作者：u-blox短程通信产品中心市场经理 Pelle Svensson
在智慧工厂中部署无线通信技术会显得困难重重。本文将介绍 Wi-Fi 技术该如何发展进步，以应对层出不穷的新挑战。
互联工厂部署 Wi-Fi 技术的初衷十分简单：让一些设备能够实现信息上的相互打通。然而，世易时移。如果说十年前的智慧工厂好比是一个空旷的广场，那么当今的智慧工厂则更像是熙熙攘攘的集市。场地虽然没有变化，但整个背景环境已截然不同。当今的无线电波纷繁杂乱，仿若在嘈杂的集市，设备必须竭尽全力才能保证成功传输自己的通信信号。
幸运的是，为了满足市场日渐苛刻的需求，无线通信技术从未停下精进的脚步，Wi-Fi 技术也不例外。这种无线技术承载着全球 45% 的 IP 流量和 60-80% 的无线通信流量。在本文中，我们将探索工厂数字化的发展趋势，以及新的使用场景是怎样推高对于 Wi-Fi 技术的要求的。[1]
Wi-Fi 技术迄今已取得了长足的进步，就在 20 年前，其最高速度还只有区区 54 Mbps。2009 年，Wi-Fi 4(以前称为 IEEE 802.11n)采用了 IEEE 802.11a 中引入的 5 GHz 频段，在数据吞吐量方面取得了巨大飞跃，将 5 GHz 和 2.4 GHz 两个频段的数据传输速率双双提高。Wi-Fi 4 接入点向后兼容采用旧版 Wi-Fi 技术的设备，这极大地促进了 Wi-Fi 技术的普及。 2013 年，Wi-Fi 5(即 IEEE 802.11ac)带来了又一次性能飞跃，这一新技术仅支持 5 GHz 频段，数据传输速率最高可达到 6.8 Gbps。 近期问世的 Wi-Fi 6 则实现再度升级，全方位提高了性能，最为人称道的优势莫过于能更有效地处理来自更多客户端的更多流量，因此有时也称为高效无线 (HEW)。
Wi-Fi 6 提供了多项富于创新的增强功能，以满足当今用户的需求：高吞吐量(接近 10 Gbps)、可靠的远距离通信性能、低延迟、降低更多的功耗、可共存和快速切换。
Wi-Fi 技术趋势
每个版本的 Wi-Fi 标准都将性能提升到新高度，这让 Wi-Fi 技术逐渐走入更加复杂、苛刻的使用场景。复杂的应用场景则对该标准的进步起到了推动作用——不断提出进一步改进要求，以满足新兴的无线通信需求，包括工业部署中常见的需求。
在工厂环境中，高可用性无比重要，一旦发生停工，就会直接造成收入损失。在拥挤的射频环境中，要实现高可用性，需要具备出色的鲁棒性来对抗其他设备的干扰，还要保持高吞吐量以支持缩短数据传输时间并在每次通信后迅速释放带宽。确保可扩展性——在不增加热点的前提下让更多客户端具备接入网络的能力，考虑到越来越多的设备使用 Wi-Fi 连接，这一特性就显得十分重要。
快速响应时间对于工业自动化系统(比如用于编排复杂产线流程的系统)意义非凡。联网的移动设备不断增加，从机器人到智能电动工具不一而足，人们希望这些设备在移动到不同的接入点覆盖范围之后可以迅速建立连接，而这就突显了无缝漫游能力的重要性。此外，为了简化运营并降低成本，便捷的调试和维护也必不可少。
Wi-Fi 6 的优势
如果说 Wi-Fi 4 的亮点是“高吞吐量”，Wi-Fi 5 的亮点是“超高吞吐量”，那么最初于 2018 年发布的 Wi-Fi 6 的亮点就是“高效率”。吞吐量从 6.8 Gbps 提升到 9.6 Gbps 确实不如先前那种数倍的提升那样引人侧目，但 Wi-Fi 6 真正的闪光点在于能更高效地利用可用带宽，让每个接入点可以支持更多客户端，而且不会降低网络性能。
有效处理更多客户端的关键在于一系列技术创新： 多用户正交频分多址 (MU-OFDMA) 技术通过分片和分块的方式，将可用带宽划分成不同大小的资源单元，从而让接入点可以灵活地同步满足多个客户端的资源需求。
MU-OFDMA 将固定数量的接入点能处理的客户端数量增加了四倍。 多用户多输入多输出 (MU-MIMO) 使得接入点可以同时向多个客户端发送不同的数据流——包括上行链路和下行链路两个方向。 1024 正交幅度调制 (1024 QAM) 支持在每个符号中编码更多信息。Wi-Fi 6 支持每个符号位传输 10 bit数据，相较于使用 256 QAM 的 Wi-Fi 5，吞吐量提高了 25%。 而 BSS Coloring技术有助于确保不同“颜色”的通道彼此之间不会产生干扰。 最后，目标唤醒时间 (TWT) 有助于设备节省电池电量，有效延长续航时间。
支持提高客户端密度的技术也能提高吞吐量。MIMO 能将带宽聚合在一起，可专门为一个客户端处理多条数据流，而不是将带宽划分开，为多个设备提供服务。
MU-OFDMA支持同时与多个客户端之间收发数据，有助缓解高密度网络中的一大痼疾——拥堵，从而在尽可能缩短延迟的情况下保障数据传输。
借助全新的目标唤醒时间 (TWT)功能，接入点可以向设备发出切换至低功耗模式的指令，同时指定预设的唤醒时间。在允许的条件下尽可能增加休眠时间以显著延长电池续航时间，这对于仅需要偶尔传输数据的无线传感器十分有意义。
