一、背景信息、通信和運營技術(shù)的深度融合正在推動工業(yè)自動化的重大變革。其中，工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)（industrialwirelesscontrolnetwork,IWCN）由于可以幫助提高生產(chǎn)效率、降低成本、增強安全性，并最終實現(xiàn)智能制造，成為工業(yè)自動化的關(guān)鍵使能技術(shù)。為此，工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)必須滿足工業(yè)自動化的各種嚴苛通信要求，包括高可靠、強實時、低抖動、低成本、低功耗和高安全。然而，本身資源極度受限的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)卻經(jīng)常工作在惡劣工業(yè)環(huán)境下，與WiFi、Bluetooth、ZigBee等網(wǎng)絡(luò)共享免授權(quán)頻段。因此，在過去幾十年中，學術(shù)界和工業(yè)界付出了巨大的努力來研發(fā)工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)，包括面向過程自動化的WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA，以及面向工廠自動化的WISA、WSAN-FA、WIA-FA等。目前，國際電工委員會（IEC）正式發(fā)布的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)國際標準僅有WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA和WIA-FA四項。近期，國際電信聯(lián)盟和第三代合作伙伴計劃（3GPP）也開始研發(fā)用于工業(yè)控制的超可靠低時延通信（ultra-reliablelowlatencycommunication,URLLC），并將其作為5G的三大場景之一。由于URLLC是基于5G的遠距離廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，這將使得云控制成為可能，并將徹底打破現(xiàn)有工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)主要基于短距離無線個域網(wǎng)或局域網(wǎng)的技術(shù)路線。然而，盡管URLLC已經(jīng)完成標準化，但其在垂直行業(yè)中的應(yīng)用仍處于不斷測試和適配中，尚未大規(guī)模商用。其原因主要在于：不同的工業(yè)應(yīng)用有不同的通信需求，而5G的工業(yè)應(yīng)用并沒有像工業(yè)以太網(wǎng)一樣經(jīng)歷穩(wěn)定的演進過程，缺少知識沉淀與積累。一方面，在缺少授權(quán)頻段使用許可的情況下，大多數(shù)工業(yè)企業(yè)希望建立專用網(wǎng)絡(luò)來增強安全性和隱私性，而商用5G網(wǎng)絡(luò)卻由移動運營商在授權(quán)頻段進行管理和運營。另一方面，大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用仍停留在工業(yè)現(xiàn)場，并沒有必要將所有工業(yè)數(shù)據(jù)均通過5G進行廣域傳輸。綜上，如何在惡劣的工業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)免授權(quán)頻段上的超可靠低時延通信，滿足現(xiàn)場級工業(yè)控制的嚴格要求是最具挑戰(zhàn)性的問題之一。最近，基于5G空口技術(shù)，WIA-NR在免授權(quán)頻段實現(xiàn)了超可靠低時延的通信，可以支持現(xiàn)場級工業(yè)無線控制。目前，WIA-PA、WIA-FA和WIA-NR形成了一個完整的技術(shù)群（統(tǒng)稱WIA），基本可以覆蓋各類典型的工業(yè)應(yīng)用，并將根據(jù)工業(yè)需求進一步演進。然而，來自垂直行業(yè)的多種需求持續(xù)推動著工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新發(fā)展，如同URLLC必將向6G演進。為此，3GPP建立了一個新的工作項目來研究增強的URLLC。全球第一份6G白皮書也證實了URLLC將持續(xù)演進，其空口時延指標將提高到0.1ms?！蹲匀弧る娮訉W》的前瞻觀點提出了五種6G場景，并定義了安全URLLC。