作者：u-blox短程通信產(chǎn)品中心市場經(jīng)理 Pelle Svensson
在智慧工廠中部署無線通信技術(shù)會顯得困難重重。本文將介紹 Wi-Fi 技術(shù)該如何發(fā)展進步，以應(yīng)對層出不窮的新挑戰(zhàn)。
互聯(lián)工廠部署 Wi-Fi 技術(shù)的初衷十分簡單：讓一些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)信息上的相互打通。然而，世易時移。如果說十年前的智慧工廠好比是一個空曠的廣場，那么當今的智慧工廠則更像是熙熙攘攘的集市。場地雖然沒有變化，但整個背景環(huán)境已截然不同。當今的無線電波紛繁雜亂，仿若在嘈雜的集市，設(shè)備必須竭盡全力才能保證成功傳輸自己的通信信號。
幸運的是，為了滿足市場日漸苛刻的需求，無線通信技術(shù)從未停下精進的腳步，Wi-Fi 技術(shù)也不例外。這種無線技術(shù)承載著全球 45% 的 IP 流量和 60-80% 的無線通信流量。在本文中，我們將探索工廠數(shù)字化的發(fā)展趨勢，以及新的使用場景是怎樣推高對于 Wi-Fi 技術(shù)的要求的。[1]
Wi-Fi 技術(shù)迄今已取得了長足的進步，就在 20 年前，其最高速度還只有區(qū)區(qū) 54 Mbps。2009 年，Wi-Fi 4(以前稱為 IEEE 802.11n)采用了 IEEE 802.11a 中引入的 5 GHz 頻段，在數(shù)據(jù)吞吐量方面取得了巨大飛躍，將 5 GHz 和 2.4 GHz 兩個頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率雙雙提高。Wi-Fi 4 接入點向后兼容采用舊版 Wi-Fi 技術(shù)的設(shè)備，這極大地促進了 Wi-Fi 技術(shù)的普及。 2013 年，Wi-Fi 5(即 IEEE 802.11ac)帶來了又一次性能飛躍，這一新技術(shù)僅支持 5 GHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達到 6.8 Gbps。 近期問世的 Wi-Fi 6 則實現(xiàn)再度升級，全方位提高了性能，最為人稱道的優(yōu)勢莫過于能更有效地處理來自更多客戶端的更多流量，因此有時也稱為高效無線 (HEW)。
Wi-Fi 6 提供了多項富于創(chuàng)新的增強功能，以滿足當今用戶的需求：高吞吐量(接近 10 Gbps)、可靠的遠距離通信性能、低延遲、降低更多的功耗、可共存和快速切換。
Wi-Fi 技術(shù)趨勢
每個版本的 Wi-Fi 標準都將性能提升到新高度，這讓 Wi-Fi 技術(shù)逐漸走入更加復(fù)雜、苛刻的使用場景。復(fù)雜的應(yīng)用場景則對該標準的進步起到了推動作用——不斷提出進一步改進要求，以滿足新興的無線通信需求，包括工業(yè)部署中常見的需求。
在工廠環(huán)境中，高可用性無比重要，一旦發(fā)生停工，就會直接造成收入損失。在擁擠的射頻環(huán)境中，要實現(xiàn)高可用性，需要具備出色的魯棒性來對抗其他設(shè)備的干擾，還要保持高吞吐量以支持縮短數(shù)據(jù)傳輸時間并在每次通信后迅速釋放帶寬。確?？蓴U展性——在不增加熱點的前提下讓更多客戶端具備接入網(wǎng)絡(luò)的能力，考慮到越來越多的設(shè)備使用 Wi-Fi 連接，這一特性就顯得十分重要。
快速響應(yīng)時間對于工業(yè)自動化系統(tǒng)(比如用于編排復(fù)雜產(chǎn)線流程的系統(tǒng))意義非凡。聯(lián)網(wǎng)的移動設(shè)備不斷增加，從機器人到智能電動工具不一而足，人們希望這些設(shè)備在移動到不同的接入點覆蓋范圍之后可以迅速建立連接，而這就突顯了無縫漫游能力的重要性。此外，為了簡化運營并降低成本，便捷的調(diào)試和維護也必不可少。
Wi-Fi 6 的優(yōu)勢
如果說 Wi-Fi 4 的亮點是“高吞吐量”，Wi-Fi 5 的亮點是“超高吞吐量”，那么最初于 2018 年發(fā)布的 Wi-Fi 6 的亮點就是“高效率”。吞吐量從 6.8 Gbps 提升到 9.6 Gbps 確實不如先前那種數(shù)倍的提升那樣引人側(cè)目，但 Wi-Fi 6 真正的閃光點在于能更高效地利用可用帶寬，讓每個接入點可以支持更多客戶端，而且不會降低網(wǎng)絡(luò)性能。
