作者：u-blox短程通信產品中心市場經理 Pelle Svensson
在智慧工廠中部署無線通信技術會顯得困難重重。本文將介紹 Wi-Fi 技術該如何發展進步，以應對層出不窮的新挑戰。
互聯工廠部署 Wi-Fi 技術的初衷十分簡單：讓一些設備能夠實現信息上的相互打通。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，無線通信技術從未停下精進的腳步，Wi-Fi 技術也不例外。這種無線技術承載著全球 45% 的 IP 流量和 60-80% 的無線通信流量。在本文中，我們將探索工廠數字化的發展趨勢，以及新的使用場景是怎樣推高對于 Wi-Fi 技術的要求的。[1]
Wi-Fi 技術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區 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，在數據吞吐量方面取得了巨大飛躍，將 5 GHz 和 2.4 GHz 兩個頻段的數據傳輸速率雙雙提高。Wi-Fi 4 接入點向后兼容采用舊版 Wi-Fi 技術的設備，這極大地促進了 Wi-Fi 技術的普及。2013 年，Wi-Fi 5（即 IEEE 802.11ac）帶來了又一次性能飛躍，這一新技術僅支持 5 GHz 頻段，數據傳輸速率最高可達到 6.8 Gbps。近期問世的 Wi-Fi 6 則實現再度升級，全方位提高了性能，最為人稱道的優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 技術逐漸走入更加復雜、苛刻的使用場景。復雜的應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，包括工業部署中常見的需求。
在工廠環境中，高可用性無比重要，一旦發生停工，就會直接造成收入損失。在擁擠的射頻環境中，要實現高可用性，需要具備出色的魯棒性來對抗其他設備的干擾，還要保持高吞吐量以支持縮短數據傳輸時間并在每次通信后迅速釋放帶寬。確保可擴展性——在不增加熱點的前提下讓更多客戶端具備接入網絡的能力，考慮到越來越多的設備使用 Wi-Fi 連接，這一特性就顯得十分重要。
快速響應時間對于工業自動化系統（比如用于編排復雜產線流程的系統）意義非凡。聯網的移動設備不斷增加，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，便捷的調試和維護也必不可少。
Wi-Fi 6 的優勢
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倍的提升那樣引人側目，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，而且不會降低網絡性能。
有效處理更多客戶端的關鍵在于一系列技術創新：
多用戶正交頻分多址 (MU-OFDMA) 技術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 將固定數量的接入點能處理的客戶端數量增加了四倍。
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送不同的數據流——包括上行鏈路和下行鏈路兩個方向。1024 正交幅度調制 (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數據，相較于使用 256 QAM 的 Wi-Fi 5，吞吐量提高了 25%。而 BSS Coloring技術有助于確保不同“顏色”的通道彼此之間不會產生干擾。最后，目標喚醒時間 (TWT) 有助于設備節省電池電量，有效延長續航時間。
支持提高客戶端密度的技術也能提高吞吐量。MIMO 能將帶寬聚合在一起，可專門為一個客戶端處理多條數據流，而不是將帶寬劃分開，為多個設備提供服務。
MU-OFDMA 支持同時與多個客戶端之間收發數據，有助緩解高密度網絡中的一大痼疾——擁堵，從而在盡可能縮短延遲的情況下保障數據傳輸。
借助全新的目標喚醒時間 (TWT)功能，接入點可以向設備發出切換至低功耗模式的指令，同時指定預設的喚醒時間。在允許的條件下盡可能增加休眠時間以顯著延長電池續航時間，這對于僅需要偶爾傳輸數據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，美國聯邦通信委員會 (US FCC) 等監管機構開放了 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。可使用 1200 MHz 新頻譜的接入點和終端設備的標簽將注明 Wi-Fi 6E 的字樣。
6 GHz 頻段的利好包括：靠近已經廣泛應用的 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，設備將不必與波段中擁擠的傳統客戶端爭奪資源。
Wi-Fi 6 在當今智慧工廠中的應用前景
Wi-Fi 已成為智慧工廠的主流無線連接技術，也是首選方案，此類環境中通常還會使用藍牙技術以及專有和非專有蜂窩通信技術，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。
工業傳感器網絡：無線互聯傳感器在工業環境中已得到廣泛應用，比如用來監測振動和溫度，以便適時安排預測性維護。這些傳感器目前通常都依靠功耗優化型通信協議，如藍牙低功耗或 IEEE 801.15.4 協議。
Wi-Fi 6 讓設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，延長續航時間并簡化維護。與此同時，設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 在延遲和服務質量方面的改進，Wi-Fi 6 在控制應用領域的前景廣闊。與此同時，憑借低功耗特點與高度普及性，使得藍牙技術依然是設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備密度，同時為每臺設備提供穩定且良好的吞吐量，再加上低延遲特性的加持，這就帶來了 Wi-Fi 6 的另一項應用前景：支持簡單易用、基于平板電腦的人機界面，從聯網機器設備中讀取數據，甚至能實現更為先進的增強現實人機界面。
增強現實 (AR)：對于當今使用靜態或手持式圖形用戶界面的 HMI 而言，增強現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，增強現實技術都可以將實時信息、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在用戶眼前。借助增強現實技術，工程師即可直觀呈現其工業機床的內部工作原理，同步實現問題評估，而不必為此而中斷生產過程。
Mesh 網絡：Mesh 技術在工業環境中的使用場景多種多樣，包括集中控制整個廠房內的智能燈具，以及從分布式傳感器收集數據以便在云端處理。就目前而言，藍牙依然是數據在節點之間傳輸以及傳輸到網關的首選無線技術，而 Wi-Fi 更適合從網關到企業級云環境的“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，使其在工業領域進一步普及，仍然有待觀察。
適合互聯工廠的其他 Wi-Fi 標準
縱觀幾乎所有指標，Wi-Fi 6 都優于 Wi-Fi 4，但Wi-Fi 4仍然足以勝任許多應用場景，例如工廠管理者可通過使用 Wi-Fi 4技術簡化開發和降低成本。
Wi-Fi 6 正在新興的小眾市場中開疆拓土，而 Wi-Fi 7 已經走進了我們的視野，這一預計將在 2024 年后發布的標準會讓性能得到進一步提升。根據推動 Wi-Fi 標準發展的 IEEE 與 Wi-Fi 聯盟的說法，Wi-Fi 7 將著重關注視頻性能優化，包括確定性延遲、高可靠性和服務質量。此外，由于信道加寬（高達 320 MHz）和更高的 QAM 調制階數，新標準會將吞吐量提升三倍 (30Gbps)。
Wi-Fi：不懈創新，迎合需求
智慧工廠發展勢頭迅猛，目前他們將繼續依靠多種無線通信技術以實現相互補充，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，包括更高的數據傳輸速率、更低的延遲、更低的功耗、更高的網絡容量和更大的覆蓋范圍，因此這項技術在智慧工廠中可能會得到更廣泛的利用。Wi-Fi 聯盟堅持與工業界密切溝通，因此能夠很好地迎合該行業的需求，我們可以預見，在Wi-Fi 技術上業界將不懈創新，以滿足層出不窮的新興工業場景需求。
參考文獻：
[1] 5G and Wi-Fi 6: Stronger together, Senza Fili Tech Brief, Monica Paolini, 2021