與此同時，大規(guī)模URLLC和超寬帶URLLC也被進一步定義?？傊F(xiàn)有觀點一致認為6G時代的URLLC應(yīng)實現(xiàn)小于0.1ms的時延，以及高于99.9999999%的可靠性。這一性能指標將支持高精度工業(yè)控制，如微納尺度遙操作和精密加工。隨著URLLC的持續(xù)增強，WIA-NR也將朝著6G方向演進?？紤]到WIA技術(shù)群是由同一團隊采用相近技術(shù)路線研發(fā)，本文將介紹和比較該技術(shù)群，并討論WIA在6G時代的發(fā)展方向。二、WIA技術(shù)群概述（一）系統(tǒng)架構(gòu)WIA定義了一組物理設(shè)備，包括主控機、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備、手持設(shè)備以及路由設(shè)備、接入設(shè)備或基站。基于這些設(shè)備，WIA技術(shù)群構(gòu)建了如圖1所示的不同網(wǎng)絡(luò)拓撲。具體來說，WIA-PA采用星狀或星-網(wǎng)狀層疊拓撲，其中星狀拓撲是星-網(wǎng)狀層疊拓撲的一種特殊情況。相應(yīng)地，WIA-FA采用冗余星狀拓撲，WIA-NR采用層疊星狀拓撲，并支持設(shè)備到設(shè)備（D2D）和多點協(xié)作（CoMP）通信。對應(yīng)于不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，WIA定義兩種系統(tǒng)管理架構(gòu)，即集中式管理以及集中式和分布式相結(jié)合管理。其中，WIA-PA兩種架構(gòu)均支持，而WIA-FA和WIA-NR分別只支持前一種和后一種架構(gòu)。圖1.WIA網(wǎng)絡(luò)拓撲。（a）WIA-PA星-網(wǎng)狀層疊拓撲；（b）WIA-FA冗余星狀拓撲；（c）WIA-NR層疊星狀拓撲。D2D：設(shè)備到設(shè)備；CoMP：多點協(xié)作。

（二）協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI），WIA定義了如圖2所示的協(xié)議棧。具體來說，WIA-PA完全采用IEEE802.15.4標準作為其物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制（MAC）子層，并定義了數(shù)據(jù)鏈路子層、網(wǎng)絡(luò)層（NET）和應(yīng)用層（APP）。其中，MAC子層和數(shù)據(jù)鏈路子層構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）。WIA-FA僅采用IEEE802.11標準的物理層，并定義了數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。相比之下，WIA-NR僅采用5G的物理層、介質(zhì)訪問控制層和無線鏈路控制層，并重定義了應(yīng)用層，而沒有采用其他用于廣域通信的協(xié)議層。需要注意的是，只有WIA-PA定義了網(wǎng)絡(luò)層。其原因在于：WIA-PA路由設(shè)備在網(wǎng)狀拓撲中采用無線連接，必須在網(wǎng)絡(luò)層定義尋址、路由等功能，而WIA-FA接入設(shè)備或WIA-NR基站采用有線連接，其功能并不在WIA標準范圍內(nèi)定義。圖2.WIA協(xié)議棧?！汀硎井斣搶庸δ艽嬖跁r，其功能將包含在箭頭指示方向的協(xié)議層。OSI：開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型；UAO：用戶應(yīng)用對象；VCR：虛擬通信關(guān)系；TDMA：時分多址；FDMA：頻分多址；CSMA：載波監(jiān)聽多路訪問；MAC：介質(zhì)訪問控制；PHY：物理層；DSSS：直接序列擴頻；FHSS：跳頻技術(shù)；OFDM：正交頻分復(fù)用；CCK：補碼鍵控；PBCC：分組二進制卷積編碼；MIMO：多輸入多輸出。在物理層，WIA統(tǒng)一采用免授權(quán)頻段，確保支持全球部署。其中，WIA-PA和WIA-FA工作在2.4GHz頻段，而WIA-NR工作在5GHz頻段。為此，WIA采用“先聽后發(fā)”機制確保符合頻譜使用規(guī)則。這也是WIA-NR區(qū)別于商用5G的關(guān)鍵特征之一。表1總結(jié)了WIA物理層的基本參數(shù)。表1物理層基本參數(shù)

