想象一下,在未来的世界里,万物皆可互联,无论是家庭、工厂还是城市,都将变得更加智能、高效。而这正是物联网带给我们的美好愿景。工业物联网作为互联网和物联网的结合,正逐步推动物联网进入新的发展时期。在这个背景下,新一代信息技术如5G、卫星物联网、IPV6+、云化的可编程逻辑控制器等,正逐步推动物联网进入新的发展时期。
在这个科技瞬息万变的时代,物联网(IoT)与信息通信技术(ICT)的深度融合,正以前所未有的速度推动着各行各业实现智能化、数字化转型升级。从智能家居、智慧城市到工业互联网,物联网的应用场景日益丰富,对通信技术的要求也不断提高。ICT和IOT如何相互融合,相互促进,共同推动万物智联的未来呢?
12月15日,中国AIoT产业年会暨2024年智能产业前瞻洞察大典圆满落幕,共有来自全国各地的800多名观众到场观看,大会线上30+平台累计80万+观众观看了本次大会直播。中国工程院院士邬贺铨在中国AIoT产业年会发表主题为《ICT加持 IoT加速》演讲,以下为演讲原文:
尊敬的各位领导,各位来宾,大家好!
很高兴来参加AIoT的产业年会。我的发言题目是《ICT加持 IoT加速》。工业物联网是互联网跟物联网的结合,物联网本身的发展有两条主线——一个是基于蜂窝的物联网还有一个是非蜂窝的物联网,各有各的特点。
现在,新一代信息技术推动了物联网进入新的发展时期,它表现成为5G-A,可以说是5G的升级版、新型的短距无线技术卫星物联网、IPV6+、云化的可编程逻辑控制器和先进的物理层技术,以及智能网联车、结合区块链的链联网、最近很火热的人工智能生成内容。
当然这些是信息技术的新发展,推动物联网的还有另外一方面:数字化转型高质量发展、先进生产力对物联网的更高期待。比如绿色化、机器人、高质量的发展以及数字化的转型。工业物联网具有一些显著的特点,表现为大上行、大连接、高速度、高可靠、高安全、低时延、低功耗、低成本、自组织、常在线。
以5G为例,我们走过了第一代移动通信以及以数字化为代表的2G,以码分复用为代表的3G,以及正交频分多址的4G。现在是5G的时代,很快,我们会过渡到5G的升级版5G-A(5.5G),它在多项指标上比5G有一个数量级的提升,它支持物联网的主要特点是大上行。传统的5G是面向消费应用的,基本是从网络到终端的带宽比较宽,而回传的带宽是比较窄的;5G要适应物联网的应用就需要有大上行的能力,我们在左边所示通过多个频率载波的多复用,以及时隙的配比的调整,还有一些干扰抑制技术联合波束赋形、超密度布点等等,使5G的上行速度显著提升。
另外,5G为了支持物联网应用还有两个方面,一个是高可靠、低时延,传统的5G上面承载了局域网,这个基本上方案比较简单,但是它对进来5G网络的业务流没有什么控制,效率不高,可能会引入时延。
新的方案叫做XSO(跨层调度协同技术),用交叉跨层的协同来解决实现5G网络跟我们的物联网数据之间的有规则地发送,大大提升了效率。更进一步,物联网要向着轻量级、新空口和无源物联网发展。我们可以看到,通过载波带宽、终端天线下行的多天线的流数以及一些调制复用的技术,简化了5G的空口,实际上使物联网的成本显著降低。尤其是新提出了无源物联网——利用5G基站信号来使我们的芯片工作,产生的物联网数据上传,大大推动了物联网的应用。
值得一提是,新型的无线短距技术现在有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等等技术,它们原来都仅仅是通信技术。现在我们希望无线技术不仅能解决通信,还能解决感知、定位,而且希望能有一定的质量保障,另外在产业上能够建立一定的生态。
最近中国提出的星闪,它能够适应共享频率的干扰,能够兼顾通信和感知定位的需求,也很好地开创了这个生态的建立。星闪实际上采用了多项关键技术:一个是超短的帧,做到了低时延;一个是多节点的同步,以及采用Polar信道编码,提供了传输的可靠性,还可以快速地干扰侦听和规避。
从中间的图可以看到,以绿线表示的星闪,除了在产业成熟度还不如蓝线表示的蓝牙和红线表示的Wi-Fi以外,在高安全、低时延、抗干扰、高效率、多业务并发方面都优于已有的一些无线短距技术。
虽然地面移动通信发展得很好,用户普及率也超过了100%,但是真正有地面移动信号覆盖的地方,还是比较少的。
在中国国土面积上,海上基本上没有覆盖,陆地也只覆盖20%,用传统的地面移动信号的方式,要覆盖那些人烟稀少的地方是不经济的,解决的办法是利用卫星,现在有了手机可以直联地球同步卫星,尽管地球同步卫星离地面36000公里,但是,通过一些波束赋形技术以及通过声码器,可以实现1.2k话路通行,不换卡、不换号就可以在应急的时候实现我们在关键的时候的连接。
