達成高可靠度的多頻段工業級無線網絡冗餘設計

摘要：現有智慧製造場域中，無線通訊因傳輸可靠度表現不符實務需求，仍無法被大量導入遠距工業控制應用。過去許多研究以配置冗餘資源觀點出發，調整通訊系統設計以達成較高的傳輸可靠度。然而，實現該層級設計需仰賴新式通訊標準及生態系的長時發展才能建構較佳的發展環境。為求快速導入製造現場，本文於應用層級，採用既有的無線通訊標準及生態系執行多頻段及多時序冗餘配置。除具快速整合現有系統優點外，實驗結果指出，透過長期狀態監測及動態冗餘資源分配，可在降低資源浪費前提下達成有線等級的傳輸可靠度。
Abstract：In the existing smart manufacturing fields, wireless communication cannot be widely used in industrial remote control applications because the transmission reliability performance does not meet the practical needs. In the past, many studies started from the point of view of allocating redundant resources, and adjusted the communication system design to achieve higher transmission reliability. However, the realization of this level of design must rely on new communication standards and the long-term development of the ecosystem in order to build a better development environment. In order to be quickly introduced to the manufacturing site, this article implements multi-band and multi-sequence redundant configurations at the application level with existing wireless communication standards and ecosystems. In addition to the advantages of rapid integration of existing systems, the experimental results indicate that through long-term status monitoring and dynamic redundant resource allocation, it is possible to achieve cable-level transmission reliability while reducing resource waste.

關鍵詞：無線通訊、工業物聯網、可靠度、冗餘
Keywords：Wireless communication, Industrial internet of things (IIoT), Reliability, Redundancy

前言
Helen Gill於2006年提出虛實整合系統CPS (Cyber-Physical System)概念，著眼於整合計算單元與實體流程。透過嵌入式系統及網路採集並傳輸實體流程資料，計算單元可掌握實體流程狀態。透過實體流程狀態的即時更新，計算單元可產出控制命令引導實體運作結果滿足設計者需求。
近年來，隨著無線通訊技術的發展與普及，製造場域建置及維護聯網環境成本下降，已有越來越多製造業者投入虛實整合系統建置。大量被數位化的現場資料集中至伺服器，資訊系統取得該資料後所提供的可視化功能促使管理者快速掌握現場狀態，達到即時妥適管理。
為降低人力投入，利用計算單元即時診斷製造現場問題並遠距同步調整參數將是未來的發展方向。為達上述目標，高可靠聯網系統將扮演關鍵性角色。過去高可靠聯網大多仰賴建置實體線路達成，該法因建置及維護成本問題使得多數業者於大量布建時卻步。對比實體線路，建置無線網路可解決大量布建及維護時成本高昂問題。若能提高傳輸可靠度，將可加速虛實整合系統於製造現場的普及。
無線通訊傳輸可靠度除物理限制外，降低傳輸干擾亦是一個重要的課題。現行無線網路依使用頻帶性質可區分為授權頻段及非授權頻段。授權頻段通常由國家管制，業者需以競標的方式取得該頻段執照後方可使用。非授權頻段由於無需額外競標取照，利用該頻段之設備眾多，導致潛在干擾問題較大。為全面提升無線網路傳輸可靠度，Cena等人[1]提出修改底層通訊協定，使得通訊系統傳輸資料時採用多頻段、多時序傳輸冗餘機制，以提升傳輸可靠度。實驗結果指出，引入傳輸冗餘機制可提升傳輸可靠度，投入傳輸冗餘的頻段越多，除傳輸可靠度越高外，傳輸延遲也越低。修改底層通訊協定需仰賴新式通訊標準及相關生態系的發展才可完成，若初期市場需求不大，生態系的發展成熟所需期程較長，不利快速導入現場。
在本文中，我們於應用程式層級進行開發，採用目前發展成熟的無線通訊設備執行多頻段及多時序冗餘配置。可廣泛通用於各類授權及非授權頻道的通訊介面，具備快速導入現場的實用性。實驗結果指出，透過長期通訊狀態監測及動態冗餘資源分配，可在節省冗餘資源浪費前提下達成有線等級的傳輸可靠度。
本文後續內容規劃如下：首先，我們將簡述傳輸冗餘配置的發展。接下來描述系統實作架構及應用層級通訊冗餘配置方式，接著呈現實驗結果。最後，我們總結並提出後續可行的研究方向。
相關文獻
透過無線網路達到遠距控制的應用於現今已相當普及且多元化，為了於工業聯網滿足高可靠自動化傳輸需求，在2012年的第二版工業新式通訊標準IEC 62439-3 定義平行冗餘協定(Parallel Redundancy Protocol, PRP)與高可靠度無縫冗餘(High-availability Seamless Redundancy, HSR)[2]，適用於網路失效時可立即恢復連線而達到零中斷時間。該法於媒體存取層(MAC)複製一冗餘通訊介面，並於傳輸期間完整複製一份封包於此冗餘介面。透過頻域1+1冗餘做法彌補單一通訊介面可能發生的斷線弱點，並達到資訊無縫傳輸。此協定以有線網路為媒介，而以此為借鏡導入無線方案之研究如Araujo等人[3]提供實作測試與效能分析。然而，實現該法需實作於網路底層或透過可程式化邏輯設計FPGA等硬體實現，相關平台生態系仍處於發展中未普及階段，相較於現今普遍(off-the-shelf)之主流網路通訊平台生態系，較難以軟體方式加值。
以高可靠度需求的應用為例，如應用於軍事方面的無線通訊控制無人載具等相關文獻有Chae等人[4]，內容提及多種方式，例如透過採用特殊形態設計之高增益天線，擴增資料傳送與接收之訊號強度，有助於提升傳輸成功率。透過資料量優化傳輸方式也有助於在有限資料傳輸率下取得較高傳輸成功率。再者，透過增添在地強波設備方式亦有助於提升無線涵蓋範圍，減少收訊弱點。透過演算法妥善協調通訊頻率與優化資料傳輸量後，可達2公里內3對，每對2組戰術攝影機之無縫控制。但由於地理位置上需仰賴通訊轉介站支援，且需具備專用硬體元件，市面上難以取得具同功能之硬體，實現此方案將變得困難。仰賴額外硬體支援的技術方案易失去相容彈性，甚至無法擴增至其他無線應用，例如Bluetooth 5.0, Wi-Fi 6,與5G專網等。
工業自動化領域在傳輸延遲及可靠度方面要求極高，現今通訊設備多以通用硬體平台為主流方案。透過軟體加值達到高可靠傳輸變成一種趨勢。如Rentschler等人[5]分析透過冗餘的技巧帶入多種不同型態的多樣性，如多路徑、多次數、多頻段、多極性與多天線等，以達使用最大化，締造高容錯之無線傳輸，進而提供高可靠資料傳輸保證。Lucas-Estañ等人[6]提及，透過添增額外傳輸介面以同時接收來自不同區域之無線訊號，多重資料經過完整性篩選與疊加技術可透過軟體計算出有效資料，達到各區域無線傳輸範圍聯集效果，適用於移動式載具以達高可靠無線傳輸。以上之軟體方案趨勢無論實體介面或資料載體，單一資訊必須固定式重複傳送兩次以上以達高可靠傳輸，代價是缺乏傳輸資源調撥彈性，聯集的通訊介面越多，則傳輸資源浪費狀況將越嚴峻。著眼於此，本文執行長時通道狀態監測，並依據各通道即時狀況以軟體擴增方式，於應用層執行多頻帶多時序冗餘彈性配置，除提高系統相容性外亦可提升資源配置效率。