BPSK:binaryphaseshiftkeying;QPSK:quadraturephaseshiftkeying;O-QPSK:offset-QPSK;QAM:quadratureamplitudemodulation;kbps:kilobitpersecond;Mbps:megabitpersecond.在數(shù)據(jù)鏈路層，WIA定義了不同的超幀或時隙結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)時隙通信，并設(shè)計了多信道接入、自適應(yīng)跳頻和時間同步等方法，以增強可靠性和實時性，確保無沖突通信。在應(yīng)用層，WIA定義虛擬通信關(guān)系（VCR）來描述用戶應(yīng)用對象（UAO）的通信資源和路徑。根據(jù)虛擬通信關(guān)系，多個用戶應(yīng)用對象可以執(zhí)行分布式工業(yè)應(yīng)用。同時，為實現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)協(xié)議通信（如PROFINET和ModBus），WIA采用隧道技術(shù)或協(xié)議轉(zhuǎn)換來進行協(xié)議適配。這大大增強了WIA與現(xiàn)有工業(yè)自動化系統(tǒng)的互操作性。三、關(guān)鍵技術(shù)（一）

確定性時隙通信WIA采用時隙通信確保通信的確定性。時隙是數(shù)據(jù)包交換的基本單位，其長度可配置。如圖3所示，基于時隙的循環(huán)重復(fù)，WIA-PA和WIA-FA進一步定義超幀，而WIA-NR定義幀和子幀。具體來說，WIA-PA定義了基于IEEE802.15.4信標的超幀，包括信標、活躍期和非活躍期。其中，活動期包括競爭訪問時隙和非競爭訪問時隙，而非活動期包括簇內(nèi)通信、簇間通信以及休眠等時隙。WIA-FA的默認超幀由信標、上行鏈路共享時隙和下行鏈路時隙組成，用于管理信息和數(shù)據(jù)的傳輸。相應(yīng)地，基于5G的靈活參數(shù)集（numerology），WIA-NR通過將子載波間隔設(shè)置為2μ×15kHz來實現(xiàn)多種幀，其中，μ={0,1,2,3,4}即是參數(shù)集。WIA-NR的幀長度固定為10ms，可以由不同數(shù)量的時隙組成，形成下行/上行信道時隙、下行/上行信道自包含時隙或靈活時隙。（二）可自適應(yīng)跳頻的多信道接入WIA采用多信道接入與信道跳頻相結(jié)合的方式來提高容量和可靠性。具體而言，WIA-PA采用頻分多址（FDMA）進行多信道接入，并結(jié)合時分多址（TDMA）提升系統(tǒng)容量。WIA-PA定義了三種信道跳頻方式，即自適應(yīng)頻率切換、自適應(yīng)跳頻和時隙跳頻，其相對于盲信道跳頻的優(yōu)勢在文獻[12]中得到了驗證。WIA-FA將多個接入設(shè)備分為不同組，采用FDMA實現(xiàn)并行接入。類似地，WIA-FA也支持自適應(yīng)跳頻。對于WIA-NR，每個基站配備多個天線進行多輸入多輸出（MIMO）通信，并且多個基站進行多點協(xié)作通信。同時，WIA-NR根據(jù)丟包或重傳情況定義了三級自適應(yīng)跳頻，分別是基于時隙、子幀、幀的自適應(yīng)跳頻。（三）聚合和解聚為提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，WIA在不同的協(xié)議層定義了不同的聚合和解聚方式，如圖2所示。WIA-PA定義的是兩級聚合機制，包括網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)聚合和應(yīng)用層的包聚合。WIA-FA在數(shù)據(jù)鏈路層定義了幀聚合，并支持在應(yīng)用層處對過程數(shù)據(jù)進行聚合和解聚。WIA-NR在應(yīng)用層也定義兩級數(shù)據(jù)聚合機制，用于上行和下行數(shù)據(jù)傳輸。圖3.WIA幀結(jié)構(gòu)。（a）WIA-PA超幀；（b）WIA-FA超幀；（c）WIA-NR幀。（四）工業(yè)數(shù)據(jù)優(yōu)先級調(diào)度為滿足不同的工業(yè)應(yīng)用，WIA定義了表2所示的工業(yè)數(shù)據(jù)優(yōu)先級（按從高到低降序排列），以進行通信調(diào)度。為此，WIA進一步定義了三種通信模式，即客戶端/服務(wù)器（C/S）、發(fā)布者/訂閱者（P/S）、報告/匯聚（R/S）。其中，C/S主要用于動態(tài)、非周期、非實時數(shù)據(jù)的單播通信，P/S主要用于周期、實時數(shù)據(jù)的單播或多播通信，R/S主要用于報警、警報或事件等非周期性數(shù)據(jù)的單播或多播通信。進一步，可以使用C/SVCR、P/SVCR和R/SVCR完成通信調(diào)度。表2WIA工業(yè)數(shù)據(jù)優(yōu)先級C/S:client/server;P/S:publisher/subscriber;R/S:reportsource/sink.四、性能及應(yīng)用隨著技術(shù)的進步和標準化，WIA正在深入到不同的工業(yè)應(yīng)用。圖4對比了WIA技術(shù)群可達到的性能指標情況。圖4.WIA技術(shù)群性能對比。

