Wi-Fi 6：迎難而上，滿足當(dāng)今智慧工廠的升級(jí)需求

　　作者：u-blox短程通信產(chǎn)品中心市場(chǎng)經(jīng)理 Pelle Svensson

　　在智慧工廠中部署無(wú)線通信技術(shù)會(huì)顯得困難重重。本文將介紹 Wi-Fi 技術(shù)該如何發(fā)展進(jìn)步，以應(yīng)對(duì)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(jiǎn)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(shí)移。如果說(shuō)十年前的智慧工廠好比是一個(gè)空曠的廣場(chǎng)，那么當(dāng)今的智慧工廠則更像是熙熙攘攘的集市。場(chǎng)地雖然沒(méi)有變化，但整個(gè)背景環(huán)境已截然不同。當(dāng)今的無(wú)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(hào)。

　　幸運(yùn)的是，為了滿足市場(chǎng)日漸苛刻的需求，無(wú)線通信技術(shù)從未停下精進(jìn)的腳步，Wi-Fi 技術(shù)也不例外。這種無(wú)線技術(shù)承載著全球 45% 的 IP 流量和 60-80% 的無(wú)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(shì)，以及新的使用場(chǎng)景是怎樣推高對(duì)于 Wi-Fi 技術(shù)的要求的。[1]

　　Wi-Fi 技術(shù)迄今已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(gè)頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率雙雙提高。Wi-Fi 4 接入點(diǎn)向后兼容采用舊版 Wi-Fi 技術(shù)的設(shè)備，這極大地促進(jìn)了 Wi-Fi 技術(shù)的普及。

　　2013 年，Wi-Fi 5(即 IEEE 802.11ac)帶來(lái)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(dá)到 6.8 Gbps。

　　近期問(wèn)世的 Wi-Fi 6 則實(shí)現(xiàn)再度升級(jí)，全方位提高了性能，最為人稱道的優(yōu)勢(shì)莫過(guò)于能更有效地處理來(lái)自更多客戶端的更多流量，因此有時(shí)也稱為高效無(wú)線 (HEW)。

　　Wi-Fi 6 提供了多項(xiàng)富于創(chuàng)新的增強(qiáng)功能，以滿足當(dāng)今用戶的需求：高吞吐量(接近 10 Gbps)、可靠的遠(yuǎn)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(shì)

　　每個(gè)版本的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)景。復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景則對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步起到了推動(dòng)作用——不斷提出進(jìn)一步改進(jìn)要求，以滿足新興的無(wú)線通信需求，包括工業(yè)部署中常見(jiàn)的需求。

　　在工廠環(huán)境中，高可用性無(wú)比重要，一旦發(fā)生停工，就會(huì)直接造成收入損失。在擁擠的射頻環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)高可用性，需要具備出色的魯棒性來(lái)對(duì)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(shí)間并在每次通信后迅速釋放帶寬。確保可擴(kuò)展性——在不增加熱點(diǎn)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(lái)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(shí)間對(duì)于工業(yè)自動(dòng)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(dòng)設(shè)備不斷增加，從機(jī)器人到智能電動(dòng)工具不一而足，人們希望這些設(shè)備在移動(dòng)到不同的接入點(diǎn)覆蓋范圍之后可以迅速建立連接，而這就突顯了無(wú)縫漫游能力的重要性。此外，為了簡(jiǎn)化運(yùn)營(yíng)并降低成本，便捷的調(diào)試和維護(hù)也必不可少。

　　Wi-Fi 6 的優(yōu)勢(shì)

　　如果說(shuō) Wi-Fi 4 的亮點(diǎn)是“高吞吐量”，Wi-Fi 5 的亮點(diǎn)是“超高吞吐量”，那么最初于 2018 年發(fā)布的 Wi-Fi 6 的亮點(diǎn)就是“高效率”。吞吐量從 6.8 Gbps 提升到 9.6 Gbps 確實(shí)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(diǎn)在于能更高效地利用可用帶寬，讓每個(gè)接入點(diǎn)可以支持更多客戶端，而且不會(huì)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(guò)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(diǎn)可以靈活地同步滿足多個(gè)客戶端的資源需求。

　　MU-OFDMA 將固定數(shù)量的接入點(diǎn)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(diǎn)可以同時(shí)向多個(gè)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(gè)方向。

　　1024 正交幅度調(diào)制 (1024 QAM) 支持在每個(gè)符號(hào)中編碼更多信息。Wi-Fi 6 支持每個(gè)符號(hào)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(huì)產(chǎn)生干擾。

　　最后，目標(biāo)喚醒時(shí)間 (TWT) 有助于設(shè)備節(jié)省電池電量，有效延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)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(gè)客戶端處理多條數(shù)據(jù)流，而不是將帶寬劃分開(kāi)，為多個(gè)設(shè)備提供服務(wù)。