有效處理更多客戶端的關(guān)鍵在于一系列技術(shù)創(chuàng)新： 多用戶正交頻分多址 (MU-OFDMA) 技術(shù)通過分片和分塊的方式，將可用帶寬劃分成不同大小的資源單元，從而讓接入點可以靈活地同步滿足多個客戶端的資源需求。
MU-OFDMA 將固定數(shù)量的接入點能處理的客戶端數(shù)量增加了四倍。 多用戶多輸入多輸出 (MU-MIMO) 使得接入點可以同時向多個客戶端發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流——包括上行鏈路和下行鏈路兩個方向。 1024 正交幅度調(diào)制 (1024 QAM) 支持在每個符號中編碼更多信息。Wi-Fi 6 支持每個符號位傳輸 10 bit數(shù)據(jù)，相較于使用 256 QAM 的 Wi-Fi 5，吞吐量提高了 25%。 而 BSS Coloring技術(shù)有助于確保不同“顏色”的通道彼此之間不會產(chǎn)生干擾。 最后，目標喚醒時間 (TWT) 有助于設(shè)備節(jié)省電池電量，有效延長續(xù)航時間。
支持提高客戶端密度的技術(shù)也能提高吞吐量。MIMO 能將帶寬聚合在一起，可專門為一個客戶端處理多條數(shù)據(jù)流，而不是將帶寬劃分開，為多個設(shè)備提供服務(wù)。
MU-OFDMA支持同時與多個客戶端之間收發(fā)數(shù)據(jù)，有助緩解高密度網(wǎng)絡(luò)中的一大痼疾——擁堵，從而在盡可能縮短延遲的情況下保障數(shù)據(jù)傳輸。
借助全新的目標喚醒時間 (TWT)功能，接入點可以向設(shè)備發(fā)出切換至低功耗模式的指令，同時指定預(yù)設(shè)的喚醒時間。在允許的條件下盡可能增加休眠時間以顯著延長電池續(xù)航時間，這對于僅需要偶爾傳輸數(shù)據(jù)的無線傳感器十分有意義。
通過 Wi-Fi 6E 利用 6 GHz 頻譜
可用頻譜是制約 Wi-Fi 通信的主要資源，為了緩解這一資源稀缺所造成的限制，美國聯(lián)邦通信委員會 (US FCC) 等監(jiān)管機構(gòu)開放了 6 GHz 頻段，可供免許可 Wi-Fi 通信使用，在某些情況下，這一新頻段提供的頻譜數(shù)量可達到先前 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段提供的頻譜總量的一倍多?？墒褂?1200 MHz 新頻譜的接入點和終端設(shè)備的標簽將注明 Wi-Fi 6E 的字樣。
6 GHz 頻段的利好包括：靠近已經(jīng)廣泛應(yīng)用的 5 GHz 頻段，擁有大量不重疊的通道，并且可提供多種通道大小。此外，新頻譜基本上尚未得到利用，設(shè)備將不必與波段中擁擠的傳統(tǒng)客戶端爭奪資源。
Wi-Fi 6 在當今智慧工廠中的應(yīng)用前景
Wi-Fi 已成為智慧工廠的主流無線連接技術(shù)，也是首選方案，此類環(huán)境中通常還會使用藍牙技術(shù)以及專有和非專有蜂窩通信技術(shù)，借此作為補充。由于前文所述的諸多新功能，Wi-Fi 6 的地位很可能會進一步得到提升。
下圖展示了很有可能受益于 Wi-Fi 6 的增強功能集的使用場景。
工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)：無線互聯(lián)傳感器在工業(yè)環(huán)境中已得到廣泛應(yīng)用，比如用來監(jiān)測振動和溫度，以便適時安排預(yù)測性維護。這些傳感器目前通常都依靠功耗優(yōu)化型通信協(xié)議，如藍牙低功耗或 IEEE 801.15.4 協(xié)議。
Wi-Fi 6 讓設(shè)備可以使用新的目標喚醒時間 (TWT) 功能，從而盡可能延長休眠時間，最終實現(xiàn)低功耗性能。這能降低支持 Wi-Fi 的傳感器對于電力的需求，延長續(xù)航時間并簡化維護。與此同時，設(shè)備休眠時也會釋放其占用的頻譜，從而緩解頻譜擁堵問題。
運動控制：考慮到 OFDMA 在延遲和服務(wù)質(zhì)量方面的改進，Wi-Fi 6 在控制應(yīng)用領(lǐng)域的前景廣闊。與此同時，憑借低功耗特點與高度普及性，使得藍牙技術(shù)依然是設(shè)備配置使用場景中的理想選擇。