通过 Wi-Fi 6E 利用 6 GHz 频谱
可用频谱是制约 Wi-Fi 通信的主要资源，为了缓解这一资源稀缺所造成的限制，美国联邦通信委员会 (US FCC) 等监管机构开放了 6 GHz 频段，可供免许可 Wi-Fi 通信使用，在某些情况下，这一新频段提供的频谱数量可达到先前 2.4 GHz 和 5 GHz 频段提供的频谱总量的一倍多。可使用 1200 MHz 新频谱的接入点和终端设备的标签将注明 Wi-Fi 6E 的字样。
6 GHz 频段的利好包括：靠近已经广泛应用的 5 GHz 频段，拥有大量不重叠的通道，并且可提供多种通道大小。此外，新频谱基本上尚未得到利用，设备将不必与波段中拥挤的传统客户端争夺资源。
Wi-Fi 6 在当今智慧工厂中的应用前景
Wi-Fi 已成为智慧工厂的主流无线连接技术，也是首选方案，此类环境中通常还会使用蓝牙技术以及专有和非专有蜂窝通信技术，借此作为补充。由于前文所述的诸多新功能，Wi-Fi 6 的地位很可能会进一步得到提升。
下图展示了很有可能受益于 Wi-Fi 6 的增强功能集的使用场景。
工业传感器网络：无线互联传感器在工业环境中已得到广泛应用，比如用来监测振动和温度，以便适时安排预测性维护。这些传感器目前通常都依靠功耗优化型通信协议，如蓝牙低功耗或 IEEE 801.15.4 协议。
Wi-Fi 6 让设备可以使用新的目标唤醒时间 (TWT) 功能，从而尽可能延长休眠时间，最终实现低功耗性能。这能降低支持 Wi-Fi 的传感器对于电力的需求，延长续航时间并简化维护。与此同时，设备休眠时也会释放其占用的频谱，从而缓解频谱拥堵问题。
运动控制：考虑到 OFDMA 在延迟和服务质量方面的改进，Wi-Fi 6 在控制应用领域的前景广阔。与此同时，凭借低功耗特点与高度普及性，使得蓝牙技术依然是设备配置使用场景中的理想选择。
人机界面 (HMI)：Wi-Fi 6 接入点能妥善处理更高的设备密度，同时为每台设备提供稳定且良好的吞吐量，再加上低延迟特性的加持，这就带来了 Wi-Fi 6 的另一项应用前景：支持简单易用、基于平板电脑的人机界面，从联网机器设备中读取数据，甚至能实现更为先进的增强现实人机界面。
增强现实 (AR)：对于当今使用静态或手持式图形用户界面的 HMI 而言，增强现实是演进过程中的必然目标。不论使用平板电脑还是智能眼镜作为媒介，增强现实技术都可以将实时信息、文档或蓝图叠加显示在平板电脑摄像头捕捉到的画面中，如果用户使用智能眼镜，甚至可直接将叠加后的画面呈现在用户眼前。借助增强现实技术，工程师即可直观呈现其工业机床的内部工作原理，同步实现问题评估，而不必为此而中断生产过程。
Mesh 网络：Mesh 技术在工业环境中的使用场景多种多样，包括集中控制整个厂房内的智能灯具，以及从分布式传感器收集数据以便在云端处理。就目前而言，蓝牙依然是数据在节点之间传输以及传输到网关的首选无线技术，而 Wi-Fi 更适合从网关到企业级云环境的“最后一英里”传输。至于 Wi-Fi 6 的低功耗特性能否为 Wi-Fi Mesh 解决方案铺平道路，使其在工业领域进一步普及，仍然有待观察。
适合互联工厂的其他 Wi-Fi 标准
纵观几乎所有指标，Wi-Fi 6 都优于 Wi-Fi 4，但Wi-Fi 4仍然足以胜任许多应用场景，例如工厂管理者可通过使用 Wi-Fi 4技术简化开发和降低成本。
Wi-Fi 6 正在新兴的小众市场中开疆拓土，而 Wi-Fi 7 已经走进了我们的视野，这一预计将在 2024 年后发布的标准会让性能得到进一步提升。根据推动 Wi-Fi 标准发展的 IEEE 与 Wi-Fi 联盟的说法，Wi-Fi 7 将着重关注视频性能优化，包括确定性延迟、高可靠性和服务质量。此外，由于信道加宽(高达 320 MHz)和更高的 QAM 调制阶数，新标准会将吞吐量提升三倍 (30Gbps)。
Wi-Fi：不懈创新，迎合需求
智慧工厂发展势头迅猛，目前他们将继续依靠多种无线通信技术以实现相互补充，包括 Wi-Fi、蓝牙、4G LTE、5G 等。考虑到 Wi-Fi 6 提供了多方面的新特性，包括更高的数据传输速率、更低的延迟、更低的功耗、更高的网络容量和更大的覆盖范围，因此这项技术在智慧工厂中可能会得到更广泛的利用。Wi-Fi 联盟坚持与工业界密切沟通，因此能够很好地迎合该行业的需求，我们可以预见，在Wi-Fi 技术上业界将不懈创新，以满足层出不穷的新兴工业场景需求。
参考文献：
[1]5G and Wi-Fi 6: Stronger together, Senza Fili Tech Brief, Monica Paolini, 2021
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