因此，无线网络要想应用在工业中，还需要根据其应用环境-工厂内还是工厂

外，以及承载的业务不同，进行不同程度的优化设计。在无线技术设计和应用中，主

要考虑以下方面：

 一是工厂环境电磁环境复杂，无线网络的干扰源较多。应用工业互联网的现

场、车间、厂房等场景电磁环境较为复杂，各种大型器械、金属管道等对无线信号的

反射、散射造成的多径效应严重，马达、器械运转时产生电磁噪声会对无线通信产生

干扰，在无线网络及空口技术设计及实际部署时，要考虑电磁干扰对无线传输性能的

影响。二是有限空间内传感、控制、作业等大量设备需要同时接入工业互联网，对无

线网络的接入能力提出较高要求。根据欧盟工业互联网频率需求材料测算，要求在100

平方米的生产车间内，通信网络具备至少300个设备同时接入的能力。三是现有的无

线技术在满足工业互联网高速率、高可靠性、广泛互联等方面还无法满足工业应用的

需求，如控制时延ms级，可靠性达到99.999%等，需要进一步提升。第四无线技术与

工业设备、仪表的融合还需加强，由于工业设备及仪表许多都工作在高温、高湿等环

境下，同时又有本质防爆的要求，这对无线芯片设计及封装等工艺提出较高的要求。

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