当然如果需要更大的带宽,甚至需要传输图像,就需要使用低轨卫星。低轨卫星离地面1000公里左右,大大改进了从终端到卫星的传输损耗,但是低轨卫星跟地球是不同步的,所以它过顶的时间很短,如果要连续通信,就需要成千上万颗卫星。当然未来卫星是我们移动通信网的一部分,叫做非地面移动通信网。
对于视频语音来讲我们需要非常多的低轨卫星,但对于物联网来讲几颗卫星就够了。因为物联网并不需要连续的通信卫星。卫星在过顶的时候可以叫醒地面的物联网终端,物联网终端再接着发送,这样我们可以实现全球的覆盖。卫星物联网可以在很多场景得到很好的应用,比如农业监测、智能电网、矿区管理、管道监测、资产跟踪、智能交通、海上监测、无人机管理等等。
有一些物联网的应用对可靠性要求很高,比如我们需要传输超清视频的信息,还有在工业上的一些监控,这个时候,就需要利用IPV6。
IPV4是我们现在常用的地址架构,它有32个比特,IPV6将地址数扩展到128个比特,大大丰富了地址的数量。而且,IPV6还有一个很大的扩展报头。在这个扩展报头上提供了广阔的编程空间,我们可以利用这个编程空间开发出更好的支持网络的性能。
比如我们有业务流从A要发到Z,如果没有特殊要求,我们选择缺省通道。如果要低时延,我们选择低时延通道;如果要高可靠,我们选择高可靠通道。而且这种路由的决定,我们可以直接下载到IPV6的地址里头。源头路由器打开这个IPV6包就知道下一跳应该安排在哪里,可以快速地实现端到端的路由建立。
如果说一根路由觉得不可靠,我们可以同时冗余并发,这样三选一可以保证优先权。由于我们只是考虑到源端和终端的配置,所以在IPV6的地址协议可以大大简化。传统IPV4地址不够,需要大量的协议,而IPV6可以简化协议。所以,总的来说,IPV6+非常适合于物联网的需要:它有海量的地址,应用感知的能力支持移动性,简化协议,支持组播点到多点、多点到点,以及可以在公众的通信网上组织一个企业专用的高可靠的物联网专网。
工业的应用是物联网最主要的应用。图中是一个我们工业现场互联网的一个框架,尤其是在现场级,我们有PLC可编程逻辑控制器。按照规定的程序,它通过工控接口连接到生产机器装备和仪器仪表,按规定程序指挥他们的动作,同时采集数据上传。
当然,5G也可以采用采集数据,物联网就表现在工控接口上。现在,中国云化的PLC把本地控制的部分还放到本地,但是把整个操控部分可以放到云端。在云端,我们可以一个PLC主机管理多个生产装备,要通过从站地址可以区别所管理的不同生产装备。当然可以明确究竟是下达指令还是读写数据以及数据量是什么,同时还有CRC的字节作为纠错用。
现在,人工智能技术在发展,人工智能融入了物联网。人工智能可以融入到物联网数据上云的多个环节,比如说在端侧,我们有嵌入的实时操作系统有端侧的智能。我们把人工智能的芯片、人工智能的操作系统嵌入到物联网的模块组成AIoT的模块——智联网的模块。比如说一个家里的扫地机,过去呢它是很少智能的,现在加入语音识别和语音合成可以让它听懂人的指挥,增加了我们物联网的智能化。
当然,我们未来AR/VR等等增强现实、虚拟现实的应用,它终端和边缘计算和云侧实际上都会有相应的智能。合理地分配这些能力可以提高效率、降低时延、快速反应。人工智能在融入物联网的更大的应用是在后台的数据挖掘。
我们现在很多企业都采集了很多物联网的数据要准备做数字孪生、工业设计、药物仿真、电网建模视频生成、动漫渲染,但并不意味着每个企业要自建算力平台、自购算法软件,可以单纯作为算力网的业务消费者,通过IPV6的网络连到了算力网的另一侧,有算力网的业务提供者,他们具有各种计算能力。这里边最主要的是IDC互联网数据中心,它也是云平台的基础设施,即服务的主要部分。
在IDC里头有大量的服务器,就是工业计算机和存储器。当然还有很多交换机负责跨服务器以及跨数据中心的调度数据、融合数据、分析数据。除了通过IDC提供的算力平台,我们还是要有算法。算法主要体现在PaaS(平台即服务)和SaaS(软件即服务)上边。现在行业大模型出来了,它可以安装到PaaS和SaaS上,但是即便这样,对于大量的中小企业仍然是比较高的门槛,还是可望不可即使。
要解决大模型为中小企业使用,我们需要引入MaaS,将大模型缩减变成一个模块,插到了云平台的PaaS和SaaS之间,提供一个接口。中小企业可以接入,然后可以加入中小企业的数据进行微调,形成中小企业的小模型。
为了方便中小企业使用,我们还配套提供了工具链。它有低代码的开发工具,也就是说中小企业可以通过鼠标的拖拉把一些小程序作为积木一样拼接,为中小企业使用大模型提供了方便。通过MaaS,只要会上云就能使用大模型,大大地提高了我们企业物联网的数据挖掘和分析的能力。