WIA-PA作為最早研發(fā)的WIA技術(shù)，已成功應(yīng)用了十余年，其產(chǎn)品成熟，已占據(jù)部分中國市場。目前，WIA-PA最多可支持千點規(guī)模組網(wǎng)，典型速率為250kbps，其中占空比為0.18%的路由設(shè)備的平均功率可低至0.63mW。同時，WIA-PA實現(xiàn)了大于99.3%的可靠性和小于100ms的端到端時延?；诙嘣锤呔葧r鐘同步技術(shù)，WIA-PA甚至可以將接入時延從1s降至10ms，進而支持實時閉環(huán)控制。WIA-PA已在石油、石化、冶金、電網(wǎng)等多個行業(yè)規(guī)模部署，主要用于工業(yè)測量、監(jiān)控和過程控制。WIA-FA于2017年完成標準化，已通過產(chǎn)品測試，并正在進行實際應(yīng)用部署。目前，WIA-FA可實現(xiàn)大于99.99%可靠性和小于10ms的時延，速率達到54Mbps，可支持百點級高并發(fā)接入。WIA-FA已用于工業(yè)多媒體通信、離散制造的閉環(huán)控制等，如數(shù)字化車間的機器人監(jiān)視與控制、物流分揀系統(tǒng)中的自動導(dǎo)引車（AGV）互聯(lián)調(diào)度等。相比之下，WIA-NR隨著5G的研發(fā)啟動，仍在研究和測試中，尚未得到實際部署。但是，系統(tǒng)級仿真和原型實驗測試表明，WIA-NR可以達到99.999%以上的可靠性和小于1ms的時延，基本達到5GURLLC的性能指標，可以支持運動控制。但是，對于更加嚴苛的工業(yè)控制，實時性和可靠性仍有待提高。同時，現(xiàn)有性能指標與6G的目標仍相去甚遠，從而促使我們進一步提升WIA-NR，推動其向6G演進。五、WIA向6G演進分析考慮到尚沒有一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以同時滿足多種工業(yè)要求，因此，短期內(nèi)現(xiàn)有的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)（如WirelessHART、WIA-PA）和工業(yè)以太網(wǎng)（如PROFINET、ModBus）并不會被5G或6G取代。也就是說，多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將長期共存，并相互融合。因此，本文面向工業(yè)現(xiàn)場，提出建立層疊異構(gòu)的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，如圖5所示。WIA-NR為工廠提供粗粒度的廣覆蓋，而WIA-PA等現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)在工廠局部區(qū)域提供細粒度的深覆蓋。其中，與工廠骨干網(wǎng)相連的WIA-NR進一步與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）或企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)相連。這樣，超可靠、強實時的WIA-NR負責關(guān)鍵工業(yè)控制任務(wù)，而低成本、低功耗的WIA-PA負責大規(guī)模的工業(yè)測控。為實現(xiàn)上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，我們?nèi)悦媾R以下挑戰(zhàn)，并期望在6G時代得以解決。圖5.未來工業(yè)現(xiàn)場無線控制網(wǎng)絡(luò)。MES：制造執(zhí)行系統(tǒng)；ERP：企業(yè)資源規(guī)劃；VR：虛擬現(xiàn)實；AR：增強現(xiàn)實。（1）異構(gòu)互連。