　　MU-OFDMA 支持同時(shí)與多個(gè)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(biāo)喚醒時(shí)間 (TWT)功能，接入點(diǎn)可以向設(shè)備發(fā)出切換至低功耗模式的指令，同時(shí)指定預(yù)設(shè)的喚醒時(shí)間。在允許的條件下盡可能增加休眠時(shí)間以顯著延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，這對(duì)于僅需要偶爾傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線傳感器十分有意義。

　　通過(guò) 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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (US FCC) 等監(jiān)管機(jī)構(gòu)開(kāi)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(dá)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(diǎn)和終端設(shè)備的標(biāo)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(zhēng)奪資源。

　　Wi-Fi 6 在當(dāng)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(wú)線連接技術(shù)，也是首選方案，此類環(huán)境中通常還會(huì)使用藍(lán)牙技術(shù)以及專有和非專有蜂窩通信技術(shù)，借此作為補(bǔ)充。由于前文所述的諸多新功能，Wi-Fi 6 的地位很可能會(huì)進(jìn)一步得到提升。

　　下圖展示了很有可能受益于 Wi-Fi 6 的增強(qiáng)功能集的使用場(chǎng)景。

　　工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)：無(wú)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(lái)監(jiān)測(cè)振動(dòng)和溫度，以便適時(shí)安排預(yù)測(cè)性維護(hù)。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(lán)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(biāo)喚醒時(shí)間 (TWT) 功能，從而盡可能延長(zhǎng)休眠時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)低功耗性能。這能降低支持 Wi-Fi 的傳感器對(duì)于電力的需求，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間并簡(jiǎn)化維護(hù)。與此同時(shí)，設(shè)備休眠時(shí)也會(huì)釋放其占用的頻譜，從而緩解頻譜擁堵問(wèn)題。

　　運(yùn)動(dòng)控制：考慮到 OFDMA 在延遲和服務(wù)質(zhì)量方面的改進(jìn)，Wi-Fi 6 在控制應(yīng)用領(lǐng)域的前景廣闊。與此同時(shí)，憑借低功耗特點(diǎn)與高度普及性，使得藍(lán)牙技術(shù)依然是設(shè)備配置使用場(chǎng)景中的理想選擇。

　　人機(jī)界面 (HMI)：Wi-Fi 6 接入點(diǎn)能妥善處理更高的設(shè)備密度，同時(shí)為每臺(tái)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(lái)了 Wi-Fi 6 的另一項(xiàng)應(yīng)用前景：支持簡(jiǎn)單易用、基于平板電腦的人機(jī)界面，從聯(lián)網(wǎng)機(jī)器設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，甚至能實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)人機(jī)界面。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)：對(duì)于當(dāng)今使用靜態(tài)或手持式圖形用戶界面的 HMI 而言，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是演進(jìn)過(guò)程中的必然目標(biāo)。不論使用平板電腦還是智能眼鏡作為媒介，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)都可以將實(shí)時(shí)信息、文檔或藍(lán)圖疊加顯示在平板電腦攝像頭捕捉到的畫(huà)面中，如果用戶使用智能眼鏡，甚至可直接將疊加后的畫(huà)面呈現(xiàn)在用戶眼前。借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，工程師即可直觀呈現(xiàn)其工業(yè)機(jī)床的內(nèi)部工作原理，同步實(shí)現(xiàn)問(wèn)題評(píng)估，而不必為此而中斷生產(chǎn)過(guò)程。

　　Mesh 網(wǎng)絡(luò)：Mesh 技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的使用場(chǎng)景多種多樣，包括集中控制整個(gè)廠房?jī)?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(lán)牙依然是數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間傳輸以及傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)的首選無(wú)線技術(shù)，而 Wi-Fi 更適合從網(wǎng)關(guān)到企業(yè)級(jí)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(jìn)一步普及，仍然有待觀察。

　　適合互聯(lián)工廠的其他 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)

　　縱觀幾乎所有指標(biāo)，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(chǎng)景，例如工廠管理者可通過(guò)使用 Wi-Fi 4技術(shù)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)和降低成本。

　　Wi-Fi 6 正在新興的小眾市場(chǎng)中開(kāi)疆拓土，而 Wi-Fi 7 已經(jīng)走進(jìn)了我們的視野，這一預(yù)計(jì)將在 2024 年后發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)讓性能得到進(jìn)一步提升。根據(jù)推動(dòng) Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的 IEEE 與 Wi-Fi 聯(lián)盟的說(shuō)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(dá) 320 MHz)和更高的 QAM 調(diào)制階數(shù)，新標(biāo)準(zhǔn)會(huì)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(shì)頭迅猛，目前他們將繼續(xù)依靠多種無(wú)線通信技術(shù)以實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充，包括 Wi-Fi、藍(lán)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(xiàng)技術(shù)在智慧工廠中可能會(huì)得到更廣泛的利用。Wi-Fi 聯(lián)盟堅(jiān)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(jiàn)，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(chǎng)景需求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 5G and Wi-Fi 6: Stronger together, Senza Fili Tech Brief, Monica Paolini, 2021