人機界面 (HMI)：Wi-Fi 6 接入點能妥善處理更高的設(shè)備密度，同時為每臺設(shè)備提供穩(wěn)定且良好的吞吐量，再加上低延遲特性的加持，這就帶來了 Wi-Fi 6 的另一項應(yīng)用前景：支持簡單易用、基于平板電腦的人機界面，從聯(lián)網(wǎng)機器設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，甚至能實現(xiàn)更為先進的增強現(xiàn)實人機界面。
增強現(xiàn)實 (AR)：對于當今使用靜態(tài)或手持式圖形用戶界面的 HMI 而言，增強現(xiàn)實是演進過程中的必然目標。不論使用平板電腦還是智能眼鏡作為媒介，增強現(xiàn)實技術(shù)都可以將實時信息、文檔或藍圖疊加顯示在平板電腦攝像頭捕捉到的畫面中，如果用戶使用智能眼鏡，甚至可直接將疊加后的畫面呈現(xiàn)在用戶眼前。借助增強現(xiàn)實技術(shù)，工程師即可直觀呈現(xiàn)其工業(yè)機床的內(nèi)部工作原理，同步實現(xiàn)問題評估，而不必為此而中斷生產(chǎn)過程。
Mesh 網(wǎng)絡(luò)：Mesh 技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的使用場景多種多樣，包括集中控制整個廠房內(nèi)的智能燈具，以及從分布式傳感器收集數(shù)據(jù)以便在云端處理。就目前而言，藍牙依然是數(shù)據(jù)在節(jié)點之間傳輸以及傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)的首選無線技術(shù)，而 Wi-Fi 更適合從網(wǎng)關(guān)到企業(yè)級云環(huán)境的“最后一英里”傳輸。至于 Wi-Fi 6 的低功耗特性能否為 Wi-Fi Mesh 解決方案鋪平道路，使其在工業(yè)領(lǐng)域進一步普及，仍然有待觀察。
適合互聯(lián)工廠的其他 Wi-Fi 標準
縱觀幾乎所有指標，Wi-Fi 6 都優(yōu)于 Wi-Fi 4，但Wi-Fi 4仍然足以勝任許多應(yīng)用場景，例如工廠管理者可通過使用 Wi-Fi 4技術(shù)簡化開發(fā)和降低成本。
Wi-Fi 6 正在新興的小眾市場中開疆拓土，而 Wi-Fi 7 已經(jīng)走進了我們的視野，這一預(yù)計將在 2024 年后發(fā)布的標準會讓性能得到進一步提升。根據(jù)推動 Wi-Fi 標準發(fā)展的 IEEE 與 Wi-Fi 聯(lián)盟的說法，Wi-Fi 7 將著重關(guān)注視頻性能優(yōu)化，包括確定性延遲、高可靠性和服務(wù)質(zhì)量。此外，由于信道加寬(高達 320 MHz)和更高的 QAM 調(diào)制階數(shù)，新標準會將吞吐量提升三倍 (30Gbps)。
Wi-Fi：不懈創(chuàng)新，迎合需求
智慧工廠發(fā)展勢頭迅猛，目前他們將繼續(xù)依靠多種無線通信技術(shù)以實現(xiàn)相互補充，包括 Wi-Fi、藍牙、4G LTE、5G 等。考慮到 Wi-Fi 6 提供了多方面的新特性，包括更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲、更低的功耗、更高的網(wǎng)絡(luò)容量和更大的覆蓋范圍，因此這項技術(shù)在智慧工廠中可能會得到更廣泛的利用。Wi-Fi 聯(lián)盟堅持與工業(yè)界密切溝通，因此能夠很好地迎合該行業(yè)的需求，我們可以預(yù)見，在Wi-Fi 技術(shù)上業(yè)界將不懈創(chuàng)新，以滿足層出不窮的新興工業(yè)場景需求。
參考文獻：
[1]5G and Wi-Fi 6: Stronger together, Senza Fili Tech Brief, Monica Paolini, 2021
（免責聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。
任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。 ）