為了通過WIA-NR實現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及統(tǒng)一接入，首先需要解決異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議適配問題。主要挑戰(zhàn)在于：工業(yè)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了數(shù)百種工業(yè)有線或無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用了不同的協(xié)議棧、數(shù)據(jù)格式和傳輸速率，互通性差，導(dǎo)致工廠內(nèi)通信“七國八制”。一種可行的方法是通過網(wǎng)關(guān)直接解析不同的工業(yè)通信協(xié)議。為此，可以建立每種工業(yè)通信協(xié)議與WIA-NR的虛擬映射關(guān)系，并執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。但是，部分工業(yè)通信協(xié)議并不對外開放，難以分析。對于這種情況，可以采用隧道技術(shù)進行透明傳輸。總之，如何保證協(xié)議解析和轉(zhuǎn)換的實時性是最重要的問題。為提高實時性，可以在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣分布式地部署服務(wù)器，進行邊緣計算和緩存，增強工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的計算能力。通過這種方式，WIA-NR可以支持具有強實時性要求的復(fù)雜協(xié)議操作，進而滿足時間敏感型工業(yè)應(yīng)用。（2）和諧共存。WIA-NR工作在免授權(quán)頻段，故必須深入研究異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾通信及和諧共存問題，確保通信的實時性和可靠性。一般來說，資源分配和功率控制是降低干擾、提高可靠性的基本方法。然而，如何精準評估信道狀態(tài)，并實現(xiàn)實時接入控制是最重要的問題。認知無線電由于具有動態(tài)頻譜接入能力，一直被視為實現(xiàn)工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)超可靠、強實時通信的關(guān)鍵技術(shù)。隨著人工智能的快速發(fā)展，智能無線電可以進一步增強工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)對免授權(quán)頻段的認知能力。未來，智能無線電賦能的WIA-NR，將可以有效克服工業(yè)環(huán)境中的隨機干擾，與免授權(quán)頻段中的WiFi等其他無線網(wǎng)絡(luò)和諧共存。（3）能量效率。智能無線電及其他新技術(shù)應(yīng)用，將顯著提高網(wǎng)絡(luò)能耗。因此，下一個問題就是如何提高WIA-NR的能效。能量收集技術(shù)通過不斷地從周圍環(huán)境中捕獲能量，是進行可持續(xù)能源供應(yīng)的有效方式。因此，能量收集型認知無線電網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛關(guān)注，并用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共存。最近，智能共生無線電被提出，可以同時提高頻譜和能量效率，成為6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此也是未來工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究課題?；谠撽P(guān)鍵技術(shù)，可以幫助WIA-NR實現(xiàn)大規(guī)模URLLC通信，支持網(wǎng)絡(luò)的長時間穩(wěn)定運行。（4）絕對時間同步。具有超低抖動的絕對時間同步是確保工業(yè)協(xié)同控制的關(guān)鍵。例如，多臺機器人相互協(xié)作來同步完成一個操作任務(wù)，顯然需要多個機器人之間的絕對時間同步。這與5G中用戶設(shè)備與基站之間的時間同步存在明顯差別。絕對時間同步這一議題在3GPP第16版標準之前并未被研究，目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，我們在3GPP中提出了建立異構(gòu)層疊工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)，并開展絕對時間同步研究的議題。在